金秋区块气田水回注增注措施

金秋区块气田水回注增注措施
林怡;唐洪明;欧家强;陈聪;王艳玲
【摘要】川中油气矿金秋区块气田水在回注过程中出现注水困难的现象,现阶段的回注污水仅经过自然沉降和普通过滤,需要对水质特征进行分析,针对性地提出增注措施.借助X射线荧光(XRF)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜等手段对回注污水进行分析,发现金秋区块回注污水铁含量高,仅普通过滤不能除去污水中的Fe2+,Fe2+与氧接触后还会产生Fe3+沉淀.另外,该区块污水矿化度高、易结垢、腐蚀性强.建议金秋区块的气田水处理流程加设锰砂除铁装置,同时加入适量阻垢剂和缓蚀剂.岩心动态实验表明,锰砂除铁后污水的回注能力大幅提高.
【期刊名称】《石油与天然气化工》
【年(卷),期】2013(042)004
【总页数】5页(P404-408)
【关键词】川中油气矿;金秋区块;气田水;回注;除铁
【作者】林怡;唐洪明;欧家强;陈聪;王艳玲
【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室;中国石油西南油气田公司川中油气矿勘探开发研究所;中海石油(中国)有限公司天津分公司勘探开发研究院;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TE357.6+2
目前，国内外对于气田水最好的处理方法就是异层回注。

为减少气田水对环境的影响，确保油气田合理开发，所以在回注前必须进行气田水回注的预处理，即回注水质达标处理［1］。

根据四川气田产出水处理现状［2－4］，气田水处理加重了天然气开采成本。

为了降低气田水处理成本，应从产出污水特征出发，有针对性地提出增注措施。

四川气田金秋区块气田水在回注过程中注水压力上升，出现注不进的现象，本实验通过对金秋地区须家河组气田水的水质特征分析，针对其铁含量高、易结垢的特点，提出相应的增注措施。

1 回注污水主要特征
1.1 铁含量高
四川气田金秋区块回注污水为须家河组产出水，选金2井和金17井产出水为分析样品，肉眼观察，污水呈黄色且浑浊，悬浮物含量较高（图1（a））。

将污水经
＜0.45μm孔径的滤膜抽提，图1（b）为过滤后的滤膜照片，滤膜呈黄褐色，含
有一定量的细小颗粒，为水中悬浮物颗粒。

将滤膜烘干后利用X射线荧光光谱仪（XRF）进行元素测试分析（图2）：悬浮物由Fe、Cl、Na、O、Ca、Ba、Si等元素组成，各元素平均质量分数分别为Fe：32.15%，Cl：31.9%，Na：11.9%；O ：26.45%，Ca：5.43%，Ba：5.81%，Si：6.15%，还有微量的Mg：0.27%，可见铁元素平均含量高。

注入水中铁含
量较高，有可能同水中的O2－、C、OH－、S2－离子形成沉淀物 Fe2O3、FeCO3、Fe（OH）2、Fe（OH）3、FeS等［5］。

1.2 易结垢
表1为金秋气田金2井和金17井须家河组（T3x）产出水以及回注目的层大安寨
段（J1d）地层水化学成分，其中回注水平均矿化度为100 258.5 mg／L，地层水的平均矿化度为89 707.4mg／L。

利用Davis－Stiff饱和指数（SI）法和Ryznar稳定指数（SAI）法［6］，结合须家河组和大安寨段水质的离子浓度（表1）对两者的混合水做了CaCO3的结垢趋势预测［7］，由预测结果（表2）可知，在大安寨段地层温度条件下，须家河组
产出水和大安寨段地层水不论以何种比例混合均会严重结垢，且随着须家河组产出水比例增大，结垢指数SI增大，稳定指数SAI减小，结垢趋势增强，即随着注水
年限的增加结垢量增大。

对金2井和金17井产出水在大安寨段回注层温度（75.4℃）下加温，再经＜
0.45μm孔径的滤膜抽提，对滤膜进行X射线衍射分析（图3）。

结果表明，须家河组产出污水滤膜上悬浮物组分有明显的CaCO3衍射峰，尤其是金17井，说明
须家河组产出污水在地面条件下要结钙质垢。

图4为须家河组产出污水加温（回注层温度）反应前后的沉降垢在偏光显微镜下
的成像。

观察分析：沉降垢类型主要是CaCO3，回注污水结垢量大，且很密集，有呈孤立的、窜状的，有连在一起呈结核状的。

沉淀粒径约5～20μm。

大安寨段介屑灰岩储集空间可分为裂缝、次生孔隙和原生孔隙3大类。

裂缝以构
造成因的微裂缝（图5（a））为主，孔隙以基质中的晶间孔（图5（b））为主。

孔隙度分布在0.9%～1.69%之间，平均为1.28%；渗透率主要分布在0.055×10
－3～0.144×10－3μm2之间，平均值为0.090×10－3μm2，且孔、渗相关性差，为典型的低孔渗致密性复杂油层。

