低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

鄂爾多斯盆地致密油資源豐富[1]，目前已逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)模開(kāi)發(fā)，致密油層采用“體積壓裂水平井早期準(zhǔn)自然能量開(kāi)發(fā)+中后期注水吞吐等有效補(bǔ)充能量方式”[2-3]的開(kāi)發(fā)方式，油田開(kāi)發(fā)分離出的采出水與成熟油區(qū)采出水具有水質(zhì)成分復(fù)雜、礦化度高等[4]共同特點(diǎn)，但還具有其自身特點(diǎn)，處理難度大，不能直接排放或回注。從安全環(huán)保方面考慮，采出水需經(jīng)改性處理達(dá)標(biāo)后再回注地層，以實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用[5]。

根據(jù)區(qū)域?qū)酉捣植技八科ヅ涞忍攸c(diǎn)，選擇侏羅系作為目的回注層，開(kāi)展致密油層采出水物性分析、配伍性分析及水質(zhì)改性小試試驗(yàn)。

表1 C致密油層、侏羅系采出水性質(zhì)分析Tab.1 Property analysis of produced water in C tight oil layer and Jurassic system

1 致密油層采出水水質(zhì)特點(diǎn)

取致密油層、侏羅系層系采出水進(jìn)行水質(zhì)分析，水質(zhì)特性見(jiàn)表1。

由表1 可知：致密油層采出水為氯化鈣水型，富含鈣、鍶、鋇三種成垢金屬離子；侏羅系采出水為碳酸氫鈉水型，富含硫酸根、碳酸氫根離子；兩種水型分別富含成垢陽(yáng)離子及陰離子。

2 采出水配伍性分析

通過(guò)應(yīng)用Scalechem 化學(xué)分析軟件[6-7]模擬C 致密油層、侏羅系層采出水在不同混合比例下的最大結(jié)垢量，模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，結(jié)垢趨勢(shì)見(jiàn)圖1。模擬運(yùn)行條件為溫度35 ℃，運(yùn)行壓力0.1 MPa。

圖1 C致密油層、侏羅系層采出水混合結(jié)垢趨勢(shì)Fig.1 Mixed scaling trend of produced water in C tight oil layer and Jurassic system layer

35 ℃正常運(yùn)行溫度下，C致密油層采出水與侏羅系采出水按1∶9、2∶8……9∶1、10∶0共11種比例混合后，主要結(jié)垢種類(lèi)有CaCO3、SrCO3、SrSO4及BaSO4，當(dāng)混合比例為4∶6 時(shí)，總結(jié)垢量最大，達(dá)到617 mg/L，其中CaCO3結(jié)垢量占總結(jié)垢量的70%以上，兩種水型配伍性較差。

3 水質(zhì)改性小試工藝

3.1 工藝流程

由以上水質(zhì)特點(diǎn)可知，為避免系統(tǒng)及地層的結(jié)垢堵塞，實(shí)現(xiàn)有效回注，C致密油層采出水需進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃|(zhì)改性，去除鈣、鎂、鋇、鍶等成垢離子后再回注侏羅系。水質(zhì)改性小試試驗(yàn)采用“化學(xué)沉淀+二級(jí)過(guò)濾+離子交換”工藝，工藝流程見(jiàn)圖2。

儲(chǔ)存在原水箱中的致密油層采出水經(jīng)蠕動(dòng)泵提升進(jìn)入絮凝沉淀池，依次加入化學(xué)沉淀劑進(jìn)行混合、反應(yīng)、沉淀，混合液經(jīng)斜管沉淀池沉淀后，上層清液進(jìn)入pH 調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)pH 值至7～7.5 后進(jìn)入中間水箱，經(jīng)泵提升進(jìn)入二級(jí)過(guò)濾，出水再經(jīng)陽(yáng)離子交換后，凈化水進(jìn)入清水箱儲(chǔ)存。

3.2 工藝原理

采用的工藝基于化學(xué)沉淀及離子交換的原理[8-9]。

化學(xué)沉淀反應(yīng)：

表2 C致密油層、侏羅系層采出水混合結(jié)垢類(lèi)型及結(jié)垢量Tab.2 Mixed scale types and amount of produced water in C tight oil layer and Jurassic system layer

圖2 采出水處理工藝流程Fig.2 Process flow of produced water treatment

絮凝沉淀反應(yīng)：

4 運(yùn)行過(guò)程

（1）運(yùn)行參數(shù)。小試裝置處理能力20 L/h，投加藥劑從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性考慮，選取碳酸鈉與硫酸鋁作為絮凝沉淀劑[10]。經(jīng)多組實(shí)驗(yàn)室篩選試驗(yàn)，100 mL 水樣中加入2.3 mL 碳酸鈉（11%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及1 mL 硫酸鋁（5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)沉降效果及去除鈣、鎂離子效果最佳，藥劑量篩選結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4，最終確定投加藥劑量為碳酸鈉2.5 mg/L，硫酸鋁0.5 mg/L，投加位置為絮凝池一、二級(jí)入口處。

圖3 碳酸鈉投加量試驗(yàn)Fig.3 Sodium carbonate dosing test

圖4 硫酸鋁投加量試驗(yàn)Fig.4 Aluminum sulfate dosing test

（2）主要工藝單元參數(shù)。小型試驗(yàn)裝置主要包括3個(gè)單元，分別為絮凝沉淀單元、過(guò)濾單元及離子交換單元，各單元主要工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 工藝單元主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of process unit

（3）運(yùn)行結(jié)果。小試裝置運(yùn)行情況顯示絮凝沉淀單元出水效果較好，沿程水質(zhì)變化見(jiàn)圖5，對(duì)主要單元沿程出水進(jìn)行取樣分析，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表4。

