李 蕾 雷光倫 魏曉冬 王洪勝

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

曲堤油田注入水污染原因及改善措施研究

李 蕾 雷光倫 魏曉冬 王洪勝

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

針對(duì)勝利濟(jì)北公司曲堤油田注入水沿程污染嚴(yán)重的問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)測(cè)定了沿程水質(zhì)變化情況,探究影響水質(zhì)因素,提出改善工藝措施并測(cè)定改善效果。結(jié)果表明,沿程水質(zhì)的影響因素主要是腐蝕產(chǎn)生的鐵離子、微生物,以及結(jié)垢等;采用的改善措施主要包括優(yōu)化水處理工藝,采用有效除鐵的預(yù)氧化除鐵技術(shù)與懸浮污泥過(guò)濾技術(shù),改用玻璃鋼水管,加入質(zhì)量濃度為5～10 mg/L的羥基亞乙基二膦酸(HEDP)阻垢劑等措施,達(dá)到改善曲堤油田沿程水質(zhì)的效果。

曲堤油田 水質(zhì)處理 腐蝕 結(jié)垢 沿程污染

注入水質(zhì)穩(wěn)定是保證油田正常注水的前提,在注水過(guò)程中,由于管線(xiàn)的細(xì)菌生長(zhǎng)和腐蝕,會(huì)使注入水質(zhì)發(fā)生變化,水處理站處理合格的污水到注水井口變?yōu)椴缓细?影響油田的有效注水。通過(guò)分析水處理站處理前后和各注水管線(xiàn)沿程水中懸浮固體顆粒含量、懸浮固體粒徑中值、H2S、溶解氧、腐蝕率、鐵、SRB菌、鐵細(xì)菌、腐生菌等,分析尋找水質(zhì)變化原因,探究改善水質(zhì)的工藝措施,以解決目前注入水質(zhì)不穩(wěn)定和污染嚴(yán)重的問(wèn)題。

1 污水處理和水質(zhì)現(xiàn)狀

曲堤油田濟(jì)北聯(lián)合站于1995年建成投產(chǎn),2008年進(jìn)行改造,采用重力沉降流程,設(shè)計(jì)處理能力6 000 m3/d,目前處理液量4 000 m3/d,處理污水量3 300 m3/d,水處理流程見(jiàn)圖1。

污水由濟(jì)北污水站處理后,輸送至各個(gè)配水間,分配至各單井管線(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)反映,污水輸送至Q9配水間,水質(zhì)明顯惡化。選擇濟(jì)北聯(lián)合站至曲9-111區(qū)塊下轄的11口注水井作為水質(zhì)治理的研究線(xiàn)路,找出水質(zhì)惡化原因,以采取相應(yīng)對(duì)策,保障水質(zhì)穩(wěn)定。濟(jì)北聯(lián)合站污水回注流程如圖2所示。

分析處理工藝過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)水質(zhì),從注水站、Q9配水間、Q9-119井沿程取樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè),研究水質(zhì)變化情況和規(guī)律,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。沿程水質(zhì)對(duì)比情況如圖3,圖4所示。

表1 濟(jì)北沿程水質(zhì)情況Table 1 Water quality along Jibei sewage reinjection line

從表1、圖3、圖4的水質(zhì)對(duì)比情況可以看出,經(jīng)污水處理流程,在過(guò)濾器過(guò)濾后,主要水質(zhì)指標(biāo),即:油含量、腐蝕速度、硫酸鹽還原菌(SRB-Sulfate Reducing Bacteria)、腐生菌(TGB-Total Growth Bactericide)、鐵細(xì)菌(FB-Fe Bacteria)都達(dá)A3以上標(biāo)準(zhǔn),懸浮物含量達(dá)B3以上標(biāo)準(zhǔn),適合于滲透率為100×10-3～600×10-3μm2及以上的中高滲油田注水。但是,在從濾后到井口的過(guò)程中,懸浮物、SRB、TGB、FB等含量在沿程突增,嚴(yán)重影響注入水水質(zhì)。

2 水質(zhì)變差原因研究

經(jīng)過(guò)對(duì)沿程水質(zhì)進(jìn)行分析,影響水質(zhì)的主要因素有Fe2+、沿程微生物、腐蝕和結(jié)垢3大部分,下面對(duì)每種因素進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 Fe2+對(duì)水質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)

