ZJF油田采出水達標處理回注技術(shù)探索與實踐

王吉福，何劍鋒，文國華，王 偉，田 鳴，鞠成才

1.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

2.遼河油田塔里木項目管理部，遼寧盤錦 124000

目前ZJF油田已進入開發(fā)中后期，含水量上升，產(chǎn)能遞減。油田采出水中通常攜有大量的懸浮顆粒、污油、硫化物等污染物，水質(zhì)復雜。大量的油田采出水如不能有效處理，排放后將對周圍環(huán)境造成嚴重污染。利用采出水進行注水采油是油田提高采收率的通用開發(fā)方式，既可以充分利用水資源，又能實現(xiàn)環(huán)境保護和提高油田產(chǎn)油量，是減少環(huán)境污染的最好辦法[1-2]。油田回注采出水要達到油田注水水質(zhì)要求，否則不合格的水注入地層后會堵塞地層，導致注不進水，這不僅起不到注水采油的效果，還會增加注水井酸化解堵頻次、高壓作業(yè)安全風險以及生產(chǎn)運行成本，因此，油田采出水要進行達標處理，然后再進行回注。

1 采出水處理及回注工藝現(xiàn)狀

ZJF油田采出水處理系統(tǒng)于2011年重建投運，回注系統(tǒng)于2013年重建投運。站內(nèi)采用“大罐沉降+懸浮污泥過濾”水處理工藝，采出水經(jīng)處理后再經(jīng)過高壓注水泵集中增壓至22 MPa。站外通過兩條高壓注水干線輸送至站外5座配水間，在配水間給各注水井調(diào)配注水量，工藝流程如圖1所示。采出水處理系統(tǒng)的設(shè)計出水水質(zhì)技術(shù)指標為懸浮物含量≤3.0 mg/L、含油量≤8.0 mg/L，根據(jù)Q/SY TZ 0086—2017《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標》的管理要求，注水井井口水質(zhì)技術(shù)指標是懸浮物含量≤5.0 mg/L、含油量≤15.0 mg/L。

圖1 ZJF油田水處理及回注工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場取樣化驗數(shù)據(jù)，站內(nèi)水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)懸浮物含量平均為32.25 mg/L、含油量平均為21.4 mg/L，水質(zhì)合格率僅64.68%。經(jīng)過藥劑篩選、藥劑加注優(yōu)化及系統(tǒng)運行優(yōu)化等，出站綜合水質(zhì)合格率達到87.68%，處理后水質(zhì)得到明顯改善，出站水質(zhì)含油量合格率提高到95.23%，但是懸浮物含量合格率僅46.72%。井口懸浮物含量平均為51.57 mg/L、含油量平均為31.27 mg/L，水質(zhì)合格率僅71.6%。站內(nèi)外水質(zhì)波動大、穩(wěn)定性差，尤其是懸浮物含量超標嚴重，不能達到處理回注的要求。為解決水質(zhì)合格率低、水質(zhì)不穩(wěn)定問題，采取分段攻關(guān)（先解決油田采出水處理系統(tǒng)水質(zhì)，再解決注水井井口水質(zhì)）的探索實踐思路，實現(xiàn)兩個節(jié)點水質(zhì)合格率超過95%的目標。

2 油田采出水處理系統(tǒng)水質(zhì)達標探索實踐

2.1 站內(nèi)水質(zhì)超標原因分析

站內(nèi)水樣在靜置過程中，由透亮逐漸變黃，直至形成紅褐色沉淀，并聚集在取樣瓶的底部。取過濾前、過濾后水樣和出站水樣各4組分別進行分析，其數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，出站時的Fe3+和溶解氧含量有顯著增加。

表1 不同取樣點水樣分析數(shù)據(jù) 單位：mg/L

另外取水樣，分別在密閉和敞口狀態(tài)下置于55℃恒溫水浴中，測量不同儲存時間后水中懸浮物含量SS，如圖2所示。試驗結(jié)果表明：密閉條件下水質(zhì)比較穩(wěn)定，敞口（有氧）條件下水質(zhì)惡化明顯。

圖2 55℃恒溫條件下水質(zhì)穩(wěn)定性模擬試驗

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：懸浮污泥過濾裝置、注水罐都是敞口裝置，水與空氣可以直接接觸，據(jù)此判斷懸浮物含量指標超標的主要原因是暴氧氧化[3]。