圖5 水質(zhì)改性沿程水質(zhì)變化Fig.5 Changes of water quality along the process of water quality modification

水質(zhì)改性后C 致密油層采出水成垢離子鈣、鎂、鍶、鐵去除明顯，二級(jí)過(guò)濾出水、離子交換出水Ca2+去除率分別為79.76%、100%，Mg2+去除率分別為35.35%、100%，Sr2+去除率分別為64.17%、100%（圖6）。在改性過(guò)程中，鋇離子數(shù)據(jù)稍有升高，分析原因有水質(zhì)改性過(guò)程中添加藥劑導(dǎo)致pH值變化的影響。懸浮物、含油量由進(jìn)水的78、46 mg/L 分別降至1 mg/L 以下，去除率分別達(dá)到99.68%、98.08%（圖7）。

表4 小試運(yùn)行沿程水質(zhì)指標(biāo)Tab.4 Water quality indicators along the process of small test

圖6 Ca2+、Mg2+沿程變化Fig.6 Changes of Ca2+and Mg2+along the process

圖7 含油量、懸浮物沿程變化Fig.7 Changes of oil and SS concentration along the process

改性前后C致密油層采出水水質(zhì)與侏羅系層采出水水質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表5。

改性后C致密油層采出水水質(zhì)清澈透明，成垢離子含量遠(yuǎn)低于侏羅系層采出水，各項(xiàng)指標(biāo)低于侏羅系層水對(duì)應(yīng)指標(biāo)濃度，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。改性后采出水與侏羅系層采出水的配伍性，還需進(jìn)一步進(jìn)行模擬分析。

（4）結(jié)垢量模擬對(duì)比。在運(yùn)行溫度為35 ℃、運(yùn)行壓力為0.1 MPa的模擬條件下，采用Scalechem化學(xué)分析軟件分別模擬改性工藝中二級(jí)砂濾出水及離子交換出水與侏羅系層采出水在不同配比下的最大結(jié)垢量，模擬結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，二級(jí)砂濾出水與侏羅系層水在混合比例4∶6 時(shí)結(jié)垢量達(dá)到最大，為337.381 mg/L，與原水、侏羅系混合最大結(jié)垢量相比，結(jié)垢量降低45.38%，同混合比例時(shí)離子交換出水與侏羅系混合的最大結(jié)垢量為176.47 mg/L，僅為改性前采出水與侏羅系混合最大結(jié)垢量的28.52%，但在實(shí)際運(yùn)行中，仍需投加適當(dāng)?shù)淖韫竸┓娇砂踩刈①_系層。

以市場(chǎng)上工業(yè)碳酸鈉1 280 元/t、工業(yè)硫酸鋁900元/t測(cè)算，每處理1 m3長(zhǎng)7層采出水藥劑成本為3.71 元，考慮樹(shù)脂使用成本，則綜合運(yùn)行成本約6.4元。

5 結(jié)論

由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及模擬試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）C 致密油層采出水為氯化鈣水型，富含鈣、鍶、鋇三種成垢金屬離子，主要結(jié)垢種類(lèi)有硫酸鋇、碳酸鈣及碳酸鍶。侏羅系層采出水為碳酸氫鈉水型，富含硫酸根、碳酸氫根離子，主要結(jié)垢類(lèi)型為碳酸鈣、碳酸鍶。

（2）C致密油層采出水與侏羅系層采出水按比例混合后，主要結(jié)垢類(lèi)型有硫酸鋇、碳酸鈣及碳酸鍶，除碳酸鍶結(jié)垢量低于100 mg/L外，硫酸鋇、碳酸鈣結(jié)垢量達(dá)到450 mg/L左右，結(jié)垢量較大，兩種水型配伍性較差。

（3）水質(zhì)改性后C 致密油層采出水成垢離子鈣、鎂、鍶、鐵去除明顯，經(jīng)離子交換后鈣、鎂離子含量未檢出，鍶離子質(zhì)量濃度為0.09 mg/L，二級(jí)過(guò)濾出水、離子交換出水鈣去除率分別為79.76%、100%，鎂去除率分別為35.35%、100%，鍶去除率分別為64.17%、100%。懸浮物、含油量由進(jìn)水的78、46 mg/L 分別降至1 mg/L 以下，去除率分別達(dá)到99.68%、98.08%，水質(zhì)改性效果顯著。

表5 致密油層采出水水質(zhì)改性前后與侏羅系層水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比Tab.5 Water quality index comparison of tight oil layer and Jurassic system layer before and after water modification

表6 配伍性模擬對(duì)比Tab.6 Compatibility comparison and simulation mg/L

（4）通過(guò)Scalechem 化學(xué)分析軟件模擬，水質(zhì)改性二級(jí)砂濾出水與侏羅系層采出水在混合比例4∶6 時(shí)結(jié)垢量達(dá)到最大，為337.381 mg/L，與原水、侏羅系混合最大結(jié)垢量相比，結(jié)垢量降低45.38%，同混合比例時(shí)離子交換出水與侏羅系層采出水混合的最大結(jié)垢量為176.47 mg/L，僅為原水與侏羅系層積水混合最大結(jié)垢量的28.52%。

長(zhǎng)慶油田致密油層已逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)模開(kāi)發(fā)，對(duì)解決富裕采出水的有效回注具有重要的意義，是提高油氣田開(kāi)發(fā)效益的重要保障[11]。但目前的實(shí)驗(yàn)室小型試驗(yàn)僅僅是起步，尚需進(jìn)一步研究，為致密油層采出水的有效回注提供更多解決思路。