濟(jì)北污水還原性物質(zhì)主要為Fe2+,屬高含鐵污水,來(lái)水鐵離子含量高,ρ(總鐵)為9.98 mg/L;尤其Fe2+濃度較高,ρ(Fe2+)為7.38 mg/L。鐵離子主要來(lái)自地層,沿程細(xì)菌繁殖、管線(xiàn)腐蝕等也產(chǎn)生部分鐵離子,造成沿程鐵離子含量增加。Fe2+通過(guò)氧化為Fe3+,在微堿的條件下聚合生成絮凝沉淀,反應(yīng)過(guò)程如下。

為探究Fe2+對(duì)水質(zhì)影響,對(duì)污水進(jìn)行脫氧處理,再分別加入不同劑量的FeCl2,使水中Fe2+濃度控制在一定范圍內(nèi),通過(guò)投加除氧劑來(lái)形成不同濃度的溶解氧。測(cè)試不同F(xiàn)e2+濃度、不同溶解氧濃度條件下水中懸浮固體含量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同溶解氧濃度、Fe2+濃度下的懸浮物含量Table 2 Suspended solids content under different dissolved oxygen concentration or Fe2+content

由表2可見(jiàn),在溶解氧濃度相同的情況下,隨水中Fe2+濃度的增加,水中懸浮物含量逐漸增加。說(shuō)明其他條件相同的情況下,Fe2+的存在會(huì)導(dǎo)致水中懸浮物含量顯著增加。

2.2 污水沿程微生物對(duì)水質(zhì)影響

2.2.1 污水沿程微生物含量變化

由表1中測(cè)得的沿程水質(zhì)監(jiān)測(cè)的污水中微生物含量變化可知,經(jīng)污水處理站過(guò)濾后,SRB、TGB、FB 3種微生物含量均為25個(gè)/m L,達(dá)A3標(biāo)準(zhǔn)。但從注水站至Q9配區(qū)段,細(xì)菌含量明顯增加,到達(dá)井口時(shí)SRB達(dá)不到C3標(biāo)準(zhǔn),TGB、FB也只能達(dá)到B3標(biāo)準(zhǔn)。沿注入流程中,細(xì)菌的大量繁殖導(dǎo)致腐蝕加劇,SRB代謝產(chǎn)生的硫化物等導(dǎo)致水質(zhì)不穩(wěn)定。

2.2.2 細(xì)菌對(duì)管線(xiàn)設(shè)備的腐蝕機(jī)理

SRB為厭氧菌,易生存于水流較慢的地方或死水區(qū),例如流速低的管道、管道中的滯留區(qū)、貯罐、過(guò)濾器、結(jié)垢沉積物下面或有機(jī)物殘?jiān)旅妗RB的生長(zhǎng)繁殖對(duì)油田造成的危害主要表現(xiàn)在引起設(shè)備腐蝕、堵塞地層及使油品加工性能變壞。

在油田,TGB通常存在于敞開(kāi)的水罐中,漂浮的黏狀物質(zhì)附著在罐的周邊。這些黏狀物還吸附在管壁上、含水油罐的油水界面處,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起過(guò)濾器、注水井堵塞,附著在管壁、設(shè)備上的黏液會(huì)產(chǎn)生濃差電池,造成設(shè)備腐蝕。另外,附著在壁上的黏液為SRB提供局部厭氧環(huán)境,引起腐蝕,并使殺菌劑難以殺死其中的細(xì)菌。

FB產(chǎn)生的Fe(OH)3可以在管壁上形成鐵瘤,鐵瘤與FB、TGB代謝形成的黏液附著于管壁,形成濃差電池,引起腐蝕。

2.3 腐蝕和結(jié)垢對(duì)水質(zhì)的影響

管線(xiàn)和設(shè)備的腐蝕就是其表面鐵原子變?yōu)殍F離子,造成工具設(shè)備和管壁粗糙,腐蝕的沉淀產(chǎn)物形成了利于細(xì)菌繁殖的微小環(huán)境。同時(shí),菌體及代謝產(chǎn)物與水中油、有機(jī)殘?jiān)?、黏土顆粒等在管壁附著,更加劇腐蝕[1]。腐蝕與細(xì)菌的作用相互促進(jìn)、相互影響,導(dǎo)致管線(xiàn)內(nèi)壁污垢沉積和脫離,加劇水中懸浮物存在,影響水質(zhì)。

