SZ36-1油田污水悬浮物无机组分研究

李 旭,唐洪明,2,刘义刚,高建崇,刘 璐

(1.西南石油大学,四川成都 610500;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学,四川成都 610500; 3.中海石油天津分公司,天津塘沽 300452)

SZ36-1油田污水悬浮物无机组分研究

李 旭1,唐洪明1,2,刘义刚3,高建崇3,刘 璐1

(1.西南石油大学,四川成都 610500;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学,四川成都 610500; 3.中海石油天津分公司,天津塘沽 300452)

综合利用扫描电镜能谱分析、X-射线衍射仪等先进仪器对SZ36-1油田滤膜组分燃烧前后进行综合分析研究。通过分析无机组分中Fe、Ca等元素的变化规律,并结合现场水质监测数据,研究发现SZ36-1油田回注污水由CEP向A、J平台输送过程中水质逐级恶化;同时污水由CEP到A平台再到J平台过程中,Fe原子百分比平均值依次为4.45%、13.03%、19.45%,Ca原子百分比平均值依次为4.33%、5.43%、5.66%。腐蚀、结垢现象逐渐加剧,是导致注水水质恶化的主要原因。

无机组分;滤膜灰烬;X-射线衍射;扫描电镜能谱分析;水质指标

SZ36-1油田为渤海地区产量最大的自营油田,原油年产量约300×104t,目前采用清污混注技术,年注水量1 010.08×104m3,清污混合比例50%～70%。目前该油田已全面进入注水开发阶段,设备腐蚀、管线结垢堵塞、地层损害、累计注采比低等问题日益突出,给正常生产带来巨大阻碍。

水中的悬浮物是影响水质的重要因素之一[1]。悬浮物是指不能通过孔径为0.45μm滤膜的固体物质。悬浮物在一定程度上能综合反映水体的水质特征和水体化学元素迁移、转化、来源的特征和规律,因此具有极其重要的研究价值。然而常规水质研究只局限于悬浮物含量的测定,并没有深入研究悬浮物具体的主要成分和变化规律给生产带来的影响。本文以SZ36-1在线水质监测数据为基础,综合利用扫描电镜能谱分析仪、X射线衍射仪等仪器对燃烧后的滤膜截留物灰烬进行深入分析研究,重点跟踪Fe、Ca等腐蚀、结垢元素的分布变化规律,确认水质恶化原因,并为水质深入分析研究提供一个新的思路。

1 实验仪器及方法简介

使用PANatical(原Philips分析仪器部)生产的X’Pert PRO粉末X射线衍射仪分析直接测试滤膜表面晶质成分,主要性能指标:新型超能探测器X’Celerator,Cu靶、陶瓷光管、θ/2θ扫描方式、光学编码定位、X射线发射器最大电压60 kV、最大管流60 mA。本次将滤膜摊平后,直接上机衍射测试其无机组分。

本文使用荷兰Philips公司生产的XL30-DX-4i扫描电镜能谱仪检测滤膜灰烬矿物形态及元素组成。主要技术指标:分辨率3.5 nm;放大倍数为20倍～30万倍,连续可调;加速电压1～30 kV。能谱仪可分析原子序数C～U的元素,对燃烧后滤膜组分进行区域能谱分析。

检测方法:(1)平台水质指标检测:根据平台污水流经和处理流程,对不同结点水质指标进行在线监测,并将烘干后滤膜保存好;(2)室内利用X-射线衍射仪对滤膜测试,分析其无机组分;(3)对同一处理器出口几十张滤膜在500℃电阻箱中烘烤燃烧,对剩余灰烬进行能谱分析测试。

2 在线水质检测

SZ36-1油田包括一期试验区(A平台、B平台、J平台)和二期试验区(E平台、F平台、C平台、D平台、H平台、G平台),本文以CEP、A平台、J平台为主要研究对象。CEP(中心处理平台)将处理好的污水与D平台地下清水混合后经海管输送至A平台统一分配,一部分与A平台清水混合供A平台注水,剩余水分别供B平台及J平台注水。A平台年注水量约201×104m3,J平台81×104m3,清污比例20%～80%。清水和污水离子成分见表1。

