海上A油田異常水質(zhì)分析及配套工藝研究

張海勇，姚為英，李曉亮，馬 超，張 強(qiáng)

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

A油田位于南海東部海域，主力層L層為邊水驅(qū)巖性油藏，儲(chǔ)層物性較好，平均孔隙度為19.9%，平均滲透率435.8×10-3μm2。油田投產(chǎn)后，地層壓力下降迅速，產(chǎn)量遞減明顯，個(gè)別油井供液不足，迫切需要通過注水補(bǔ)充地層能量（圖1）。

圖1 A油田投產(chǎn)后地層壓力場

海上油田的注水開發(fā)受到水資源的限制，一般采用地下水、地下水與處理后的生產(chǎn)污水混配、海水等水源類型作為注入水源。但注入水與儲(chǔ)層的不配伍容易引起結(jié)垢、堵塞、腐蝕等傷害［1-3］，因此注入水配伍性、水質(zhì)的分析顯得尤為重要。

前人在注水水質(zhì)方面做了一些研究，高永華等人通過結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測、配伍性實(shí)驗(yàn)方法，分析了目標(biāo)油田注水井堵塞的原因［4］。周寶鋒等人通過敏感性實(shí)驗(yàn)、配伍性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研究了目標(biāo)油田混配水的注水水質(zhì)［5］。曹博等人通過水質(zhì)配伍性實(shí)驗(yàn)，研究了回注水與地層水配伍性的影響因素［6］。于洋等人從水質(zhì)污染、注水壓力上升兩方面分析了低滲透油田注水水質(zhì)問題［7］?？梢钥闯?，利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析注水水質(zhì)是常用的方法。

A油田是南海東部首個(gè)需要注水的中大型油田，沒有類似注水經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)注水水質(zhì)資料可以參考。

針對(duì)A油田注水的緊迫性和存在的問題，開展注水水質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析是必要的。現(xiàn)場取樣的水源水呈黃褐色渾濁狀（圖2），水質(zhì)差。

圖2 現(xiàn)場取J層水樣

在地層水異常情況分析基礎(chǔ)上，通過水質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析，明確了注入水能否滿足注水要求，并提出了相應(yīng)的水質(zhì)保障配套工藝，為油田控制注水水質(zhì)、注好水提供依據(jù)。

1 地層水異常情況分析

A油田注水可選水源有三種：地層水、海水、生產(chǎn)污水，各種類型水源的離子含量見表1。地質(zhì)研究成果表明，L層上部有水體體積大的J層可以作為水源層，能滿足油田注水量的要求。注海水需要巨大的脫氧塔，但平臺(tái)空間有限，不滿足要求；生產(chǎn)污水目前僅有1 100 m3／d，短期無法滿足回注水量要求。因此，選擇地層水作為注水水源。

表1 不同類型水源的離子含量 mg／L

利用上部水體體積大的J層作為注水水源注入L層，修井作業(yè)返排水層時(shí)現(xiàn)場取J層水樣。J層現(xiàn)場取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)的異常情況如圖3所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這是水中的亞鐵離子接觸空氣后發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)過程如下：

圖3 J層現(xiàn)場取樣異常情況

將已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)的現(xiàn)場水樣用鹽酸反應(yīng)之后，使用ICP（電感耦合等離子體）分析方法，得出水樣中鐵離子含量：J層為13.335 mg／L，L層為8.154 mg／L，該現(xiàn)象在海上油田首次出現(xiàn)。Fe3+在水中的溶解度很小，當(dāng)pH=5時(shí)，F(xiàn)e3+在水中的溶解度不足0.001 mg／L，所以天然地層水中不含有溶解性的Fe3+，F(xiàn)e2+是地層水中鐵質(zhì)的主要成分。因此，水中亞鐵離子含量偏高是A油田本身的地層條件所導(dǎo)致。

地層水未曝氧時(shí)，以Fe2+為主。當(dāng)水中含氧時(shí)，F(xiàn)e2+不穩(wěn)定，易被氧化成Fe3+，形成氫氧化鐵沉淀并最終轉(zhuǎn)化為氧化鐵沉淀，會(huì)使處理水中懸浮固體含量大幅升高，造成水的二次污染，堵塞地層，腐蝕設(shè)備和管柱。因此，如果A油田地層水中的亞鐵離子被氧化，則會(huì)造成水質(zhì)渾濁、懸浮物含量升高，加劇管柱腐蝕。

