油田采出水結(jié)垢趨勢(shì)及工藝優(yōu)化技術(shù)研究

路遙軍，石 美，刁永強(qiáng)，李 娟，王婷婷，劉亞靜

1.中國(guó)石油華北油田公司第五采油廠，河北辛集 052360

2.中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

3.中國(guó)石油華北油田公司二連分公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000

4.中國(guó)石油華北油田公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處，河北廊坊 065000

5.華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000

隨著油田的深入開(kāi)發(fā)，油井采出液的含水率不斷上升，采出水的處理量不斷增加。對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的低滲和特低滲透油藏，注水開(kāi)發(fā)仍然是通過(guò)補(bǔ)充地層能量從而提高采收率的重要措施之一[1-2]。一旦回注水與地層水或不同回注水之間的配伍性出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致地層滲透性變差，注水壓力上升，從地面管網(wǎng)到井筒發(fā)生腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象，增加流動(dòng)阻力，影響注水開(kāi)發(fā)效果[3-5]。

華北油田公司留17水處理站于2008年建成投產(chǎn)，用于留17、留18、留416采出水的處理及回注，采出水處理能力為1 200 m3/d，采用沉降+兩級(jí)精細(xì)過(guò)濾的處理工藝。根據(jù)留17、留18、留416斷塊的平均空氣滲透率，目前工藝處理效果不能達(dá)到此三個(gè)斷塊的注水水質(zhì)要求，即注水水質(zhì)指標(biāo)需達(dá)到SY/T 5329—2012的推薦水質(zhì)要求（含油≤6 mg/L、懸浮物≤2 mg/L、粒徑中值≤1.5 μm）。

目前，對(duì)于油田水結(jié)垢趨勢(shì)的預(yù)測(cè)通常參照SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)給出了常見(jiàn)碳酸鹽和硫酸鹽的結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，但在進(jìn)行多區(qū)塊配伍性試驗(yàn)時(shí)，工作量較大，且試驗(yàn)室通常為常溫常壓條件，無(wú)法模擬井筒中不同溫度、壓力梯度條件下的結(jié)垢量[6-7]。因此，本項(xiàng)目采用美國(guó)OLI的ScaleChem結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)軟件，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，分析造成結(jié)垢的原因，篩選出合適的阻垢劑和絮凝劑，并對(duì)加藥流程和加藥點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以期為改善水質(zhì)、提高注水系統(tǒng)效率提供參考。

1 試驗(yàn)部分

（1）試驗(yàn)儀器。UV5200型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、KYKY-EM8100型掃描電子顯微鏡SEM、Sartorius BSA224S型電子天平（精度0.01 mg）、LDY-2型多功能巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置、人造巖心（φ20 mm×50 mm，平均滲透率10～50 mD），阻垢劑和絮凝劑均為分析純級(jí)別。

（2） 水質(zhì)分析。參照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對(duì)水質(zhì)進(jìn)行全組分分析，參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》對(duì)水質(zhì)中的含油量、懸浮物含量進(jìn)行測(cè)定，SRB的測(cè)定采用絕跡稀釋法。

（3） 結(jié)垢預(yù)測(cè)。ScaleChem軟件可以根據(jù)電荷平衡和pH值對(duì)水樣進(jìn)行自動(dòng)調(diào)和，模擬不同溫度、壓力和酸堿度變化條件下的熱力學(xué)結(jié)垢情況，最高可預(yù)測(cè)315℃、150 MPa、70 000 mg/L質(zhì)量濃度下的結(jié)垢趨勢(shì)。采用該軟件，對(duì)兩種注入水在地面處理設(shè)備和注水井筒中的結(jié)垢量和結(jié)垢類(lèi)型進(jìn)行預(yù)測(cè)，井筒深度3 000 m。

