塔里木某油田典型注水水质分析及工艺措施研究

陈国泉

中国石油辽河油田分公司

塔里木某油田注水有三个特点：第一个特点是“三多一高”，即停注井多、注不进井多、管线刺漏多、注水压力高，造成这种现象的原因是注水质量不合格，导致处理设备、注水管线腐蚀结垢甚至地层堵塞，注水质量不达标、注不进水影响地层能量的补充和油田开发效果；第二个特点是塔中水质不稳定，注水中铁离子含量高；第三个特点是注水管线易结垢，附着在管壁上的沉淀物造成沿线水质二次污染，导致联合站出来的合格水经过管线到达井口时悬浮物含量及粒径中值等参数严重超标从而影响注水效果[1-4]。

1 注水水质跟踪监测及测试

从统计的大量数据来看，沿线水质悬浮物含量及粒径中值呈现逐级变差的现象（图1），合格的联合站外输水到达注水井口时悬浮物超标严重[5]，悬浮物的粒径中值变化趋势与悬浮物含量的变化趋势一致（图2）。

图1 塔里木某油田注水沿线水质悬浮物浓度波动情况Fig.1 Concentration fluctuation of suspended matter along water injection in an oilfield of Tarim

图2 塔里木某油田悬浮物粒径中值分布Fig.2 Distribution of the mean particle size of the suspended matter in an oilfield of Tarim

为了进一步弄清悬浮物的成分，从现场收集了管线及注水中的悬浮沉淀物，采用红外测试法及X衍射分析法对沉淀物进行成分及形态分析。通过红外测试法分析得出，红外谱图在波长1 000 cm-1和700 cm-1处Fe-O结构显示明显；在3 406 cm-1处–OH结构显示明显；在1 375 cm-1、2 914 cm-1、2 853 cm-1处–CH2-CH3结构显示明显；在1 421 cm-1、1 550 cm-1、1 641 cm-1处-COOH结构显示明显。通过X衍射分析发现，沉淀物中含有Fe3O4和Fe2O3的成分。

在两种方法的互相印证之下，进一步对注水沿线的水质进行总铁和溶解氧的测试，从测试的结果（图3）可以看出，沿线的总铁质量浓度均超过了9 mg/L，而溶解氧的质量浓度平均为0.8 mg/L，远远超过了该油田注水标准要求的小于0.04 mg/L。铁离子遇溶解氧易生成铁氧化合物发生沉淀现象，造成水质不稳定，导致悬浮物含量和粒径中值超标，许多井组已经出现了地层污染和堵塞，造成注水压力增高甚至注不进水的现象，严重影响注水开发效果。

图3 注水沿线总铁及溶解氧浓度波动情况Fig.3 Concentration fluctuation of total iron and dissolved oxygen along water injection

2 基础研究阶段优化

针对注水开发中突显出来的问题，对污水处理工艺及注水井管理进行了阶段性优化。

第一阶段：2016年5月至2017年1月，开展隔氧除铁技术改进。

第二阶段：2017年2月至2017年5月，优化污水处理工艺，调整加药位置。

第三阶段：2017年6月至2018年7月，提高注水管线质量，开发配套措施。

2.1 第一阶段优化

查找溶解氧超标原因，利用化学方法降低污水中铁含量。通过对污水处理工艺（图4）的各个环节进行一一排查，最终确定两个节点会造成污水中氧含量超标：①晒水池长期暴露在空气中，其污水直接进入事故罐导致氧含量增加；②悬浮污泥处理净化器（SSF）顶端不密闭，污水直接和空气接触，导致氧气溶入水中造成溶解氧超标。

图4 污水处理工艺Fig.4 Sewage treatment process

优化措施包括将晒水池来水不接入系统，并对SSF净化器顶端进行密闭处理。密闭隔氧工艺主要有氮气密闭、浮床式密闭、天然气调压密闭、浮油层密闭、薄膜囊式密闭等几种。通过对密闭隔氧工艺优缺点的比较（表1），最终确定氮气密闭隔氧为最佳方案。通过两个措施的优化，站内污水溶解氧浓度降低到0.1 mg/L以下，平均降低率达到95.52%（表2）。

表1 密闭隔氧工艺优缺点比较Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of closed oxygen insulation process

表2 联合站注水外输优化前后溶解氧浓度Tab.2 Dissolved oxygen concentration before and after the optimization of export with water injection in multi-purpose stations

