改善延長油田采出水水質(zhì)的藥劑篩選及其工藝優(yōu)化

柯從玉，逯 毅，王 鵬，劉 亮，童夢(mèng)凡，張群正

(1.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延長油田股份有限公司 富縣采油廠，陜西 延安 716000)

引 言

近年來，隨著延長油田開采程度的不斷加深，在整個(gè)開采作業(yè)中注水采油所占比重越來越大，已成為維持原油穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。隨著采油污水的量不斷增大，回注污水的處理量也在不斷遞增，由此引發(fā)的結(jié)垢、腐蝕等問題日趨惡化，嚴(yán)重影響了油田可持續(xù)開采。

在油田注水開發(fā)過程中，通過將采出的污水再回注到地層中去既解決了地面的存水問題，又補(bǔ)充了地層的能量。雖然這是解決污水問題較為理想的方案，但如果直接將污水回注到地層中會(huì)導(dǎo)致地層滲透性變差、注水壓力升高以及吸水能力降低等嚴(yán)重問題，最終對(duì)儲(chǔ)層造成傷害[1-2]。因此，在注水開發(fā)過程中，不僅要保證注入水質(zhì)滿足注入要求，還要考慮注入水與地層水的配伍性，這樣才能在保護(hù)儲(chǔ)層的基礎(chǔ)上提高注水開發(fā)效果[3-4]。

延長油田回注水樣非常復(fù)雜，既包括長2、長6、長7及長8不同層位的污水，也包括地表及淺層地下清水，當(dāng)這些不同來源的水樣混合后再回注時(shí)，隨著原有體系條件(如壓力、溫度、pH等)發(fā)生改變，原有的平衡體系被打破，最終導(dǎo)致結(jié)垢、腐蝕、堵塞及注水作業(yè)周期明顯縮短等問題的出現(xiàn)，造成油藏傷害和注水能力的下降[5]。

本研究基于延長油田不同儲(chǔ)層采出水、地表水及淺層水的水質(zhì)分析，采用Scalechem軟件對(duì)采出水與地表水及淺層水的配伍進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果分析結(jié)垢原因，并篩選出對(duì)應(yīng)的加藥配方。并通過室內(nèi)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對(duì)加藥配方及加藥工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。研究結(jié)果對(duì)改善目前延長油田注水工藝、提高開發(fā)效果具有重要的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

紫外-可見分光光度計(jì)(UV-2600，日本島津)；多功能巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置(LDY-III，山東中石大石儀科技有限公司)，聚合氯化鋁(PAC，A.R.)，陽離子聚丙烯酰胺(CPAM，A.R，相對(duì)分子質(zhì)量1 200萬，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。實(shí)驗(yàn)所用水樣均來自延長油田不同區(qū)域油井采出水、淺層地下水及地表水。

1.2 水質(zhì)分析

依據(jù)SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》，測定懸浮物含量[6]。依據(jù)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對(duì)不同來源水的水質(zhì)進(jìn)行分析[7]，分析指標(biāo)主要包括污水中各種礦物離子，如鈣、鎂、鍶、鋇、氯離子(Cl-)、硫酸根(SO42-)、碳酸根(CO32-)、碳酸氫根(HCO3-)及pH值的測定。

1.3 結(jié)垢預(yù)測

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，采用Scalechem 油田結(jié)垢預(yù)測軟件對(duì)不同水樣結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測[5]。

處理后水樣采用UV-2600紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)上清液透光率進(jìn)行測定。

1.4 巖心傷害實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)長2、長7和長8水樣進(jìn)行處理，并通過巖心傷害實(shí)驗(yàn)來對(duì)處理前后水樣進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。巖樣分別來自長2黃家?guī)X地區(qū)21井，長7鉗二地區(qū)13井及長8直羅地區(qū)64井。首先用地層水飽和巖心，在設(shè)定的溫度下用地層水驅(qū)替至平衡，測出巖心的初始滲透率K0。改用注入水在同一溫度和方向下驅(qū)替，測出巖心滲透率Kd。繪制巖心傷害率(1-Kd/K0)與注入倍數(shù)PV的關(guān)系曲線，其中Kd為回注水注入地層后的巖心滲透率，PV為巖心孔隙體積倍數(shù)的注入量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同來源水樣水質(zhì)特征

