油田注水顆粒直徑中值測定影響因素分析及對策研究

唐曉梅 嚴(yán)忠 袁海運(yùn) 羅玉江

1中國石油長慶油田分公司第一采氣廠

2中國石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測院

3中國石油長慶油田分公司第三采油廠

4中國石油長慶油田分公司第九采油廠

為全面推進(jìn)中油股份公司“注好水、注夠水、精細(xì)注水、有效注水”和“科學(xué)構(gòu)建精細(xì)注水長效制度體系”的總體要求，國內(nèi)各油田對注水水質(zhì)指標(biāo)常態(tài)化監(jiān)測和控制已成為油田注水開發(fā)中一項(xiàng)重要的工作。為進(jìn)一步穩(wěn)定控制注水水質(zhì)，“顆粒直徑中值”被列為中油股份公司推行的注水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率其中的必檢項(xiàng)目；同時，它也是石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》中規(guī)定的油田注水水質(zhì)七項(xiàng)主要控制指標(biāo)之一。該指標(biāo)常常與懸浮固體含量一起用來綜合評定注水水質(zhì)對油層孔隙的堵塞程度，從而保證油田注水開發(fā)效果，提高油藏采收率。

但是，歷年注水監(jiān)測結(jié)果表明，注水中懸浮固體含量達(dá)標(biāo)率較高，但固相顆粒直徑中值單項(xiàng)達(dá)標(biāo)率卻僅為50%左右，成為制約水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率進(jìn)一步提高的主要障礙。通過多年油田水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)：一方面，注入水水質(zhì)存在較大不穩(wěn)定性，待測水樣中顆粒直徑隨放置時間變化較大，而且此項(xiàng)指標(biāo)在實(shí)際檢測中會受諸多其他測試條件的影響；另一方面，不同儀器、不同人員的測試結(jié)果差別較大。如何排除關(guān)鍵干擾因素，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；如何進(jìn)一步規(guī)范固相顆粒直徑中值的評價方法，全面反映注入水中顆粒直徑的實(shí)際狀態(tài)，都需要開展深入研究。目前，國內(nèi)對這項(xiàng)指標(biāo)的研究主要關(guān)注檢測結(jié)果對地層的影響，而對于影響指標(biāo)檢測和評價因素的研究卻鮮有報(bào)道[1-2]。

本文針對新疆油田水質(zhì)特點(diǎn)，在顆粒直徑中值檢測過程中，從分析影響顆粒直徑中值結(jié)果的關(guān)鍵因素入手，以穩(wěn)定現(xiàn)場水質(zhì)為基礎(chǔ)，提出應(yīng)對措施，對提高這項(xiàng)指標(biāo)測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，真實(shí)反映注入水中顆粒直徑的實(shí)際分布狀態(tài)具有一定指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

新疆油田某處理站凈化采出水水型為：NaHCO3和CaCl2型；無水亞硫酸鈉，分析純；檸檬酸，分析純；檸檬酸鈉，分析純；乙二胺四乙酸，分析純。實(shí)驗(yàn)儀器有Zetasizer Nano-ZS型粒度儀及Zeta電位分析儀（英國馬爾文公司）、空氣曝氣機(jī)。

1.2 固相顆粒直徑中值測定

馬爾文激光粒度儀通過激光散射的方法來測量懸浮液、乳液和粉末樣品顆粒分布，是一臺多用途儀器。納米型和微米型激光粒度儀還可以通過安裝的軟件來分析顆粒的形狀。試驗(yàn)時，激光粒度儀開機(jī)預(yù)熱20 min后打開電腦。按照設(shè)備操作規(guī)程進(jìn)行校準(zhǔn)和空白樣測試，扣除背景測試值。把待測水樣搖勻后倒入1 000 mL燒杯中，將樣品緩緩注入樣品槽，觀察設(shè)備透光率變化，當(dāng)透光率落在設(shè)備要求的測試范圍內(nèi)時，停止注入樣品，待粒徑分布實(shí)時圖穩(wěn)定后，在儀器操作軟件界面選擇攪拌速度并開始測試，分析顆粒粒徑分布狀態(tài)。

