郝建華

中國石油冀東油田公司陸上作業(yè)區(qū)地面工程與信息化技術(shù)研究所

注水開發(fā)是油田穩(wěn)產(chǎn)的重要保障，保證注入水水質(zhì)達(dá)標(biāo)是注水開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。注入水的來源一般是經(jīng)處理后的采出水，而采出水水處理過程中由于存在成垢離子、Ca2+、Mg2+、Fe2+、細(xì)菌(特別是固著菌)等影響因素，導(dǎo)致注水輸送系統(tǒng)中腐蝕、結(jié)垢、細(xì)菌滋生，懸浮物固體含量增加，回注水沿程水質(zhì)惡化[2]。目前高尚堡聯(lián)合站采出水處理量在3 500 m3/d，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高尚堡聯(lián)合站外輸水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況下，仍出現(xiàn)注水站、配水間、注水井口水質(zhì)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，說明處理水在輸送過程中存在著二次污染的情況，井口水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)[3]，造成地層堵塞，解堵難度大，尤其對滲透率低的油藏堵塞更為嚴(yán)重。

針對注入水水質(zhì)超標(biāo)問題，通過“源頭治理，沿程控制”的手段，對各項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)原因進(jìn)行分析和研究，提出了解決方案，最終使注水井井口水質(zhì)與聯(lián)合站供水水質(zhì)指標(biāo)基本持平，達(dá)到了地面水質(zhì)的沿程穩(wěn)定控制效果[4]。

1 沿程水質(zhì)變化影響因素及程度分析

1.1 源頭水質(zhì)因素的影響

注水系統(tǒng)是一個(gè)相對密閉的集輸環(huán)境，所以源頭水質(zhì)達(dá)標(biāo)是保證注入水水質(zhì)的重要因素。為此，根據(jù)油田注水水質(zhì)提升要求，2019 年4 月完成了對高尚堡聯(lián)合站采出水處理系統(tǒng)的升級改造，出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)由原來的A2 級提升到A1 級，使水質(zhì)達(dá)標(biāo)率平均值由年初的不足90%，提升至99%以上（圖1）。

圖1 2019 年聯(lián)合站注水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率Fig.1 Injection water qualification rate of multi-purpose station in 2019

1.2 沿程注水管線因素的影響

回注污水通過聯(lián)合站處理后，經(jīng)注水管網(wǎng)輸送到注水井，管壁因細(xì)菌代謝、微生物[5]、結(jié)垢、Fe3+、溶解氧、CO2腐蝕等易生成污（油）垢，造成沿程水質(zhì)下降。

水質(zhì)監(jiān)測表顯示，在聯(lián)合站外輸水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況下，出現(xiàn)注水站16 次，配水間24 次，注水井口30次水質(zhì)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象（表1）。

表1 注水水質(zhì)超標(biāo)情況Tab.1 Standard-exceeding of injection water quality

1.3 注入水沿程水質(zhì)變化影響因素

通過對注水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)分析，確定回注污水的四個(gè)主要指標(biāo)中，“懸浮物固體含量、中值”和“SRB 菌”沿程變化現(xiàn)象最為突出，而“含油量”的變化不具有普遍性，對各指標(biāo)變化原因進(jìn)行分析，確定分析的重點(diǎn)為“SRB 菌”和“懸浮物固體含量”的變化。

1.3.1 懸浮物固體變化的影響

懸浮物固體含量變化主要分為內(nèi)因和外因[6-8]。

內(nèi)因主要是水性因素，包括Fe2+與溶解氧作用的影響；Fe2+與SRB 菌、S2-作用的影響；成垢離子的影響；藥劑的后續(xù)反應(yīng)影響。其中又以Fe2+與溶解氧的作用和Fe2+與SRB 菌、S2-的作用為主要影響因素。