回注污水生成的垢一部分沉積到壁面,相當(dāng)于實(shí)際中管壁的結(jié)垢,另一部分未沉積在壁面而進(jìn)入水中。管壁上的垢以微小顆粒的形式逐漸黏附在管壁上,使管壁表面變成粗糙面,為水中懸浮物和微生物的附著提供了條件,加劇了微生物的繁殖,微生物產(chǎn)生的黏性分泌物增多,這些物質(zhì)進(jìn)入水中影響水質(zhì)。另一部分未在管壁沉積而進(jìn)入水中的垢是以微小固體顆粒形式分散在水中,增加水中固體顆粒的含量,從而影響水質(zhì)。同時(shí),這些細(xì)小顆粒會(huì)與水中懸浮物結(jié)合生產(chǎn)絮凝沉淀,也影響水質(zhì)。

3 保證水質(zhì)穩(wěn)定的對(duì)策和工藝方法研究

曲堤油田注入水沿程水質(zhì)不穩(wěn)定的主要因素是高鐵離子含量造成的腐蝕與結(jié)垢、微生物生長(zhǎng)造成的腐蝕與結(jié)垢等。因此,可針對(duì)這些原因采取相應(yīng)的水質(zhì)穩(wěn)定對(duì)策,主要包括以下方面。

3.1 完善優(yōu)化水處理工藝

3.1.1 科學(xué)運(yùn)行和管理水處理設(shè)備

水處理設(shè)備主要包括除油罐、緩沖罐、過(guò)濾罐和注水罐等較大容器。污水在其中有較長(zhǎng)停留時(shí)間且水流速低。因此,懸浮物、固體顆粒等易于在罐中沉積,對(duì)處理水質(zhì)帶來(lái)不利影響。由此,應(yīng)制定科學(xué)合理的操作和管理要求[2]。

(1)定期清理除油罐、緩沖罐、注水罐,保證水處理流程中沒(méi)有沉淀雜質(zhì)和污垢,制定合理的清理周期。

(2)嚴(yán)格過(guò)濾罐反沖洗標(biāo)準(zhǔn),保證過(guò)濾器過(guò)濾效果,按操作規(guī)程規(guī)定的反沖洗時(shí)間和方法進(jìn)行沖洗,保證過(guò)濾罐運(yùn)行良好。

3.1.2 合理的藥劑投加方式

殺菌劑作為水處理的一種重要藥劑,其目的是抑制和殺滅微生物。連續(xù)加入殺菌劑時(shí),即水中含殺菌劑濃度保持恒定,長(zhǎng)時(shí)間后水中的微生物就適應(yīng)了這一環(huán)境,產(chǎn)生了耐藥性[3]。濟(jì)北聯(lián)合站試驗(yàn)的沖擊式加入殺菌劑有較好的殺菌效果,即間斷地加入高濃度殺菌劑。在高濃度殺菌劑下,微生物被殺死,整個(gè)過(guò)程中污水中微生物處于一個(gè)變化的殺菌劑環(huán)境中,消除了微生物對(duì)殺菌環(huán)境適應(yīng)的可能。

濟(jì)北聯(lián)合站沖擊式加入殺菌劑試驗(yàn)表明,SRB含量可從10 000個(gè)/m L降至100個(gè)/m L,殺菌效果明顯,同時(shí)還可節(jié)省殺菌劑。

3.2 降低污水中鐵離子含量工藝方法

3.2.1 預(yù)氧化除鐵工藝技術(shù)

(1)預(yù)氧化除鐵原理。電化學(xué)預(yù)氧化油田污水處理技術(shù)是針對(duì)油田污水中NaCl濃度高、可以導(dǎo)電的特點(diǎn),利用電化學(xué)氧化作用,對(duì)油田污水中的Fe2+、各種形式的硫化物和細(xì)菌等還原性物質(zhì)進(jìn)行直接或間接氧化。在預(yù)氧化過(guò)程中,電解中產(chǎn)生初生態(tài)氧化性物質(zhì),如Cl2、OH-、ClO-等,具有很強(qiáng)的氧化作用,將細(xì)菌殺死[4]。

