杏子川油田注入水水質劣化原因分析及對策研究

易愛文，楊永釗，李 剛，趙海玉，房 葛，李國勇

（延長油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西安塞 717400）

在低滲透油田的開發過程中，油田產出水回注仍然是重要的節水及環保措施。油田回注水受多種因素影響往往水質較差，長期不合格水質的注入不僅傷害地層，還會降低原油的采收率，給油田開發造成困難。因此有必要對回注水水質劣化原因進行研究，以此為依據對回注水進行綜合治理，從而提高回注水水質[1-3]。

圖1 杏子川采油廠注水工藝流程圖

1 杏子川油田注入水工藝現狀

杏子川油田某聯合站回注水從聯合站到注水井工段發生水質劣化現象，造成注水水質不達標，給油田生產帶來了極大不便，其注水工藝流程（見圖1）。對注水井口取樣分析后發現井口出水顏色較深（見圖2），明顯無法滿足油田回注水水質標準。因此，需進行詳細的水質劣化原因分析以改善油田注入水水質。

圖2 現場井口取樣

2 注入水水質劣化原因分析

針對杏子川采油廠某注水站存在的注水水質在管線流動過程隨時間的延長，懸浮物、顆粒中值等指標增加，水質變差，尤其井口水質最差的問題，通過分別對污水站、清水站的水處理出水、注水泵房、配水間和井口四個點位取水樣進行化驗，判斷水質主要影響因素。

2.1 水樣化驗結果

2.1.1 杏6025站點水樣化驗結果 杏6025污水站水處理間，注水泵房及輻射配水間和注水井各處注入水水質取樣化驗結果（見表1），注入水水型及礦化度數據（見表2）。

由表1數據可見，杏6025處理站pH呈現下降趨勢，主要是注水井底水返排及細菌導致；懸浮物值在泵房處小于處理間，這是由于懸浮物下沉到了凈化罐底部，而到達井場后其值增加，一方面是水在輸送過程產生反應導致懸浮物的生成，其次可能是井底返排水導致；含油量數值上漲表明有井底返排水；硫化物增加是細菌及井底返排導致；總鐵含量增加是由于井底油管、套管及閥門等處的腐蝕造成。

表1 杏6025站點水質數據表

表2 杏6025站點礦化度、水型數據表

表3 杏286站點水質數據表

表4 杏286站點礦化度、水型數據表

由表2 數據可見，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-值不規律變化主要與地層返排水質有關，其次來水過程中水質不一也造成了離子值變化不規律。

2.1.2 杏286站點水樣化驗結果 杏286清水站水處理間，注水泵房及輻射配水間和注水井各處注入水水質取樣化驗結果（見表3），注入水水型及礦化度數據（見表4）。

由表3、表4可以看出清水注水過程中水質變化較小，一方面是細菌含量少，其次水質整體較好，因此各項指標均出現較好的結果。對杏286井、杏295井（清水）注水站取樣化驗后發現：杏286井水處理間，泵房，配水間出水均為清澈透明水質，但注水站配水間水質出現變黑現象；杏295井取樣水質為深黑色，可能是由于井底閥門關閉不嚴或者是套管閥門關閉不嚴導致部分井底水返排的結果，將井底閥門關閉后所取水樣顏色變淺。

2.2 黑色物質化驗結果

取樣過程中有些站點所取的水樣顏色呈現深黑色，因此引起水樣變色的黑色物質需進一步測定判斷其來源，化學分析過程（見圖3）。

圖3 黑色物質化學分析圖

化學分析過程：（1）將泵房處理水加氧化劑后水質顏色變淺但仍顯黑色，加入酸后水質變清；（2）將井口水加氧化劑后再加酸顏色變淡但呈土黃色，焙燒后為紅色是四氧化三鐵的顏色，因此水質中黑色物質應該含有硫化亞鐵；（3）對黑色物質過濾烘干，進行焙燒測定其剩余含量所占百分數為38.24%，因此所含有機物較高。

經化學分析可以得出：黑色物質單獨加氧化劑未完全褪色這是因為表面硫化亞鐵被氧化為四氧化三鐵與硫單質阻礙了進一步氧化，所以加入氧化劑黑色物質未完全褪去，待加入酸后表面物質反應后，硫化亞鐵繼續反應所以泵房出口水質變清，而加入酸黑色物質未褪去是因為黑色物質表面覆蓋了有機物質阻礙了反應進行，加入氧化劑后表面物質層破壞導致反應的進行，反應方程式如下所示：

