李平原 ,周 鶴 ,竇玉明 ,顏亨兵 ,程 萍 ,李冬菊
(1.新疆科力新技術(shù)發(fā)展股份有限公司,新疆克拉瑪依 834000;2.中國石油新疆油田公司陸梁作業(yè)區(qū),新疆克拉瑪依834000;3.中國石油新疆油田公司風(fēng)城作業(yè)區(qū),新疆克拉瑪依834000)
反滲透(RO)處理系統(tǒng)作為降鹽工藝在新疆風(fēng)城油田超稠油污水處理中得到工業(yè)化應(yīng)用〔1〕。RO系統(tǒng)在生產(chǎn)低鹽水的同時也將產(chǎn)生大量濃水。RO濃水的礦化度相對進水成倍增加,其懸浮物和油<5 mg/L。對RO濃水的排放指標(biāo)進行分析〔2〕,RO濃水中的 COD 為 500~600 mg/L,揮發(fā)酚為 0.5~0.8 mg/L。根據(jù)GB/T 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》,RO濃水中的COD及揮發(fā)酚等污染物質(zhì)超標(biāo)。若直接排放,將對排放水域的生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞,同時造成水資源浪費;如達標(biāo)外排處理,將產(chǎn)生較高的處理費用。因此,RO濃水處理問題已成為油田急需解決的一大難題。
與此同時,該稠油油田附近的烏36稀油井區(qū)需要回注大量清水,以保證原油的開采需求。目前該稀油井區(qū)注水水源為地下水清水(簡稱清水),且為保證注水指標(biāo)及對儲層的保護,在清水回注過程中投加黏土穩(wěn)定劑、殺菌劑(間歇性投加)、緩蝕劑。新疆地區(qū)清水資源比較寶貴,且由于常年使用,清水水量已有減少趨勢。
鑒于以上問題,根據(jù)超稠油RO的濃水水質(zhì)特點,將RO濃水回注烏36稀油井區(qū),以降低生產(chǎn)廢水的排放量,減少清水使用量,達到合理利用寶貴水資源的目的。筆者從RO濃水的回注指標(biāo)、與地層水的配伍性、對儲層的損害等方面展開研究分析,發(fā)現(xiàn)RO濃水均滿足回注目的地層的要求,可為同類污水處理提供借鑒。
RO濃水,清水(原注入水),烏36地層水,烏36原油儲層巖心(D 2.5 cm×8.0 cm,氣滲 0.533 97μm2,空隙體積14.6 cm3,孔隙度37.2%),蒙脫石,廣東翁江化學(xué)試劑有限公司。
乙二胺四乙酸二鈉、羧酸鈣指示劑、鉻黑T指示劑、酚酞指示劑、甲基橙指示劑、鉻酸鉀、碳酸鈉、氯化鋇、氨水、氯化銨、氫氧化鈉、鹽酸、硝酸銀、無水氯化鈣,均為分析純。氧化鋅、無水碳酸鈉、氯化鉀,為基準(zhǔn)試劑。航空煤油,一級膨潤土。除水樣外,實驗用水均為蒸餾水。
NWTX-16B型高溫電阻爐,洛陽納維特爐業(yè)有限公司;RC-2100型電阻法(庫爾特)顆粒計數(shù)器,珠海歐美克儀器有限公司;DHG-9030A干燥箱,上海申賢恒溫設(shè)備廠;AE-260電子天平,日本AND公司;HH-S6型恒溫水浴鍋,江蘇金怡儀器科技有限公司;LNB16000G型離心機,上海皓莊儀器有限公司;恒速恒壓驅(qū)替裝置(帶壓力顯示記錄系統(tǒng)),常州易用科技有限公司;0.45μm水系微孔濾膜,上海市新亞凈化器件廠。
RO濃水用作烏36井區(qū)回注水源必須滿足烏36井區(qū)的注水條件。根據(jù)注水標(biāo)準(zhǔn)SY/T5329—2012中的基本要求〔3〕,實驗設(shè)計思路:(1)分析 RO 濃水的注水指標(biāo),必須符合油田注水的分級指標(biāo)。注水指標(biāo)不符合的情況下,須對污水采取相應(yīng)的處理措施,使其達標(biāo)后方可回注。(2)考慮RO濃水自身的穩(wěn)定性以及其與地層水的配伍性,即混合水的穩(wěn)定性。水質(zhì)不配伍可能引起污水結(jié)垢、濁度增加、腐蝕增加等,影響油田開采。(3)評價RO濃水對儲層的損害性程度,如果損害程度嚴(yán)重將破壞儲層,影響原油采收率。
1.3.1 水質(zhì)分析
水樣離子分析參照SY/T 5523—2016《油氣田水分析方法》進行,結(jié)垢趨勢預(yù)測方法參照SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》進行。結(jié)垢趨勢判斷方法采用飽和指數(shù)(SI)法和穩(wěn)定指數(shù)(SAI)法。SI指數(shù)判斷方法:SI>0,有結(jié)垢趨勢;SI=0,臨界狀態(tài);SI<0,無結(jié)垢趨勢。SAI指數(shù)判斷方法:SAI≥6,無結(jié)垢趨勢;SAI<6,有結(jié)垢趨勢;SAI<5,嚴(yán)重結(jié)垢趨勢。