2 結(jié)垢量預(yù)測新方法

A油田注水先導(dǎo)試驗(yàn)井?dāng)M采用井下助流注水新工藝，將地下水源層的水通過井筒管柱直接注入油層，水源水不需要經(jīng)過地面流程，避免了水源水中亞鐵離子接觸氧氣氧化。實(shí)驗(yàn)分析過程中，水樣接觸氧氣時(shí)，亞鐵離子有絮凝作用，會(huì)導(dǎo)致部分亞鐵離子在實(shí)驗(yàn)中逐漸氧化沉淀，與碳酸鈣共同結(jié)垢析出、聚集，導(dǎo)致碳酸鈣的測量結(jié)果偏高［8］，造成結(jié)垢實(shí)驗(yàn)及巖心動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)結(jié)垢量異常（偏高），現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)垢量預(yù)測方法不適用于井下助流注水新工藝。為此，提出了“結(jié)垢量增加量”新評(píng)價(jià)方法，針對(duì)高含亞鐵特殊地層水，采取曝氧預(yù)處理方法和監(jiān)測水中鈣離子含量變化的方式，預(yù)測與現(xiàn)場實(shí)際相吻合的結(jié)垢量。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采取監(jiān)測水中鈣離子含量減少量的方法，計(jì)算出碳酸鈣結(jié)垢量［9-13］。L油層溫度為110℃左右，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為110℃。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

洗凈250 mL具塞瓶，于干燥箱中以100℃烘干2 h，具塞瓶冷卻到室溫后待用。將待配伍性評(píng)價(jià)的兩種水樣按照不同比例混合后倒入具塞瓶中，按混合比例1∶0、5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶5、0∶1取樣，每樣次200 mL；將水樣密封放入恒溫烘箱，在設(shè)定的溫度下靜置24 h。

采用ICP檢測方法，檢測水中鈣離子含量變化情況，計(jì)算出碳酸鈣結(jié)垢量。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)用水

將現(xiàn)場取的地層水在過濾前充分曝露于空氣中，地層水中的亞鐵離子氧化沉淀為氧化鐵，然后用孔徑為0.45μm的混合纖維素脂濾膜精細(xì)過濾，氧化鐵沉淀被過濾出，過濾后的水樣作為配伍性實(shí)驗(yàn)用水，水樣中的鈣離子將影響混配水的沉淀。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

水樣加熱前清澈透亮，加熱后有少量白色沉淀生成。對(duì)比分析J層水樣與L層水樣配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，J層位水樣與L層位水樣配伍產(chǎn)生沉淀量見圖4。由圖4可知，J層水樣與L層水樣不同比例混合后，結(jié)垢量隨混配比例基本呈線性變化，說明J層位水樣與L層位水樣配伍性良好。其中，單一水樣J層的沉淀量最大，為61.3 mg／L，單一L層水樣沉淀量最小，為12.4 mg／L。

圖4 J層水樣與L層水樣配伍性實(shí)驗(yàn)后垢含量變化趨勢(shì)

3 巖心傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

巖心傷害實(shí)驗(yàn)需要注意亞鐵離子的額外傷害。采取自行配制模擬水的方法，比直接用現(xiàn)場水樣更能模擬現(xiàn)場實(shí)際情況（表2）。

表2 模擬地層水的離子含量 mg／L

通過巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分析注入層儲(chǔ)層巖心與注入水接觸后對(duì)巖石滲透率的影響程度。

實(shí)驗(yàn)步驟：①天然巖樣洗油，烘干，氣測滲透率；②巖樣抽真空，用礦化度為30 000mg／L的模擬地層水飽和24 h；③實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為95℃（儀器受限，不能達(dá)到110℃理論值），用與L層地層水相同礦化度的KCl鹽水測試滲透率，ki代表巖樣的初始滲透率；④以相同流速注入實(shí)驗(yàn)水，注入50 PV之后，用與L層地層水相同礦化度的KCl鹽水測試滲透率，kr代表巖樣注水之后的滲透率；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算：滲透率保留率為kr／ki×100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同注入水與L儲(chǔ)層巖心適應(yīng)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5為驅(qū)替實(shí)驗(yàn)前后的滲透率變化趨勢(shì)，由巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，J層、M層水源水對(duì)L層巖心滲透率損害率小于20%，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》［15］，屬弱傷害。

圖5 地層水與L儲(chǔ)層巖心適應(yīng)性評(píng)價(jià)

4 懸浮物含量分析新方法

A油田水源水中亞鐵離子的存在，導(dǎo)致懸浮物含量偏高，不能直接測出水中懸浮物實(shí)際含量，影響水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果。為此，提出用總懸浮物含量減去鐵離子氧化物含量的新方法，確定水中懸浮物實(shí)際含量，只要總鐵離子含量的增加量不超標(biāo)就可放心注水。