1.3 曝氣實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)采用空氣曝氣機(jī)，控制空氣流量在5～10 L/min通入試驗(yàn)水樣，曝氣時間控制在5 min左右，考察曝氣前后水中固相顆粒直徑中值變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品放置時間對粒徑中值測定的影響

新疆油田某污水處理站凈化污水，考察放置不同時間粒徑中值變化情況。結(jié)果見表1、表2。

表1 放置時間對水樣中懸浮顆粒直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.1 Effect of placement time on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

從粒徑中值的測定結(jié)果看，隨著放置時間的增加，粒徑中值變化明顯，由2.856 μm增大到44.335 μm。待測水樣放置時間對粒徑中值測定具有一定影響，特別是水質(zhì)存在不穩(wěn)定因素時（還原性物質(zhì)、混凝反應(yīng)引起的絮體聚結(jié)現(xiàn)象及具有較嚴(yán)重的過飽和析出趨勢等），這種影響尤為嚴(yán)重[3-4]。

表2 某處理站凈化采出水放置時間對水質(zhì)的影響Tab.2 Effect of placement time of purified produced water on water quality in a treatment station

2.2 樣品曝氧（氣）對粒徑中值測定的影響

（1）曝氧（氣）對凈化采出水顆粒直徑中值的影響。新疆油田現(xiàn)場采集某污水處理站凈化污水，曝氣5 min后，考察曝氣前后直徑中值變化情況。具體結(jié)果見表3、表4。

表3 曝氣對水樣中懸浮顆粒直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.3 Effect of aeration on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

表4 某處理站凈化采出水曝氣后不同時間水質(zhì)狀況Tab.4 Quality of produced water at different time after aeration in a treatment station

試驗(yàn)結(jié)果表明，曝氣后水中還原性物質(zhì)得到較好的去除，同時曝氣在一定程度上也推動了水中結(jié)垢離子的沉淀反應(yīng)，加速了碳酸鹽微粒析出，盡早析出顆粒物，促使后期水質(zhì)較穩(wěn)定，粒徑中值測定結(jié)果較穩(wěn)定。

（2）曝氧（氣）對含硫化物采出水中懸浮顆粒直徑中值測定的影響。室內(nèi)自配含硫化物（約為8 mg/L）待測樣品，分別考察曝氧（氣）前后放置時間對粒徑中值測定結(jié)果的影響。具體結(jié)果見表5。

為進(jìn)一步考察含硫化物水質(zhì)的穩(wěn)定性，將充分曝氣前后的自配待測水樣分別通過1.2 μm濾膜進(jìn)行過濾，分別考察濾后水在放置不同時間條件下，其中懸浮顆粒直徑中值的測定情況。具體檢測結(jié)果見表6。

表5 曝氣對含硫化物水樣中懸浮顆粒直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.5 Effect of aeration on the median diameter determination results of suspended particle in sulphide water samples

表6 曝氣和靜置對過濾水樣中懸浮顆粒直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.6 Effect of aeration and standing on the median diameter determination results of suspended particle in filtered water samples

通過曝氣措施加速了水中還原性物質(zhì)被氧化進(jìn)程，在線生成難溶性氧化產(chǎn)物，可被相應(yīng)孔徑的濾膜徹底濾去，水中粒徑中值測定結(jié)果較穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了去除還原性物質(zhì)可有效提高濾后水質(zhì)的穩(wěn)定性。這一結(jié)果也為現(xiàn)場提高濾料攔截效果提供了理論依據(jù)。

2.3 樣品環(huán)境溫度對粒徑中值測定的影響

新疆油田現(xiàn)場采集某污水處理站凈化污水，在不同溫度下放置同樣時間，考察溫度對粒徑中值的影響，粒徑中值變化情況見表7。

表7 溫度對水樣中懸浮顆粒直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.7 Effect of temperature on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