1.3.2 注入水與地層水的配伍性評價
由于污水混合可能導(dǎo)致結(jié)垢、渾濁、色度及腐蝕變化等情況,因此不同水源必須進行配伍實驗,以保證原油的正常開采。取不同水樣按照不同比例進行混合,恒溫24 h后測定失鈣量、腐蝕速率、懸浮物的變化,判斷各水源之間是否配伍〔4〕。
1.3.3 注入水對地層的傷害性評價
由于注入水注入地層可能因黏土膨脹、無水結(jié)垢或懸浮固體等因素導(dǎo)致滲透率下降,使原油采收率降低。因此,針對RO濃水進行防膨性實驗和儲層損害評價〔5〕,實驗參照 SY/T 5971—2016《注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》和SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》。
防膨率按式(1)計算。
式中:B——防膨率,%;
V0、V1、V2——膨潤土在煤油、水樣和蒸餾水中的體積,mL。
巖心損害率(Dw)按式(2)計算。
式中:Kw——注入水在巖樣中的滲透率,μm2;
Ki——巖樣的原始滲透率,μm2。
儲層損害程度的判斷方法:Dw≤5%時為無損害,5%<Dw≤30%時為損害弱,30%<Dw≤50%時為中偏弱,50%<Dw≤70%時為中偏強損害,70%<Dw≤90%時為較強損害,Dw>90%時為強損害。
RO濃水的排放標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級排放標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。
注水指標(biāo)是判斷污水是否滿足回注要求的首要條件,注水指標(biāo)不合格將對原油開采造成嚴(yán)重影響〔5〕。 注水指標(biāo)參照 SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》。RO濃水、清水及參考注水指標(biāo)見表2。
表1 排放指標(biāo)
表2 注入水指標(biāo)分析
由表1數(shù)據(jù)可知:RO濃水中的COD、BOD、揮發(fā)酚等污染物質(zhì)超標(biāo),將對生態(tài)環(huán)境造成破壞,還可能伴隨食物鏈進行富集和傳遞,因此不能直接排放。
由表2可以看出:RO濃水指標(biāo)均滿足稀油注水井區(qū)回注要求,無需進行再處理。清水的腐蝕率略有超標(biāo),需采取控制措施。
污水可能出現(xiàn)結(jié)垢,不但對生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響,還可能損害原油儲層〔6〕,影響原油開采。對RO濃水、清水及烏36地層水進行離子分析,結(jié)果見表3。根據(jù)離子濃度計算SI指數(shù)及SAI指數(shù),見表4。
由表3可以看出,RO濃水、清水、地層水均為重碳酸鈉水型。RO濃水的硬度很小,雖然礦化度較高,但無結(jié)垢趨勢。清水各離子濃度均較低,礦化度低,無結(jié)垢趨勢。地層水的碳酸氫根和鈣離子濃度較高,有結(jié)垢趨勢。據(jù)報道,在保持其他因素不變的條件下,隨著壓力增加,污水的結(jié)垢趨勢降低;溫度升高,污水結(jié)垢趨勢增加〔7〕。由于RO濃水溫度為63℃,儲層溫度為36℃,注水壓力為13 MPa,因此在RO濃水注入儲層過程中,受注水環(huán)境的影響,壓力增加且溫度降低,結(jié)垢趨勢降低,故RO濃水在井筒及儲層中無結(jié)垢趨勢。
將RO濃水與地層水按一定比例進行混合,24 h后測定污水的懸浮物、鈣離子濃度,并根據(jù)鈣離子濃度計算結(jié)垢量。為考察RO濃水對輸水管線及注水井筒的腐蝕情況,選用A3鋼材試片和N80鋼材試片,即普通管輸鋼材及注水井鋼材,模擬注水壓力及注水溫度進行腐蝕速率測定。實驗結(jié)果見表5。
表3 注水及地層水的離子分析
表4 結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果
表5 RO濃水與地層水的配伍性