2.2 采出水處理系統(tǒng)密閉改造及效果

由于采出水處理系統(tǒng)日處理水量變化較大，水罐液位不穩(wěn)定，常規(guī)的柴油密閉、隔氧浮床密閉方式容易造成柴油外溢或浮床垮塌而導致密閉失效。此外，懸浮污泥過濾裝置底部進水、頂部出水的設(shè)計方式也決定了前述兩種密閉方式并不適用。結(jié)合站內(nèi)現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備、裝置特點及安全性，采用氮氣作為密閉介質(zhì)是最佳選擇，通過在裝置頂部注入氮氣來防止水與空氣直接接觸[4-5]。

水處理系統(tǒng)氮氣密閉改造完并調(diào)試兩個月后，懸浮物含量逐漸下降至4 mg/L以下且長期穩(wěn)定，懸浮物含量平均為2.6 mg/L，站內(nèi)水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)懸浮物含量、含油量兩項指標的綜合達標率提高至98.4%，效果良好。

3 注水井井口水質(zhì)達標探索實踐

3.1 站外注水系統(tǒng)存在問題及原因分析

站內(nèi)水處理系統(tǒng)改造完成后，出站水質(zhì)能夠長期穩(wěn)定達標，但是在注水井井口取樣水質(zhì)仍然超過Q/SY TZ 0086—2017《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標》要求，主要是懸浮物含量指標嚴重超標。

經(jīng)取樣分析，注入水pH值為6.15，水型為CaCl2型，注入水的離子組分含量如表2所示。鈣、鎂等成垢離子質(zhì)量濃度高，礦化度高，污水易結(jié)垢，垢的主要成分以碳酸鈣為主（76.9%）。出站水經(jīng)過高壓注水泵增壓后，全程密閉輸送至井口，不存在暴氧氧化問題。經(jīng)分析，注水井井口水質(zhì)懸浮物含量超標主要原因是：管道內(nèi)結(jié)垢，導致沿程污染。在注水系統(tǒng)運行過程中，受水流沖刷或異常停注導致管道內(nèi)壓力激烈變化，垢層發(fā)生脫落，污垢懸浮在水中輸送至注水井井口。

表2 注入水離子組分含量 單位：mg/L

3.2 管道沿程污染的治理

通常解決注水管道中結(jié)垢對水質(zhì)的污染問題有兩種方法：一種是防止管道內(nèi)產(chǎn)生垢；另一種是制定合理的周期，定期清理注水管道中已經(jīng)產(chǎn)生的污垢。

阻垢的方法有物理阻垢和化學阻垢[6]，物理阻垢是以消除或降低成垢的物理環(huán)境來防止結(jié)垢的一類方法，化學阻垢則是通過在注入水中加注阻垢劑抑制垢的產(chǎn)生和擴大。根據(jù)ZJF油田的生產(chǎn)實際狀況，結(jié)合污水結(jié)垢趨勢研究，選用加注合適的阻垢劑進行阻垢試驗。結(jié)果表明，篩選的1#阻垢劑在加注量40 mg/L時，阻垢效果較好。然而，注水井井口化驗數(shù)據(jù)顯示，懸浮物含量平均為25.6 mg/L，水質(zhì)并沒有良好的改善。

注水管道除垢也有物理法和化學法，ZJF油田注水管道除垢先后試驗了兩種方法。第一次除垢采用多元復合物理清管技術(shù)[7]，該技術(shù)是在清洗儀器上設(shè)計安裝了內(nèi)振系統(tǒng)和射流噴嘴，將清洗儀器投入管道中，在水力的推動下旋轉(zhuǎn)行進，水流自尾翼壓入內(nèi)振系統(tǒng)，猛烈收縮又急劇膨脹，反復振蕩，生成無數(shù)空泡，匯入噴嘴后，在清洗儀器前方散射出爆破性沖擊射流，強力擊打管垢，清洗下來的垢屑與射流一道匯聚成湍流，向前竄動，直達排污口[8-10]。第二次除垢采用化學法酸洗除垢[11]，選用“10%鹽酸+0.2%緩蝕劑+1%破乳劑”作為清洗藥劑液體，浸泡酸洗和循環(huán)清洗相結(jié)合。兩次除垢均取得良好效果，管道沿程壓力損失下降71%～85%，井口懸浮物含量下降43%～52%，但是懸浮物指標依然超標。另外，由于注水管道結(jié)垢嚴重且有嚴重的垢下腐蝕，兩次除垢后高壓注水管道刺漏穿孔現(xiàn)象頻發(fā)，平均每周穿孔2～3次，給注水系統(tǒng)及站內(nèi)水處理系統(tǒng)的管理增加了極大的難度。

