塔里木某油田典型注水水質分析及工藝措施研究

陳國泉

中國石油遼河油田分公司

塔里木某油田注水有三個特點：第一個特點是“三多一高”，即停注井多、注不進井多、管線刺漏多、注水壓力高，造成這種現象的原因是注水質量不合格，導致處理設備、注水管線腐蝕結垢甚至地層堵塞，注水質量不達標、注不進水影響地層能量的補充和油田開發效果；第二個特點是塔中水質不穩定，注水中鐵離子含量高；第三個特點是注水管線易結垢，附著在管壁上的沉淀物造成沿線水質二次污染，導致聯合站出來的合格水經過管線到達井口時懸浮物含量及粒徑中值等參數嚴重超標從而影響注水效果[1-4]。

1 注水水質跟蹤監測及測試

從統計的大量數據來看，沿線水質懸浮物含量及粒徑中值呈現逐級變差的現象（圖1），合格的聯合站外輸水到達注水井口時懸浮物超標嚴重[5]，懸浮物的粒徑中值變化趨勢與懸浮物含量的變化趨勢一致（圖2）。

圖1 塔里木某油田注水沿線水質懸浮物濃度波動情況Fig.1 Concentration fluctuation of suspended matter along water injection in an oilfield of Tarim

圖2 塔里木某油田懸浮物粒徑中值分布Fig.2 Distribution of the mean particle size of the suspended matter in an oilfield of Tarim

為了進一步弄清懸浮物的成分，從現場收集了管線及注水中的懸浮沉淀物，采用紅外測試法及X衍射分析法對沉淀物進行成分及形態分析。通過紅外測試法分析得出，紅外譜圖在波長1 000 cm-1和700 cm-1處Fe-O結構顯示明顯；在3 406 cm-1處–OH結構顯示明顯；在1 375 cm-1、2 914 cm-1、2 853 cm-1處–CH2-CH3結構顯示明顯；在1 421 cm-1、1 550 cm-1、1 641 cm-1處-COOH結構顯示明顯。通過X衍射分析發現，沉淀物中含有Fe3O4和Fe2O3的成分。

在兩種方法的互相印證之下，進一步對注水沿線的水質進行總鐵和溶解氧的測試，從測試的結果（圖3）可以看出，沿線的總鐵質量濃度均超過了9 mg/L，而溶解氧的質量濃度平均為0.8 mg/L，遠遠超過了該油田注水標準要求的小于0.04 mg/L。鐵離子遇溶解氧易生成鐵氧化合物發生沉淀現象，造成水質不穩定，導致懸浮物含量和粒徑中值超標，許多井組已經出現了地層污染和堵塞，造成注水壓力增高甚至注不進水的現象，嚴重影響注水開發效果。

圖3 注水沿線總鐵及溶解氧濃度波動情況Fig.3 Concentration fluctuation of total iron and dissolved oxygen along water injection

2 基礎研究階段優化

針對注水開發中突顯出來的問題，對污水處理工藝及注水井管理進行了階段性優化。

第一階段：2016年5月至2017年1月，開展隔氧除鐵技術改進。

第二階段：2017年2月至2017年5月，優化污水處理工藝，調整加藥位置。

第三階段：2017年6月至2018年7月，提高注水管線質量，開發配套措施。

2.1 第一階段優化

查找溶解氧超標原因，利用化學方法降低污水中鐵含量。通過對污水處理工藝（圖4）的各個環節進行一一排查，最終確定兩個節點會造成污水中氧含量超標：①曬水池長期暴露在空氣中，其污水直接進入事故罐導致氧含量增加；②懸浮污泥處理凈化器（SSF）頂端不密閉，污水直接和空氣接觸，導致氧氣溶入水中造成溶解氧超標。

圖4 污水處理工藝Fig.4 Sewage treatment process

優化措施包括將曬水池來水不接入系統，并對SSF凈化器頂端進行密閉處理。密閉隔氧工藝主要有氮氣密閉、浮床式密閉、天然氣調壓密閉、浮油層密閉、薄膜囊式密閉等幾種。通過對密閉隔氧工藝優缺點的比較（表1），最終確定氮氣密閉隔氧為最佳方案。通過兩個措施的優化，站內污水溶解氧濃度降低到0.1 mg/L以下，平均降低率達到95.52%（表2）。

表1 密閉隔氧工藝優缺點比較Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of closed oxygen insulation process

表2 聯合站注水外輸優化前后溶解氧濃度Tab.2 Dissolved oxygen concentration before and after the optimization of export with water injection in multi-purpose stations

