市政污水回注儲層處理技術研究

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部，陜西延安 716000；2.陜西省油氣田環境污染控制與儲層保護重點實驗室，陜西西安 710065；3.陜西致遠思源環保科技有限公司，陜西西安 710065；4.延安市油氣田環境污染低碳協同控制技術與儲層保護重點實驗室，陜西富縣 727500）

近幾年，隨著油田開采程度的不斷提升，注水開發已成為實現油田高產穩產的重要方式。但隨著注水規模不斷擴大以及注采平衡尚未建立，油田注入水量需求與補充水源供應的矛盾日益凸顯。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地地表水、淺層承壓水作為補充[1，2]。隨著地表水等補充水資源開采政策的逐漸縮緊，尋求新的注入水補充水源對于油田的高產穩產有著重要意義。

目前，城市生活污水在經過處理達標后直接外排，2020 年我國城市污水排放量可達571.36×108m3[3]。若將處理后的市政污水作為注入水補充水回注地層，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特性，以回注水水質標準為考核指標，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支撐。

1 實驗內容

1.1 實驗儀器及藥品

實驗樣品：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。

實驗藥劑：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、聚丙烯酰胺為工業產品。

實驗儀器：UV2350 型紫外分光光度計，上海尤尼克儀器有限公司；LDY50-180 型多功能巖心流動試驗儀，南通儀創實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水質分析 依據石油天然氣行業標準SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》、SY/T 5523—2016《油氣田水分析方法》和《水和廢水監測分析方法》（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 等項目進行檢測分析。

1.2.2 配伍性實驗 結垢量測定：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 ℃的烘箱內靜置72 h，觀察并記錄實驗現象，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，濾膜前后的質量差即為混合水樣的結垢量。

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 儲層傷害實驗 實驗中的長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，利用巖心傷害實驗并根據標準SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》評價注入水注入前后的滲透率變化，依據下式計算巖心傷害率：

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

2 結果與討論

2.1 水質分析

依據SY/T 5523—2016《油氣田水分析方法》對實驗水樣組成性質進行測定，實驗結果見表1。

表1 不同水樣的水質分析

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。由溶度積常數可知，兩種水混合后有結垢趨勢[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垢量及腐蝕速率進行測定，實驗結果見圖1。

圖1 采出水與市政污水的腐蝕結垢性質分析

由圖1 可以看出，不同層位采出水結垢量不同，長2、長6、長7 層位采出水結垢量分別為38、42、69 mg/L；同時混合水樣中，隨著長2、長6、長7 層位采出水比例的增加，混合水樣的結垢量明顯增大且在混合體積比為8∶2 時，與其他比例相比結垢量最大；對垢型進行XRD 分析（圖2），表明結垢主要是CaCO3[11]。同時長7層位采出水與市政污水混合后的結垢量最大，達到378 mg/L。這主要是由于采出水中的成垢離子含量較高、離子反應生成的沉淀量較大所致。同時，隨著混合水樣中市政污水添加量的減小，腐蝕速率增高，且當采出水與市政污水混合體積比為8∶2 時，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。這主要是因為市政污水的溶解氧含量較大，當混合水樣中市政污水的含量較大時，溶解氧對水樣的腐蝕速率影響較大[12]；同時結垢產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行回注時，應考慮結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“地下問題地面解決、站外問題站內解決”的原則，在采出水與市政污水混合體積比為8∶2 時，結垢量與腐蝕速率均較高，因此實驗選擇混合水樣體積比為8∶2 作為處理工藝選擇時的處理對象。

2.3 處理藥劑優選

市政污水與采出水進行混合處理并回注時，需解決其水質達標、腐蝕結垢控制等問題[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，對混合水樣進行藥劑篩選，主要包括絮凝劑、阻垢劑及除氧劑的優選。

2.3.1 絮凝劑的優選 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）進行絮凝劑的篩選，實驗結果見圖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PAC及陰離子PAM 加量分別超過100 mg/L、1 mg/L 時，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，處理后水樣的透光率可達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垢量并確保水質穩定[15-17]，對膦酸類HEDP、聚馬來酸HPMA 及復合類阻垢劑H-1、H-2 等藥劑的阻垢性能進行了評價，在藥劑加量為20～100 mg/L 時，阻垢實驗結果見表2。

表2 阻垢劑的優選

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

圖4 阻垢劑的機理分析

表3 加入阻垢劑前后混合水樣的結垢量

2.3.3 除氧劑的篩選 市政污水經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]。實驗以無水亞硫酸鈉為除氧劑，對混合水樣除氧效果進行了研究，實驗結果見圖5。

圖5 除氧劑加量的優選

由圖5 可以看出，混合水樣中隨著無水亞硫酸鈉加入時間的增大，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，反應時間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，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1.2.3 中的方法研究其對儲層的傷害，實驗結果見圖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，當注入體積增大至20 PV 時，滲透率變化不大，其對儲層的傷害率也趨于穩定。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%，符合油田回注標準[21-22]。因此，混合水樣經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

依據前述研究結果，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，結垢量最大且分別達到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 時最高，長2、長6、長7 層位形成的混合水樣腐蝕速率分別達到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，不同層位混合水樣處理后透光率均可達98%以上，且處理后混合水樣對巖心的傷害率均低于20%。