某油田不同來源采出水回注處理工藝技術研究與優化

盧憲輝（中海油石化工程有限公司）

隨著國內陸上油田開發的不斷深入，注水已成為補充地層能量、維持油田采收率的重要途徑。為滿足國家和地方安全環保的相關要求，采出水需經中央處理廠或聯合站的水區處理后，由柱塞泵直接回注至地層[1-3]。在處理和回注的過程中，不同層位、不同來源的采出水混合后，在外界環境的影響下，成垢離子會超過其在水中的溶度積，從而引發腐蝕結垢。酒東油田、南堡油田、鎮原油田、渤海油田等地均發生過因結垢引起的管道泄露、水處理設備堵塞及地層傷害問題，因此對油田采出水的配伍性及結垢趨勢進行預測，進而對處理工藝實施優化顯得尤為重要[4-7]。

關于結垢趨勢預測，目前主流的方法有指數模型、數值預測模型和軟件模型三種[8-9]，其中不同指數模型有一定的適用范圍，在計算結果上存在較大差異；數值預測模型需要在測試大量樣本的基礎上，考慮熱力學、結晶動力學和流體力學對結垢的影響，屬于黑箱模型，難以探究其結垢機理；軟件模型綜合了前兩種模型的優點，以美國OLI 公司Scale Chem 結垢預測軟件為代表[10]，在油田現場得到廣泛應用。基于此，利用Scale Chem 結垢預測軟件對不同來源采出水中的成垢離子進行調和，定量測算水處理設備及注水井筒中的結垢類型和結垢量，通過室內實驗對阻垢劑、絮凝劑進行藥劑篩選，最后對現場處理工藝和加藥流程進行優化，以滿足回注水質要求。研究結果可為老油田改善注水工藝、提高水質達標率提供實際參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

UV-3000 型紫外-可見分光光度計；ZR-45 型攪拌器；有機膦酸鹽類阻垢劑：氨基三亞甲基膦酸（ATMP）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、乙二胺四甲叉磷酸鈉（EDTMPS），均為分析純；聚合物類阻垢劑：聚天冬氨酸(PASP)、聚環氧琥珀酸(PESA)、低分子量聚丙烯酸均聚物(TPA)，均為分析純；聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM），均為分析純。

實驗水樣來自某油田不同來源的油井采出水和淺層地下水。

1.2 實驗方法

1）水樣分析。參照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對水樣中的離子濃度進行測定；參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》對水樣中的油、懸浮物等參數進行測定。

2）結垢分析。根據水樣分析結果，利用Scale Chem 結垢預測軟件對不同來源采出水中的成垢離子進行調和，對結垢趨勢、結垢產物和結垢量進行預測。

3） 阻垢劑性能評價。參照SY/T 5673—2020《油田用防垢劑通用技術條件》 中的要求，采用EDTA 絡合滴定法確定水樣中成垢離子濃度：

式中：E為阻垢率，%；m1、m0分別為水樣加入阻垢劑、未加入阻垢劑時的結垢量，mg/L。

4）絮凝工藝評價。取50 mL 采出水置于100 mL燒杯中，加入適量NaOH 調節pH 值至7 左右，先后加入PAC、PAM，考察不同藥劑添加量、攪拌時間和加藥間隔對絮凝效果的影響。沉淀30 min 后，取上清液，以純水作為參比，通過紫外-可見分光光度計測定透光率。

2 結果與討論

2.1 水樣特性及結垢趨勢分析

選擇某油田X1 區塊、X2 區塊的油井采出水及淺層地下水，水質分析結果見表1。不同區塊采出水的懸浮物及礦化度含量均較高，呈弱堿性，水型為CaCl2型，水中含有較多的成垢陽離子和陰離子，自身具有較大的結垢趨勢；淺層地下水中的各項離子含量相對較低，水型為NaHCO3型。如采出水不經處理直接回注，將在沿程水處理設備及管道中形成垢樣，造成注水壓力的升高和地層吸水能力的下降。

表1 采出水、淺層地下水水質分析結果Tab.1 Analysis results of water quality for produced water and shallow groundwatermg/L

