張軍連，胡海杰，韓 磊，賈唯一，楊彩玲，馬嵐婷，魚 濤

（1.延長油田股份有限公司開發(fā)部，陜西延安 716000；2.陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065；3.陜西致遠(yuǎn)思源環(huán)?？萍加邢薰荆兾魑靼?710065；4.延安市油氣田環(huán)境污染低碳協(xié)同控制技術(shù)與儲層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西富縣 727500）

近幾年，隨著油田開采程度的不斷提升，注水開發(fā)已成為實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要方式。但隨著注水規(guī)模不斷擴(kuò)大以及注采平衡尚未建立，油田注入水量需求與補(bǔ)充水源供應(yīng)的矛盾日益凸顯。2010 年以來，油田采出水回注占比由35%提升至57%，不足的注入水量以當(dāng)?shù)氐乇硭?、淺層承壓水作為補(bǔ)充[1，2]。隨著地表水等補(bǔ)充水資源開采政策的逐漸縮緊，尋求新的注入水補(bǔ)充水源對于油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有著重要意義。

目前，城市生活污水在經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后直接外排，2020 年我國城市污水排放量可達(dá)571.36×108m3[3]。若將處理后的市政污水作為注入水補(bǔ)充水回注地層，可有效的緩解油田注入水水源緊張的問題[4]。油田采出水礦化度高、成垢離子濃度較高[5-8]，而處理后的市政污水懸浮物及溶解氧含量高，兩者的混合水腐蝕結(jié)垢量較大[4，9]。將市政污水外排水作為油田注入水，需研究其注入性、腐蝕結(jié)垢控制及與儲層配伍性等問題。本文基于市政污水及油田采出水的水質(zhì)特性，以回注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為考核指標(biāo)，建立了市政污水與采出水的最佳混合比例與處理藥劑體系，分析了其回注可行性，以期為油田注入水水源保障提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)樣品：長2、長6 及長7 層位采出水為定邊采油廠水樣，市政污水處理后水樣取自定邊污水處理廠。

實(shí)驗(yàn)藥劑：雙氧水、次氯酸鈉、濃硫酸、氫氧化鈉、無水亞硫酸鈉為分析純；聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚丙烯酰胺為工業(yè)產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)儀器：UV2350 型紫外分光光度計(jì)，上海尤尼克儀器有限公司；LDY50-180 型多功能巖心流動試驗(yàn)儀，南通儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水質(zhì)分析 依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》、SY/T 5523—2016《油氣田水分析方法》和《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）對水樣的Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、礦化度、溶解氧、腐蝕速率及pH 等項(xiàng)目進(jìn)行檢測分析。

1.2.2 配伍性實(shí)驗(yàn) 結(jié)垢量測定：將利用0.45 μm 濾膜抽濾后的油田采出水與市政污水按照0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0 的體積比混合，并在60 ℃的烘箱內(nèi)靜置72 h，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，隨后將混合水樣利用0.45 μm 濾膜過濾后，濾膜用蒸餾水清洗3 次后干燥恒重，濾膜前后的質(zhì)量差即為混合水樣的結(jié)垢量。

腐蝕速率的測定：按照1.2.1 中的分析方法分析混合水樣的腐蝕速率。

1.2.3 儲層傷害實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中的長2、長6 及長7 層位巖心分別取自定邊采油廠洼79 井、鄭080 井和鄭081井，利用巖心傷害實(shí)驗(yàn)并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》評價(jià)注入水注入前后的滲透率變化，依據(jù)下式計(jì)算巖心傷害率：

式中：DwF-巖心傷害率，%；K0-用地層水驅(qū)替時(shí)的滲透率值，mD；K1-用處理混合水樣驅(qū)替時(shí)的滲透率值，mD。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)分析

依據(jù)SY/T 5523—2016《油氣田水分析方法》對實(shí)驗(yàn)水樣組成性質(zhì)進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同水樣的水質(zhì)分析

由表1 可知，市政污水的SO42-含量為328.43 mg/L，礦化度低于1 500.00 mg/L，溶解氧含量高達(dá)2.6 mg/L；油田采出水的Ca2+含量較高為432.86～625.25 mg/L，溶解氧含量低。由溶度積常數(shù)可知，兩種水混合后有結(jié)垢趨勢[10]。

