金秋區(qū)塊氣田水回注增注措施

林 怡 唐洪明 歐家強(qiáng) 陳 聰 王艷玲

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

（2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦勘探開發(fā)研究所）

（3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司勘探開發(fā)研究院）

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣田水最好的處理方法就是異層回注。為減少氣田水對(duì)環(huán)境的影響，確保油氣田合理開發(fā)，所以在回注前必須進(jìn)行氣田水回注的預(yù)處理，即回注水質(zhì)達(dá)標(biāo)處理［1］。根據(jù)四川氣田產(chǎn)出水處理現(xiàn)狀［2－4］，氣田水處理加重了天然氣開采成本。為了降低氣田水處理成本，應(yīng)從產(chǎn)出污水特征出發(fā)，有針對(duì)性地提出增注措施。

四川氣田金秋區(qū)塊氣田水在回注過(guò)程中注水壓力上升，出現(xiàn)注不進(jìn)的現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)金秋地區(qū)須家河組氣田水的水質(zhì)特征分析，針對(duì)其鐵含量高、易結(jié)垢的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的增注措施。

1 回注污水主要特征

1.1 鐵含量高

四川氣田金秋區(qū)塊回注污水為須家河組產(chǎn)出水，選金2井和金17井產(chǎn)出水為分析樣品，肉眼觀察，污水呈黃色且渾濁，懸浮物含量較高（圖1（a））。將污水經(jīng)＜0.45μm孔徑的濾膜抽提，圖1（b）為過(guò)濾后的濾膜照片，濾膜呈黃褐色，含有一定量的細(xì)小顆粒，為水中懸浮物顆粒。

將濾膜烘干后利用X射線熒光光譜儀（XRF）進(jìn)行元素測(cè)試分析（圖2）：懸浮物由Fe、Cl、Na、O、Ca、Ba、Si等元素組成，各元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Fe：32.15%，Cl：31.9%，Na：11.9%；O ：26.45%，Ca：5.43%，Ba：5.81%，Si：6.15%，還 有微量 的Mg：0.27%，可見(jiàn)鐵元素平均含量高。注入水中鐵含量較高，有可能同水中的O2－、C、OH－、S2－離子 形 成 沉 淀 物 Fe2O3、FeCO3、Fe（OH）2、Fe（OH）3、FeS等［5］。

1.2 易結(jié)垢

表1為金秋氣田金2井和金17井須家河組（T3x）產(chǎn)出水以及回注目的層大安寨段（J1d）地層水化學(xué)成分，其中回注水平均礦化度為100 258.5 mg／L，地層水的平均礦化度為89 707.4mg／L。

利用Davis－Stiff飽和指數(shù)（SI）法和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)（SAI）法［6］，結(jié)合須家河組和大安寨段水質(zhì)的離子濃度（表1）對(duì)兩者的混合水做了CaCO3的結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)［7］，由預(yù)測(cè)結(jié)果（表2）可知，在大安寨段地層溫度條件下，須家河組產(chǎn)出水和大安寨段地層水不論以何種比例混合均會(huì)嚴(yán)重結(jié)垢，且隨著須家河組產(chǎn)出水比例增大，結(jié)垢指數(shù)SI增大，穩(wěn)定指數(shù)SAI減小，結(jié)垢趨勢(shì)增強(qiáng)，即隨著注水年限的增加結(jié)垢量增大。

對(duì)金2井和金17井產(chǎn)出水在大安寨段回注層溫度（75.4℃）下加溫，再經(jīng)＜0.45μm孔徑的濾膜抽提，對(duì)濾膜進(jìn)行X射線衍射分析（圖3）。結(jié)果表明，須家河組產(chǎn)出污水濾膜上懸浮物組分有明顯的CaCO3衍射峰，尤其是金17井，說(shuō)明須家河組產(chǎn)出污水在地面條件下要結(jié)鈣質(zhì)垢。