注入水结垢产生的沉淀将会堵塞回注层，降低注水能力［8］。

表1 须家河组产出污水与大安寨段地层水成分分析表Table 1 Component analysis of output sewage of Da＇an formation water in Xujia river group
层位取样点离子质量浓度／（mg·L－1）K＋＋Na＋Ca2＋Mg2＋Ba2＋Cl－SO2－4HCO－3F－Sr2＋总矿化度／（mg·L－1）水型须家河大安寨金2井 29 716 4 523 754 1 801 59 414 29 354 39 1 078 97 751金17井 31 828 5 073 851 1 678 61 852 14 326 33 1 089 102 766.0金10井 26 061 7 685 1 981 975 59 900 26 126 41 1 041 97 846.00秋16井 16 695 24 014 2 696 1 061 74 716 8 126 32 1 528 121 104.0金28井 22 581 4 077 845 651 45 852 38 175 47 559 74 833.00金74井 20 906 7 041 1 521 646 49 500 79 186 55 973 80 932.00金103井 19 724 7 474 2 472 631 41 590 134 245 43 1 487 73 822.00氯化钙
表2 饱和指数法和稳定指数法预测混合水结CaCO3垢情况Table 2 Prediction of CaCO3scale conditions in mixed water by saturation index and stability index methods注：在回注层温度下进行，温度75.4℃。

T3x∶J1d Ca2＋／（mol·L－1）HCO－3／（mol·L－1）pCa／（mol·L－1）pAlk／（mol·L－1）pH值k SI SAI结论1∶0 0.127 0.005 0.897 2.272 6.461 2.000 1.292 3.877 结垢严重5∶1 0.135 0.005 0.870 2.304 6.409 2.020 1.215 3.979 结垢严重3∶1 0.139 0.005 0.857 2.321 6.391 2.020 1.193 4.005 结垢严重1∶1 0.151 0.004 0.820 2.377 6.357 2.010 1.150 4.057 结垢严重1∶3 0.164 0.004 0.786 2.441 6.304 2.010 1.067 4.169 结垢严重0∶1 0.176 0.003 0.754 2.516 6.252 1.950 1.032 4.188 结垢严重
1.3 腐蚀性强
从表1可以看出，金秋区块须家河组地层水几乎不含铁，但产出到地面后铁含量
高（图2），可能是须家河组地层水在产出过程中腐蚀管线造成。

矿化度高是造成其腐蚀性强的主要原因（表1）。

2 回注污水处理措施
2.1 污水除铁
对须家河组气层产出水中悬浮物的元素分析表明，污水中铁含量高。

铁含量严重影响污水的回注能力，因此有必要对气田产出水开展除铁处理，这样才能达到高效回注的目的。

污水中的铁一般以Fe2＋盐（重碳酸亚铁Fe（HCO3）2）的形式存在，当与空气接触时，水中的Fe2＋遇空气中的氧（O2）被氧化为Fe3＋［9］：
氧化生成的Fe3＋因在水中的溶解度极小，故以Fe（OH）3形式由水中析出，呈胶体凝聚沉淀（棕黄色沉淀物，见图1）。

普通过滤只能滤除Fe3＋沉淀，而溶于水中的Fe2＋无法除去，在Fe2＋与空气中O2接触后将会再次产生Fe3＋沉淀，这种情况下使用天然锰砂过滤效果比较好，能除去水中的Fe2＋。

