三元洗井液預處理技術室內實驗研究

于慶龍

大慶油田有限責任公司第四采油廠

為保證油田井口注入水質合格，避免地層二次污染，每年需進行大量注水（入）井洗井作業。隨著三元復合驅的不斷開發，三元注入井大量投產，三元洗井任務也逐年增大。但由于三元洗井液成分復雜、黏度大，未經有效處理無法進入污水系統，從而制約三元洗井進度[1]。本文對三元洗井液成分進行分析，通過進行三元洗井液—壓裂返排液、三元洗井液—酸化返排液室內混配實驗，制定三元洗井液預處理措施。

1 三元洗井液的性質

三元洗井液主要由聚合物、表面活性劑、堿性鹽、石油類化合物、懸浮物及雜質組成[2-3]。三元洗井液堿性較強、黏度較高，根據開發情況不同，其pH 值＞11，黏 度 在3～30 mPa·s，礦 化 度 在15 000 mg/L以上。三元注入井因長期生產，井底、井筒、井壁均附著較多的原油和懸浮物，其濃度均在3 000 mg/L 以上。X3-1-E59 井三元洗井液物化性質如圖1、表1 所示，從結果可以看出其物化性質復雜，處理難度較大，無法直接進入污水系統處理。

表1 X3-1-E59井洗井液成分分析Tab.1 Composition analysis of Well X3-1-E59 well flushing fluid

圖1 X3-1-E59注入井洗井液樣品實物照片Fig.1 Physical photo of X3-1-E59 injection well flushing fluid sample

2 三元洗井液預處理室內實驗

針對三元洗井液堿性高、黏度大、雜質多等特點，計劃對其進行預處理后排入污水系統。預處理采用酸性的壓裂返排液或酸化返排液與其混合，促使洗井液進行中和反應、聚合物降解及絮凝沉降，使水中含油、懸浮物含量降低，減小污水處理難度。

2.1 三元洗井液—壓裂返排液混配實驗

2.1.1 壓裂返排液的成分及性質

壓裂液主要成分有四硼酸鈉交聯胍膠、Na2S2O3、石英砂、助排劑等，進行壓裂作業后返排液的水質特征見表2。由表2 可知，壓裂返排液中不僅有大量的有機物和石油類化合物，而且比其他廢水黏度大[4-6]。通常情況下，水在20 ℃時的黏度約為1 mPa·s，而壓裂返排液的黏度是水的3～10倍，是壓裂返排液難以處理的主要原因。在壓裂返排液的處理過程中，由于化學藥劑難以快速擴散，導致化學作用不均勻、反應時間長、處理效果差。

表2 壓裂返排液的水質特征Tab.2 Water quality characteristics of fracturing backflow fluid

2.1.2 混配原理及實驗方法

由于壓裂返排液呈弱酸性，會與堿性的三元洗井液發生中和反應：

三元洗井液中的三價及高價金屬離子與胍膠進行交聯反應，反應方程式如下所示：

根據三元洗井液與壓裂返排液的酸堿性不同，兩者在20 ℃下，混配比例為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2 時，通過充分混合、靜沉后，取上層液化驗，觀察混合液黏度、含油量、懸浮物含量的變化情況，每組混配實驗做5 次平行實驗，并取平均值。實驗結果如表3、圖2所示。

圖2 三元洗井液—壓裂返排液混配實驗化驗曲線Fig.2 Test curve of ternary well flushing fluid-fracturing backflow fluid mixing experiment

表3 三元洗井液—壓裂返排液混配實驗結果Tab.3 Results of ternary well flushing fluid-fracturing backflow fluid mixing experiment

2.1.3 結果分析

根據理論分析和實驗結果可以看出，三元洗井液與壓裂返排液混配后含油量和懸浮物含量均有所下降，在混配比例為1∶1 時黏度與其他混配比例相比略高，但低于2 mPa·s；而含油濃度和懸浮物濃度均低于350 mg/L，可滿足污水系統的處理要求。

2.2 三元洗井液—酸化返排液混配實驗

2.2.1 酸化返排液的成分及性質

酸化液主要成分為HCl、HF、NH4Cl、烏洛托品、C16H33C6H4SO3Na 等，酸化液通過地層反應，其返排液的水質特征見表4。由表4 可知，酸化返排液中含多種有機物，COD 值達4 212 mg/L；酸化返排液具有高礦化度，其中HCO3-、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Cr3+等成垢離子含量較高；酸化返排液中懸浮物含量較高，易造成地層堵塞[7-10]。目前酸化返排液有效的處理工藝為預處理回注。

表4 酸化返排液的水質特征Tab.4 Water quality characteristics of acidified backflow fluid

2.2.2 混配實驗及結果分析

酸化返排液中含有未反應完全的HCl 和HF，與堿性的三元洗井液混合后會發生中和反應：

酸化返排液中含有大量的Ca2+、Mg2+、Ba2+等二價金屬離子，它會通過絡合反應形成配位化合物，再與三元洗井液中的聚丙烯酰胺交聯，反應過程如下：

實驗方法同上，兩者在20 ℃下按不同比例混配，均勻混合并靜沉后，取清層液化驗，檢測混合液的黏度、含油量和懸浮物含量，每組混配實驗做5 次平行實驗，并取平均值。其實驗結果如表5、圖3所示。

表5 三元洗井液—酸化返排液混配實驗結果Tab.5 Results of ternary well flushing fluid-acidified backflow fluid mixing experiment

圖3 三元洗井液—酸化返排液混配實驗化驗曲線Fig.3 Test curve of ternary well flushing fluid-acidified backflow fluid mixing experiment

通過混配實驗可以看出，懸浮物濃度隨酸化返排液量增加而降低，含油濃度為先增加后降低，在三元洗井液與酸化返排液體積比為1∶2達到最低，含油濃度降至172.0 mg/L，懸浮物濃度為13.3 mg/L，混合體系黏度為2.2 mPa·s，可進入下游污水系統進行后續處理。

3 結論

三元洗井液具有成分復雜、堿性高、黏度大的特點，普通的沉降分離工藝無法滿足下游污水系統處理要求。通過壓裂返排液和酸化返排液的性質分析，并對三元洗井液混配后數據分析可得到以下結論：

（1）壓裂返排液為弱酸性，主要成分為四硼酸鈉交聯胍膠，可與三元洗井液發生酸堿中和反應，并與三價金屬離子再次發生交聯，從而降低懸浮物含量。在三元洗井液與壓裂返排液混配比例為1∶1 時，黏度低于2 mPa·s，含油濃度和懸浮物濃度均低于350 mg/L，水質較好，可滿足污水系統的處理要求。

（2）酸化返排液為酸性，主要成分為未完全與巖層反應的HCl、HF，及與巖層反應后生成的二價金屬鹽，可與三元洗井液發生酸堿中和反應和配位絡合、交聯反應，從而降低洗井液黏度、水中含油量和懸浮物含量。在三元洗井液與酸化返排液體積比為1:2 混配時，水質最佳，含油濃度降至172.0 mg/L，懸浮物濃度為13.3 mg/L，混合體系黏度為2.2 mPa·s，可進入下游污水系統進行后續處理。

（3）三元洗井液與酸化返排液混配效果比三元洗井液與壓裂返排液混配效果更好，水中含油濃度和懸浮物濃度均低于200 mg/L，混配后水質更適合下游污水系統處理。