外因主要是管理因素，包括管道及構(gòu)筑物中腐蝕產(chǎn)物和垢的影響；不及時(shí)清污造成的影響。

（1）Fe2+和溶解氧作用的影響因素分析。注水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，管線會產(chǎn)生各類老化、腐蝕現(xiàn)象，而管線腐蝕后會產(chǎn)生大量Fe2+，當(dāng)流程中存在曝氧點(diǎn)（多發(fā)生于注水站）時(shí)便極易生成氧化鐵的沉淀物并在管線內(nèi)堆積，導(dǎo)致水質(zhì)呈褐色，固體懸浮物固體含量上升。

通過分析可知：當(dāng)水中Fe2+濃度≥0.5 mg/L時(shí)，水中的溶解氧越高對懸浮物影響越大；當(dāng)水中溶解氧濃度≥0.01 mg/L 時(shí)，水中的Fe2+含量越高對懸浮物影響越大（圖2）。

圖2 Fe2+和溶解氧作用對懸浮物含量的影響Fig.2 Influence of Fe2+and dissolved oxygen on suspended solids concentration

（2）Fe2+及S2-作用的影響分析。當(dāng)水中Fe2+濃度小于1.0 mg/L或水中S2-濃度小于5.0 mg/L 時(shí)，對水質(zhì)影響較小；而隨著水中Fe2+和S2-含量的增加，水中懸浮物含量增加（圖3）。

圖3 Fe2+及S2-作用對懸浮物含量的影響Fig.3 Influence of Fe2+and S2- on suspended solids concentration

1.3.2 SRB 細(xì)菌、腐蝕共同作用的影響

當(dāng)注水系統(tǒng)管線內(nèi)存在大量細(xì)菌時(shí)，腐蝕、細(xì)菌造成水中不穩(wěn)定物質(zhì)Fe2+、硫化物等含量增加，不穩(wěn)定物質(zhì)生成沉淀影響水質(zhì)；產(chǎn)物造成管線污染，進(jìn)一步影響水質(zhì)（圖4）。

圖4 SRB 細(xì)菌、腐蝕共同作用的影響Fig.4 Influence of sulfate-reducting bacteria and corrosion joint action

研究表明，固著菌的生長包括“形成—成熟—脫落”階段，一個(gè)生長周期大約20 天。首先有許多微型小凸起出現(xiàn)在基體表面，而微菌落之間類似于輸水管道的物質(zhì)發(fā)揮著輸送酶代謝產(chǎn)物、養(yǎng)料的作用；8 天后菌落趨于成熟，基體表面被多層附著物覆蓋，不斷加厚且保證膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；11天左右基體部分區(qū)域被片狀且致密的生物膜覆蓋，部分區(qū)域膜卻較??；20 天菌落成熟并開始大片脫落。在固著菌生長周期內(nèi)，水中細(xì)菌、硫化物含量逐漸增加，代謝產(chǎn)物導(dǎo)致懸浮物逐漸增加；生物膜含有大量FeS，膜下產(chǎn)生大量蝕坑，對沿程管線內(nèi)壁造成破壞的同時(shí)也使水質(zhì)惡化。