在25～40 ℃的溫度內(nèi)放置24 h，試驗(yàn)結(jié)果表明，在放置規(guī)定時間內(nèi)，隨著測定溫度的升高，試驗(yàn)樣品中懸浮顆粒直徑中值呈現(xiàn)上升趨勢，這可能與溫度的升高加劇了水中碳酸鹽過飽和析出有一定關(guān)系。

2.4 其他影響因素

（1）水中細(xì)菌生長的影響。隨著待測水樣放置時間的延長，細(xì)菌二次滋生不可避免。細(xì)菌一般在待測水樣放置72 h以后才有明顯的增長趨勢。而在實(shí)際操作中，注入水顆粒直徑中值檢測在這期間已基本完成，因此在水樣放置過程中細(xì)菌對顆粒直徑的影響基本可以忽略。

（2）水中絮體聚結(jié)的影響。水中顆粒屬于多相體系的混合物，在熱力學(xué)性質(zhì)上不穩(wěn)定[5-6]，放置一定時間后極易發(fā)生聚結(jié)，水中固相顆粒不斷向大粒徑方向移動，且變化較大，影響粒徑的檢測。

（3）儀器攪拌速度的影響。在使用激光粒度儀測試注入水中顆粒直徑時，攪拌速度是非常關(guān)鍵的一個測試條件：攪拌速度過低，不足以全部攪起待測水樣中的顆粒，使測試值偏?。粩嚢杷俣冗^大，易導(dǎo)致測試重復(fù)性不佳，而且也可能使已團(tuán)聚的顆粒解體，造成測試結(jié)果的偏差[7]。室內(nèi)檢測結(jié)果見表8。

表8 放置時間對Zeta電位測定結(jié)果的影響Tab.8 Effect of setting time on Zeta potential determination results

（4）待測樣品水中油含量的影響。若水中油含量過高，有可能促使懸浮物的包裹，加劇團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致原始顆粒直徑差異增大。針對這種情況，在粒徑測試之前，應(yīng)先將水中油萃取出來，或用粗濾紙將高含油待測水樣進(jìn)行過濾。

3 應(yīng)對措施

由于新疆油田多數(shù)區(qū)塊注入水質(zhì)均存在不同程度的碳酸鹽自結(jié)垢趨勢，存在不等量還原性離子，水質(zhì)存在不穩(wěn)定性，而水質(zhì)的不穩(wěn)定會導(dǎo)致注水水質(zhì)發(fā)生改變，從而使懸浮固體含量、懸浮顆粒直徑中值等指標(biāo)發(fā)生變化。要準(zhǔn)確測定粒徑中值等指標(biāo)，需要使水質(zhì)穩(wěn)定。

3.1 離子穩(wěn)定劑

（1）投加乙二胺四乙酸。在現(xiàn)場采集到的待測水樣中加入乙二胺四乙酸（30 mg/L）穩(wěn)定水質(zhì)，粒徑中值的檢測結(jié)果與原水直徑中值檢測結(jié)果見表9。

在待測水樣放置48 h后，顆粒直徑中值由19.159 μm上升至35.210 μm，上升了82.21%，經(jīng)過投加乙二胺四乙酸穩(wěn)定的待測水樣，放置48 h，顆粒直徑中值由21.191 μm上升至25.164 μm，上升了18.75%。從粒徑中值的變化幅度看，在待測水樣中加入乙二胺四乙酸穩(wěn)定水中粒徑中值有明顯效果。

表9 投加乙二胺四乙酸對水樣中懸浮顆粒直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.9 Effect of adding ethylenediamine tetraacetic acid on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

（2）投加無水亞硫酸鈉。在待測水樣中加入無水亞硫酸鈉（50 mg/L）穩(wěn)定水質(zhì)，顆粒直徑中值的檢測結(jié)果與空白待測水樣直徑中值檢測結(jié)果見表10。

表10 投加無水亞硫酸鈉對直徑中值測定結(jié)果的影響Tab.10 Effect of adding anhydrous sodium sulfite on the median diameter determination