3.3 注水井井口過濾技術(shù)的提出及優(yōu)化

在站內(nèi)出站水質(zhì)達標的情況下，通過注水管道阻垢、除垢的方式均不能滿足井口注水水質(zhì)懸浮物含量≤5.0 mg/L的標準，考慮在注水井井口增加一道過濾裝置將入井前的注入水再次進行過濾，以保障注水水質(zhì)達標。

經(jīng)篩選，選擇了一款體積小、操作簡單方便、可拆卸清洗的過濾裝置，在一定的壓力作用下，注入水流過精細過濾器濾芯，水中的懸浮物被阻擋在濾芯的外部，處理過的水從濾芯內(nèi)部流入井內(nèi)，利用精細過濾器能有效清除粒徑≥1 μm的機械雜質(zhì)，進一步凈化注入水的水質(zhì)，如圖3所示。該裝置設(shè)計工作壓力35MPa，過濾精度1～50μm可調(diào)。

圖3 過濾濾芯管結(jié)構(gòu)及出水方向

在第一階段井口過濾裝置試驗中，選擇過濾精度5 μm濾芯，注水初期進出口壓差達4 MPa，超出了過濾器的設(shè)計壓差（2.5 MPa），僅注水一天壓差達到5 MPa，進行反沖洗后壓差不降。關(guān)閉過濾器更換濾芯時發(fā)現(xiàn)濾芯無法取出，經(jīng)切割過濾筒后發(fā)現(xiàn)濾芯被擠壓變形且濾芯外附著大量黑色沉積物。

注水井只有在一定注水壓力時才能滿足地質(zhì)配注的要求，因此井口過濾裝置壓差不能過大，在滿足注水水質(zhì)要求的同時過濾器濾芯更換或清洗的周期越長越好。在第一階段試驗的基礎(chǔ)上，提出井口由一級過濾增加到兩級過濾和增加支撐骨架來提高濾芯耐壓差能力兩個優(yōu)化措施，并配套4組濾芯組合方案（見表3）進行過濾試驗，試驗注水井的配注水量為50 m3/d（2.08 m3/h），過濾壓差及注水情況如圖4～圖7所示，每種組合方案過濾前后懸浮物含量見表4，方案三和方案四的數(shù)據(jù)取當日3組數(shù)據(jù)的平均值。

表3 不同過濾精度等級濾芯組合方案

圖4 方案一過濾壓差及注水量

圖5 方案二過濾壓差及注水量

圖6 方案三過濾壓差及注水量

圖7 方案四過濾壓差及注水量

表4 不同濾芯精度組合過濾前后懸浮物含量變化

方案一和方案二試驗時間均不到2 d注水井即注不進水，方案三能連續(xù)滿足注水井日注水量要求的時間約15 d，方案四能連續(xù)滿足注水井日注水量要求的時間約7 d。因此，確定一級/二級濾芯規(guī)格分別為50 μm/5 μm時為最佳組合方案，當來水水質(zhì)比較穩(wěn)定時，清洗更換濾芯的周期可達12～15 d，現(xiàn)場工作量增加相對較少。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，注入水在井口過濾裝置兩級過濾后，水中懸浮物含量指標基本可以降至5 mg/L以下，達到注水水質(zhì)要求，并且濾芯均未發(fā)生變形現(xiàn)象，說明利用井口過濾裝置控制注水井井口水質(zhì)技術(shù)是可行的，井口水質(zhì)達標率達到97.8%。

4 結(jié)束語

ZJF油田采出水處理及回注系統(tǒng)經(jīng)過近7年的探索實踐，先后完成站內(nèi)水處理系統(tǒng)和注水井井口水質(zhì)技術(shù)攻關(guān)，其中采出水處理系統(tǒng)處理水質(zhì)合格率達98.4%，注水井井口水質(zhì)合格率達97.8%，實現(xiàn)了油田采出水長期穩(wěn)定達標處理回注的目標，這不僅有利于油田注水開發(fā)提高產(chǎn)油量，還能保護環(huán)境，避免環(huán)境污染。

今后ZJF油田采出水處理及回注系統(tǒng)的工作重點是解決腐蝕、結(jié)垢問題，下步措施是將高壓注水干線更換為非金屬管道。在管理上建議定期酸洗注水干線，同時應(yīng)多關(guān)注注水井井下注水管柱及套管的腐蝕情況，尤其是侵蝕性二氧化碳帶來的腐蝕。