由表5可見,不同混合比例水樣放置后懸浮物均少量增加,懸浮物仍符合回注指標(biāo)要求。各混合比例水樣的平均腐蝕速率<0.076 mm/a,符合回注要求。
結(jié)垢趨勢與成垢離子濃度有關(guān)〔8〕,成垢離子濃度越高,結(jié)垢趨勢越嚴(yán)重。烏36地層水的堿度和硬度較高,有結(jié)垢現(xiàn)象;而RO濃水的硬度很低,無結(jié)垢現(xiàn)象,且堿度低于烏36地層水。因此混合水樣的結(jié)垢趨勢低于烏36地層水,且隨著RO濃水混合比例的增加,結(jié)垢趨勢呈降低趨勢。由腐蝕速率分析,RO濃水對輸水管線及注水井筒的腐蝕速率均較小,與地層水混合后腐蝕速率也無明顯變化,符合注水標(biāo)準(zhǔn)。因此,RO濃水與烏36地層水的配伍性良好,作為回注水源不會引起水質(zhì)惡化問題。
進行注入水防膨性評價實驗,結(jié)果如表6所示。
表6 水樣防膨率測定結(jié)果
由表6可見,烏36地層水的防膨率為83.8%,RO濃水的防膨率達到89.6%,防膨性較好。清水的防膨率為36.8%,防膨率較低,投加3%黏土穩(wěn)定劑后防膨率可達到82.4%。與清水相比,RO濃水的防膨率較高,不會引起儲層黏土膨脹問題,可用作回注水。
針對烏36儲層巖心分別采用地層水、RO濃水進行驅(qū)替,測定水側(cè)滲透率。測得地層水水側(cè)滲透率為 8.0×10-2μm2,RO 濃水水側(cè)滲透率為 6.04×10-2μm2,根據(jù)式(2)計算得到 Dw=24.5%,說明 RO濃水對儲層的損害程度較小。
清水中含有少量腐生菌,雖然滿足注水要求,但細菌可能在輸水管道及注水系統(tǒng)內(nèi)滋生,引起設(shè)備腐蝕、堵塞管道等問題,且清水的腐蝕率超標(biāo),因此需要對2項指標(biāo)采取控制措施。清水現(xiàn)場處理方式為投加緩蝕劑控制清水腐蝕率,間歇性投加殺菌劑控制細菌滋生。清水的防膨率低,現(xiàn)場注水生產(chǎn)時還需投加黏土穩(wěn)定劑用于保護儲層〔9〕。注入清水將浪費大量寶貴的清水資源,另一方面產(chǎn)生藥劑成本投入,且化學(xué)助劑可能使注入水對周邊、儲層環(huán)境造成二次污染。相比之下,RO濃水水質(zhì)較好,不必使用化學(xué)藥劑或工藝即可滿足回注要求。RO濃水對儲層的損害低,防膨率高,有利于保護原油儲層。此外,RO濃水水溫較高,通常為60~65℃,儲層溫度約36℃,注入水溫度升高可降低原油黏度,增加原油流動性,同時改變儲層潤濕性,有助于提高原油采收率〔10〕。
據(jù)注水標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329—2012及相關(guān)文獻報道〔11〕,注水控制條件主要為現(xiàn)行注水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo),未見COD、揮發(fā)酚等對儲層及原油采收率影響的相關(guān)報道。RO濃水中的COD為542 mg/L,揮發(fā)酚為0.62 mg/L,作為排放指標(biāo)有所超標(biāo),但原油儲層中有大量原油和部分溶解性有機物,其COD和酚類遠超RO濃水。因此,超標(biāo)的COD、揮發(fā)酚等對儲層無明顯影響。
經(jīng)6個月生產(chǎn)應(yīng)用,現(xiàn)場注水壓力為13~13.3 MPa,注水泵運行穩(wěn)定。注水井水質(zhì)穩(wěn)定,懸浮物及含油均低于5 mg/L,暫無細菌滋生,注水管線實際測定平均腐蝕速率為0.037 mm/a,低于注水指標(biāo),滿足回注要求。
(1)超稠油RO濃水的礦化度高,不能作為注氣鍋爐用水,也不能用作灌溉用水,且COD、揮發(fā)酚超標(biāo),直接排放將污染環(huán)境。
(2)超稠油RO濃水的水質(zhì)好,無需采取任何處理即可滿足所有回注指標(biāo),且穩(wěn)定性好,無結(jié)垢趨勢,防膨性好,對儲層傷害弱,有利于保護原油儲層,同時提高采收率。
(3)超稠油RO濃水回注油田可減少寶貴清水資源的使用,有效利用廢水資源,同時減少廢水排放量,減輕對環(huán)境的污染,同時節(jié)省了注水生產(chǎn)過程中化學(xué)助劑的使用,節(jié)約生產(chǎn)成本,并降低化學(xué)助劑對油田環(huán)境的二次污染。將超稠油RO濃水回注油田,可使RO濃水資源變廢為寶,降本減排。