利用Scale Chem 軟件中的“Brine”功能構建水樣信息，通過“Scaling”功能計算不同混合配比水樣的結垢量見圖1。在常溫常壓（20 ℃，101.325 kPa）下，采出水自身的結垢趨勢較強，X1 區塊以CaCO3垢為主，X2 區塊以BaSO4垢為主，隨著兩者混合比例的變化，結垢趨勢呈線性變化，這與表1 的水質分析結果相符。

圖1 不同混合配比水樣的結垢量Fig.1 Scaling amount of water samples with different mixing ratios

以X1 區塊和X2 區塊混合比例1∶1 為例，考察不同工況下注水井筒的結垢趨勢，從井口至井筒深處，地層溫度從25 ℃升至100 ℃，地層壓力從0.1 MPa升至18 MPa，注水井筒的結垢趨勢見圖2。隨著溫度增加，CaCO3和BaSO4的結垢量逐漸減小，一方面溫度升高會降低垢樣溶解度，促使更多的結晶析出；另一方面壓力升高會促使CO2溶解，使成垢反應向著反方向進行，抑制結晶析出。考慮到壓力在井筒垂直方向上的變化梯度更大，故壓力對結垢趨勢的影響更大。

圖2 注水井筒的結垢趨勢Fig.2 Scaling trend of water injection shaft

采出液在油區需通過三相分離器、電脫水器等設備，進行油、氣、水三相分離，這些設備為保證原油外輸質量，采取加熱脫水，故采出水進入水處理區時的溫度為35～45 ℃。不同溫度下水處理設備的結垢趨勢見圖3。結垢類型為CaCO3、BaSO4、SrCO3，其中溫度對BaSO4結垢量的影響最小，低溫時BaSO4和SrCO3的結垢量較大；隨著溫度升高，CaCO3的結垢量快速上升至672 mg/L，說明了一旦滿足結垢所需的溫壓條件，結垢量會大幅上升，SrCO3在超過40 ℃時幾乎無沉淀產生。

圖3 不同溫度下水處理設備的結垢趨勢Fig.3 Scaling trends of water treatment equipment at different temperatures

綜上，采出水的結垢趨勢除與水質本身有關，還與溫度、壓力等因素相關，降低結垢量應綜合考慮現場工況的實際條件進行調整。

2.2 阻垢劑篩選

以X1 區塊水樣為例，在70 ℃下考察有機膦酸鹽類阻垢劑和聚合物類阻垢劑的單劑阻垢效果，不同阻垢劑的阻垢效果見圖4。阻垢率隨阻垢劑濃度的增加而增加，ATMP、PASP 和TPA 的阻垢效果較好，在質量濃度為40 mg/L 時，阻垢率均超過了60%；EDTA、EDTMPS、PESA 的阻垢效果較差，阻垢率始終未超過40%。

圖4 不同阻垢劑的阻垢效果Fig.4 Scale inhibition effect of different inhibitors

為充分發揮單劑之間的耦合協同作用，在總質量濃度40 mg/L 的條件下，考察單劑效果較好的ATMP、PASP 和TPA 兩兩復配后的阻垢效果，見圖5。其中，PASP 與TPA 復配的阻垢效果較差，與單劑的效果基本相同，燒杯中肉眼可見大顆粒的沉淀物質，說明復配效果不好。ATMP 與TPA 在2∶1 時的復配效果最佳，阻垢率達到95.4%，燒杯中只有少量的白色絮狀物漂浮在水樣上，杯底無沉淀，說明復配效果較好，兩種阻垢劑的阻垢機理有所差別，阻垢機理以晶體變形和分散作用為主[11]。

圖5 不同復配阻垢劑的阻垢效果Fig.5 Scale inhibition effect of different compound scale inhibitors

2.3 絮凝工藝評價

由表1 可知，除成垢離子外，水樣中懸浮物含量也較大，如不進行絮凝處理，會造成后續過濾器堵塞，降低反沖洗周期。利用響應曲面實驗方法中的Box-Behnken 模型考察PAC 濃度、PAM 濃度、攪拌時間和加藥間隔對絮凝效果的影響，不同絮凝條件對上清液透光率的影響見圖6。在攪拌時間和加藥間隔固定的條件下，PAC 和PAM 濃度較小時，水樣的透光率較低；在PAC 為90 mg/L、PAM 為1 mg/L時，絮凝劑與采出水充分接觸，最大限度的發揮了吸附橋架作用，此時的透光率最高為92.5%。在以上條件下，當攪拌時間為6 min、加藥間隔為30 s時，采出水中的懸浮物分散成細小絮體，膠體穩定性增強，上清液逐漸透亮；其余工況受流體和藥劑湍流擴散、沉降波動的影響，透光率均較差。