實(shí)驗(yàn)選擇延長油田長2、長6、長7及長8不同儲(chǔ)層有代表性井組進(jìn)行取樣，水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 不同來源水樣水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Quality analysis results of water samples from different reservoirs

由表1水質(zhì)分析結(jié)果可知，延長油田不同儲(chǔ)層采出水礦化度及懸浮物含量都較高，水樣pH>7，呈弱堿性，主要為氯化鈣水型，同時(shí)采出水、地表水和淺層水中都含有大量的主要成垢離子Ca2+、Mg2+、Ba2+/Sr2+。在油田作業(yè)過程中，這些水樣在溫度、壓力、pH等外界條件發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)打破原有的平衡條件，使得水體產(chǎn)生結(jié)垢的趨勢(shì)，因此，這些水樣如果不經(jīng)過處理直接混合回注必然導(dǎo)致地層傷害加重，從而影響注水開發(fā)效果。為了滿足現(xiàn)場污水回注達(dá)標(biāo)要求，非常有必要對(duì)不同水樣之間的配伍性及加藥配方進(jìn)行優(yōu)化研究。

2.2 同水樣混合結(jié)垢性預(yù)測

不同來源水樣由于其自身成垢離子含量的顯著差異，往往導(dǎo)致其在混合過程中產(chǎn)生結(jié)垢，這也是油田回注水不配伍的根本原因。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，采用Scalechem軟件可以有效預(yù)測不同離子結(jié)垢的可能性和結(jié)垢趨勢(shì)，提供從生產(chǎn)到地面處理設(shè)施以及注水和水處理過程有關(guān)結(jié)垢的重要信息[9-10]。圖1和圖2分別為采用Scalechem軟件預(yù)測不同儲(chǔ)層采出水與地表水及淺層水按不同比例混合后的結(jié)垢趨勢(shì)。

圖1 不同儲(chǔ)層采出水與地表水配伍性(圖中虛線為BaSO4垢，實(shí)線為CaCO3垢)Fig.1 Compatibility of produced water from different reservoirs with surface water

圖2 不同儲(chǔ)層采出水與淺層水配伍性(圖中虛線為BaSO4垢，實(shí)線為CaCO3垢)Fig.2 Compatibility of produced water from different reservoirs with shallow layer water

從預(yù)測結(jié)果可以明顯看出，在25 °C條件下，無論是采出水，還是地表水或淺層水，其自身都有明顯的結(jié)垢趨勢(shì)，其組成主要為CaCO3和BaSO4垢。從成垢量的對(duì)比來看，不同水樣中CaCO3垢都要明顯高于BaSO4垢，其中長8和長6儲(chǔ)層采出水的CaCO3垢含量較高，分別達(dá)到了165、80 mg/L，而長7的BaSO4垢含量相對(duì)較高，達(dá)到了42 mg/L。淺層水和地表水由于成垢離子含量相對(duì)較低，因此成垢量比采出水要低。

當(dāng)不同來源水樣混合時(shí)，從圖1可以看出，隨著地表水比例增加，在長2，長6和長7采出水中CaCO3垢含量呈明顯先增大后減小趨勢(shì)，在長8采出水中一直呈下降趨勢(shì)。而BaSO4垢在所有水樣混合過程中，其含量隨地表水所占比例的上升而降低。而對(duì)于不同采出水與淺層水的混合結(jié)垢趨勢(shì)卻與地表水有很大差異，隨著混合水樣中淺層水比例的增加，CaCO3垢在長2和長7水樣中的含量一直呈上升趨勢(shì)，在長6水樣中呈先降低后升高趨勢(shì)，而在長8水樣中呈一直下降趨勢(shì)，BaSO4垢在所有水樣混合過程中，其結(jié)垢趨勢(shì)與地表水一致，即其含量隨淺層水含量的上升而降低。