（4）注水傷害試驗(yàn)。參照SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》對(duì)人工巖心進(jìn)行注水傷害試驗(yàn)，首先用地層水飽和人工巖心，在設(shè)定溫度下測(cè)定水相滲透率K1，隨后用注入水進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)，測(cè)得傷害后的水相滲透率為K2，采用（1-K2/K1） 計(jì)算巖心滲透率的下降率C，當(dāng)C≥30%時(shí)，認(rèn)為注入水對(duì)地層的傷害很大，不能進(jìn)行注入[8-9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 采出水水質(zhì)分析及結(jié)垢的預(yù)測(cè)與分析

（1） 采出水水質(zhì)分析。取留17、留18、留416三個(gè)斷塊典型油井的采出液（采出水），在試驗(yàn)室進(jìn)行采出水水質(zhì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同來(lái)源采出水水質(zhì)分析

通過(guò)水質(zhì)分析可知，不同斷塊的采出水礦化度均較高，Cl-含量達(dá)到了礦化度的一半，普遍為弱堿性水質(zhì)，主要為CaCl2水型，水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等成垢陽(yáng)離子和等成垢陰離子的質(zhì)量濃度較高，采出水的結(jié)垢趨勢(shì)明顯。

（2）采出水在注水井筒中結(jié)垢的預(yù)測(cè)。當(dāng)采出水量不能滿足油田地質(zhì)的要求時(shí)，需要補(bǔ)充部分淺層地下水進(jìn)行清污混注。以留17斷塊的采出水為例，與淺層地下水進(jìn)行9∶1混合后，利用ScaleChem的“Mixing”模擬在注水井筒中的結(jié)垢趨勢(shì)，溫度從井口40℃增加到井底90℃，壓力隨井深變化從井口20 MPa增加到45 MPa，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，回注水在注水井筒內(nèi)存在結(jié)垢現(xiàn)象，以CaCO3垢樣為主，隨著井深的增加，CaCO3、BaSO4的結(jié)垢量呈下降趨勢(shì)，但對(duì)比井口和井底的條件，結(jié)垢量變化不大，在井筒底部的CaCO3的結(jié)垢量為488 mg/L，BaSO4的結(jié)垢量為154 mg/L，CaCO3垢樣的顆粒較大，如不經(jīng)過(guò)處理回注到地層中，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，對(duì)儲(chǔ)層造成不可逆的傷害。

（3）采出水在水處理設(shè)備中結(jié)垢的預(yù)測(cè)。采出水與淺層地下水混合后在采出水處理站進(jìn)行處理時(shí)，同樣會(huì)在過(guò)濾器、沉降罐、調(diào)節(jié)罐、彎頭及閥門(mén)的滯留區(qū)形成垢樣[10-11]，在此通過(guò)模擬外界氣溫變化，對(duì)設(shè)備和附件中的結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 采出水在水處理設(shè)備中的結(jié)垢量

由圖2可知，隨著溫度的上升，在5～20℃的條件下，CaCO3垢樣大量形成，成垢趨勢(shì)明顯，之后結(jié)垢量略微下降；BaSO4垢樣隨著溫度的上升呈下降趨勢(shì)；SrCO3垢樣在5～20℃的條件下，迅速減小，隨后趨于平穩(wěn)。

（3） 采出水在水處理設(shè)備中結(jié)垢的SEM和EDS分析。分別對(duì)10℃和25℃的沉積垢樣進(jìn)行電鏡掃描觀察，10℃條件下垢樣表面不平整，主要為棱角分明的六方晶系形式，顆粒之間無(wú)明顯的連接，為典型的CaCO3晶體結(jié)構(gòu)，此外垢樣表面較為疏松，還存在其他顆粒狀、三角狀物質(zhì)，推測(cè)可能由多種垢樣形成（見(jiàn)圖3（a））；25℃條件下，CaCO3迅速生長(zhǎng)，小的六方晶體不斷聚并，晶體之間出現(xiàn)明顯的絲狀和帶狀連接物，晶體之間化學(xué)連接鍵的作用加強(qiáng)，晶核尺寸迅速生長(zhǎng)，晶粒數(shù)和尺寸逐漸穩(wěn)定（見(jiàn)圖3（b））；對(duì)25℃的垢樣進(jìn)行能譜分析，得知Ca、Ba、C和O元素的含量較高，Sr元素含量較低，與之前的ScaleChem預(yù)測(cè)吻合（見(jiàn)圖3（c））。

