某油田不同來源采出水回注處理工藝技術(shù)研究與優(yōu)化

盧憲輝（中海油石化工程有限公司）

隨著國內(nèi)陸上油田開發(fā)的不斷深入，注水已成為補(bǔ)充地層能量、維持油田采收率的重要途徑。為滿足國家和地方安全環(huán)保的相關(guān)要求，采出水需經(jīng)中央處理廠或聯(lián)合站的水區(qū)處理后，由柱塞泵直接回注至地層[1-3]。在處理和回注的過程中，不同層位、不同來源的采出水混合后，在外界環(huán)境的影響下，成垢離子會超過其在水中的溶度積，從而引發(fā)腐蝕結(jié)垢。酒東油田、南堡油田、鎮(zhèn)原油田、渤海油田等地均發(fā)生過因結(jié)垢引起的管道泄露、水處理設(shè)備堵塞及地層傷害問題，因此對油田采出水的配伍性及結(jié)垢趨勢進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對處理工藝實(shí)施優(yōu)化顯得尤為重要[4-7]。

關(guān)于結(jié)垢趨勢預(yù)測，目前主流的方法有指數(shù)模型、數(shù)值預(yù)測模型和軟件模型三種[8-9]，其中不同指數(shù)模型有一定的適用范圍，在計(jì)算結(jié)果上存在較大差異；數(shù)值預(yù)測模型需要在測試大量樣本的基礎(chǔ)上，考慮熱力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)對結(jié)垢的影響，屬于黑箱模型，難以探究其結(jié)垢機(jī)理；軟件模型綜合了前兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，以美國OLI 公司Scale Chem 結(jié)垢預(yù)測軟件為代表[10]，在油田現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用。基于此，利用Scale Chem 結(jié)垢預(yù)測軟件對不同來源采出水中的成垢離子進(jìn)行調(diào)和，定量測算水處理設(shè)備及注水井筒中的結(jié)垢類型和結(jié)垢量，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對阻垢劑、絮凝劑進(jìn)行藥劑篩選，最后對現(xiàn)場處理工藝和加藥流程進(jìn)行優(yōu)化，以滿足回注水質(zhì)要求。研究結(jié)果可為老油田改善注水工藝、提高水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提供實(shí)際參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

UV-3000 型紫外-可見分光光度計(jì)；ZR-45 型攪拌器；有機(jī)膦酸鹽類阻垢劑：氨基三亞甲基膦酸（ATMP）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、乙二胺四甲叉磷酸鈉（EDTMPS），均為分析純；聚合物類阻垢劑：聚天冬氨酸(PASP)、聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)、低分子量聚丙烯酸均聚物(TPA)，均為分析純；聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM），均為分析純。

實(shí)驗(yàn)水樣來自某油田不同來源的油井采出水和淺層地下水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）水樣分析。參照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對水樣中的離子濃度進(jìn)行測定；參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》對水樣中的油、懸浮物等參數(shù)進(jìn)行測定。

2）結(jié)垢分析。根據(jù)水樣分析結(jié)果，利用Scale Chem 結(jié)垢預(yù)測軟件對不同來源采出水中的成垢離子進(jìn)行調(diào)和，對結(jié)垢趨勢、結(jié)垢產(chǎn)物和結(jié)垢量進(jìn)行預(yù)測。

3） 阻垢劑性能評價(jià)。參照SY/T 5673—2020《油田用防垢劑通用技術(shù)條件》 中的要求，采用EDTA 絡(luò)合滴定法確定水樣中成垢離子濃度：

式中：E為阻垢率，%；m1、m0分別為水樣加入阻垢劑、未加入阻垢劑時(shí)的結(jié)垢量，mg/L。

4）絮凝工藝評價(jià)。取50 mL 采出水置于100 mL燒杯中，加入適量NaOH 調(diào)節(jié)pH 值至7 左右，先后加入PAC、PAM，考察不同藥劑添加量、攪拌時(shí)間和加藥間隔對絮凝效果的影響。沉淀30 min 后，取上清液，以純水作為參比，通過紫外-可見分光光度計(jì)測定透光率。

2 結(jié)果與討論

2.1 水樣特性及結(jié)垢趨勢分析

選擇某油田X1 區(qū)塊、X2 區(qū)塊的油井采出水及淺層地下水，水質(zhì)分析結(jié)果見表1。不同區(qū)塊采出水的懸浮物及礦化度含量均較高，呈弱堿性，水型為CaCl2型，水中含有較多的成垢陽離子和陰離子，自身具有較大的結(jié)垢趨勢；淺層地下水中的各項(xiàng)離子含量相對較低，水型為NaHCO3型。如采出水不經(jīng)處理直接回注，將在沿程水處理設(shè)備及管道中形成垢樣，造成注水壓力的升高和地層吸水能力的下降。

表1 采出水、淺層地下水水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of water quality for produced water and shallow groundwatermg/L

