某油田不同来源采出水回注处理工艺技术研究与优化.pdf

石油石化节能与计量 https:/卢宪辉：某油田不同来源采出水回注处理工艺技术研究与优化 第 13卷第 11期（2023-11）某油田不同来源采出水回注处理工艺技术研究与优化卢宪辉（中海油石化工程有限公司）摘要：针对某油田采出水处理设备和注水管道中存在的结垢严重问题，为提高回注水质达标率，满足国家安全环保的相关要求。利用 Scale Chem结垢预测软件对不同来源采出水中的成垢离子进行调和，定量测算结垢类型和结垢量，结合室内实验和现场验证对阻垢剂、絮凝剂进行工艺优化，最后进行水质评价。结果表明，混合水样结垢量随注水井筒深度的增加而减少，在近井口地带的结垢量最大；混合水样在水处理设备中的结垢类型为 CaCO3、BaSO4、SrCO3，温度超过 40 时，CaCO3的结垢量快速上升至 672 mg/L；复配阻垢剂（ATMPTPA=21）总浓度为40 mg/L 时，阻垢效果最好；PAC 为 90 mg/L、PAM 为 1 mg/L，搅拌时间 6 min、加药间隔 30 s 时，絮凝效果最好；处理工艺优化后水质得到较大改善，满足 SY/T 53292016中关于二级回注水质指标的要求。研究结果可为同类水处理工艺的优化提供实际参考。关键词：采出水；处理工艺；结垢量；结垢类型；阻垢剂；絮凝剂DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.11.004Research and optimization of re-injection treatment technology of produced waterfrom different sources in an oilfieldLU XianhuiPetrochemical Engineering Co，Ltd，CNOOCAbstract：In view of the serious scaling problems existing in the produced water treatment equipmentand injection pipeline of an oilfield，in order to improve the water quality standard rate and to meet therelevant requirements of national safety and environmental protection，the Scale Chem scaling predic-tion software is used to reconcile the scale ions in the produced water from different sources，and thescaling types and amounts are quantitatively measuredWhats more，the scale inhibitors and flocculat-ing agent are optimized by combining laboratory experiments and field verification，and the water qual-ity is evaluated at last The results show that the scaling amount of mixed water samples is decreasedwith the increasing depth of injection wellboreIn particularly，the scaling amount is the largest nearthe wellhead The scaling types of mixed water samples in water treatment equipment are CaCO3，BaSO4and SrCO3When the temperature exceeds 40，the scaling amount of CaCO3will be rapid-ly increased to 672 mg/L When ATMP TPA=2 1 and the total concentration is 40 mg/L，thescale inhibition effect is the bestWhen PAC is 90 mg/L，PAM is 1 mg/L，stirring time is 6 min anddosing interval is 30 seconds，the flocculation effect is the bestAfter the optimization of the treatmentprocess，the water quality has been