暢 平 張群正 郭王釗 柯從玉 郝西鵬 逯 毅

1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2.延長油田股份有限責(zé)任公司

延長油田長2儲層采出水回注結(jié)垢研究

暢 平1張群正1郭王釗1柯從玉1郝西鵬1逯 毅2

1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2.延長油田股份有限責(zé)任公司

以延長油田長2儲層采油廠的采出水為研究對象，采用Scalechem軟件對采出水及其與地表水、地層水的配伍進(jìn)行了結(jié)垢預(yù)測。結(jié)果表明，在地面管線中，ρ(BaSO4垢)為176 mg/L，ρ(CaCO3垢)為540 mg/L；在井筒水平段，ρ(BaSO4垢)為168 mg/L，ρ(CaCO3垢)為526 mg/L，不符合油田回注水要求。需進(jìn)行絮凝復(fù)配工藝處理，ρ(PAC)為60 mg/L，ρ(CPAM)為1.2 mg/L，最佳加藥間隔為30 s，攪拌時(shí)間為5 min，處理后采出水透光率為88.1%，配伍性較好。采用Scalechem軟件進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測，BaSO4結(jié)垢率降低超過75%，CaCO3結(jié)垢率降低甚至達(dá)到99%，降低了采水負(fù)荷，符合油田回注水要求。

采油污水 絮凝 回注 結(jié)垢預(yù)測

目前，結(jié)垢是油田采出水集輸及回注時(shí)常遇到的問題，給油田帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)場對水處理絮凝劑用量難以精確添加，對經(jīng)過絮凝劑處理后采出水在地層和設(shè)備管線中的成垢量不能準(zhǔn)確測定。Scalechem結(jié)垢預(yù)測軟件可以預(yù)測任何油田采出水的結(jié)垢情況，可以有效地預(yù)防油田采出水結(jié)垢，減少經(jīng)濟(jì)損失。中海油劉永杰等[1]運(yùn)用Scalechem結(jié)垢預(yù)測軟件對海上油田加熱器結(jié)垢趨勢作了準(zhǔn)確預(yù)測。

本研究基于油田采出水水質(zhì)分析，采用Scalechem結(jié)垢預(yù)測軟件，絮凝工藝深度處理，將處理后的水同地表水或淺層水相調(diào)和、配伍，跟蹤各成垢離子的濃度。探索了比較合理的藥劑投料，降低配伍水結(jié)垢離子含量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

882型離子色譜，瑞士萬通中國有限公司；UV-2600型紫外-可見分光光度計(jì)，日本島津；ZR4-6混凝攪拌器，深圳中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司；JED-2200 Series型能譜儀，日本電子株式會社；聚合氯化鋁(PAC，A.R.)，陽離子聚丙烯酰胺(CPAM，相對分子質(zhì)量1 200萬)，延長油田某采油廠長2儲層采出水，淺層地下水，地表水。

1.2 水質(zhì)分析和結(jié)垢表征

依據(jù)SY/T 5163-2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》，對垢體進(jìn)行掃描電鏡觀察，放大倍數(shù)分別為10倍、100倍和1 100倍，并選取合適的結(jié)垢區(qū)域進(jìn)行能譜分析[4]。

1.3 絮凝工藝

取采出水，用NaOH溶液將其pH值調(diào)至7.5左右，量取采出水20 mL置于100 mL錐形瓶中，先加入PAC(10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L)，間隔加藥時(shí)間(0 s、5 s、10 s、30 s、40 s)，再加入CPAM 1.2 mg/L，充分?jǐn)嚢?1 min、2 min、3 min、5 min、10 min)混勻，靜置15 min。取上清液于1 cm比色皿中，以蒸餾水為對照，用分光光度計(jì)在波長680 nm處測定上清液的透光率；重復(fù)測定3次，取平均值。

1.4 結(jié)垢預(yù)測

Scalechem油田結(jié)垢預(yù)測軟件可處理溫度、壓力和礦化度上限分別為315 ℃、150 MPa和700 000 mg/L的體系，能夠模擬生產(chǎn)過程[5]。