由此可以判斷出水樣中的黑色物質主要來源于水質輸送過程中的管線腐蝕及返排中出現的油、套管腐蝕。

2.3 水質劣化影響因素分析

水質化驗和黑色化學物質分析結果表明：回注水水質污染物成分復雜，懸浮物、含油量、硫酸鹽還原菌、硫化物等非常規指標含量超標。綜合考察水質劣化是物理因素、化學因素、生物因素的共同作用結果。其中，隨著溫度的降低、壓力的升高和降低、時間的增加，水中懸浮物增加為水質劣化的物理因素；化學劑如絮凝劑的“延遲絮凝”作用，硫化物對系統和管線的腐蝕作用，碳酸鹽、硅酸鹽沉淀的生成、水中油的沉積作用等為水質劣化的化學因素；細菌附著在淤泥上增殖、代謝、消亡，是導致水質劣化的生物因素。具體表現在以下7個方面：

（1）水中污染物對懸浮物的影響：管道中的水在流動過程中，水中的油滴、微生物、有機物、鐵化合物等污染物粘附、積聚在管道內壁，時間越長沉積層越厚，使得管網水中的懸浮物增大，對注水水質形成污染。在取樣時隨著水流沖擊力增大，表現出比前端水處理設備水質更差。

（2）沉降和流動時間對懸浮物的影響：隨著時間的增加，懸浮物中微生物的生長越來越多，懸浮物的聚集和沉積越來越多，同時流動增大加速了懸浮物的運動，使得懸浮粒子聚集從而導致水質惡化。

（3）化學劑的影響：主要表現在絮凝劑進入后續注水流程后，會將原本在污水中分散、不能夠及時絮凝的微小顆粒在合適的條件下重新絮凝，這種延遲絮凝的作用使一些小粒子在絮凝的作用下凝聚后沉降，增加了注水中的懸浮物，從而導致水質惡化。

（4）硫化物的影響：注水中的硫化物會對系統產生腐蝕，進而生成硫化亞鐵以及三氧化二鐵，這些物質在注水中呈現顆粒物的狀態，使水質變差。

（5）成垢離子的影響：注水中的成垢離子在水中生成碳酸鹽類化合物、碳酸鹽類沉淀，會以懸浮物的形式隨水流流動，或附著在系統的內壁之上，導致水質劣化。

（6）油含量的影響：油滴能夠包裹懸浮物顆粒，隨著時間推移其包裹的懸浮物顆粒越來越多，同時注水中油膠質以及瀝青較多，易產生吸附作用在回注水系統的管壁上附著；此外，注水中油滴的輕組分在水中呈現出蠟晶的形式，這種形式的輕組分是水中懸浮物的重要組成部分，易于形成懸浮物。因此，注水中油滴的存在會導致懸浮物增多，水質惡化。

（7）細菌對水質的影響：通過隨機取樣對鐵細菌、硫酸鹽還原菌和腐生菌三種細菌進行化驗，細菌指標大部分超標。這是由于管道中的油和淤泥可以給細菌營造良好的營養環境和溫度，使細菌得以在回注水系統中沉積、生長，最終附著在淤泥的表面或原油中。細菌長時間增殖和代謝不斷的積累，導致注水中懸浮物的增加。此外，鐵細菌中的硫酸鹽細菌不僅能夠對回注水系統管線產生污染，同時其腐蝕作用能夠產生硫化物。

3 水質劣化治理對策

對于低滲透油田注入水水質，水中懸浮固體含量和顆粒粒徑是低滲透油田注入水水質標準兩項主要指標。通過水質劣化影響因素分析可知，懸浮物增多是導致杏子川油田注水水質劣化的重要因素，因此需對注入水進行深度處理，采取經濟可行的物理、化學等措施降低水中懸浮固體的含量，減小顆粒粒徑，改善注水水質。