圖3 垢樣的掃描電鏡與能譜分析

2.2 阻垢劑優(yōu)選

（1）單一阻垢劑的阻垢效果。分別選取兩種有機(jī)膦系阻垢劑DTPMPA（二乙烯三胺五甲叉磷酸鈉）、EDTMPS（乙二胺四甲叉磷酸鈉）和兩種聚合物類(lèi)阻垢劑PASP（聚天冬氨酸）、PESA（聚環(huán)氧琥珀酸）進(jìn)行阻垢性能篩選，評(píng)定方法參照SY/T 5673—2006進(jìn)行，試驗(yàn)溫度70℃。在低濃度下，觀察4種阻垢劑對(duì)水樣的阻垢率，見(jiàn)圖4。

圖4 低濃度下4種阻垢劑的阻垢效果

由圖4可知，在低濃度加藥量下，4種阻垢劑的阻垢率均不高，在質(zhì)量濃度40 mg/L的條件下，EDTMPS、PASP和PESA的阻垢率超過(guò)了60%，DTPMPA的阻垢率僅為38.2%，且阻垢趨勢(shì)變化較大，證明阻垢效果不穩(wěn)定。

（2）總濃度一定時(shí)，不同比例復(fù)配阻垢劑的阻垢效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇阻垢效果較好的3種阻垢劑進(jìn)行兩兩復(fù)配試驗(yàn)，總質(zhì)量濃度為40 mg/L，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 阻垢劑復(fù)配效果

由圖5可知，EDTMPS和PESA的復(fù)配效果最差，與單獨(dú)使用的阻垢率相差不多，通過(guò)檢查廣口瓶中的水樣發(fā)現(xiàn)存在大顆粒的懸浮垢和部分沉積垢，說(shuō)明阻垢效果較差；EDTMPS與PASP在2∶1的條件下阻垢效果最好，可達(dá)90.5%，觀察廣口瓶中只有少量的懸浮垢存在于水中，阻垢機(jī)理主要為分散作用和晶格畸變作用；PASP與PESA在3∶1的條件下阻垢效果最好，可達(dá)92.1%，觀察廣口瓶中只有少量的沉積垢附著在瓶底，阻垢機(jī)理主要為絡(luò)合增溶作用和閾值效應(yīng)。

（3）在不同阻垢劑濃度、溫度、水質(zhì)礦化度和pH值條件下，兩種復(fù)配阻垢劑（EDTMPS與PASP復(fù)配比例為2∶1、PASP與PESA復(fù)配比例為3∶1）的阻垢效果穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同因素對(duì)復(fù)配阻垢劑阻垢效果的影響

從圖6（a）可以看出，兩種復(fù)配阻垢劑的性能差異較為顯著，隨著濃度的增加，PASP與PESA復(fù)配的阻垢率曲線波動(dòng)較大，EDTMPS與PASP復(fù)配后曲線趨勢(shì)平緩，阻垢率均呈現(xiàn)先增大后緩慢減小趨勢(shì)。

從圖6（b）可以看出，隨著溫度的升高，阻垢率均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，在70℃時(shí)阻垢效果最好，這是由于隨著溫度升高，分子間運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，活化反應(yīng)加快，但隨著溫度繼續(xù)上升，阻垢劑束縛成垢陽(yáng)離子結(jié)晶成核的動(dòng)力學(xué)作用減弱，影響了阻垢效果。

從圖6（c） 可以看出，隨著NaCl含量的增加，阻垢率均呈現(xiàn)先明顯增加后緩慢降低趨勢(shì)，兩條曲線較為平穩(wěn)，這是由于隨著溶液中NaCl含量的增加，垢樣的成核速度減小，溶解度增大，當(dāng)NaCl為30 g/L時(shí)，溶解度達(dá)到最大，隨后溶解度有所下降，故阻垢率緩慢下降。