采用Scalechem軟件，在“Brine”下構(gòu)建水質(zhì)模型，通過“Balance”平衡電荷，在“Scaling”或“Mixing”下分別模擬在井筒和設(shè)備的工藝，參數(shù)為井筒最深3 000 m，設(shè)備壓力為405.3 kPa，流量為400 m3/d，對采出水或混合水的預(yù)測結(jié)垢類型與結(jié)垢量進(jìn)行預(yù)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 采油污水水質(zhì)和成垢分析

要對油田進(jìn)行精細(xì)注水，實(shí)行差異化的水處理方案，首先要分析回注水水質(zhì)。油田采出水、淺層水和地表水的水質(zhì)見表1。

表1 采出水、淺層水和地表水水質(zhì)分析Table1 Analysisofproducedwater,shallowwaterandsurfacewaterρ/(mg·L-1)組成采出水淺層水地表水Ca2+3517.1234.4026.61Mg2+773.5124.7128.53Ba2+579.610.340.22Sr2+786.450.500.64SO2-472.318.5416.78Cl-46406.42197.85244.76HCO-30.000.000.00CO2-3327.6722.7231.92

由圖1可見，回注水存在形成BaSO4結(jié)垢和CaCO3結(jié)垢的可能，隨著溫度升高，結(jié)垢量逐漸下降，其中BaSO4在井筒水平段處結(jié)垢的質(zhì)量濃度約為168 mg/L，CaCO3的則能達(dá)到526 mg/L。CaCO3堵塞物微粒的數(shù)量龐大，若污水未經(jīng)處理直接回注儲層，會導(dǎo)致注水壓的上升、儲層滲透率的下降或注不進(jìn)水等問題[6]。相比而言，BaSO4質(zhì)量濃度偏低，但其性質(zhì)穩(wěn)定，一旦在注水井中形成堵塞，采用常規(guī)酸化難以解除，且其粒徑細(xì)小，容易進(jìn)入到儲層細(xì)微孔喉當(dāng)中而傷害地層[7]。

采出水不足以維持注水需求，還需另外補(bǔ)充一些清水，但現(xiàn)場僅能獲取少量淺層水和地表水。將未處理的采出水和淺層水或地表水混合后直接回注，往往會由于結(jié)垢問題導(dǎo)致堵塞注水管線和傷害地層[8-9]。這幾種不同來源的水在設(shè)備中的結(jié)垢預(yù)測見圖2。

由圖2可看出，模擬氣溫變化對設(shè)備中成垢的影響，在溫度區(qū)間10～35 ℃，管線中會產(chǎn)生BaSO4、CaCO3和SrCO3沉淀。其中，BaSO4垢在低溫時(shí)最多，近井口地面管線處質(zhì)量濃度達(dá)到近176 mg/L，CaCO3垢質(zhì)量濃度隨溫度升高增加到540 mg/L，表明一旦開始結(jié)垢，其成垢速度迅猛，這與管路中觀察到的現(xiàn)象吻合，與CaCO3結(jié)垢相反，SrCO3垢質(zhì)量濃度隨溫度微升而降低，當(dāng)溫度超過20 ℃則幾乎無SrCO3沉淀形成。

回注水和地層水在井筒結(jié)垢，大粒徑懸浮物等在反復(fù)回注作業(yè)中均會造成油氣通道堵塞，注水壓力升高，設(shè)備損耗嚴(yán)重，影響產(chǎn)能。垢體的致密性和構(gòu)型對堵塞均有影響，利用掃描電鏡對管線中的25 ℃下的垢樣進(jìn)行分析[10]，垢體的微觀形貌與能譜見圖3。

由圖3(a)可見，管線25 ℃下結(jié)垢表面較為集中，突起不平整，有較大起伏，與預(yù)測中結(jié)垢處沉淀生成迅速增長的預(yù)測符合，垢體形貌較為疏松，可能為數(shù)種沉淀相互覆蓋混合[11-13]；圖3(b)顯示部分垢體呈鱗片鑲嵌狀接觸，見部分孔隙，表明沉淀累積速度較快，鋪排致密性較差；圖3(c)顯示垢體局部呈微晶結(jié)構(gòu)，緊密排列，密度大，形狀規(guī)則，少量毛發(fā)狀垢體附著于晶體邊緣，見部分孔隙；圖3(d)顯示對區(qū)域垢體做能譜分析發(fā)現(xiàn)，Ca峰、Ba峰、O峰、C峰均較突出，見較低S峰和Sr峰，表明結(jié)垢中主要有BaSO4和CaCO3存在，與Scalechem軟件預(yù)測一致。