greatly improved and met the requirements of SY/T 53292016on the water quality index of secondary re-injection Most importantly，the research results can beprovided practical reference for the optimization of similar water treatment processKeywords：produced water；treatment technology；scaling amount；scaling type；scale inhibitor；flocculating agent作者简介：卢宪辉，工程师，2014 年毕业于中国石油大学（华东）（环境科学与工程专业），从事石化行业给排水、消防设计工作，18562615086，山东省青岛市崂山区松龄 197号中海油石化工程有限公司，266101。引文：卢宪辉某油田不同来源采出水回注处理工艺技术研究与优化J石油石化节能与计量，2023，13（11）：14-18.LU XianhuiResearch and optimization of re-injection treatment technology of produced water from different sources in an oil-fieldJEnergy Conservation and Measurement in Petroleum&Petrochemical Industry，2023，13（11）：14-18.14技术应用/Technology Application石油石化节能与计量 https:/随着国内陆上油田开发的不断深入，注水已成为补充地层能量、维持油田采收率的重要途径。为满足国家和地方安全环保的相关要求，采出水需经中央处理厂或联合站的水区处理后，由柱塞泵直接回注至地层1-3。在处理和回注的过程中，不同层位、不同来源的采出水混合后，在外界环境的影响下，成垢离子会超过其在水中的溶度积，从而引发腐蚀结垢。酒东油田、南堡油田、镇原油田、渤海油田等地均发生过因结垢引起的管道泄露、水处理设备堵塞及地层伤害问题，因此对油田采出水的配伍性及结垢趋势进行预测，进而对处理工艺实施优化显得尤为重要4-7。关于结垢趋势预测，目前主流的方法有指数模型、数值预测模型和软件模型三种8-9，其中不同指数模型有一定的适用范围，在计算结果上存在较大差异；数值预测模型需要在测试大量样本的基础上，考虑热力学、结晶动力学和流体力学对结垢的影响，属于黑箱模型，难以探究其结垢机理；软件模型综合了前两种模型的优点，以美国 OLI 公司Scale Chem 结垢预测软件为代表10，在油田现场得到广泛应用。基于此，利用 Scale Chem 结垢预测软件对不同来源采出水中的成垢离子进行调和，定量测算水处理设备及注水井筒中的结垢类型和结垢量，通过室内实验对阻垢剂、絮凝剂进行药剂筛选，最后对现场处理工艺和加药流程进行优化，以满足回注水质要求。研究结果可为老油田改善注水工艺、提高水质达标率提供实际参考。1实验部分1.1实验材料和仪器UV-3000 型紫外-可见分光光度计；ZR-45 型搅拌器；有机膦酸盐类阻垢剂：氨基三亚甲基膦酸（ATMP）、乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、乙二胺四甲叉磷酸钠（EDTMPS），均为分析纯；聚合物类阻垢剂：聚天冬氨酸(PASP)、聚环氧琥珀酸(PESA)、低分子量聚丙烯酸均聚物(TPA)，均为分析纯；聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM），均为分析纯。实验水样来自某油田不同来源的油井采出水和浅层地下水。1.2实验方法1）水样分析。参照 SY/T 55232016 油田水分析方法 对水样中的离子浓度进行测定；参照SY/T 53292012 碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法 对水样中的油、悬浮物等参数进行测定。2）结垢分析。根据水样分析结果，利用 ScaleChem 结垢预测软件对不同来源采出水中的成垢离子进行调和，对结垢趋势、结垢产物和结垢量进行预测。3）阻 垢 剂 性 能 评 价。参 照 SY/T 56732020油田用防垢剂通用技术条件 中的要求，采用EDTA络合滴定法确定水样中成垢离子浓度：E=1-m1m0 100%式中：E为阻垢率，%；m1、m0分别为水样加入阻垢剂、未加入阻垢剂时的结垢量，mg/L。4）絮凝工艺评价。取 50 mL采出水置于 100 mL烧杯中，加入适量 NaOH 调节 pH 值至 7左右，先后加入 PAC、PAM，考察不同药剂添加量、搅拌时间和加药间隔对絮凝效果的影响。