在待測水樣放置48 h后，顆粒直徑中值由4.738 μm上升至19.475 μm，上升了311.04%，經(jīng)過投加無水亞硫酸鈉穩(wěn)定的待測水樣，放置48 h后直徑中值由4.239 μm上升至5.093 μm，上升了20.15%。從粒徑中值的變化幅度看，在待測水樣中加入無水亞硫酸鈉穩(wěn)定水中懸浮顆粒直徑中值有明顯效果。

（3）投加檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液。在待測水樣中加入檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液穩(wěn)定水質(zhì)，顆粒直徑中值的檢測結(jié)果與空白待測水樣直徑中值檢測結(jié)果見表11。

表11 投加檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液對粒徑中值測定結(jié)果的影響Tab.11 Effect of adding citric acid-sodium citrate buffer solution on the median diameter determination

經(jīng)過加入檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液的待測水樣，放置48 h后，直徑中值由4.483 μm上升至4.625 μm，上升了3.17%。從粒徑中值的變化幅度看，在待測水樣中加入檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液穩(wěn)定水中懸浮顆粒直徑中值有明顯效果。

綜合以上3種金屬離子穩(wěn)定劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向待測水樣中投加一定量的金屬離子穩(wěn)定劑或除氧劑，可達(dá)到穩(wěn)定沉淀金屬離子、減少沉淀生成的效果，測得的粒徑中值可在較長時間保持較低的增幅，待測水樣穩(wěn)定時間較長，但這種方法廣泛適用性還有待進(jìn)一步研究。

3.2 溢流排空法取樣

直接通過注水站取樣閥接待測水樣于取樣桶中，不進(jìn)行排空和避氧保存的常規(guī)操作，與避氧操作的溢流排空法相比，隨放置時間的變化結(jié)果見圖1和表12。

圖1 常規(guī)操作和溢流排空法采樣的粒徑隨放置時間的變化Fig.1 Change of particle size with placement time of sampling by conventional operation and overflow drainage

表12 新疆油田不同處理站采用常規(guī)操作和溢流排空法采樣的粒徑變化Tab.12 Particle sizes sampled by conventional operation and overflow drainage in different treatment stations in Xinjiang Oilfield

從兩種不同方法的比較可以看出，采取排空取樣的方法，將水注滿容器不留空間，并且保持待測水樣在測試前一直處于密封避氧狀態(tài)，待測水樣在放置4 h內(nèi)的粒徑測試結(jié)果基本和首次測試結(jié)果一致。水中存在還原性離子時，樣品隨著放置時間的延長，氧氣會逐漸從取樣瓶口縫隙滲入，粒徑中值同樣呈現(xiàn)增大的趨勢。

4 結(jié)論

（1）顆粒直徑中值不能反映出直徑大于某一規(guī)定數(shù)值的顆粒數(shù)目之絕對值，而注入水中固體顆粒是否堵塞地層不僅決定于顆粒直徑，還與直徑大于某一規(guī)定數(shù)值的顆粒數(shù)目密切相關(guān)。所以在分析水中的顆粒時，不但要看粒徑中值，還要分析顆粒的分布情況及每毫升待測水樣中顆粒的總數(shù)，這樣才能客觀地評價水中的懸浮物顆粒。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，在反映水質(zhì)好壞時，“懸浮物顆粒直徑中值”這一指標(biāo)存在一定的局限性，建議修改（或?qū)⑵洳蛔鳛橹饕刂浦笜?biāo)）。標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329—2012中，用空氣滲透率來控制注水水質(zhì)中顆粒直徑中值的大小，并不能準(zhǔn)確反映低滲、超低滲油藏對注入水中懸浮物含量及顆粒直徑中值的接納程度。

（3）在應(yīng)用激光粒度儀測試油田回注污水顆粒直徑中值時，待測水樣自身性質(zhì)、待測水樣存儲環(huán)境、測試條件以及計(jì)量基準(zhǔn)均會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，油田回注污水顆粒直徑中值的檢測受諸多因素影響，在實(shí)際測試中應(yīng)規(guī)范測試方法，針對不穩(wěn)定水質(zhì)可采用排空取樣、避氧保存的方法，以及通過加入離子穩(wěn)定劑等方法，最大限度降低檢測誤差，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。