表3 預(yù)氧化污水處理前后水質(zhì)指標(biāo)Table 3 Water quality comparison before and after the pre-oxidation treatment

(2)預(yù)氧化除鐵處理效果。氧化預(yù)處理除鐵前后的水質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表3。

由表3可以看到,經(jīng)過(guò)預(yù)氧化除鐵工藝處理后, Fe2+被充分氧化,SRB基本被殺滅,腐蝕可以被有效地控制。

3.2.2 懸浮污泥過(guò)濾技術(shù)

(1)懸浮污泥過(guò)濾技術(shù)原理。懸浮污泥過(guò)濾(SSF-Suspended Sludge Filtration)技術(shù)污水凈化工藝及其系統(tǒng):包括物化工藝和SSF污水凈化器兩大部分,是一套純物理化學(xué)法含油污水處理裝置系統(tǒng)。SSF技術(shù)適用于處理粒徑中值較小的污水, SSF罐具有混凝沉降及一定的過(guò)濾功能,試驗(yàn)采用懸浮污泥過(guò)濾法來(lái)控制含油、懸浮物指標(biāo)。

(2)懸浮污泥過(guò)濾技術(shù)處理效果。SSF技術(shù)于2012年7月底在濟(jì)北聯(lián)合站進(jìn)行小試,流程處理量為0.5～1 m3/h。試驗(yàn)裝置如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,進(jìn)、出水水質(zhì)對(duì)比如圖6所示。

由表4可以看到,經(jīng)過(guò)SSF技術(shù)處理后,懸浮固體、油以及總鐵含量有明顯下降。由圖6進(jìn)、出水水質(zhì)對(duì)比可以看到,水質(zhì)由渾濁變?yōu)槌吻?說(shuō)明該技術(shù)達(dá)到了較好的處理效果。

表4 懸浮污泥裝置進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)表Table 4 Water quality comparison of suspended sludge tank inlet and outlet

3.3 改用玻璃鋼管線(xiàn)

玻璃鋼實(shí)際是一種強(qiáng)度較高的環(huán)氧樹(shù)脂材料,經(jīng)固化加工做成管線(xiàn)即為玻璃鋼管線(xiàn),其質(zhì)量較輕,承壓能力較高。

由于環(huán)氧樹(shù)脂取代了較活潑的金屬鐵而作為制作管線(xiàn)的材料,在遇到腐蝕介質(zhì)時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂不會(huì)像鐵一樣發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而遭到腐蝕。因此,具有很好的防腐蝕能力。

在制造普通玻璃鋼管線(xiàn)時(shí),添加抑菌成分到材料中制造的管線(xiàn)為抑菌玻璃鋼管,與一般玻璃鋼材料相比,更具有防腐和殺菌雙重功效,能很好地保持沿程水質(zhì)穩(wěn)定。

曲堤油田已試驗(yàn)用玻璃鋼管更換了幾條注水管線(xiàn),其中注水站到Q9-111站到Q9-119井更換前后的主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 改用玻璃鋼管線(xiàn)前后主要水質(zhì)指標(biāo)的變化Table 5 Water quality comparison before and after replacing glass tube(ρ/(mg·L-1))

由表5可知,由于Q9--111站到Q9-119井區(qū)間段內(nèi)距離短,無(wú)論使用普通鋼管還是玻璃鋼管,水質(zhì)基本穩(wěn)定。注水站到Q9-111站區(qū)間段內(nèi)由于運(yùn)輸距離長(zhǎng),使用普通鋼管時(shí),除懸浮固體含量略有減少外,注入水的油含量和鐵含量均顯著增加,水質(zhì)情況變差;改用玻璃鋼管后,注入水的懸浮固體含量、油含量和鐵含量均顯著減小,水質(zhì)情況變好。說(shuō)明在更換玻璃管線(xiàn)后,注水水質(zhì)情況得到改善。

3.4 增加阻垢劑

CaCO3垢是曲堤油田主要的結(jié)垢類(lèi)型,加入阻垢劑,通過(guò)阻垢劑中陰離子與Ca2+反應(yīng)絡(luò)和,就將不穩(wěn)定的Ca2+保護(hù)了起來(lái),防止生成CaCO3垢[5-6]。選用羥基亞乙基二膦酸(HEDP)阻垢劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取一定量聯(lián)合站出口污水裝入實(shí)驗(yàn)瓶中,加入不同濃度的阻垢劑,密閉下在恒溫箱中不同溫度下靜止4天,觀察不同濃度的阻垢劑的防垢效果。添加不同濃度阻垢劑后的阻垢效果如圖7所示。