沉淀 30 min后，取上清液，以纯水作为参比，通过紫外-可见分光光度计测定透光率。2结果与讨论2.1水样特性及结垢趋势分析选择某油田 X1 区块、X2 区块的油井采出水及浅层地下水，水质分析结果见表 1。不同区块采出水的悬浮物及矿化度含量均较高，呈弱碱性，水型为 CaCl2型，水中含有较多的成垢阳离子和阴离子，自身具有较大的结垢趋势；浅层地下水中的各项离子含量相对较低，水型为 NaHCO3型。如采出水不经处理直接回注，将在沿程水处理设备及管道中形成垢样，造成注水压力的升高和地层吸水能力的下降。表 1采出水、浅层地下水水质分析结果Tab.1Analysis results of water quality for producedwater and shallow groundwatermg/L指标Ca2+Mg2+Ba2+Sr2+HCO3-CO32-SO42-Cl-矿化度悬浮物X1区块采出水1 756.1462.4314.615.912.4120.575.215 642.525 163.2367.5X2区块采出水425.5159.4973.45.6258.11 055.28.57 655.215 453.2122.1浅层地下水34.524.50.30.55.510.18.5115.2782.515.1利用 Scale Chem 软件中的“Brine”功能构建水15石油石化节能与计量 https:/卢宪辉：某油田不同来源采出水回注处理工艺技术研究与优化 第 13卷第 11期（2023-11）样信息，通过“Scaling”功能计算不同混合配比水样的结垢量见图1。在常温常压（20，101.325 kPa）下，采出水自身的结垢趋势较强，X1区块以 CaCO3垢为主，X2区块以 BaSO4垢为主，随着两者混合比例的变化，结垢趋势呈线性变化，这与表 1的水质分析结果相符。图 1不同混合配比水样的结垢量Fig.1 Scaling amount of water samples with different mixingratios以 X1区块和 X2区块混合比例 11为例，考察不同工况下注水井筒的结垢趋势，从井口至井筒深处，地层温度从25 升至100，地层压力从0.1 MPa升至 18 MPa，注水井筒的结垢趋势见图 2。随着温度增加，CaCO3和 BaSO4的结垢量逐渐减小，一方面温度升高会降低垢样溶解度，促使更多的结晶析出；另一方面压力升高会促使 CO2溶解，使成垢反应向着反方向进行，抑制结晶析出。考虑到压力在井筒垂直方向上的变化梯度更大，故压力对结垢趋势的影响更大。图 2注水井筒的结垢趋势Fig.2 Scaling trend of water injection shaft采出液在油区需通过三相分离器、电脱水器等设备，进行油、气、水三相分离，这些设备为保证原油外输质量，采取加热脱水，故采出水进入水处理区时的温度为 3545。不同温度下水处理设备的 结 垢 趋 势 见 图 3。结 垢 类 型 为 CaCO3、BaSO4、SrCO3，其中温度对 BaSO4结垢量的影响最小，低温时 BaSO4和 SrCO3的结垢量较大；随着温度升高，CaCO3的结垢量快速上升至 672 mg/L，说明了一旦满足结垢所需的温压条件，结垢量会大幅上升，SrCO3在超过 40 时几乎无沉淀产生。综上，采出水的结垢趋势除与水质本身有关，还与温度、压力等因素相关，降低结垢量应综合考虑现场工况的实际条件进行调整。图 3不同温度下水处理设备的结垢趋势Fig.3 Scaling trends of water treatment equipment atdifferent temperatures2.2阻垢剂筛选以 X1 区块水样为例，在 70 下考察有机膦酸盐类阻垢剂和聚合物类阻垢剂的单剂阻垢效果，不同阻垢剂的阻垢效果见图 4。阻垢率随阻垢剂浓度的增加而增加，ATMP、PASP和 TPA 的阻垢效果较好，在质量浓度为 40 mg/L 时，阻垢率均超过了60%；EDTA、EDTMPS、PESA 的阻垢效果较差，阻垢率始终未超过 40%。图 4不同阻垢剂的阻垢效果Fig.4 Scale inhibition effect of different inhibitors为充分发挥单剂之间的耦合协同作用，在总质量浓度 40 mg/L 的条件下，考察单剂效果较好的ATMP、PASP和 TPA 两两复配后的阻垢效果，见图5。其中，PASP与 TPA 复配的阻垢效果较差，与单16技术应用/Technology Application石油石化节能与计量 https:/剂的效果基本相同，烧杯中肉眼可见大颗粒的沉淀物质，说明复配效果不好。ATMP与 TPA 在 21时的复配效果最佳，阻垢率达到 95.4%，烧杯中只有少量的白色絮状物漂浮在水样上，杯底无沉淀，说明复配效果较好，两种阻垢剂的阻垢机理有所差别，阻垢机理以晶体变形和分散作用为主11。