在系统中加入除铁剂去除高含量的铁离子，但是该油田水质的特殊性导致加入弱酸性的除铁剂后管线和设备腐蚀严重，因此该措施不适合此污水处理系统。

2.2 第二阶段优化

为了最大程度地降低污水中无机物质在设备中沉积结垢，采取增加阻垢剂和缓蚀剂用量等措施降低结垢，但从管线打开处可以明显看出，结垢程度依然严重，说明阻垢剂未起到明显的作用。通过对联合站内污水处理工艺各个环节进行梳理，最终认为问题出在SSF悬浮污泥处理净化器环节。为了解释该现象，对SSF悬浮污泥处理净化器的结构及原理进行分析。该设备是将污水“三级处理”合并在一个净化器罐体里，主要由悬浮污泥过滤层、污泥收集桶、污泥浓缩室、集水槽、进水管、出水管、排泥管等部分组成（图5）。其原理是通过污水自身形成的污泥过滤层进行水质过滤，该过滤层不仅将悬浮物、含油等机械杂质过滤掉，同时将加入的各种化学药剂一并滤掉，导致阻垢剂、缓蚀剂等药剂不能通过而降低了阻垢和缓释的效果。

明确了药剂失效的原因后，将加药位置从净化器前段移至净化器后端，注水水质的稳定性得到了很好的改善。但是当注水到达井口时，水质比加药位置改变前更差（图6），及时停止加药后，水质有所好转，但仍然不稳定。为了进一步弄清楚该现象，开展了室内实验，通过室内实验模拟加药后垢样的状态，实验结果表明，在正常注水温度下，将管线中的垢样放入正常比例的阻垢缓释剂溶液中，2 h后垢样慢慢溶释，24 h后垢样完全溶释并悬浮在溶液中（图7）。这就说明阻垢缓蚀剂对垢样有很强的溶释作用，证明此时阻垢缓蚀剂在保持注水稳定的同时也会溶释管线中长久积累的垢。

图5 SSF净化器结构示意图Fig.5 Structure diagram of SSF purifier

图6 联合站内添加缓释阻垢剂前后水中悬浮物浓度变化Fig.6 Concentration change of suspended matter in water before and after adding slow-release scale blocker in multi-purpose stations

2.3 第三阶段优化

通过室内实验并根据现场情况，对注水主干线采取酸洗措施[6]，同时将单井管线更换成内壁更光滑同时防腐性能更佳的柔性复合管。通过对垢样的分析及试验，结合注水线路的酸洗方案，最终对结垢严重的管线进行针对性清洗，取得了良好效果（图8）。

图7 实验模拟加入缓释阻垢剂前后水中结垢物溶解情况Fig.7 Experimental simulation of the dissolution of scale in water before and after the addition of slow-release scale blocker

图8 管线清洗前后比较Fig.8 Comparison before and after pipeline cleaning

连续跟踪检测水中悬浮物含量及粒径中值等指标，正常注水期间水质波动很小，达标的外输水在井口仍然达标，但是在注水过程中发生注-停-注冲刷管线时，水质波动很大（图9）。主要原因是站内停泵检修时泵压改变、管线刺漏、井下测试停注、改变注水量等因素导致注水管线中的水发生流动-静止-流动的情况，对注水管线和井筒造成冲刷作用，从而将管壁上新生成的结垢物带入水中造成管线二次污染，最终进入井下堵塞注入层。因此设计了一套针对水质二次污染精细化处理[7]、注水井启停时专用的井口过滤器（图10）[8-10]，作为最后一道截留悬浮物的保障措施，有效地解决了污水经长距离管道输送后造成的水质超标问题。

图9 某单井发生注-停-注井口来水比较Fig.9 Comparisonof water flow from injection-stop-injection hole in a well

图10 井口过滤器Fig.10 Wellhead filters

3 现场应用

通过采取多项措施综合优化，对该油田注水井开展为期1年的水质及注水情况跟踪分析，水质站内外输达标率、井口达标率均超过了96%（表3），注水量全年保持配注量达标，注水油压保持稳定，综合效果良好。

表3 措施实施前后外输和井口水质数据变化Tab.3 Change of water quality data for external transport and wellhead before and after implementation of measures

4 结束语

（1）分析了塔里木某油田水质不稳定的根本原因，采取隔氧技术及药剂优化措施可保证入井流体的可靠性，为注好水奠定了坚实的基础。

（2）根据注水现状深入基础研究，选择正确的配套措施，通过控制沿线注水二次污染以及增加过滤装置等实现地面管线中悬浮物的最后一道拦截，提高了油田的注水效果。