由圖7可以看到:左1試管為蒸餾水,無(wú)垢生成;未加阻垢劑的左2試管有垢生成,其余添加阻垢劑的污水試管均無(wú)垢生成,說(shuō)明HEDP阻垢劑對(duì)曲堤注入水有很好的阻垢效果;當(dāng)阻垢劑質(zhì)量濃度大于20 mg/L時(shí),水略顯混濁,說(shuō)明此時(shí)阻垢劑濃度太大;阻垢劑質(zhì)量濃度在5～10 mg/L時(shí),在阻垢的同時(shí)還能保證水清澈,可選用該濃度作為阻垢劑使用的濃度范圍。

4 結(jié)論

(1)沿程水質(zhì)不穩(wěn)定的影響因素是腐蝕生成的雜質(zhì)顆粒及沉淀、鐵離子的還原產(chǎn)物懸浮物、微生物繁殖的代謝產(chǎn)物,以及腐蝕與微生物生長(zhǎng)的相互作用對(duì)水質(zhì)不穩(wěn)定的強(qiáng)化影響。

(2)水質(zhì)穩(wěn)定的對(duì)策主要是完善和優(yōu)化水處理工藝,有效去除鐵離子含量,有效抑制和殺滅微生物,改用玻璃鋼水管,加入阻垢劑;阻垢劑防止注入水結(jié)垢效果明顯,添加HEDP阻垢劑的合理質(zhì)量濃度范圍為5～10 mg/L。

(3)預(yù)氧化除鐵工藝技術(shù)和懸浮污泥過(guò)濾技術(shù)可有效去除濟(jì)北污水中鐵離子含量,滿(mǎn)足回注水質(zhì)要求。

[1]張志川,唐和清,鄭家燊.油田腐蝕實(shí)例及腐蝕機(jī)理解析與控制技術(shù)[J].材料保護(hù),2003,10(36):39-42.

[2]韓麗娟,張淑芝.采油污水處理工藝探討[J].水資源保護(hù), 2006,22(6):61-63.

[3]范嗣英.油氣田用水的化學(xué)處理[J].石油與天然氣化工, 1986,15(1):51-59.

[4]馬青莊,溫淑新,楊建平,等.前大油田腐蝕結(jié)垢的原因及對(duì)策[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2002,14(5):299-301.

[5]張連明,劉三威,陳病善.油井緩蝕阻垢劑的研制與應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2001,20(6):69-70.

[6]沈哲,楊鴻鷹,閆旭濤,等.油田注水系統(tǒng)高效阻垢劑的研制[J].石油與天然氣化工,2012,41(3):317-319, 360.

Pollution reasons of injection water in Qudi Oilfield and prevention measures

Li Lei,Lei Guanglun,Wei Xiaodong,Wang Hongsheng
(Institute of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580,Shandong,China)

In order to solve the problem of serious water pollution along the transmission line in Shengli Qudi Oilfield,water quality changes along the line were measured.Pollution sources of injection water,pollution prevention measures and their effects were exploded.The results show that the major pollution influence factors are corrosion,iron ion,microorganism,and scaling,etc.The effective pollution prevention measures include optimization of water treatment technique,adopting effective methods to remove iron ion such as oxidation of iron removal technique and the suspended sludge filtration.Furthermore,replacement of glass tube pipe and the use of scale inhibitor HEDP(with concentration of 5～10 mg/L)will improve the water quality along the transmission line.

Qudi Oilfield,water conditioning,corrosion,scaling,pollution along transmission line

X741

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.021

2014-03-08;

2014-04-22;編輯:鐘國(guó)利

中國(guó)石油大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目“孔喉尺度彈性微球在油藏溫度壓力下的形態(tài)研究與承壓機(jī)理分析”(CX-1208)。

李蕾(1988-),女,山東博興人,中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院在讀碩士研究生,主要從事油田化學(xué)方面的科研工作,已發(fā)表論文十余篇。E-mail:lilei200704@126.com。地址:(266580)山東省青島市黃島區(qū)中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院工科樓B座627辦公室。