2 沿程水質(zhì)控制措施

2.1 對Ca2+、Mg2+等成垢離子含量的控制

2.1.1 控制Ca2+、Mg2+進(jìn)入處理水系統(tǒng)的含量

注水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果顯示Ca2+、Mg2+指標(biāo)超標(biāo)，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)油站外輸液中Ca2+、Mg2+含量較高。以外輸液超標(biāo)嚴(yán)重的A 轉(zhuǎn)油站和B 轉(zhuǎn)油站為例，通過摸排所轄范圍內(nèi)的作業(yè)井，發(fā)現(xiàn)6口井均使用了高密度（1.25 g/cm3）優(yōu)質(zhì)壓井液，共計(jì)使用了約907.9 m3。除了a 井采出液進(jìn)A 轉(zhuǎn)油站外，其余5 口井采出液均進(jìn)入B 轉(zhuǎn)油站。初步判斷是壓井液進(jìn)入集輸系統(tǒng)造成Ca2+、Mg2+含量偏高。針對此類原因作業(yè)區(qū)制定了《壓井液使用管理辦法》，嚴(yán)格控制作業(yè)中密度高于1.20 g/cm3的壓井液進(jìn)入集輸系統(tǒng)，并定期對轉(zhuǎn)油站外輸液進(jìn)行水性跟蹤，每周對轉(zhuǎn)油站外輸液進(jìn)行取樣分析。通過對聯(lián)合站水質(zhì)中Ca2+、Mg2+鎂離子含量控制治理，注水水質(zhì)指標(biāo)有了明顯改善。

2.1.2 沿程控制Ca2+、Mg2+絡(luò)合成垢

在油水井作業(yè)過程中，由于使用的壓井液在生產(chǎn)過程中會進(jìn)入集輸系統(tǒng)，攜帶大量的Ca2+、Mg2+，為防止處理后的剩余Ca2+、Mg2+在沿程管線中再次成垢，2019 年3 月對A 注水站進(jìn)行添加緩蝕阻垢劑試驗(yàn)[9]，通過化學(xué)手段進(jìn)行防垢。

A 注水站為中深、深層油藏36 口水井供水，作業(yè)區(qū)在低壓供水管線端開展添加緩釋阻垢劑試驗(yàn)。2019 年3 月，緩釋阻垢劑按100×10-6濃度（體積分?jǐn)?shù)）加入，1 周后，取樣化驗(yàn)顯示井下阻垢率為97.9%，效果明顯（表2）。

表2 緩蝕阻垢劑阻垢效果對比Tab.2 Scale inhibition effect comparison of corrosion scale inhibitor

2.2 沿程管線細(xì)菌含量控制

通過對沿程各節(jié)點(diǎn)取樣對比分析，確定懸浮物固體及細(xì)菌變化影響因素為供水端水質(zhì)不穩(wěn)定和沿程水質(zhì)的二次污染。聯(lián)合站水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提升至A1 等級后，在下游節(jié)點(diǎn)（注水站、配水間、井口）仍發(fā)現(xiàn)多次注水水質(zhì)不合格的情況，確定沿程水質(zhì)二次污染是導(dǎo)致注入水水質(zhì)變化的主要影響因素。對注水管網(wǎng)采用化學(xué)清洗法[10]，可解決沿程水質(zhì)二次污染。

2.2.1 管網(wǎng)清洗工藝與技術(shù)研究

（1）清洗工藝。為清除沿程管線中附著的細(xì)菌對水質(zhì)造成二次污染，決定采用化學(xué)藥劑對注水管網(wǎng)進(jìn)行清洗，通過殺菌、剝離技術(shù)將沉積的細(xì)菌排出管線。工藝流程為：殺滅水中的細(xì)菌→清除死菌及管壁表面油污→深度殺菌（殺死粘泥中的細(xì)菌）→剝離生物粘泥→徹底清洗生物粘泥及油污（圖5）。

圖5 清洗流程Fig.5 Washing process flow

（2）清洗技術(shù)及方案制定。對清洗藥劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明：在藥劑濃度為100×10-6下，藥劑浸泡分散10 h 后，沖洗管線液體流速為8 m/s時(shí)，達(dá)到最佳清洗效果。但由于注水站目前設(shè)計(jì)能力無法達(dá)到技術(shù)要求，結(jié)合現(xiàn)場操作流程，對技術(shù)方案進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整：①提高藥劑濃度，將原定 的100×10-6藥劑濃度提升至200×10-6；②延長藥劑浸泡時(shí)間，將浸泡分散藥劑投放時(shí)間延長至24 h；③針對供水水量不足問題，將穩(wěn)流沖洗改為脈沖沖洗，以充放時(shí)間3∶1 的周期，每4 h 調(diào)整一次注水站供水量，并根據(jù)每條回水管線所帶平臺距離，采用遠(yuǎn)近結(jié)合的方式調(diào)整各批次井位，根據(jù)注水流量和流速，由遠(yuǎn)及近依次打開各單井洗井閥門。