锰砂滤料去除Fe2＋的作用机理。

锰砂滤料是由天然锰矿开采并经破碎、筛分而成，其主要成分为二氧化锰。

含Fe2＋、Mn2＋的地下水流经锰砂滤料层时，锰砂去
除Fe2＋的作用机理包括以下两个方面：
（1）催化－氧化作用。

含Fe2＋的地下水的pH值大于6.0时，锰砂中所含的二
氧化锰是良好的催化剂，可发生如下反应：
（2）吸附、分离和过滤作用。

Fe（OH）3是胶体，MnO（OH）是沉淀物质。

当含铁锰离子的地下水流经锰砂滤池时，吸附在锰砂颗粒间隙与滤层中，达到分离
和过滤铁锰不溶物质的目的。

图6（a）为室内简易的除铁设备，即让注入水缓慢通过装有锰砂的试管，气田产
出水在空气中静置一段时间后，水中的Fe2＋氧化成Fe3＋，经过锰砂后就达到除铁的目的。

图6（b）为工业化除铁装置，有多个厂家生产相关的设备。

2.2 阻垢
至今，国外防垢仍以化学法（加防垢剂）为主［10］。

前苏联和美国已成功研究
出用磁化、超声波处理和管壁涂层等物理方法防止气田水结垢，但目前这些方法未能大量推广应用。

回注前，气田水经沉降和过滤，除去悬浮物和泥砂等，接着投加防垢剂（如聚合无机磷酸盐、有机磷酸盐等［11］），其作用是能分散晶体，使
之不能形成大颗粒析出。

上述防垢剂均能有效地防止CaCO3、CaSO4和BaSO4
成垢。

防垢剂一般从采气井井口加入流到井底，或从一次沉降罐出口加入。

2.3 除铁污水回注适应性评价
针对以上分析，用采取相应措施处理后的回注污水与大安寨段岩石进行适应性评价，结果见表3。

（1）除铁后的须家河组产出污水对人造缝的岩心损害程度为3.05%～13.08%，
平均为8.92%，损害程度弱。

与前面未除铁污水回注能力相比，除铁后回注能力
大幅度提高。

（2）除铁后的须家河组污水＋阻垢剂对大安寨段（人造缝）的损害率为0.47%～6.07%，平均为2.80%，低于仅除铁未加阻垢剂的损害率。

2.4 回注技术与工艺研究
通过上述综合研究，推荐须家河组产出污水回注的工艺流程为：
（1）沉降或者过滤除去机械杂质：须家河组产出污水沉降1～2天，将无机杂质
除去，同时将产出水中的Fe2＋氧化成Fe3＋；如果地面注水站不能满足静置时间，
加入絮凝剂加速产出污水中的机械杂质。

采取直接过滤，过滤孔的直径＜2μm。

（2）锰砂除铁：沉降合格的污水泵入锰砂除铁装置过滤，将铁离子除去。

这种除铁技术有成熟的工业设备，根据污水处理量购置相关的设备。

设备要定期反清洗。

表3 须家河组产出水与大安寨段岩石适应性评价Table 3 Adaptablity evaluation of output sewage and Da＇an formation rock in Xujia river group注：Ki：初始渗透率，10－3μm2；Kr：恢复渗透率，10－3μm2，I：渗透率损害率，%井号层位岩心井深／m 孔隙度% 污水 Ki Kr I／% 损害程度金20井金72井金25井金45井大一R21 2 866.2 3.12 R28 2 756.5 2.23 R13 2 853.1 4.71 R45－1 2 627.1 3.96金2井（未除铁）金17井（未除铁）17.38 5.08 70.76 强3.29 0.80 75.67 强83.52 10.80 87.07 强7.09 1.86 73.80 强金20金45大一大三
R18 2 860.1 2.59 R45 2 627.1 2.21 R33 2 677.8 2.87金17井（除铁）1.80 1.56 13.08 弱1.70 1.65 3.05 无2.29 2.04 10.65 弱金20金45大一R25－1 2 873.9 2.56 R40－1 2 617.1 2.93 R43－2 2 619.1 2.64金17井（除铁）（ρ（阻垢剂）：40mg·L－1）1.802 1.692 6.07 弱1.552 1.545 0.47 无1.783 1.750 1.85 无
（3）加阻垢剂：将须家河组除铁污水中加入适量的阻垢剂，即可回注。

（4）加缓蚀剂：建议加入适量缓蚀剂，防止回注污水对水处理系统的腐蚀。

（5）增注措施：大安寨段作为回注层，由于基块致密，渗流能力差和容积空间有限，必将采取高压回注。

须家河组除铁污水回注如果有堵塞，重点在解除钙质垢堵塞；如果回注污水未进行除铁处理，堵塞物主要是难以溶解的铁质组分堵塞，小型压裂将是增注的主要措施。

3 结论
（1）金秋区块气田回注污水中铁含量高，污水过滤出悬浮物中铁的质量分数为32.15%，普通过滤不能除去污水中的Fe2＋，与氧接触后将又会产生黄褐色Fe
（OH）3沉淀，锰砂能吸附污水中的Fe2＋，达到净化水质的目的。

（2）须家河组产出污水悬浮物富含钙元素且矿化度高，受回注层温度、压力变化的影响产生CaCO3沉淀，颗粒粒径中值平均为2～50μm，粒径平均值9.3μm，沉淀产生后易堵塞回注层，造成回注层渗透率下降。

（3）未除铁的回注污水对岩心渗透率损害率在70%～87%之间，除铁后的污水对岩心渗透率损害降低至8%，除铁污水投放阻垢剂后对岩心渗透率损害平均为
2.80%。

（4）优化后金秋区块气田水处理措施：增加工业化锰砂过滤装置，水处理流程中加设合理的阻垢剂和缓蚀剂加药点，防止加药点过密影响药剂性能。

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