2.2 絮凝工藝的優(yōu)化

絮凝是采出水處理的核心，絮凝劑投料過低，采出水不能達(dá)到回注要求，需要補(bǔ)償?shù)牡乇硭^多，采水負(fù)荷重，絮凝劑加量過大，未必取得好的沉降效果，違背了油田開采降本增效的要求[14]。從絮凝罐中取污水，分別加入PAC，使系統(tǒng)質(zhì)量濃度達(dá)到10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L和80 mg/L，考察絮凝劑對透光率及成垢離子濃度的影響，結(jié)果如圖4所示。

絮凝處理中，絮凝劑需要一定時(shí)間發(fā)揮作用，后加入的CPAM有效地降低了水質(zhì)中的表面電荷，脫穩(wěn)絮凝，通過分子間的黏結(jié)橋架作用，起到縮短沉降的時(shí)間、壓縮沉淀物的體積以及降低懸浮物濃度和含油量的作用，提高了絮凝效果，并降低處理成本[15-16]。采用NaOH調(diào)節(jié)采出水pH值至7.5，加60 mg/L的PAC，分別考察間隔0 s、5 s、10 s、30 s和40 s后，再加入1.2 mg/L的 CPAM對上清液的透光率的影響。同時(shí)在最佳投料間隔，轉(zhuǎn)速為100 r/min條件下，分別考察攪拌1 min、2 min、3 min、5 min和10 min對絮凝效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，添加間隔時(shí)間為0～30 s時(shí)，隨著添加間隔時(shí)間的逐漸增加，PAC充分與采油污水接觸，極大限度地發(fā)揮其絮凝作用，將污水中的雜質(zhì)絮凝成細(xì)小絮體，上清液愈加清亮，透光率在間隔時(shí)間為30 s時(shí)達(dá)到最高，為86.3%。當(dāng)添加間隔時(shí)間大于30 s時(shí)，絮體傾向于破碎，且失穩(wěn)膠體可能發(fā)生再穩(wěn)定過程，表現(xiàn)為透光率逐漸減小，絮凝效果削弱；攪拌時(shí)間為0～10 min時(shí)，絮凝劑與污水通過擴(kuò)散和湍流作用混合，透光率先快速上升而后漸趨平穩(wěn)。攪拌時(shí)間為0～5 min時(shí)，絮凝劑通過吸附和橋聯(lián)作用大幅度降低了污水中的雜質(zhì)，透光率升高。攪拌時(shí)間大于5 min時(shí)，絮凝劑在污水中擴(kuò)散均勻，絮體生成和沉降波動不大。攪拌時(shí)間為5 min時(shí)，絮凝效果即可達(dá)到最佳，此時(shí)透光率為88.1%。

2.3 配伍水的結(jié)垢預(yù)測

處理后采出水須與新補(bǔ)充的地表水或淺層地下水調(diào)和后實(shí)施回注作業(yè)[17-18]。在Scalechem的“Mixing”中，將處理后的長2采出水與地表水、淺層水以不同的比例(0.0、0.2、0.4、0.8、1.0)調(diào)和，并與未處理的回注水的配伍水加以比較，結(jié)垢預(yù)測模擬結(jié)果如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為采出水所占比例。

由圖6的預(yù)測結(jié)果可以看出，在常溫常壓下進(jìn)行預(yù)測，采出水與淺層水混合后結(jié)垢類型為CaCO3與BaSO4。由圖6(a)可知，未處理采出水所得配伍水成垢量較多，且隨地表水或淺層水用量的減少而線性增加。因此，如果要得到成垢較少的配伍水，對地表水或淺層水的用量需求很大，可能會引起采出水配伍成本較高，不宜采用。由圖6(b)可知，經(jīng)處理后的污水完全能達(dá)到SY/T 5329-2012要求。在與地表水配伍過程中，隨著采出水所占比例的不斷增加，BaSO4的結(jié)垢量先迅速上升至約25 mg/L，之后逐漸增加，但未能超過40 mg/L，且在地層中隨著溫度升高，結(jié)垢量呈現(xiàn)明顯的降低趨勢。而與淺層水配伍時(shí)，ρ(BaSO4垢)先迅猛增長至約40 mg/L，而后緩慢降低。由于離子成分差異較大，處理后采出調(diào)和水中CaCO3的結(jié)垢量均先隨采出水所占比例的不斷增加升高，分別在0.8和0.4處達(dá)到最高，之后迅速下降，且最高值也未超過45 mg/L。