在系統中加入除鐵劑去除高含量的鐵離子，但是該油田水質的特殊性導致加入弱酸性的除鐵劑后管線和設備腐蝕嚴重，因此該措施不適合此污水處理系統。

2.2 第二階段優化

為了最大程度地降低污水中無機物質在設備中沉積結垢，采取增加阻垢劑和緩蝕劑用量等措施降低結垢，但從管線打開處可以明顯看出，結垢程度依然嚴重，說明阻垢劑未起到明顯的作用。通過對聯合站內污水處理工藝各個環節進行梳理，最終認為問題出在SSF懸浮污泥處理凈化器環節。為了解釋該現象，對SSF懸浮污泥處理凈化器的結構及原理進行分析。該設備是將污水“三級處理”合并在一個凈化器罐體里，主要由懸浮污泥過濾層、污泥收集桶、污泥濃縮室、集水槽、進水管、出水管、排泥管等部分組成（圖5）。其原理是通過污水自身形成的污泥過濾層進行水質過濾，該過濾層不僅將懸浮物、含油等機械雜質過濾掉，同時將加入的各種化學藥劑一并濾掉，導致阻垢劑、緩蝕劑等藥劑不能通過而降低了阻垢和緩釋的效果。

明確了藥劑失效的原因后，將加藥位置從凈化器前段移至凈化器后端，注水水質的穩定性得到了很好的改善。但是當注水到達井口時，水質比加藥位置改變前更差（圖6），及時停止加藥后，水質有所好轉，但仍然不穩定。為了進一步弄清楚該現象，開展了室內實驗，通過室內實驗模擬加藥后垢樣的狀態，實驗結果表明，在正常注水溫度下，將管線中的垢樣放入正常比例的阻垢緩釋劑溶液中，2 h后垢樣慢慢溶釋，24 h后垢樣完全溶釋并懸浮在溶液中（圖7）。這就說明阻垢緩蝕劑對垢樣有很強的溶釋作用，證明此時阻垢緩蝕劑在保持注水穩定的同時也會溶釋管線中長久積累的垢。

圖5 SSF凈化器結構示意圖Fig.5 Structure diagram of SSF purifier

圖6 聯合站內添加緩釋阻垢劑前后水中懸浮物濃度變化Fig.6 Concentration change of suspended matter in water before and after adding slow-release scale blocker in multi-purpose stations

2.3 第三階段優化

通過室內實驗并根據現場情況，對注水主干線采取酸洗措施[6]，同時將單井管線更換成內壁更光滑同時防腐性能更佳的柔性復合管。通過對垢樣的分析及試驗，結合注水線路的酸洗方案，最終對結垢嚴重的管線進行針對性清洗，取得了良好效果（圖8）。

圖7 實驗模擬加入緩釋阻垢劑前后水中結垢物溶解情況Fig.7 Experimental simulation of the dissolution of scale in water before and after the addition of slow-release scale blocker

圖8 管線清洗前后比較Fig.8 Comparison before and after pipeline cleaning

連續跟蹤檢測水中懸浮物含量及粒徑中值等指標，正常注水期間水質波動很小，達標的外輸水在井口仍然達標，但是在注水過程中發生注-停-注沖刷管線時，水質波動很大（圖9）。主要原因是站內停泵檢修時泵壓改變、管線刺漏、井下測試停注、改變注水量等因素導致注水管線中的水發生流動-靜止-流動的情況，對注水管線和井筒造成沖刷作用，從而將管壁上新生成的結垢物帶入水中造成管線二次污染，最終進入井下堵塞注入層。因此設計了一套針對水質二次污染精細化處理[7]、注水井啟停時專用的井口過濾器（圖10）[8-10]，作為最后一道截留懸浮物的保障措施，有效地解決了污水經長距離管道輸送后造成的水質超標問題。

圖9 某單井發生注-停-注井口來水比較Fig.9 Comparisonof water flow from injection-stop-injection hole in a well

圖10 井口過濾器Fig.10 Wellhead filters

3 現場應用

通過采取多項措施綜合優化，對該油田注水井開展為期1年的水質及注水情況跟蹤分析，水質站內外輸達標率、井口達標率均超過了96%（表3），注水量全年保持配注量達標，注水油壓保持穩定，綜合效果良好。

表3 措施實施前后外輸和井口水質數據變化Tab.3 Change of water quality data for external transport and wellhead before and after implementation of measures

4 結束語

（1）分析了塔里木某油田水質不穩定的根本原因，采取隔氧技術及藥劑優化措施可保證入井流體的可靠性，為注好水奠定了堅實的基礎。

（2）根據注水現狀深入基礎研究，選擇正確的配套措施，通過控制沿線注水二次污染以及增加過濾裝置等實現地面管線中懸浮物的最后一道攔截，提高了油田的注水效果。