2.2.2 管線清洗效果

此次注水管線清洗共涉及3 個(gè)注水站，下轄22個(gè)配水間，93 口單井，包括了注水站的供水管線、注水站至配水間管線、配水間至注水井管線及各單井的洗井回水管線，總長98.49 km，總?cè)莘e582.96 m3。清洗后檢查管線內(nèi)壁情況，管壁清潔、干凈，無明顯粘泥污垢，水井井口取樣水質(zhì)與聯(lián)合站外供水質(zhì)基本一致，清洗效果顯著（表3、圖6）。

表3 注水站管線清洗前后數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data comparison of the pipeline in the injection station before and after cleaning

圖6 管線沖洗前后單井井口取樣外觀對比Fig.6 Appearance of samples comparison of single wellhead before and after pipeline flushing

2.3 沿程水質(zhì)懸浮物固體含量控制

2014 年起，油田對物性差、注水壓力高的注水井，為保證注水水質(zhì)，引進(jìn)井口金屬膜精細(xì)過濾器，有效地降低入井水中懸浮物含量和粒徑中值[11]，達(dá)標(biāo)率較往年都有不同程度的提高（圖7）。

圖7 歷年懸浮物含量、直徑中值達(dá)標(biāo)情況Fig.7 Information of reaching standard of suspended solids content and the median diameter over the years

通過歷年水質(zhì)指標(biāo)對比，證實(shí)精細(xì)過濾器比傳統(tǒng)纖維球過濾器具有更好的過濾效果。目前陸上已應(yīng)用精細(xì)過濾器145 套，但其濾芯過濾精度均為2 μm。為使區(qū)塊注入水達(dá)到A1 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，開展了將精細(xì)過濾器濾芯精度提高為1 μm 的試驗(yàn)研究。

數(shù)據(jù)顯示過濾后懸浮物固體含量下降了40.1%，粒徑中值下降了57.1%，過濾后粒徑中值能達(dá)到A1 標(biāo)準(zhǔn)，懸浮物含量也有大幅下降（表4、表5）。

表4 A 井1 μm 濾芯前后水質(zhì)對比Tab.4 Comparison of water quality before and after using 1 μm filter element in Well A

表5 1 μm 和2 μm 濾芯效果對比Tab.5 Effect comparison of 1 μm and 2 μm filter elements

為進(jìn)一步提高沿程水質(zhì)懸浮物固體含量達(dá)標(biāo)率，繼續(xù)開展多級過濾體系研究，增加過濾節(jié)點(diǎn)，將注水站過濾缸內(nèi)濾網(wǎng)更換為高精度金屬過濾芯，并于9 月在注水站進(jìn)行試驗(yàn)研究，效果顯著（表6）。

表6 注水站懸浮物固體含量對比Tab.6 Comparison of suspended solids content in water injection station

3 結(jié)論

（1）針對回注污水中存在的Ca2+、Mg2+，通過控制高密度壓井液排入集輸系統(tǒng)，大幅減少了回注水源頭成垢離子含量；通過在沿程節(jié)點(diǎn)加入防腐阻垢劑，有效防止了成垢離子在注水管線中的絡(luò)合、堆積。

（2）通過對影響回注水沿程水質(zhì)各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，確定沿程管線中三類細(xì)菌的繁殖、堆積為主要影響因素，并對管線進(jìn)行化學(xué)清洗，有效解決了沿程管線對回注水產(chǎn)生的二次污染。

（3）通過對金屬膜精細(xì)過濾器濾芯的改進(jìn)試驗(yàn)，有效加強(qiáng)了對懸浮物固體含量的控制，提高了注入水入井水質(zhì)。