图 5不同复配阻垢剂的阻垢效果Fig.5 Scale inhibition effect of different compoundscale inhibitors2.3絮凝工艺评价由表 1 可知，除成垢离子外，水样中悬浮物含量也较大，如不进行絮凝处理，会造成后续过滤器堵塞，降低反冲洗周期。利用响应曲面实验方法中的 Box-Behnken模型考察 PAC 浓度、PAM 浓度、搅拌时间和加药间隔对絮凝效果的影响，不同絮凝条件对上清液透光率的影响见图 6。在搅拌时间和加药间隔固定的条件下，PAC和 PAM浓度较小时，水样的透光率较低；在 PAC为 90 mg/L、PAM为 1 mg/L时，絮凝剂与采出水充分接触，最大限度的发挥了吸附桥架作用，此时的透光率最高为 92.5%。在以上条件下，当搅拌时间为 6 min、加药间隔为 30 s时，采出水中的悬浮物分散成细小絮体，胶体稳定性增强，上清液逐渐透亮；其余工况受流体和药剂湍流扩散、沉降波动的影响，透光率均较差。3现场工艺优化与调整目前，该区块联合站采用沉降、过滤、回注的三 段 式 水 处 理 工 艺，但 回 注 水 质 目 前 只 能 满 足SY/T 53292016 中第五级的要求，与地层吸水指数不符，梳理其工艺流程存在如下问题：在絮凝过程中只加入单一的无机絮凝剂，存在吸附能力有限、投药量较大的问题；絮凝罐前后未设置缓冲调节罐，采出水在加入絮凝剂后未进行充分搅拌和沉降，导致进入过滤器的悬浮物含量较大；过滤器之前的储罐未设置污泥处理工艺，当采出水流速较快时，罐底污泥会随流体进入其余设备和管线，污染滤料；阻垢剂在注水罐之后、注水泵之前添加，对于前端水处理设备的防垢效果较差；除氧剂在过滤器之前添加，处理后的采出水在注水罐中沉降，仍然存在曝氧的可能性。针对上述问题，在阻垢剂筛选和絮凝工艺评价的基础上，对原工艺进行优化，优化后的采出水处理工艺流程见图 7。X1 区块和 X2 区块的采出水混合，经水源热泵换热降温至 2025 后，进入除油罐去除含水油，同时加入缓蚀剂和阻垢剂；随后采出水进入缓冲调节罐，如遇水量不足时，补充少量的浅层地下水，待调节罐水位达到预先设定时向缓冲罐排水，利用排水的湍流作用加入絮凝剂，加药方式根据之前的实验结果设置；待絮凝罐水位达到预先设定值，静置 30 min；随后排水至缓冲调节罐再二次静置 30 min，此时大部分悬浮物已聚并沉降至罐底；最后，通过低压泵将采出水送至二级过滤器完成精细过滤，处理后的水样储存在注水罐中，图 6不同絮凝条件对上清液透光率的影响Fig.6 Influence of different flocculation conditions on light transmittance of supernatant17石油石化节能与计量 https:/卢宪辉：某油田不同来源采出水回注处理工艺技术研究与优化 第 13卷第 11期（2023-11）根据地质要求分层、分压注水。此外，除油罐、缓冲调节罐和絮凝罐底部均设有排泥管，污泥被排放至污泥反应池，静置后上清液返回至除油罐前端继续处理。对比优化前后的水质处理效果见表 2。优化前，只有油含量和细菌含量满足标准要求，悬浮物的含量较大，同时 Ca2+、Mg2+、Ba2+等成垢离子的浓度较大，存在较大的结垢趋势；优化后，各项指标均满足 SY/T 53292016 中关于二级水质指标的要求，成垢离子含量大幅降低，净化后的采出水水质与 浅 层 地 下 水 的 水 质 相 似，结 垢 的 可 能 性 有 所降低。4结论1）不同区块采出水的结垢趋势有所不同，其中 X1 区块以 CaCO3垢为主，X2 区块以 BaSO4垢为主；混合水样结垢量随注水井筒深度的增加而减少，在近井口地带的结垢量最大；混合水样在水处理设备中的结垢类型为 CaCO3、BaSO4、SrCO3，在温 度 超 过 40 时，CaCO3的 结 垢 量 快 速 上 升 至672 mg/L。2）通过室内实验对阻垢剂配方及絮凝工艺进行了优化，在复配阻垢剂 ATMPTPA=21，总浓度 40 mg/L，阻 垢 效 果 最 好；在 PAC 为 90 mg/L、PAM 为 1 mg/L、搅 拌 时 间 6 min、加 药 间 隔 30 s时，絮凝效果最好。3）依据室内实验对现场的采出水处理工艺进行 调 整，优 化 后 水 质 得 到 较 大 改 善，满 足SY/T 53292016中关于二级回注水质指标的要求。