大安寨段介屑灰?guī)r儲(chǔ)集空間可分為裂縫、次生孔隙和原生孔隙3大類。裂縫以構(gòu)造成因的微裂縫（圖5（a））為主，孔隙以基質(zhì)中的晶間孔（圖5（b））為主。孔隙度分布在0.9%～1.69%之間，平均為1.28%；滲透率主要分布在0.055×10－3～0.144×10－3μm2之間，平均值為0.090×10－3μm2，且孔、滲相關(guān)性差，為典型的低孔滲致密性復(fù)雜油層。注入水結(jié)垢產(chǎn)生的沉淀將會(huì)堵塞回注層，降低注水能力［8］。

表1 須家河組產(chǎn)出污水與大安寨段地層水成分分析表Table 1 Component analysis of output sewage of Da＇an formation water in Xujia river group

表2 飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法預(yù)測(cè)混合水結(jié)CaCO3垢情況Table 2 Prediction of CaCO3scale conditions in mixed water by saturation index and stability index methods

1.3 腐蝕性強(qiáng)

從表1可以看出，金秋區(qū)塊須家河組地層水幾乎不含鐵，但產(chǎn)出到地面后鐵含量高（圖2），可能是須家河組地層水在產(chǎn)出過(guò)程中腐蝕管線造成。礦化度高是造成其腐蝕性強(qiáng)的主要原因（表1）。

2 回注污水處理措施

2.1 污水除鐵

對(duì)須家河組氣層產(chǎn)出水中懸浮物的元素分析表明，污水中鐵含量高。鐵含量嚴(yán)重影響污水的回注能力，因此有必要對(duì)氣田產(chǎn)出水開展除鐵處理，這樣才能達(dá)到高效回注的目的。

污水中的鐵一般以Fe2＋鹽（重碳酸亞鐵Fe（HCO3）2）的形式存在，當(dāng)與空氣接觸時(shí)，水中的Fe2＋遇空氣中的氧（O2）被氧化為Fe3＋［9］：

氧化生成的Fe3＋因在水中的溶解度極小，故以Fe（OH）3形式由水中析出，呈膠體凝聚沉淀（棕黃色沉淀物，見(jiàn)圖1）。

普通過(guò)濾只能濾除Fe3＋沉淀，而溶于水中的Fe2＋無(wú)法除去，在Fe2＋與空氣中O2接觸后將會(huì)再次產(chǎn)生Fe3＋沉淀，這種情況下使用天然錳砂過(guò)濾效果比較好，能除去水中的Fe2＋。

錳砂濾料去除Fe2＋的作用機(jī)理。錳砂濾料是由天然錳礦開采并經(jīng)破碎、篩分而成，其主要成分為二氧化錳。含F(xiàn)e2＋、Mn2＋的地下水流經(jīng)錳砂濾料層時(shí)，錳砂去除Fe2＋的作用機(jī)理包括以下兩個(gè)方面：

改良Jaslow技術(shù)下單枚Z-cage聯(lián)合單側(cè)椎弓根螺釘固定治療腰椎間盤突出癥（單鴻劍，等）11：988

（1）催化－氧化作用。含F(xiàn)e2＋的地下水的pH值大于6.0時(shí)，錳砂中所含的二氧化錳是良好的催化劑，可發(fā)生如下反應(yīng)：

（2）吸附、分離和過(guò)濾作用。Fe（OH）3是膠體，MnO（OH）是沉淀物質(zhì)。當(dāng)含鐵錳離子的地下水流經(jīng)錳砂濾池時(shí)，吸附在錳砂顆粒間隙與濾層中，達(dá)到分離和過(guò)濾鐵錳不溶物質(zhì)的目的。

圖6（a）為室內(nèi)簡(jiǎn)易的除鐵設(shè)備，即讓注入水緩慢通過(guò)裝有錳砂的試管，氣田產(chǎn)出水在空氣中靜置一段時(shí)間后，水中的Fe2＋氧化成Fe3＋，經(jīng)過(guò)錳砂后就達(dá)到除鐵的目的。圖6（b）為工業(yè)化除鐵裝置，有多個(gè)廠家生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備。