表1 SZ36-1污水与清水离子成分Tab.1 Ionic constituent of recirculated and fresh water

CEP污水处理流程:生产污水→斜板除油器→气浮选器→核桃壳过滤器→污水缓冲罐→增压泵→海管。

现场检测悬浮物含量、含油率、浊度等水质指标,取样位置及检测结果见表2。所需主要仪器及材料:0.45μm醋酸纤维混合滤膜(北京华恒高科工程技术有限公司),OCMA-350型油分浓度计(日本HORIBA公司),比色分析测试管(北京华兴化学试剂厂),SRB-HX测试瓶(北京华兴化学试剂厂)和HACH 2100型便携式浊度仪(美国HACH公司)。

数据显示CEP输出污水水质良好,除悬浮物、含油率略高于推荐指标外,其他各项均达到推荐控制指标要求。但是,污水输送至A平台、J平台后逐步发生恶化,悬浮物含量明显增高,到达A平台时由6.5 mg/L增大到16.8 mg/L,到达J平台时增大到17.7 mg/L。同时细菌个数也急剧上升,含油率增大近1倍。

浊度是表达水中不同大小、不同相对密度、不同形状的悬浮物、胶体物质、浮游生物和微生物等杂志对光所产生的效应[3]。据高生军等人研究认为2NTU以下可达到油田回注水质要求[4], CEP注水泵出口浊度为5NTU,A平台海管出口为16.8NTU,J平台为17.7NTU,均高于回注要求。

3 滤膜组分电镜能谱分析

将滤膜(取样点为CEP增压泵出口和A平台、J平台海管管汇出口)置于箱式电炉中经500℃高温焚烧,烧尽有机成分,使用扫描电镜能谱仪检测滤膜灰烬(图1)。

表2 现场水质指标监测数据Tab.2 On-site water quality monitoring data

图1 CEP(左)、J(右)平台滤膜燃烧灰烬电镜照片Fig.1 Photomicrograph of filter membrane ashes from platform CEP and J

表3是CEP滤膜悬浮物能谱分析结果,主要元素是O,其次为Ca、Mg、Si、S、Fe,少量Al、P和K等。主要元素及次要元素分布较均匀,变化不大。其中O、Ca、Mg、Si等元素为回注污水结垢形成碳酸盐垢所致;S、Fe则多来自系统腐蚀产物。

表3 CEP悬浮物无机组分能谱分析原子百分比Tab.3 Atom percent of suspended substance inorganic component from CEP

表4是A平台滤膜悬浮物能谱分析结果,元素组成特征与CEP基本相似,但元素分布不均,波动较大,尤其Fe和S元素,个别点Fe原子百分比高达61%。污水到达A平台后Fe含量由4.45%增大到13.03%,说明腐蚀产物增多;Ca元素含量由4.33%增大到5.43%,表明结垢加剧。

表4 A平台悬浮物无机组分能谱分析原子百分比Tab.4 Atom percent of suspended substance inorganic component from platform A

表5是J平台滤膜悬浮物能谱分析结果,元素组成特征与CEP相似,但各种元素分布不均匀程度相对A平台更大,Fe元素含量远高于CEP和A平台,达到19.45%;Ca元素增大到5.66%,结垢量增加。

表5 J平台悬浮物无机组分能谱分析百分比Tab.5 Atom percent of suspended substance inorganic component from platform J

由水质监测结果知,污水到达A平台、J平台海管出口处SRB含量急剧增加,分别达到600个/mL和2 500个/mL,SRB在污水中可产生酸性腐蚀,生成不溶的铁硫化物,如FeS,这是一种溶解性很差的黑色堵塞物[5],附着力强且易与油污结合使颗粒变大,导致悬浮物含量升高。CEP、A平台、J平台Fe原子百分比平均值依次为4.45%、13.03%、19.45%,表明污水在流经海管时不断发生腐蚀,其产物进入污水中。这些腐蚀与SRB密不可分,因此抑制细菌生长、优化缓蚀剂性能及加药流程是解决问题的关键。

CEP、A平台、J平台Ca原子百分比平均值依次为4.33%、5.43%、5.66%,碳酸盐结垢同样呈现增大趋势,主要原因是污水流经海管,阻垢剂逐渐降低阻垢效率,此外腐蚀产物逐渐进入污水和其他药剂的加入,阻垢剂与其他药剂的相容性,也是影响阻垢剂性能的主要因素之一。

随着回注污水在海管中的输送,污水滤膜上元素分布越来越不均匀,尤其Fe元素和Ca元素的波动最为明显。水中元素分布波动大,反应污水系统中药剂性能稳定性和相容性存在一定的问题,对稳定优质注水不利。