2.3 加藥配方篩選優(yōu)化

(1)阻垢劑篩選

Scalechem軟件結(jié)垢預(yù)測結(jié)果表明，延長油田不同儲(chǔ)層采出水、地表水及淺層水由于所含成垢離子濃度較高，其自身或相互混合都會(huì)有明顯的結(jié)垢趨勢(shì)，而這些成垢離子濃度一般很難通過絮凝、沉降等處理顯著降低，因此，如何阻止這些垢的形成是解決延長油田不同水樣滿足配伍性要求的關(guān)鍵。

向水樣中加入阻垢劑是油田注水過程中常用的化學(xué)阻垢方法，為了解決延長油田回注水結(jié)垢問題，本研究以長8水樣為例，對(duì)阻垢劑的類型及加量進(jìn)行篩選優(yōu)化。其中阻垢劑類型包括目前常用的有機(jī)膦酸類ATMP、羧酸類PAAS，聚合物類MA-AM-BA及復(fù)合類阻垢劑ZLGD-05[11]，加量為5～20 mg/L，結(jié)果如圖3所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，這4種不同類型的阻垢劑在加量大于15 mg/L時(shí)都有較好的阻垢效果，在相同加量下，其中阻垢劑ZLGD-05的效果最好，當(dāng)其加量為15 mg/L時(shí)，對(duì)長8采出水的阻垢率達(dá)到97.5%，可以有效控制長8污水結(jié)垢問題，故建議最佳阻垢劑加藥量為15～20 mg/L。圖4為加藥前后不同采出水與地表水配伍性分析結(jié)果。

圖3 阻垢劑對(duì)大東溝長8采出水的阻垢效果Fig.3 Effect of scale inhibitor on produced water from Chang 8 reservoir in Dadonggou area

圖4 阻垢劑加入前后采出水與地表水配伍性Fig.4 Compatibility of produced water with surface water before and after scale inhibior adding

從圖4可以看出，由于所有水樣都經(jīng)過過濾處理，所有水樣在未混合前的透光率都較高，但當(dāng)采出水與地表水按不同比例混合時(shí)溶液的透光率都明顯降低，說明有沉淀生成，其中長2水樣變化最為明顯。然而從加入阻垢劑前后對(duì)比來看，加藥后的水樣配伍性明顯提升，混合后溶液透光率降低并不明顯，說明加入阻垢劑起到了明顯的阻垢作用。

(2)絮凝劑篩選優(yōu)化

水質(zhì)分析結(jié)果表明，延長不同水樣除了含有較高的成垢離子外，其懸浮物含量也較高，阻垢劑雖然可以有效解決不同來源水樣混合產(chǎn)生的結(jié)垢問題，但不能消除固體懸浮物對(duì)水質(zhì)的影響，因此在回注水處理過程中還必須經(jīng)過絮凝處理。

實(shí)驗(yàn)對(duì)目前常用的幾種無機(jī)和有機(jī)絮凝劑進(jìn)行了篩選優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用無機(jī)絮凝劑歐泰克聚鋁與有機(jī)絮凝劑ZLGD-01復(fù)配使用效果最佳，但在絮凝劑選定的情況下，有機(jī)和無機(jī)絮凝劑比例、攪拌速度及加藥間隔對(duì)絮凝效果都有顯著影響。為了進(jìn)一步考察無機(jī)絮凝劑的加量(A)、有機(jī)絮凝劑的加量(B)、加藥間隔(C)與攪拌速率(D)這4種因素對(duì)透光率的影響以及各個(gè)因素之間的交互作用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)每個(gè)因素5水平，將其中2個(gè)因素固定，采用Design-Expert.8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)面三維圖和等高線，分析另外2個(gè)因素及其交互作用對(duì)透光率的影響。圖5和圖6分別為有機(jī)和無機(jī)絮凝劑加量及攪拌速度與加藥間隔時(shí)間優(yōu)化響應(yīng)面曲線。