参考文献：1 刘志，杜锴，陈军，等某油田采出水回注处理系统腐蚀影响因素分析与研究J油气田地面工程，2023，42（4）：26-31LIU Zhi，DU Kai，CHEN Jun，et al Analysis and re-search on corrosion influencing factors of produced water re-injection treatment system in an oilfieldJ Oil-Gas FieldSurface Engineering，2023，42（4）：26-312 徐东，马连伟，李楠，等气田采出水处理工艺优化及装置改进J石油化工应用，2022，41（12）：66-69，77XU Dong，MA Lianwei，LI Nan，et al Optimization andequipment improvement of produced water treatment processfor gas fieldJ Petrochemical Industry Application，2022，41（12）：66-69，773 徐春亮油田采出水处理环保达标排放管理的实践与认识J石油石化节能，2022，12（3）：32-34XU ChunliangPractice and understanding of environmentalprotection standard and discharge management of producedwater treatment in oilfieldJEnergy Conservation in Petro-leum&Petrochemical Industry，2022，12（3）：32-34图 7优化后的采出水处理工艺流程Fig.7 Process of produced water treatment after optimization表 2优化前后的水质处理效果Tab.2 Water quality treatment effects before and after optimization对比优化前优化后标准油/(mgL-1)5.52.76悬浮物/(mgL-1)25.61.12粒径中值/m5.51.01.5SRB/(个mL-1)8510IB/(个mL-1)270265n102TGB/(个mL-1)120110n102Ca2+/(mgL-1)653.425.4Mg2+/(mgL-1)545.237.5Ba2+/(mgL-1)276.510.1Sr2+/(mgL-1)10.10.4(下转第 23页)18技术应用/Technology Application石油石化节能与计量 https:/Engineering，2023，42（4）：32-389 肖娟，李军，杨港，等考虑多种约束类型的放射状集输 管 网 布 局 优 化 研 究 J 石 油 工 程 建 设，2022，48（6）：44-50XIAO Juan，LI Jun，YANG Gang，et alResearch on thelayout optimization of radial gathering and transportation pipenetwork considering various constraint typesJ PetroleumEngineering Construction，2022，48（6）：44-5010 熊友强，曹俊秀，舒惠军基于改进粒子群算法的油气集输管网拓扑结构优化方法J自动化技术与应用，2022，41（4）：8-11XIONG Youqiang，CAO Junxiu，SHU HuijunOptimiza-tion method of topology structure for oil and gas gatheringnetwork based on improved particle swarm optimization algo-rithmJ TechniquesofAutomationandApplications，2022，41（4）：8-1111 王萍考虑多环芳烃污染特征的油田地面集输管网优化设计J粘接，2020，44（11）：16-20WANG Ping Optimization and design of surface gatheringnetwork considering the pollution characteristics of polycy-clicaromatichydrocarbonsJ Adhesion，2020，44（11）：16-2012 任魁杰，孙笼笼，万涛，等基于三维地形的气田星枝状管网路径优化研究J油气田地面工程，2020，39（7）：21-25，56REN Kuijie，SUN Longlong，WAN Tao，et alResearchon the path optimization of gas field star-branch pipe net-work based on three-dimensional topographyJ Oil-GasField Surface Engineering，2020，39（7）：21-25，5613 易冬蕊，梁裕如，张成斌，等延安气田低产井区地面集输节能降耗技术研究J石油工程建设，2020，46（3）：46-49YI Dongrui，LIANG Yuru，ZHANG Chengbin，et alRe-search on energy conservation and consumption