2.2 混合水樣的配伍性研究

不同層位的采出水離子差異較大，將市政污水與不同層位采出水按照不同體積比混合后，采用1.2.1、1.2.2 中的方法對混合水樣的結(jié)垢量及腐蝕速率進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 采出水與市政污水的腐蝕結(jié)垢性質(zhì)分析

由圖1 可以看出，不同層位采出水結(jié)垢量不同，長2、長6、長7 層位采出水結(jié)垢量分別為38、42、69 mg/L；同時(shí)混合水樣中，隨著長2、長6、長7 層位采出水比例的增加，混合水樣的結(jié)垢量明顯增大且在混合體積比為8∶2 時(shí)，與其他比例相比結(jié)垢量最大；對垢型進(jìn)行XRD 分析（圖2），表明結(jié)垢主要是CaCO3[11]。同時(shí)長7層位采出水與市政污水混合后的結(jié)垢量最大，達(dá)到378 mg/L。這主要是由于采出水中的成垢離子含量較高、離子反應(yīng)生成的沉淀量較大所致。同時(shí)，隨著混合水樣中市政污水添加量的減小，腐蝕速率增高，且當(dāng)采出水與市政污水混合體積比為8∶2 時(shí)，長2、長6、長7層位采出水與市政污水的混合水樣腐蝕速率分別達(dá)到0.084、0.076、0.089 mm/a，且以長7 層位混合水樣腐蝕速率最高。這主要是因?yàn)槭姓鬯娜芙庋鹾枯^大，當(dāng)混合水樣中市政污水的含量較大時(shí)，溶解氧對水樣的腐蝕速率影響較大[12]；同時(shí)結(jié)垢產(chǎn)生的垢下腐蝕也是腐蝕速率增高的原因之一。因此，對市政污水與采出水的混合水樣進(jìn)行回注時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)垢及腐蝕對回注管線及儲層的影響。

圖2 混合水樣中垢型分析

按照油田注水時(shí)“地下問題地面解決、站外問題站內(nèi)解決”的原則，在采出水與市政污水混合體積比為8∶2 時(shí)，結(jié)垢量與腐蝕速率均較高，因此實(shí)驗(yàn)選擇混合水樣體積比為8∶2 作為處理工藝選擇時(shí)的處理對象。

2.3 處理藥劑優(yōu)選

市政污水與采出水進(jìn)行混合處理并回注時(shí)，需解決其水質(zhì)達(dá)標(biāo)、腐蝕結(jié)垢控制等問題[13]。本文選擇長7層位采出水與市政污水的混合水樣（體積比8∶2）為研究對象，對混合水樣進(jìn)行藥劑篩選，主要包括絮凝劑、阻垢劑及除氧劑的優(yōu)選。

2.3.1 絮凝劑的優(yōu)選 油田常用的絮凝劑主要為聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚丙烯酰胺（PAM）[14]。本文以處理后水樣的透光率為考察對象，對長7 層位采出水及市政污水的混合水樣（體積比8∶2）進(jìn)行絮凝劑的篩選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 絮凝劑對絮凝效果的影響

由圖3 可以看出，隨著PAC 加量及陰離子PAM加量的增加，絮凝效果明顯，水樣的透光率增大。當(dāng)PAC及陰離子PAM 加量分別超過100 mg/L、1 mg/L 時(shí)，水樣的透光率變化不大。因此，PAC 及陰離子PAM 加量分別為100 mg/L、1 mg/L 時(shí)，處理后水樣的透光率可達(dá)99.2%。

2.3.2 阻垢劑的篩選 在混合水樣處理中添加一定量的阻垢劑可以減少結(jié)垢量并確保水質(zhì)穩(wěn)定[15-17]，對膦酸類HEDP、聚馬來酸HPMA 及復(fù)合類阻垢劑H-1、H-2 等藥劑的阻垢性能進(jìn)行了評價(jià)，在藥劑加量為20～100 mg/L 時(shí)，阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 阻垢劑的優(yōu)選