圖5 有機(jī)絮凝劑和無機(jī)絮凝劑加量優(yōu)化Fig.5 Dosage optimization of organic and inorganic flocculants

圖6 攪拌速度與加藥間隔時(shí)間優(yōu)化Fig.6 Optimization of mixing speed and dosing interval

由圖5可知，在攪拌速度和加藥間隔時(shí)間固定的情況下，當(dāng)無機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑復(fù)配，兩者加量較小時(shí)，水樣的透光率較低，而隨著無機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑加量逐漸提升，采出污水的透光率隨之增大，當(dāng)無機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑的加量分別為100 mg/L和1 mg/L時(shí)，采出污水的透光率達(dá)到最高，水中的沉淀情況達(dá)到穩(wěn)定。因此實(shí)驗(yàn)在固定無機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑的加量分別為100 mg/L和1 mg/L的條件下繼續(xù)考察攪拌速度和加藥間隔時(shí)間對(duì)溶液透光率的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)加藥間隔為30 s，攪拌速率30 r/min時(shí)溶液透光率最佳。

(3)巖心傷害實(shí)驗(yàn)

圖7為按優(yōu)化加藥配方處理前后的長2、長7和長8采出水對(duì)巖心的傷害情況，從結(jié)果可以看出，隨著注入體積的增加，巖心傷害不斷增大，當(dāng)注入體積到達(dá)10 PV以后情況基本穩(wěn)定。從加藥前后這些水樣對(duì)巖心傷害的變化來看，在加藥處理前其對(duì)巖心的傷害都較高，其中長8水樣對(duì)巖心的傷害最高，達(dá)到了37.5%，其次是長2和長7，分別為31.2%和28.5%。但經(jīng)過加藥處理后，這3個(gè)水樣對(duì)巖心的傷害明顯降低，最高只有12.8%，尤其是處理后的長8水樣對(duì)巖心的傷害率降幅最大，表明實(shí)驗(yàn)篩選的加藥配方體系能夠滿足現(xiàn)場對(duì)污水回注處理的要求。

圖7 加藥處理前后水樣對(duì)巖心傷害比較Fig.7 Comparison of core damage by water samples before and after drug addition treatment

2.4 現(xiàn)場污水回注工藝調(diào)整

目前，延長油田在污水回注過程中普遍存在處理工藝不夠精細(xì)合理、 回注水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等問題。 以富縣采油廠為例，其處理工藝流程為：現(xiàn)場采出污水首先導(dǎo)入沉降罐，再通過除油罐，混凝罐，調(diào)節(jié)罐，過濾，最終注入泵房待高壓輸送至井下。該流程存在的問題主要如下：

(1)在絮凝過程中只加入單一的無機(jī)絮凝劑(聚合鋁)，絮凝后產(chǎn)生的礬花較小，懸浮物沉淀較慢，絮凝效果不佳；

(2)絮凝罐前后缺少調(diào)節(jié)罐和緩沖罐，采出水或地表水/淺層水在加入絮凝劑后沒有經(jīng)過充分的沉降就經(jīng)過三級(jí)過濾系統(tǒng)進(jìn)行過濾，懸浮物沉淀不充分，含有大量懸浮物的污水直接進(jìn)入過濾系統(tǒng)，使過濾器很快堵塞，導(dǎo)致后續(xù)頻繁清洗或反沖；

(3)殺菌劑和絮凝劑等通過單獨(dú)管線直接加入到絮凝罐中，缺乏混合攪拌環(huán)節(jié)，導(dǎo)致藥劑混合不均勻，從而影響藥劑使用效果；

(4)除氧劑在過濾之前加入，處理后的回注水在經(jīng)過清水罐時(shí)又和氧氣接觸，影響除氧效果，導(dǎo)致處理后的回注水含氧量不達(dá)標(biāo)；