與處理前相比，調(diào)和水BaSO4結(jié)垢率降低超過75%，CaCO3結(jié)垢率降低甚至達(dá)到99%。因此，采出水經(jīng)處理后，僅根據(jù)實(shí)際需要補(bǔ)充少量淺層水或地表水就能夠達(dá)到SY/T 5329-2012回注要求，降低了環(huán)境負(fù)荷，在環(huán)保政策日益趨緊的“十三五”時(shí)期，具有一定實(shí)際工業(yè)價(jià)值。新型采出水處理工藝更強(qiáng)調(diào)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋和模型推演，具有智能化的前景。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

延長油田直羅區(qū)塊是重要的開采區(qū)之一，其巖層構(gòu)造特性為低滲砂巖儲層、較強(qiáng)非均質(zhì)性，且長2儲層巖石呈中等偏弱速敏、弱水敏、弱酸敏和弱堿敏。現(xiàn)場對長2儲層黃家?guī)X黃21井(井深880.59 m)采出水進(jìn)行加藥處理，處理前后黃21井巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)滲透率及現(xiàn)場注水井的回注水曲線如圖7所示。

由圖7(a)可見，隨著注入倍數(shù)的不斷累積，水樣對巖心的傷害率不斷增大，未處理污水對巖心的傷害率明顯高于處理后的傷害率。處理后水樣與原水樣在驅(qū)替至10 PV后，巖心的傷害率增長速度明顯降低。由圖7(b)可見，注水曲線平穩(wěn)波動，壓力曲線擬合線也整體平穩(wěn)。由現(xiàn)場回注水統(tǒng)計(jì)分析，處理前平均日注入量與處理后基本保持不變，穩(wěn)定平均注水壓力由處理前的23.7 MPa下降到17.6 MPa。說明回注水未發(fā)生明顯沉淀，未造成堵塞，現(xiàn)場處理效果顯著。

3 結(jié) 論

(1) 該采油廠長2采出水屬高礦化度的CaCl2水型，采用Scalechem軟件進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測，在地層和設(shè)備中均有結(jié)垢趨勢，主要成分為BaSO4垢、CaCO3垢，含少量SrCO3垢。用掃描電鏡對采出水管線中25 ℃下穩(wěn)定的垢樣進(jìn)行分析，與Scalechem軟件預(yù)測一致，不能達(dá)到SY/T 5329-2012回注水水質(zhì)要求。

(2) 采用復(fù)配絮凝工藝處理，當(dāng)ρ(PAC)為60 mg/L、ρ(CPAM)為1.2 mg/ L、最佳加藥間隔為30 s、攪拌時(shí)間為5 min時(shí)，處理后采出水透光率為88.1%，處理后的水質(zhì)能夠與地表水、地層水較好調(diào)和，在Scalechem軟件的“Mixing”中，BaSO4結(jié)垢率降低超過75%，CaCO3結(jié)垢率降低甚至達(dá)到99%。采出水經(jīng)復(fù)配處理后配伍性較好，成垢顯著降低，達(dá)到SY/T 5329-2012回注水水質(zhì)要求，適合回注。

[1] 劉永杰, 靳曉霞, 王會, 等. 結(jié)垢預(yù)測軟件在海上油田加熱器防垢中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)水處理, 2012, 32(8): 82-85.

[2] 國家能源局. 碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法: SY/T 5329-2012[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2012.

[3] 西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院. 油田水分析方法: SY/T 5523-2006[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[4] 國家石油和化學(xué)工業(yè)局. 沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X衍射分析方法: SY/T 5163-2010[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2010.

[5] 趙德喜. 渤西油田群結(jié)垢成因分析及控制建議[J]. 全面腐蝕控制, 2013, 27(10): 70-74.

[6] 王琪, 劉江紅, 韓露, 等. 油田主要結(jié)垢機(jī)理及結(jié)垢預(yù)測模型研究進(jìn)展[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 39(1): 129-133.