利用Scale Chem 軟件中的“Brine”功能構(gòu)建水樣信息，通過“Scaling”功能計(jì)算不同混合配比水樣的結(jié)垢量見圖1。在常溫常壓（20 ℃，101.325 kPa）下，采出水自身的結(jié)垢趨勢較強(qiáng)，X1 區(qū)塊以CaCO3垢為主，X2 區(qū)塊以BaSO4垢為主，隨著兩者混合比例的變化，結(jié)垢趨勢呈線性變化，這與表1 的水質(zhì)分析結(jié)果相符。

圖1 不同混合配比水樣的結(jié)垢量Fig.1 Scaling amount of water samples with different mixing ratios

以X1 區(qū)塊和X2 區(qū)塊混合比例1∶1 為例，考察不同工況下注水井筒的結(jié)垢趨勢，從井口至井筒深處，地層溫度從25 ℃升至100 ℃，地層壓力從0.1 MPa升至18 MPa，注水井筒的結(jié)垢趨勢見圖2。隨著溫度增加，CaCO3和BaSO4的結(jié)垢量逐漸減小，一方面溫度升高會降低垢樣溶解度，促使更多的結(jié)晶析出；另一方面壓力升高會促使CO2溶解，使成垢反應(yīng)向著反方向進(jìn)行，抑制結(jié)晶析出?？紤]到壓力在井筒垂直方向上的變化梯度更大，故壓力對結(jié)垢趨勢的影響更大。

圖2 注水井筒的結(jié)垢趨勢Fig.2 Scaling trend of water injection shaft

采出液在油區(qū)需通過三相分離器、電脫水器等設(shè)備，進(jìn)行油、氣、水三相分離，這些設(shè)備為保證原油外輸質(zhì)量，采取加熱脫水，故采出水進(jìn)入水處理區(qū)時(shí)的溫度為35～45 ℃。不同溫度下水處理設(shè)備的結(jié)垢趨勢見圖3。結(jié)垢類型為CaCO3、BaSO4、SrCO3，其中溫度對BaSO4結(jié)垢量的影響最小，低溫時(shí)BaSO4和SrCO3的結(jié)垢量較大；隨著溫度升高，CaCO3的結(jié)垢量快速上升至672 mg/L，說明了一旦滿足結(jié)垢所需的溫壓條件，結(jié)垢量會大幅上升，SrCO3在超過40 ℃時(shí)幾乎無沉淀產(chǎn)生。

圖3 不同溫度下水處理設(shè)備的結(jié)垢趨勢Fig.3 Scaling trends of water treatment equipment at different temperatures

綜上，采出水的結(jié)垢趨勢除與水質(zhì)本身有關(guān)，還與溫度、壓力等因素相關(guān)，降低結(jié)垢量應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場工況的實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整。

2.2 阻垢劑篩選

以X1 區(qū)塊水樣為例，在70 ℃下考察有機(jī)膦酸鹽類阻垢劑和聚合物類阻垢劑的單劑阻垢效果，不同阻垢劑的阻垢效果見圖4。阻垢率隨阻垢劑濃度的增加而增加，ATMP、PASP 和TPA 的阻垢效果較好，在質(zhì)量濃度為40 mg/L 時(shí)，阻垢率均超過了60%；EDTA、EDTMPS、PESA 的阻垢效果較差，阻垢率始終未超過40%。

圖4 不同阻垢劑的阻垢效果Fig.4 Scale inhibition effect of different inhibitors

為充分發(fā)揮單劑之間的耦合協(xié)同作用，在總質(zhì)量濃度40 mg/L 的條件下，考察單劑效果較好的ATMP、PASP 和TPA 兩兩復(fù)配后的阻垢效果，見圖5。其中，PASP 與TPA 復(fù)配的阻垢效果較差，與單劑的效果基本相同，燒杯中肉眼可見大顆粒的沉淀物質(zhì)，說明復(fù)配效果不好。ATMP 與TPA 在2∶1 時(shí)的復(fù)配效果最佳，阻垢率達(dá)到95.4%，燒杯中只有少量的白色絮狀物漂浮在水樣上，杯底無沉淀，說明復(fù)配效果較好，兩種阻垢劑的阻垢機(jī)理有所差別，阻垢機(jī)理以晶體變形和分散作用為主[11]。

圖5 不同復(fù)配阻垢劑的阻垢效果Fig.5 Scale inhibition effect of different compound scale inhibitors

2.3 絮凝工藝評價(jià)

由表1 可知，除成垢離子外，水樣中懸浮物含量也較大，如不進(jìn)行絮凝處理，會造成后續(xù)過濾器堵塞，降低反沖洗周期。利用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)方法中的Box-Behnken 模型考察PAC 濃度、PAM 濃度、攪拌時(shí)間和加藥間隔對絮凝效果的影響，不同絮凝條件對上清液透光率的影響見圖6。在攪拌時(shí)間和加藥間隔固定的條件下，PAC 和PAM 濃度較小時(shí)，水樣的透光率較低；在PAC 為90 mg/L、PAM 為1 mg/L時(shí)，絮凝劑與采出水充分接觸，最大限度的發(fā)揮了吸附橋架作用，此時(shí)的透光率最高為92.5%。在以上條件下，當(dāng)攪拌時(shí)間為6 min、加藥間隔為30 s時(shí)，采出水中的懸浮物分散成細(xì)小絮體，膠體穩(wěn)定性增強(qiáng)，上清液逐漸透亮；其余工況受流體和藥劑湍流擴(kuò)散、沉降波動(dòng)的影響，透光率均較差。