(5)缺少對(duì)沉降罐中累積污泥的處理工藝。

針對(duì)以上問題，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)富縣采油場現(xiàn)有的污水回注工藝流程進(jìn)行了改造，如圖8所示。

圖8 油田回注水精細(xì)處理工藝流程Fig.8 Fine treatment process of oilfield reinjection water

首先，經(jīng)油水分離后的采出水進(jìn)入除油罐以除去少量原油，同時(shí)加入殺菌劑和緩蝕劑，經(jīng)除油處理后的污水再導(dǎo)入到調(diào)節(jié)罐中，通過地表水或淺層水來調(diào)節(jié)每天的注水量，待調(diào)節(jié)罐的水位達(dá)到指定水位后開始向絮凝罐排水，在絮凝罐之前通過加藥泵加入無機(jī)和有機(jī)絮凝劑，絮凝劑的加量根據(jù)注水量和加藥濃度進(jìn)行計(jì)算，其加藥時(shí)間盡量與絮凝罐的進(jìn)水時(shí)間一致，以保證加入的絮凝劑能夠與水充分混勻，另外有機(jī)絮凝劑的加藥位置在無機(jī)絮凝劑之后。待絮凝罐的水量達(dá)到指定位置后停止放水，使其靜止半小時(shí)左右，此時(shí)絮凝罐中的懸浮物能夠得到最大限度地沉降，將上層澄清水排入到緩沖罐中進(jìn)行二次沉降半小時(shí)左右，然后再通過提升泵將緩沖罐中的水泵入三級(jí)過濾器中進(jìn)行精細(xì)過濾。經(jīng)過前面的絮凝和充分沉降，進(jìn)入過濾器中的水樣已較為干凈，再經(jīng)過最后的三級(jí)過濾系統(tǒng)后水質(zhì)完全能夠達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)，處理達(dá)標(biāo)后的水樣儲(chǔ)存在凈水罐中以供回注。在凈水回注之前再加入阻垢劑和除氧劑，這樣可以充分發(fā)揮這兩種藥劑的功效。除油罐、調(diào)節(jié)罐、絮凝罐及緩沖罐底部污泥通過排泥管及時(shí)排入到排泥池，排泥池上清液再泵入調(diào)節(jié)罐中繼續(xù)進(jìn)行絮凝和過濾等處理。流程改造前后回注水處理指標(biāo)變化見表2。

從表2可以看出，處理前水樣水質(zhì)很差，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)不到回注標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過改造前的流程處理后水質(zhì)雖然得到顯著改善，但部分指標(biāo)還是未達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)，包括懸浮物含量、溶解氧和FEB含量。而經(jīng)過改造后的流程處理過的水樣各項(xiàng)指標(biāo)都得到進(jìn)一步改善，所有指標(biāo)都達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)，表明改造后的流程更為科學(xué)合理。

表2 流程改造前后回注水水質(zhì)變化Tab.2 Quality changes of reinjected water before and after process modification

3 結(jié) 論

(1)富縣采油廠長2、長6、長7及長8儲(chǔ)層采出污水大多為氯化鈣水型，水中成垢離子、細(xì)菌、懸浮物及含氧量較高。通過Scalechem軟件對(duì)結(jié)垢預(yù)測發(fā)現(xiàn)，富縣采油廠不同來源水樣自身及相互混合均具有明顯的結(jié)垢趨勢(shì)，成垢類型主要為CaCO3和BaSO4。

(2)根據(jù)水質(zhì)狀況篩選優(yōu)化出最優(yōu)的加藥配方為：阻垢劑(ZLGD-05)15 mg/L，無機(jī)絮凝劑(歐泰克聚鋁)100 mg/L，有機(jī)絮凝劑(ZLGD-01)加量1 mg/L，2種絮凝劑加藥間隔30 s，攪拌速率30 r/min。

(3)對(duì)延長油田現(xiàn)有污水回注工藝進(jìn)行了改造，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，經(jīng)改造后流程處理的水質(zhì)得到極大改善，完全能夠達(dá)到延長油田污水回注標(biāo)準(zhǔn)。