[7] 劉建國, 唐恩. 寶浪油田污水回注井解堵技術(shù)研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2015(15): 124-126.

[8] 唐洪明, 黎菁, 劉鵬, 等. 旅大10-1油田含聚污水與清水配伍性研究[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(4): 401-405.

[9] 劉鵬, 唐洪明, 何保生, 等. 含聚污水回注對儲層損害機(jī)理研究[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(3): 280-284.

[10] 劉世景, 屈撐囤, 焦琨. 油田污水處理絮凝劑的研究及發(fā)展[J]. 遼寧化工, 2013, 42(11): 1301-1306.

[11] 張淑俠, 王梓民, 呂雷, 等. 陜北頁巖氣壓裂廢水處理系統(tǒng)結(jié)垢研究[J]. 工業(yè)水處理, 2015, 35(6): 83-85.

[12] 陸爭光, 高鵬, 馬晨波, 等. 頁巖氣采出水污染及處理技術(shù)進(jìn)展[J]. 天然氣與石油, 2015, 33(6): 90-95

[13] 袁瑞瑞, 段明, 王虎, 等. 含聚合物油田采水的結(jié)垢規(guī)律研究[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(3): 305-308.

[14] 張穎蘋. GD油田含聚含油污水復(fù)配絮凝劑體系實(shí)驗(yàn)研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào), 2016, 29(1): 63-66.

[15] 周細(xì)濠, 許家友, 黃佩堅(jiān), 等. 水包水CPAM乳液的合成及絮凝性能[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2012, 28(9): 9-12.

[16] 郭繼香, 崔永杰, 曾倩倩, 等. 復(fù)合絮凝劑PAC-CPAM的制備及其處理鉆井廢水研究[J]. 應(yīng)用化工, 2011, 40(5): 775-778.

[17] 商莉, 彭文濤, 袁廣均, 等. 雙河油田注水配伍性特征的研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(36): 9946-9949.

[18] 馬堯, 劉煒, 王碩, 等. 新疆某油田集中處理站污水回用改造工程[J]. 水處理技術(shù), 2011, 37(12): 124-126.

A study on produced water scaling during reinjection from Chang 2 reservoir in Yanchang Oilfield

Chang Ping1, Zhang Qunzheng1, Guo Wangzhao1, Ke Congyu1, Hao Xipeng1, Lu Yi2

1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, Shaanxi, China 2. Yanchang Oilfield Co., Ltd, Yan'an, Shaanxi, China

In this study, taking produced water from oil production plant of Chang 2 reservoir, Yanchang Oilfield as a research object, scaling potential of the produced water, as well as the compatibility of produced water with surface water or formation water, were determined by the simulation tool Scalechem. The results showed that mass fraction of BaSO4and CaCO3scales in produced water would be 176 mg/L and 540 mg/L respectively in surface pipelines, while 168 mg/L of the BaSO4and 526 mg/L of the CaCO3was predicted to generate in horizontal section downhole, failing to meet the requirements of water reinjection in oil fields. Thus, it was necessary to treat the water with coagulation/flocculation process. The optimum operation parameters were identified to be with PAC dosage at 60 mg/L, CPAM dosage at 1.2 mg/L, the interval time between the above two chemicals was 30 s, and mixing time for flocculation was 5 min. Light transmittance of the treated produced water was 88.1% with better compatibility. According to Scalechem simulation, mass fraction of BaSO4scaling was reduced more than 75%, while CaCO3scaling was reduced almost 99% in reconciled water after treatment. The proposed treatment was proved to decrease the water production load and satisfy with the water reinjection requirements in oilfield.

oil wastewater, flocculation, reinjection, scale prediction

西安石油大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“多功能抗高溫鉆井液處理劑的合成研究”(1339)； 西安石油大學(xué)研究生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目“聚合物壓裂液返排液重復(fù)利用技術(shù)”(YCS16212074)。

暢平(1992-)，男，西安石油大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槭图庸づc化工工藝優(yōu)化。E-mail:changping5828@163.com

張群正(1964-)，博士，教授，研究方向?yàn)橛袡C(jī)合成、油田化學(xué)品的合成及應(yīng)用。E-mail：qzzhang@xsyu.edu.cn

TE357.6

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.03.023

2016-09-19；編輯：鐘國利