林 怡 唐洪明 歐家強 陳 聰 王艷玲

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室）

（2.中國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）有限公司天津分公司勘探開發(fā)研究院）

目前，國內外對于氣田水最好的處理方法就是異層回注。為減少氣田水對環(huán)境的影響，確保油氣田合理開發(fā)，所以在回注前必須進行氣田水回注的預處理，即回注水質達標處理［1］。根據(jù)四川氣田產出水處理現(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，應從產出污水特征出發(fā)，有針對性地提出增注措施。

四川氣田金秋區(qū)塊氣田水在回注過程中注水壓力上升，出現(xiàn)注不進的現(xiàn)象，本實驗通過對金秋地區(qū)須家河組氣田水的水質特征分析，針對其鐵含量高、易結垢的特點，提出相應的增注措施。

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出水，選金2井和金17井產出水為分析樣品，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＜0.45μm孔徑的濾膜抽提，圖1（b）為過濾后的濾膜照片，濾膜呈黃褐色，含有一定量的細小顆粒，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）進行元素測試分析（圖2）：懸浮物由Fe、Cl、Na、O、Ca、Ba、Si等元素組成，各元素平均質量分數(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 易結垢

表1為金秋氣田金2井和金17井須家河組（T3x）產出水以及回注目的層大安寨段（J1d）地層水化學成分，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］，結合須家河組和大安寨段水質的離子濃度（表1）對兩者的混合水做了CaCO3的結垢趨勢預測［7］，由預測結果（表2）可知，在大安寨段地層溫度條件下，須家河組產出水和大安寨段地層水不論以何種比例混合均會嚴重結垢，且隨著須家河組產出水比例增大，結垢指數(shù)SI增大，穩(wěn)定指數(shù)SAI減小，結垢趨勢增強，即隨著注水年限的增加結垢量增大。

對金2井和金17井產出水在大安寨段回注層溫度（75.4℃）下加溫，再經＜0.45μm孔徑的濾膜抽提，對濾膜進行X射線衍射分析（圖3）。結果表明，須家河組產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，說明須家河組產出污水在地面條件下要結鈣質垢。

大安寨段介屑灰?guī)r儲集空間可分為裂縫、次生孔隙和原生孔隙3大類。裂縫以構造成因的微裂縫（圖5（a））為主，孔隙以基質中的晶間孔（圖5（b））為主?？紫抖确植荚?.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、滲相關性差，為典型的低孔滲致密性復雜油層。注入水結垢產生的沉淀將會堵塞回注層，降低注水能力［8］。

表1 須家河組產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)法預測混合水結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

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

2 回注污水處理措施

2.1 污水除鐵

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

污水中的鐵一般以Fe2＋鹽（重碳酸亞鐵Fe（HCO3）2）的形式存在，當與空氣接觸時，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，見圖1）。

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

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

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（1）催化－氧化作用。含F(xiàn)e2＋的地下水的pH值大于6.0時，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：

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

圖6（a）為室內簡易的除鐵設備，即讓注入水緩慢通過裝有錳砂的試管，氣田產出水在空氣中靜置一段時間后，水中的Fe2＋氧化成Fe3＋，經過錳砂后就達到除鐵的目的。圖6（b）為工業(yè)化除鐵裝置，有多個廠家生產相關的設備。

2.2 阻 垢

至今，國外防垢仍以化學法（加防垢劑）為主［10］。前蘇聯(lián)和美國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垢，但目前這些方法未能大量推廣應用?；刈⑶埃瑲馓锼洺两岛瓦^濾，除去懸浮物和泥砂等，接著投加防垢劑（如聚合無機磷酸鹽、有機磷酸鹽等［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 除鐵污水回注適應性評價

針對以上分析，用采取相應措施處理后的回注污水與大安寨段巖石進行適應性評價，結果見表3。

（1）除鐵后的須家河組產出污水對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 回注技術與工藝研究

通過上述綜合研究，推薦須家河組產出污水回注的工藝流程為：

（1）沉降或者過濾除去機械雜質：須家河組產出污水沉降1～2天，將無機雜質除去，同時將產出水中的Fe2＋氧化成Fe3＋；如果地面注水站不能滿足靜置時間，加入絮凝劑加速產出污水中的機械雜質。采取直接過濾，過濾孔的直徑＜2μm。

（2）錳砂除鐵：沉降合格的污水泵入錳砂除鐵裝置過濾，將鐵離子除去。這種除鐵技術有成熟的工業(yè)設備，根據(jù)污水處理量購置相關的設備。設備要定期反清洗。

表3 須家河組產出水與大安寨段巖石適應性評價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，重點在解除鈣質垢堵塞；如果回注污水未進行除鐵處理，堵塞物主要是難以溶解的鐵質組分堵塞，小型壓裂將是增注的主要措施。

3 結論

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

（2）須家河組產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巖心滲透率損害率在70%～87%之間，除鐵后的污水對巖心滲透率損害降低至8%，除鐵污水投放阻垢劑后對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)化錳砂過濾裝置，水處理流程中加設合理的阻垢劑和緩蝕劑加藥點，防止加藥點過密影響藥劑性能。

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