用孔徑0.45μm的混合纖維素脂濾膜精細(xì)過濾，稱量過濾前后濾膜的質(zhì)量差，即為水樣中懸浮物含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，J層、M層水源水中懸浮物含量分別為23.00 mg／L和18.76 mg／L（圖6）。

圖6 水樣抽濾后濾膜

濾膜上的懸浮物包括：①氧化鐵沉淀（通過鐵離子含量計(jì)算，J層、M層水源水的沉淀量分別為19.00 mg／L、15.20 mg／L）；②水中本來就有的懸浮物；③水中絮凝出來的懸浮物。因此，J層、M層水源水中懸浮物含量均小于4.00 mg／L。

參考行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，懸浮物含量小于5.00 mg／L時(shí)，粒徑中值一般為1.00μm左右，滿足不超過3.00 μm的要求。

5 保障水質(zhì)的配套工藝研究

綜合以上實(shí)驗(yàn)分析，A油田的水源水與地層水配伍性良好，主要風(fēng)險(xiǎn)是水中的亞鐵離子，容易轉(zhuǎn)化為氧化鐵沉淀，堵塞地層，同時(shí)也會(huì)腐蝕設(shè)備和管柱。采取合適的工藝將地層水中的亞鐵離子除掉可避免亞鐵離子產(chǎn)生的不良影響。

5.1 井下助流注水新工藝

對(duì)于注水先導(dǎo)試驗(yàn)井，創(chuàng)新研發(fā)了助流注水新工藝。其原理是利用井下電泵增壓，將地下水源層的水直接注入到壓力較低的開采層中，水源層水不需要到達(dá)地面，達(dá)到注水開發(fā)的目的。新工藝具有變流量注入、定期酸洗、水質(zhì)監(jiān)測、注入水量測調(diào)、水源層返排清井及產(chǎn)水能力測試等多種功能，實(shí)現(xiàn)了海上平臺(tái)在無地面注水設(shè)施預(yù)留下的注水開發(fā)（圖7）。利用該工藝，水源層水在井下的封閉環(huán)境中采出與注入，密閉環(huán)境中不接觸氧氣，避免了水中亞鐵離子的氧化。

圖7 助流注水新工藝

5.2 地面水處理流程工藝

油田長遠(yuǎn)的開發(fā)需要采取地面注水以滿足較大注水量的要求，水中亞鐵離子可能加劇管柱腐蝕等不良影響。在注水處理流程的常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，新增一套小型高純度制氮設(shè)備（氮?dú)饧兌燃s99.99%），為注水緩沖罐補(bǔ)充氮?dú)?。?duì)傳統(tǒng)的緩沖罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改造，采用旁通式結(jié)構(gòu)，降低緩沖罐與罐內(nèi)氣體的接觸面積。高純度的氮?dú)饣鞠怂幚砹鞒讨械难鯕?，保障亞鐵離子不會(huì)在地面水處理流程中發(fā)生氧化，可有效避免水質(zhì)中二價(jià)鐵離子與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成懸浮物，確保了注水水質(zhì)。

5.3 地層水除鐵預(yù)防措施

為防止可能出現(xiàn)的意外情況，制定了除地層水中亞鐵離子的預(yù)防工藝措施，即用氧化劑將水中的二價(jià)鐵離子氧化成三價(jià)鐵。三價(jià)鐵在水中的溶解度很小，故能從水中沉淀析出，利用濾膜過濾掉水中沉淀物，從而達(dá)到除鐵的目的。

6 結(jié)論

（1）A油田J層水源水異常的主要原因是水中的亞鐵離子氧化導(dǎo)致，該現(xiàn)象為海上油田首次發(fā)現(xiàn)，控制亞鐵離子的氧化是保證注水水質(zhì)的關(guān)鍵。

（2）通過結(jié)垢量預(yù)測、巖心傷害評(píng)價(jià)、懸浮物含量評(píng)價(jià)，確定了注入水可能引起的儲(chǔ)層傷害，為消除潛在的堵塞地層、腐蝕設(shè)備及管柱等風(fēng)險(xiǎn)，研發(fā)了井下助流注水新工藝，通過地面水處理流程增加高純度制氮設(shè)備、去除水中亞鐵離子等工藝，達(dá)到除鐵或避免亞鐵離子氧化的目的，可確保注水水質(zhì)。