由表2 可知，混合水樣中添加阻垢劑后，結(jié)垢量均趨于減小。當(dāng)H-1 復(fù)合阻垢劑的加量為80 mg/L 時(shí)，混合水樣的結(jié)垢量為24.00 mg/L，阻垢率可達(dá)93.65%。這是由于阻垢劑官能團(tuán)占據(jù)了CaCO3晶體表面上的生長位點(diǎn)，若CaCO3晶體繼續(xù)生長，垢晶體結(jié)構(gòu)扭曲或者將阻垢劑官能團(tuán)包裹在其中，使其難以成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的方解石晶體[18]（圖4）。該結(jié)果同樣適用于長2、長6層位的混合水樣（表3）。

圖4 阻垢劑的機(jī)理分析

表3 加入阻垢劑前后混合水樣的結(jié)垢量

2.3.3 除氧劑的篩選 市政污水經(jīng)A2/O 工藝處理后水樣的溶解氧為2.6 mg/L，加之采出水礦化度高，因此混合水樣的腐蝕會加劇[19-20]。實(shí)驗(yàn)以無水亞硫酸鈉為除氧劑，對混合水樣除氧效果進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 除氧劑加量的優(yōu)選

由圖5 可以看出，混合水樣中隨著無水亞硫酸鈉加入時(shí)間的增大，混合水樣中溶解氧含量逐漸降低，無水亞硫酸鈉加量為60 mg/L 時(shí)，反應(yīng)時(shí)間20 min 后，混合水樣中溶解氧含量降低至0.05 mg/L 左右，滿足回注水對溶解氧含量的要求。由于無水亞硫酸鈉具有很強(qiáng)的還原性，因此具有較好的除氧效果。

2.3.4 混合水樣的腐蝕速率 長2、長6、長7 層位采出水與市政污水以8∶2 的體積比混合后，在復(fù)合阻垢劑H-1 加量為80 mg/L、除氧劑加量為60 mg/L、PAC與PAM 加量分別為100 mg/L、1 mg/L時(shí)，處理后混合水樣的腐蝕速率均低于0.076 mm/a（表4）。

表4 處理前后混合水樣的腐蝕速率

2.4 市政污水回注對儲層的傷害性分析

市政污水及不同層位采出水的混合水樣經(jīng)過絮凝處理后，再加入一定的阻垢劑及除氧劑，將處理后水作為回注水樣，依據(jù)1.2.3 中的方法研究其對儲層的傷害，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同層位混合水樣對儲層的傷害性

由圖6 可以看出，不同層位混合水樣的滲透率隨著注入體積的增大而逐漸降低，對儲層傷害率逐漸增大，當(dāng)注入體積增大至20 PV 時(shí)，滲透率變化不大，其對儲層的傷害率也趨于穩(wěn)定。長2 層位混合水樣對儲層的傷害率整體低于17%，長6、長7 層位混合水樣對儲層的傷害率也均低于20%，符合油田回注標(biāo)準(zhǔn)[21-22]。因此，混合水樣經(jīng)過絮凝工藝及篩選的藥劑體系可以滿足市政污水回注油田的要求。

2.5 市政污水回注處理工藝

依據(jù)前述研究結(jié)果，獲得了為市政污水用于油田回注處理的工藝流程，見圖7。

圖7 市政污水回注處理工藝流程

3 結(jié)論

（1）延長油田長2、長6、長7 層位采出水及處理后市政污水以8∶2 的體積比混合后，與其他混合比例相比，結(jié)垢量最大且分別達(dá)到38、42、69 mg/L，混合水樣垢型為CaCO3型。

（2）混合水樣的腐蝕速率在采出水與市政污水混合體積比為8∶2 時(shí)最高，長2、長6、長7 層位形成的混合水樣腐蝕速率分別達(dá)到0.084、0.076、0.089 mm/a，且以溶解氧與垢下腐蝕為主。

（3）混合水樣中復(fù)合阻垢劑H-1 的加量為80 mg/L，除氧劑加量為60 mg/L，絮凝劑PAC 及PAM 的加量分別為100 mg/L、1 mg/L 時(shí)，不同層位混合水樣處理后透光率均可達(dá)98%以上，且處理后混合水樣對巖心的傷害率均低于20%。