reductiontechnology of surface gathering and transportation in the lowproduction well area of Yanan gas fieldJPetroleum Engi-neering Construction，2020，46（3）：46-49收稿日期2023-07-12（编辑杜丽华）（上接第 18页）4 常菁铉，张旭，张作鹏，等酒东油田注水结垢预测及阻垢剂优选J石油化工应用，2017，36（2）：143-148CHANG Jingxuan，ZHANG Xu，ZHANG Zuopeng，et alPrediction of water injection scale and optimization of scaleinhibitor in Jiudong oilfieldJ Petrochemical Industry Ap-plication，2017，36（2）：143-1485 吴鹏，李泽，叶鹏，等南堡油田注水系统阻垢技术研究与应用J石油工程建设，2019，45（3）：77-81WU Peng，LI Ze，YE Peng，et alResearch and applica-tion on scale inhibition technology of water injection system inNanpuoilfieldJ PetroleumEngineeringConstruction，2019，45（3）：77-816 赵海勇，刘曼，李诚，等镇原油田结垢趋势预测及防垢技术J油田化学，2022，39（1）：140-144ZHAO Haiyong，LIU Man，LI Cheng，et alScaling trendprediction and scaling control technology of Zhenyuan OilfieldJOilfield Chemistry，2022，39（1）：140-1447 张启龙，许杰，高斌，等以抑制管柱结垢腐蚀为目标的 注 水 井 水 源 选 择 方 法 研 究 及 应 用 J 表 面 技 术，2019，48（11）：290-296，311ZAHNG Qilong，XU Jie，GAO Bin，et al Research andapplication of water source selection method for water injec-tion well aiming at inhibiting scaling and corrosion of pipestringJSurface Technology，2019，48（11）：290-296，3118 刘倩，彭素芹，高建瑞，等油田水结垢预测技术研究进展J石油管材与仪器，2020，6（3）：1-5LIU Qian，PENG Suqin，GAO Jianrui，et al Researchprogress of water scaling prediction technology in oilfieldJPetroleum TubularGoods&Instruments，2020，6（3）：1-59 高家朋，鱼涛，屈撑囤，等油气田采出水结垢趋势评价方法与展望J石油化工应用，2022，41（11）：14-19GAO Jiapeng，YU Tao，QU Chengtun，et al Evaluationmethod and prospect of scaling trend of produced water in oilandgasfieldsJ PetrochemicalIndustryApplication，2022，41（11）：14-1910 严忠，刘娜，周新艳，等Scale Chem 结垢预测软件在油 田 水 配 伍 性 研 究 中 的 应 用 J 油 气 田 地 面 工 程，2016，35（3）：34-37YAN Zhong，LIU Na，ZHOU Xinyan，et alApplicationof scaling prediction software with Scale Chem in the watercompatibility research of oilfieldJ Oil-Gas Field SurfaceEngineering，2016，35（3）：34-3711 柳鑫华，张怀芳，刘越，等阻垢剂阻垢性能及阻垢机理的研究进展J材料保护，2021，54（8）：150-157LIU Xinhua，ZHANG Huaifang，LIU Yue，et al Re-search progress of scale inhibition properties and mechanismof scale inhibitorsJ Materials Protection，2021，54（8）：150-157收稿日期2023-07-01（编辑马英萍）23