從圖6（d） 可以看出，兩條曲線在pH值呈酸性或堿性的條件下，阻垢效果較差，在pH值為7時(shí)阻垢效果最好，這是由于pH較低時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備和管道產(chǎn)生腐蝕作用，腐蝕產(chǎn)物阻礙阻垢劑在金屬表面成膜，pH較高時(shí)促進(jìn)了轉(zhuǎn)化為，使結(jié)垢反應(yīng)向正向移動(dòng)，增大了結(jié)垢量。

綜上所述，當(dāng)PASP與PESA以3∶1復(fù)配時(shí)，阻垢效果起伏較大，穩(wěn)定性較差；當(dāng)EDTMPS與PASP以2∶1復(fù)配時(shí)，阻垢效果較為穩(wěn)定。因此，選擇EDTMPS與PASP以2∶1比例復(fù)配的阻垢劑。

2.3 絮凝劑優(yōu)選

由水質(zhì)分析可知，不同水樣除了含有成垢離子外，懸浮物含量也超標(biāo)，原工藝只添加了PAC（聚合氯化鋁）一種無(wú)機(jī)絮凝劑，出水效果并不好。經(jīng)研究表明，將無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑進(jìn)行復(fù)配，在低濃度下即可產(chǎn)生較好的協(xié)同作用。對(duì)CPAM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）、APAM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）、QPVP（季銨化聚乙烯吡啶）、SZYA（烴基化陽(yáng)離子玉米淀粉）4種有機(jī)絮凝劑的單劑效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，加藥質(zhì)量濃度1mg/L。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）CPAM相對(duì)其他藥劑具有絮團(tuán)形成和沉降時(shí)間短、絮團(tuán)相對(duì)尺寸大、上清液透光率高等特點(diǎn)[12]，因此選擇CPAM為與無(wú)機(jī)絮凝劑PAC復(fù)配的有機(jī)絮凝劑。

（2）無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑的添加比例、攪拌時(shí)間以及加藥間隔均會(huì)對(duì)絮凝效果產(chǎn)生影響，在此利用Designexpert8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)（RSM），并將試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，每個(gè)因素設(shè)計(jì)5個(gè)水平，結(jié)果見(jiàn)圖7。隨著絮凝劑濃度的不斷增加，透光率呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，響應(yīng)曲面呈網(wǎng)兜狀分布，當(dāng)PAC與CPAM的質(zhì)量濃度分別為70 mg/L和1 mg/L時(shí)，透光率最高；攪拌時(shí)間主要影響絮凝劑的分子擴(kuò)散和流體介質(zhì)的湍動(dòng)能[13]，加藥間隔主要影響絮體的成形和脫穩(wěn)[14]，當(dāng)攪拌時(shí)間和加藥間隔分別為5 min和30 s時(shí)，透光率最高。

3 現(xiàn)場(chǎng)工藝流程優(yōu)化

3.1 工藝流程改造

留17站原采出水處理及注水系統(tǒng)的工藝為：油區(qū)來(lái)水先進(jìn)入700 m3除油罐和沉降罐，然后進(jìn)兩級(jí)石英砂過(guò)濾器，最后經(jīng)殺菌后進(jìn)入注水罐，其流程如圖8（a）所示。該工藝存在以下問(wèn)題：

（1）只添加了PAC（聚合氯化鋁）一種無(wú)機(jī)絮凝劑，絮團(tuán)的形成和沉降時(shí)間較長(zhǎng)，相對(duì)尺寸較小，加大了過(guò)濾器的負(fù)擔(dān)，反洗周期較短。

（2） 沉降罐前后流程沒(méi)有緩沖罐和調(diào)節(jié)罐，油區(qū)來(lái)水與淺層地下水混合后沉降時(shí)間不夠，出口水質(zhì)懸浮物超標(biāo)。