圖6 不同絮凝條件對上清液透光率的影響Fig.6 Influence of different flocculation conditions on light transmittance of supernatant

3 現(xiàn)場工藝優(yōu)化與調(diào)整

目前，該區(qū)塊聯(lián)合站采用沉降、過濾、回注的三段式水處理工藝，但回注水質(zhì)目前只能滿足SY/T 5329—2016 中第五級的要求，與地層吸水指數(shù)不符，梳理其工藝流程存在如下問題：在絮凝過程中只加入單一的無機(jī)絮凝劑，存在吸附能力有限、投藥量較大的問題；絮凝罐前后未設(shè)置緩沖調(diào)節(jié)罐，采出水在加入絮凝劑后未進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬统两?，?dǎo)致進(jìn)入過濾器的懸浮物含量較大；過濾器之前的儲罐未設(shè)置污泥處理工藝，當(dāng)采出水流速較快時(shí)，罐底污泥會隨流體進(jìn)入其余設(shè)備和管線，污染濾料；阻垢劑在注水罐之后、注水泵之前添加，對于前端水處理設(shè)備的防垢效果較差；除氧劑在過濾器之前添加，處理后的采出水在注水罐中沉降，仍然存在曝氧的可能性。

針對上述問題，在阻垢劑篩選和絮凝工藝評價(jià)的基礎(chǔ)上，對原工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的采出水處理工藝流程見圖7。X1 區(qū)塊和X2 區(qū)塊的采出水混合，經(jīng)水源熱泵換熱降溫至20～25 ℃后，進(jìn)入除油罐去除含水油，同時(shí)加入緩蝕劑和阻垢劑；隨后采出水進(jìn)入緩沖調(diào)節(jié)罐，如遇水量不足時(shí)，補(bǔ)充少量的淺層地下水，待調(diào)節(jié)罐水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定時(shí)向緩沖罐排水，利用排水的湍流作用加入絮凝劑，加藥方式根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)置；待絮凝罐水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，靜置30 min；隨后排水至緩沖調(diào)節(jié)罐再二次靜置30 min，此時(shí)大部分懸浮物已聚并沉降至罐底；最后，通過低壓泵將采出水送至二級過濾器完成精細(xì)過濾，處理后的水樣儲存在注水罐中，根據(jù)地質(zhì)要求分層、分壓注水。此外，除油罐、緩沖調(diào)節(jié)罐和絮凝罐底部均設(shè)有排泥管，污泥被排放至污泥反應(yīng)池，靜置后上清液返回至除油罐前端繼續(xù)處理。

圖7 優(yōu)化后的采出水處理工藝流程Fig.7 Process of produced water treatment after optimization

對比優(yōu)化前后的水質(zhì)處理效果見表2。優(yōu)化前，只有油含量和細(xì)菌含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，懸浮物的含量較大，同時(shí)Ca2+、Mg2+、Ba2+等成垢離子的濃度較大，存在較大的結(jié)垢趨勢；優(yōu)化后，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足SY/T 5329—2016 中關(guān)于二級水質(zhì)指標(biāo)的要求，成垢離子含量大幅降低，凈化后的采出水水質(zhì)與淺層地下水的水質(zhì)相似，結(jié)垢的可能性有所降低。

表2 優(yōu)化前后的水質(zhì)處理效果Tab.2 Water quality treatment effects before and after optimization

4 結(jié)論

1）不同區(qū)塊采出水的結(jié)垢趨勢有所不同，其中X1 區(qū)塊以CaCO3垢為主，X2 區(qū)塊以BaSO4垢為主；混合水樣結(jié)垢量隨注水井筒深度的增加而減少，在近井口地帶的結(jié)垢量最大；混合水樣在水處理設(shè)備中的結(jié)垢類型為CaCO3、BaSO4、SrCO3，在溫度超過40 ℃時(shí)，CaCO3的結(jié)垢量快速上升至672 mg/L。

2）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對阻垢劑配方及絮凝工藝進(jìn)行了優(yōu)化，在復(fù)配阻垢劑ATMP∶TPA=2∶1，總濃度40 mg/L，阻垢效果最好；在PAC 為90 mg/L、PAM 為1 mg/L、攪拌時(shí)間6 min、加藥間隔30 s時(shí)，絮凝效果最好。

3）依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對現(xiàn)場的采出水處理工藝進(jìn)行調(diào)整， 優(yōu)化后水質(zhì)得到較大改善， 滿足SY/T 5329—2016 中關(guān)于二級回注水質(zhì)指標(biāo)的要求。