2.2 阻 垢

至今，國(guó)外防垢仍以化學(xué)法（加防垢劑）為主［10］。前蘇聯(lián)和美國(guó)已成功研究出用磁化、超聲波處理和管壁涂層等物理方法防止氣田水結(jié)垢，但目前這些方法未能大量推廣應(yīng)用?；刈⑶?，氣田水經(jīng)沉降和過(guò)濾，除去懸浮物和泥砂等，接著投加防垢劑（如聚合無(wú)機(jī)磷酸鹽、有機(jī)磷酸鹽等［11］），其作用是能分散晶體，使之不能形成大顆粒析出。上述防垢劑均能有效地防止CaCO3、CaSO4和BaSO4成垢。防垢劑一般從采氣井井口加入流到井底，或從一次沉降罐出口加入。

2.3 除鐵污水回注適應(yīng)性評(píng)價(jià)

針對(duì)以上分析，用采取相應(yīng)措施處理后的回注污水與大安寨段巖石進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

（1）除鐵后的須家河組產(chǎn)出污水對(duì)人造縫的巖心損害程度為3.05%～13.08%，平均為8.92%，損害程度弱。與前面未除鐵污水回注能力相比，除鐵后回注能力大幅度提高。

（2）除鐵后的須家河組污水＋阻垢劑對(duì)大安寨段（人造縫）的損害率為0.47%～6.07%，平均為2.80%，低于僅除鐵未加阻垢劑的損害率。

2.4 回注技術(shù)與工藝研究

通過(guò)上述綜合研究，推薦須家河組產(chǎn)出污水回注的工藝流程為：

（1）沉降或者過(guò)濾除去機(jī)械雜質(zhì)：須家河組產(chǎn)出污水沉降1～2天，將無(wú)機(jī)雜質(zhì)除去，同時(shí)將產(chǎn)出水中的Fe2＋氧化成Fe3＋；如果地面注水站不能滿足靜置時(shí)間，加入絮凝劑加速產(chǎn)出污水中的機(jī)械雜質(zhì)。采取直接過(guò)濾，過(guò)濾孔的直徑＜2μm。

（2）錳砂除鐵：沉降合格的污水泵入錳砂除鐵裝置過(guò)濾，將鐵離子除去。這種除鐵技術(shù)有成熟的工業(yè)設(shè)備，根據(jù)污水處理量購(gòu)置相關(guān)的設(shè)備。設(shè)備要定期反清洗。

表3 須家河組產(chǎn)出水與大安寨段巖石適應(yīng)性評(píng)價(jià)Table 3 Adaptablity evaluation of output sewage and Da＇an formation rock in Xujia river group

（3）加阻垢劑：將須家河組除鐵污水中加入適量的阻垢劑，即可回注。

（4）加緩蝕劑：建議加入適量緩蝕劑，防止回注污水對(duì)水處理系統(tǒng)的腐蝕。

（5）增注措施：大安寨段作為回注層，由于基塊致密，滲流能力差和容積空間有限，必將采取高壓回注。須家河組除鐵污水回注如果有堵塞，重點(diǎn)在解除鈣質(zhì)垢堵塞；如果回注污水未進(jìn)行除鐵處理，堵塞物主要是難以溶解的鐵質(zhì)組分堵塞，小型壓裂將是增注的主要措施。

3 結(jié)論

（1）金秋區(qū)塊氣田回注污水中鐵含量高，污水過(guò)濾出懸浮物中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.15%，普通過(guò)濾不能除去污水中的Fe2＋，與氧接觸后將又會(huì)產(chǎn)生黃褐色Fe（OH）3沉淀，錳砂能吸附污水中的Fe2＋，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

（2）須家河組產(chǎn)出污水懸浮物富含鈣元素且礦化度高，受回注層溫度、壓力變化的影響產(chǎn)生CaCO3沉淀，顆粒粒徑中值平均為2～50μm，粒徑平均值9.3μm，沉淀產(chǎn)生后易堵塞回注層，造成回注層滲透率下降。

（3）未除鐵的回注污水對(duì)巖心滲透率損害率在70%～87%之間，除鐵后的污水對(duì)巖心滲透率損害降低至8%，除鐵污水投放阻垢劑后對(duì)巖心滲透率損害平均為2.80%。

（4）優(yōu)化后金秋區(qū)塊氣田水處理措施：增加工業(yè)化錳砂過(guò)濾裝置，水處理流程中加設(shè)合理的阻垢劑和緩蝕劑加藥點(diǎn)，防止加藥點(diǎn)過(guò)密影響藥劑性能。

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