4 滤膜组分X-衍射分析

CEP处理后的污水比较清澈,过滤后滤膜烘干为灰白色,至A平台、J平台滤膜则变为浅褐色至灰黑色。对A平台各管汇出口及J平台注水泵出口悬浮物的衍射结果表明:绝大多数为衍射峰不明显的有机物或非晶态组分,有机质以残余油为主。但是对于SZ36-1油田滤膜无机组分,有以下特殊现象:

(1)纯方解石:A2管汇出口滤膜衍射结果是纯的方解石(图2,上),推断这是由于阻垢剂加药不均所致,该结果表明,污水中结钙质垢的能力强和快。一旦在海管中产生钙质垢,会导致污水中固悬物含量急剧增加,并在近井地带形成堵塞。通过改善加药系统,提高阻垢剂性能能够消除该类成分。

图2 A2管汇(方解石)、A1管汇(滑石)、A1管汇与J平台注水泵(坡缕石)悬浮物衍射曲线Fig.2 A2 manifold(Calcite),A1 manifold(Talcum)and A1 manifold/J water flood pump(Attapulgite) suspended substance diffraction image

(2)坡缕石和滑石:在某些滤膜上发现来源于过滤器滤料(图2中、下)。坡缕石晶体呈毛发状或纤维状,而滑石一般呈块状、叶片状、纤维状或放射状。SZ36-1G24井在2009年4月20日钢丝作业中捞出3#配水器芯子,上部装有5个死水嘴,1个6.8 mm水嘴,被纤维状物堵死。可见,近井地层同样存在被堵塞的可能。

5 结论及建议

(1)CEP处理后的污水在海管输送过程中发生生物化学腐蚀,生成铁硫化物可使悬浮物含量增高,是水质恶化的主要原因之一。

(2)X-衍射结果表明污水在海管中由于加药不均或者与其他药剂相容性不好,污水在海管就产生大量碳酸钙结垢,增加悬浮含量,堵塞地层。

(3)SZ36-1油田由于污水处理系统中,无外排系统,系统产生的废水和冲洗废水都是返回水处理系统源头,重新处理再次进入注入系统,因此在滤膜中出现了核桃壳填料的纤维状坡缕石和滑石等组分,这些物质导致堵塞配水器、储层孔喉。

(4)进一步优化杀菌剂、防垢剂、缓蚀剂性能和加药流程,加强药剂使用的规范性。

(5)加强过滤器反洗水的过滤并及时更换滤料,定期清理海管内壁油污、污垢等杂质。

[1]陈保艳.水中悬浮物测定的质量控制[J].污染防治技术, 2007,20(2):85-87.

[2]中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5329—1994.碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法[S].1995.

[3]金熙,项成林,齐冬子.工业水处理技术问答[M].北京:化学工业出版社,2003:28-30.

[4]高生军,宋绍富.屈撑囤.浊度控制法处理油田产出水技术研究与应用[J].油田化学,2009,26(1):42-45.

[5]朱永艳.硫酸盐还原菌和极化电位对海洋结构用钢在海泥中的应力腐蚀开裂敏感性的影响[D].中国科学院,2007.

Study on inorganic components in recirculated water from SZ36-1 Oilfield

Li Xu1,Tang Hongming1,2,Liu Yigang3,Gao Jianchong3,Liu Lu1
(1.Southwest Petroleum University,Chengdu610500;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500;3.Tianjin Branch of CNOOC,Tanggu300452)

Comprehensive analysis has been done on the components of filter membrane before and after combustion with X-ray diffractometer and SEM energy dispersive spectrometer in SZ36-1 Oilfield. Through analysis of the change rules of Fe and Ca,combined with on-site water quality monitoring data,it has been found that the water quality is worsen progressively from CEP to other platforms in SZ36-1 oil field.In the process of water transportation from CEP to A platform,then to J platform,the average percentage of Fe is 4.45%,13.03%and 19.45%;the average percentage of Ca is 4.33%,5.43%and 5.66%.The corrosion and scaling phenomenon has become serious,and is the main reason for the quality deterioration of injection water.

inorganic component;filter membrane ashes;X-ray diffractometer;SEM energy dispersive spectrometer;water quality index

book=2,ebook=45

TE133+.2

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.02.053

1008-2336(2010)02-0053-06

国家科技重大专项子课题《海上油田注入水综合治理技术研究》(2008ZX05024-02-011)资助。

2009-12-01;改回日期:2010-03-04

李旭,1983年生,男,西南石油大学矿产普查与勘探2007级在读硕士,主要从事储层保护技术研究。E-mail:lixv991315@ yeah.net。