注水系統沿程水質穩定技術研究

郝建華

中國石油冀東油田公司陸上作業區地面工程與信息化技術研究所

注水開發是油田穩產的重要保障，保證注入水水質達標是注水開發過程中的關鍵環節[1]。注入水的來源一般是經處理后的采出水，而采出水水處理過程中由于存在成垢離子、Ca2+、Mg2+、Fe2+、細菌(特別是固著菌)等影響因素，導致注水輸送系統中腐蝕、結垢、細菌滋生，懸浮物固體含量增加，回注水沿程水質惡化[2]。目前高尚堡聯合站采出水處理量在3 500 m3/d，據統計，在高尚堡聯合站外輸水質達標情況下，仍出現注水站、配水間、注水井口水質不達標現象，說明處理水在輸送過程中存在著二次污染的情況，井口水質嚴重超標[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重。

針對注入水水質超標問題，通過“源頭治理，沿程控制”的手段，對各項指標超標原因進行分析和研究，提出了解決方案，最終使注水井井口水質與聯合站供水水質指標基本持平，達到了地面水質的沿程穩定控制效果[4]。

1 沿程水質變化影響因素及程度分析

1.1 源頭水質因素的影響

注水系統是一個相對密閉的集輸環境，所以源頭水質達標是保證注入水水質的重要因素。為此，根據油田注水水質提升要求，2019 年4 月完成了對高尚堡聯合站采出水處理系統的升級改造，出水水質標準由原來的A2 級提升到A1 級，使水質達標率平均值由年初的不足90%，提升至99%以上（圖1）。

圖1 2019 年聯合站注水水質達標率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

回注污水通過聯合站處理后，經注水管網輸送到注水井，管壁因細菌代謝、微生物[5]、結垢、Fe3+、溶解氧、CO2腐蝕等易生成污（油）垢，造成沿程水質下降。

水質監測表顯示，在聯合站外輸水質達標情況下，出現注水站16 次，配水間24 次，注水井口30次水質不達標現象（表1）。

表1 注水水質超標情況Tab.1 Standard-exceeding of injection water quality

1.3 注入水沿程水質變化影響因素

通過對注水水質各項指標分析，確定回注污水的四個主要指標中，“懸浮物固體含量、中值”和“SRB 菌”沿程變化現象最為突出，而“含油量”的變化不具有普遍性，對各指標變化原因進行分析，確定分析的重點為“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因和外因[6-8]。

內因主要是水性因素，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；藥劑的后續反應影響。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，包括管道及構筑物中腐蝕產物和垢的影響；不及時清污造成的影響。

（1）Fe2+和溶解氧作用的影響因素分析。注水系統在運行過程中，管線會產生各類老化、腐蝕現象，而管線腐蝕后會產生大量Fe2+，當流程中存在曝氧點（多發生于注水站）時便極易生成氧化鐵的沉淀物并在管線內堆積，導致水質呈褐色，固體懸浮物固體含量上升。

通過分析可知：當水中Fe2+濃度≥0.5 mg/L時，水中的溶解氧越高對懸浮物影響越大；當水中溶解氧濃度≥0.01 mg/L 時，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。當水中Fe2+濃度小于1.0 mg/L或水中S2-濃度小于5.0 mg/L 時，對水質影響較小；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 細菌、腐蝕共同作用的影響

當注水系統管線內存在大量細菌時，腐蝕、細菌造成水中不穩定物質Fe2+、硫化物等含量增加，不穩定物質生成沉淀影響水質；產物造成管線污染，進一步影響水質（圖4）。

圖4 SRB 細菌、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，一個生長周期大約20 天。首先有許多微型小凸起出現在基體表面，而微菌落之間類似于輸水管道的物質發揮著輸送酶代謝產物、養料的作用；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構的穩定性；11天左右基體部分區域被片狀且致密的生物膜覆蓋，部分區域膜卻較薄；20 天菌落成熟并開始大片脫落。在固著菌生長周期內，水中細菌、硫化物含量逐漸增加，代謝產物導致懸浮物逐漸增加；生物膜含有大量FeS，膜下產生大量蝕坑，對沿程管線內壁造成破壞的同時也使水質惡化。