圖6 不同絮凝條件對上清液透光率的影響Fig.6 Influence of different flocculation conditions on light transmittance of supernatant

3 現場工藝優化與調整

目前，該區塊聯合站采用沉降、過濾、回注的三段式水處理工藝，但回注水質目前只能滿足SY/T 5329—2016 中第五級的要求，與地層吸水指數不符，梳理其工藝流程存在如下問題：在絮凝過程中只加入單一的無機絮凝劑，存在吸附能力有限、投藥量較大的問題；絮凝罐前后未設置緩沖調節罐，采出水在加入絮凝劑后未進行充分攪拌和沉降，導致進入過濾器的懸浮物含量較大；過濾器之前的儲罐未設置污泥處理工藝，當采出水流速較快時，罐底污泥會隨流體進入其余設備和管線，污染濾料；阻垢劑在注水罐之后、注水泵之前添加，對于前端水處理設備的防垢效果較差；除氧劑在過濾器之前添加，處理后的采出水在注水罐中沉降，仍然存在曝氧的可能性。

針對上述問題，在阻垢劑篩選和絮凝工藝評價的基礎上，對原工藝進行優化，優化后的采出水處理工藝流程見圖7。X1 區塊和X2 區塊的采出水混合，經水源熱泵換熱降溫至20～25 ℃后，進入除油罐去除含水油，同時加入緩蝕劑和阻垢劑；隨后采出水進入緩沖調節罐，如遇水量不足時，補充少量的淺層地下水，待調節罐水位達到預先設定時向緩沖罐排水，利用排水的湍流作用加入絮凝劑，加藥方式根據之前的實驗結果設置；待絮凝罐水位達到預先設定值，靜置30 min；隨后排水至緩沖調節罐再二次靜置30 min，此時大部分懸浮物已聚并沉降至罐底；最后，通過低壓泵將采出水送至二級過濾器完成精細過濾，處理后的水樣儲存在注水罐中，根據地質要求分層、分壓注水。此外，除油罐、緩沖調節罐和絮凝罐底部均設有排泥管，污泥被排放至污泥反應池，靜置后上清液返回至除油罐前端繼續處理。

圖7 優化后的采出水處理工藝流程Fig.7 Process of produced water treatment after optimization

對比優化前后的水質處理效果見表2。優化前，只有油含量和細菌含量滿足標準要求，懸浮物的含量較大，同時Ca2+、Mg2+、Ba2+等成垢離子的濃度較大，存在較大的結垢趨勢；優化后，各項指標均滿足SY/T 5329—2016 中關于二級水質指標的要求，成垢離子含量大幅降低，凈化后的采出水水質與淺層地下水的水質相似，結垢的可能性有所降低。

表2 優化前后的水質處理效果Tab.2 Water quality treatment effects before and after optimization

4 結論

1）不同區塊采出水的結垢趨勢有所不同，其中X1 區塊以CaCO3垢為主，X2 區塊以BaSO4垢為主；混合水樣結垢量隨注水井筒深度的增加而減少，在近井口地帶的結垢量最大；混合水樣在水處理設備中的結垢類型為CaCO3、BaSO4、SrCO3，在溫度超過40 ℃時，CaCO3的結垢量快速上升至672 mg/L。

2）通過室內實驗對阻垢劑配方及絮凝工藝進行了優化，在復配阻垢劑ATMP∶TPA=2∶1，總濃度40 mg/L，阻垢效果最好；在PAC 為90 mg/L、PAM 為1 mg/L、攪拌時間6 min、加藥間隔30 s時，絮凝效果最好。

3）依據室內實驗對現場的采出水處理工藝進行調整， 優化后水質得到較大改善， 滿足SY/T 5329—2016 中關于二級回注水質指標的要求。