（3）除氧劑在過(guò)濾之前添加，水質(zhì)經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入注水罐仍然有曝氧的可能。

（4）無(wú)罐底污泥處理裝置。

針對(duì)存在的上述問(wèn)題，對(duì)該工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的工藝流程如圖8（b）所示：首先油區(qū)來(lái)水加入阻垢劑和緩蝕劑后進(jìn)入除油罐，除去水中的浮油和分散油。隨后與淺層地下水混合后進(jìn)入調(diào)節(jié)罐，通過(guò)調(diào)節(jié)罐的液位調(diào)整不同水源水的配比，達(dá)到要求后進(jìn)入沉降罐沉降1～2 h，與此同時(shí)先加入70 mg/L PAC，再加入1 mg/L CPAM，加藥時(shí)間與沉降罐進(jìn)水時(shí)間保持一致，保證藥劑充分混合。此后沉降罐上清液進(jìn)入緩沖罐進(jìn)行二次沉降，沉降后經(jīng)提升泵加壓進(jìn)入兩級(jí)精細(xì)過(guò)濾器，過(guò)濾后進(jìn)入注水罐，并分別在注水罐前端和后端進(jìn)行殺菌和除氧；而沉降罐罐底污泥則排入生物反應(yīng)池，對(duì)含油污泥中的油類(lèi)和有機(jī)物進(jìn)行降解，而后進(jìn)入疊螺機(jī)進(jìn)行調(diào)制-機(jī)械分離以降低污泥中的含水率，從而減少外運(yùn)體積。

圖7 不同因素對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響

圖8 采出水處理工藝流程

3.2 改造后工藝流程不同節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)分析評(píng)價(jià)

對(duì)改造后工藝流程的不同節(jié)點(diǎn)（油區(qū)來(lái)水、絮凝罐出口、過(guò)濾器出口、注水罐出口）進(jìn)行水質(zhì)分析，以此確定工藝優(yōu)化效果。水質(zhì)分析結(jié)果如表2所示，處理后水質(zhì)的含油量、懸浮物含量均有大幅降低，三種細(xì)菌的含量也大幅降低，出水水質(zhì)達(dá)到SY/T 5329—2012中的推薦水質(zhì)指標(biāo)。

表2 改造后工藝流程不同節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)變化

3.3 人工巖心傷害試驗(yàn)評(píng)價(jià)

取處理前后的采出水進(jìn)行人工巖心傷害試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)采出水中含油量、懸浮物含量、粒徑中值、菌類(lèi)和結(jié)垢產(chǎn)物對(duì)地層的傷害，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖9。隨著注水倍數(shù)的增加，滲透率的下降幅度不斷增加，當(dāng)注水倍數(shù)為30倍的孔隙體積時(shí)，由處理前采出水引起的滲透率下降幅度為48.2%，而處理后的下降幅度則為21.7%，未超過(guò)30%，因此處理后采出水可以作為合格的采出水進(jìn)行回注。

圖9 不同注水倍數(shù)下的人工巖心滲透率下降率

4 結(jié)論

（1）利用ScaleChem結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件，對(duì)注水井筒和采出水處理設(shè)備中的結(jié)垢量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在井筒底部，CaCO3的結(jié)垢量為488 mg/L，BaSO4的結(jié)垢量為154 mg/L。

（2） 當(dāng)PASP與PESA以3∶1進(jìn)行復(fù)配時(shí)，其阻垢效果起伏較大，穩(wěn)定性較差；當(dāng)EDTMPS與PASP以2∶1進(jìn)行復(fù)配時(shí)，其阻垢效果較為穩(wěn)定。

（3）處理后水質(zhì)的含油量、懸浮物含量均大幅降低，出水水質(zhì)達(dá)到SY/T 5329—2012中的推薦水質(zhì)指標(biāo)，巖心滲透率的下降幅度為21.7%，處理后采出水可以作為合格的采出水進(jìn)行回注。