2 沿程水質控制措施

2.1 對Ca2+、Mg2+等成垢離子含量的控制

2.1.1 控制Ca2+、Mg2+進入處理水系統的含量

注水系統各節點水質化驗結果顯示Ca2+、Mg2+指標超標，主要是因為轉油站外輸液中Ca2+、Mg2+含量較高。以外輸液超標嚴重的A 轉油站和B 轉油站為例，通過摸排所轄范圍內的作業井，發現6口井均使用了高密度（1.25 g/cm3）優質壓井液，共計使用了約907.9 m3。除了a 井采出液進A 轉油站外，其余5 口井采出液均進入B 轉油站。初步判斷是壓井液進入集輸系統造成Ca2+、Mg2+含量偏高。針對此類原因作業區制定了《壓井液使用管理辦法》，嚴格控制作業中密度高于1.20 g/cm3的壓井液進入集輸系統，并定期對轉油站外輸液進行水性跟蹤，每周對轉油站外輸液進行取樣分析。通過對聯合站水質中Ca2+、Mg2+鎂離子含量控制治理，注水水質指標有了明顯改善。

2.1.2 沿程控制Ca2+、Mg2+絡合成垢

在油水井作業過程中，由于使用的壓井液在生產過程中會進入集輸系統，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 注水站進行添加緩蝕阻垢劑試驗[9]，通過化學手段進行防垢。

A 注水站為中深、深層油藏36 口水井供水，作業區在低壓供水管線端開展添加緩釋阻垢劑試驗。2019 年3 月，緩釋阻垢劑按100×10-6濃度（體積分數）加入，1 周后，取樣化驗顯示井下阻垢率為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 沿程管線細菌含量控制

通過對沿程各節點取樣對比分析，確定懸浮物固體及細菌變化影響因素為供水端水質不穩定和沿程水質的二次污染。聯合站水質標準提升至A1 等級后，在下游節點（注水站、配水間、井口）仍發現多次注水水質不合格的情況，確定沿程水質二次污染是導致注入水水質變化的主要影響因素。對注水管網采用化學清洗法[10]，可解決沿程水質二次污染。

2.2.1 管網清洗工藝與技術研究

（1）清洗工藝。為清除沿程管線中附著的細菌對水質造成二次污染，決定采用化學藥劑對注水管網進行清洗，通過殺菌、剝離技術將沉積的細菌排出管線。工藝流程為：殺滅水中的細菌→清除死菌及管壁表面油污→深度殺菌（殺死粘泥中的細菌）→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）清洗技術及方案制定。對清洗藥劑進行室內實驗，數據表明：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，達到最佳清洗效果。但由于注水站目前設計能力無法達到技術要求，結合現場操作流程，對技術方案進行了優化和調整：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延長藥劑浸泡時間，將浸泡分散藥劑投放時間延長至24 h；③針對供水水量不足問題，將穩流沖洗改為脈沖沖洗，以充放時間3∶1 的周期，每4 h 調整一次注水站供水量，并根據每條回水管線所帶平臺距離，采用遠近結合的方式調整各批次井位，根據注水流量和流速，由遠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 個注水站，下轄22個配水間，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，總容積582.96 m3。清洗后檢查管線內壁情況，管壁清潔、干凈，無明顯粘泥污垢，水井井口取樣水質與聯合站外供水質基本一致，清洗效果顯著（表3、圖6）。

表3 注水站管線清洗前后數據對比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，引進井口金屬膜精細過濾器，有效地降低入井水中懸浮物含量和粒徑中值[11]，達標率較往年都有不同程度的提高（圖7）。

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

通過歷年水質指標對比，證實精細過濾器比傳統纖維球過濾器具有更好的過濾效果。目前陸上已應用精細過濾器145 套，但其濾芯過濾精度均為2 μm。為使區塊注入水達到A1 水質標準，開展了將精細過濾器濾芯精度提高為1 μm 的試驗研究。

數據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到A1 標準，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

為進一步提高沿程水質懸浮物固體含量達標率，繼續開展多級過濾體系研究，增加過濾節點，將注水站過濾缸內濾網更換為高精度金屬過濾芯，并于9 月在注水站進行試驗研究，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，大幅減少了回注水源頭成垢離子含量；通過在沿程節點加入防腐阻垢劑，有效防止了成垢離子在注水管線中的絡合、堆積。

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

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