采用物理措施降低注水中懸浮物顆粒含量的方法主要有：提高水處理設備過濾精度，采用管道清洗、水井清洗技術，加強注水站來水、出水的監測，控制注水壓力等。具體如下：

（1）提高設備過濾精度：精細過濾是注入水水質處理的關鍵，精細過濾設備的選用應根據濾后水質指標和經濟性等多方面綜合考慮。目前杏子川注水站采用多介質過濾器，通過多次對水處理設備的出水進行檢測，懸浮物在15 mg/L～35 mg/L，遠遠超出小于5 mg/L標準，說明水處理設備過濾精度不夠。因此可采用ABC動態膜過濾設備，ABC動態膜過濾設備是在濾布表面均勻涂上一層2 mm厚的精細過濾膜，攔截顆粒徑大于0.3 μm的微小固體、膠體、油滴、細菌等，滿足粒徑中值小于3 μm及減低懸浮物的要求，同時可以除去水中的有害細菌，大幅度提高注水質量。

（2）洗井：注入污水會導致水井注入壓力明顯上升，影響區塊開發效果，通過洗井，可以去除井底污染物，疏通儲層孔喉；同時可清理和清除管道上粘附的污染物，防止污染注水水質，保證注水質量，從而達到增注目的。清洗管線：注水管網管線由于長期注水，水中的污染物會大量積聚在管線內壁。為減少沿程水質的二次污染，確保井口及井下水質達標，需要定期對地面管線進行清洗；清洗時需要針對管壁污染物成分，配制清洗劑，達到清洗徹底干凈的目的。

（3）加強對來水懸浮物指標值的檢測：建議對注水站來水懸浮物含量指標進行控制，如果來水大于控制值，則進行預處理后再進入水處理系統；對于注水站來水水質波動較大的情況，可以在送水前進行加藥預處理，通過預處理，達到系統進水要求。

（4）加強對出水的定時檢測：可在凈水罐前端建一個檢測罐，定時取樣測懸浮物值，如果水質出現異常不達標情況，將罐內水回流到沉降罐重新處理，避免流入到凈化罐中污染罐內好水，保證注入水合格。

（5）嚴格控制注水井壓力，防止水井返排造成相鄰水井之間的水體混合污染。

采取化學措施是指通過配伍性實驗制定合理的加藥方案等方法降低水中的結垢、懸浮物量，防止水質惡化和管道腐蝕。具體方法如下：

（1）通過對長2、長6和清水的配伍實驗（見表5），水源井和長2配伍性最差，長6：長 2=1：1和 1：9時鈣鎂得失率最小，分別為1.22%和1.16%，水源井：長6=3：1時鈣鎂得失率最小，為1.57%，建議混注時參考。

（2）制定可行有效的加藥方案，藥劑處理和設備處理是注水處理最重要的手段，要控制好注入水的水質必須控制好包括細菌含量、懸浮物含量、含油量、鐵含量等在內的幾個重點水質指標。通過對杏子川注水站水處理取樣化驗，目前水質主要是細菌含量、懸浮物、鐵含量超標，需要對藥劑的選型和加量進行篩選優化，適合的殺菌劑、除鐵劑及加量可以有效控制水質指標。

根據站點各污水的來水情況進行現場配伍性實驗，結合實驗室燒杯實驗結果，針對混凝劑、除鐵劑、除硫劑、殺菌劑、助凝劑、阻垢緩蝕劑6種藥劑，分區塊、分季節、分地層制定了新的完整加藥標準（均以每處理10 m3污水為標準制定加藥量）體系。其具體加藥標準（見表6）。

表5 長2、長6和清水的配伍實驗結果

表6 加藥標準表

根據加藥經驗，規定各站點在進行加藥時應注意加藥次序為：除硫劑、除鐵劑、絮凝劑、助凝劑、阻垢緩蝕劑、殺菌劑；pH調節劑（堿性）根據處理后水的pH值化驗結果適量添加。所有標準溶液配比：助凝劑按3‰溶液濃度配比，其他藥劑均按10%溶液濃度配比。一般冬季加藥量比夏季要有所減少，實際應根據每天的來水情況或每次化驗結果適當調整相關藥劑的加藥比例，確保水質達標。

4 結論

（1）本研究對油田回注水水質劣化現象從原因機理進行分析，結合實際情況提出了可行性高的治理對策和建議，為其他油田回注水水質達標問題提供了一定的技術參考依據。

（2）根據杏子川油田實驗室提供的清洗技術方法等，對油田回注水進行了綜合治理，水質得到了明顯改善：懸浮物、含油量、硫化物含量大幅降低，細菌含量得到了有效控制，水質能夠達到回注標準。