油田注水颗粒直径中值测定影响因素分析及对策研究

唐晓梅 严忠 袁海运 罗玉江

1中国石油长庆油田分公司第一采气厂

2中国石油新疆油田分公司实验检测院

3中国石油长庆油田分公司第三采油厂

4中国石油长庆油田分公司第九采油厂

为全面推进中油股份公司“注好水、注够水、精细注水、有效注水”和“科学构建精细注水长效制度体系”的总体要求，国内各油田对注水水质指标常态化监测和控制已成为油田注水开发中一项重要的工作。为进一步稳定控制注水水质，“颗粒直径中值”被列为中油股份公司推行的注水水质达标率其中的必检项目；同时，它也是石油天然气行业标准SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》中规定的油田注水水质七项主要控制指标之一。该指标常常与悬浮固体含量一起用来综合评定注水水质对油层孔隙的堵塞程度，从而保证油田注水开发效果，提高油藏采收率。

但是，历年注水监测结果表明，注水中悬浮固体含量达标率较高，但固相颗粒直径中值单项达标率却仅为50%左右，成为制约水质综合达标率进一步提高的主要障碍。通过多年油田水质检测发现：一方面，注入水水质存在较大不稳定性，待测水样中颗粒直径随放置时间变化较大，而且此项指标在实际检测中会受诸多其他测试条件的影响；另一方面，不同仪器、不同人员的测试结果差别较大。如何排除关键干扰因素，确保检测结果的准确性；如何进一步规范固相颗粒直径中值的评价方法，全面反映注入水中颗粒直径的实际状态，都需要开展深入研究。目前，国内对这项指标的研究主要关注检测结果对地层的影响，而对于影响指标检测和评价因素的研究却鲜有报道[1-2]。

本文针对新疆油田水质特点，在颗粒直径中值检测过程中，从分析影响颗粒直径中值结果的关键因素入手，以稳定现场水质为基础，提出应对措施，对提高这项指标测定结果的准确性，真实反映注入水中颗粒直径的实际分布状态具有一定指导意义。

1 实验

1.1 材料与仪器

新疆油田某处理站净化采出水水型为：NaHCO3和CaCl2型；无水亚硫酸钠，分析纯；柠檬酸，分析纯；柠檬酸钠，分析纯；乙二胺四乙酸，分析纯。实验仪器有Zetasizer Nano-ZS型粒度仪及Zeta电位分析仪（英国马尔文公司）、空气曝气机。

1.2 固相颗粒直径中值测定

马尔文激光粒度仪通过激光散射的方法来测量悬浮液、乳液和粉末样品颗粒分布，是一台多用途仪器。纳米型和微米型激光粒度仪还可以通过安装的软件来分析颗粒的形状。试验时，激光粒度仪开机预热20 min后打开电脑。按照设备操作规程进行校准和空白样测试，扣除背景测试值。把待测水样摇匀后倒入1 000 mL烧杯中，将样品缓缓注入样品槽，观察设备透光率变化，当透光率落在设备要求的测试范围内时，停止注入样品，待粒径分布实时图稳定后，在仪器操作软件界面选择搅拌速度并开始测试，分析颗粒粒径分布状态。

1.3 曝气实验

室内采用空气曝气机，控制空气流量在5～10 L/min通入试验水样，曝气时间控制在5 min左右，考察曝气前后水中固相颗粒直径中值变化情况。

2 结果与讨论

2.1 样品放置时间对粒径中值测定的影响

新疆油田某污水处理站净化污水，考察放置不同时间粒径中值变化情况。结果见表1、表2。

表1 放置时间对水样中悬浮颗粒直径中值测定结果的影响Tab.1 Effect of placement time on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

从粒径中值的测定结果看，随着放置时间的增加，粒径中值变化明显，由2.856 μm增大到44.335 μm。待测水样放置时间对粒径中值测定具有一定影响，特别是水质存在不稳定因素时（还原性物质、混凝反应引起的絮体聚结现象及具有较严重的过饱和析出趋势等），这种影响尤为严重[3-4]。

表2 某处理站净化采出水放置时间对水质的影响Tab.2 Effect of placement time of purified produced water on water quality in a treatment station

2.2 样品曝氧（气）对粒径中值测定的影响

（1）曝氧（气）对净化采出水颗粒直径中值的影响。新疆油田现场采集某污水处理站净化污水，曝气5 min后，考察曝气前后直径中值变化情况。具体结果见表3、表4。

表3 曝气对水样中悬浮颗粒直径中值测定结果的影响Tab.3 Effect of aeration on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

表4 某处理站净化采出水曝气后不同时间水质状况Tab.4 Quality of produced water at different time after aeration in a treatment station

试验结果表明，曝气后水中还原性物质得到较好的去除，同时曝气在一定程度上也推动了水中结垢离子的沉淀反应，加速了碳酸盐微粒析出，尽早析出颗粒物，促使后期水质较稳定，粒径中值测定结果较稳定。

（2）曝氧（气）对含硫化物采出水中悬浮颗粒直径中值测定的影响。室内自配含硫化物（约为8 mg/L）待测样品，分别考察曝氧（气）前后放置时间对粒径中值测定结果的影响。具体结果见表5。

为进一步考察含硫化物水质的稳定性，将充分曝气前后的自配待测水样分别通过1.2 μm滤膜进行过滤，分别考察滤后水在放置不同时间条件下，其中悬浮颗粒直径中值的测定情况。具体检测结果见表6。

表5 曝气对含硫化物水样中悬浮颗粒直径中值测定结果的影响Tab.5 Effect of aeration on the median diameter determination results of suspended particle in sulphide water samples

表6 曝气和静置对过滤水样中悬浮颗粒直径中值测定结果的影响Tab.6 Effect of aeration and standing on the median diameter determination results of suspended particle in filtered water samples

通过曝气措施加速了水中还原性物质被氧化进程，在线生成难溶性氧化产物，可被相应孔径的滤膜彻底滤去，水中粒径中值测定结果较稳定，进一步验证了去除还原性物质可有效提高滤后水质的稳定性。这一结果也为现场提高滤料拦截效果提供了理论依据。

2.3 样品环境温度对粒径中值测定的影响

新疆油田现场采集某污水处理站净化污水，在不同温度下放置同样时间，考察温度对粒径中值的影响，粒径中值变化情况见表7。

表7 温度对水样中悬浮颗粒直径中值测定结果的影响Tab.7 Effect of temperature on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

在25～40 ℃的温度内放置24 h，试验结果表明，在放置规定时间内，随着测定温度的升高，试验样品中悬浮颗粒直径中值呈现上升趋势，这可能与温度的升高加剧了水中碳酸盐过饱和析出有一定关系。

2.4 其他影响因素

（1）水中细菌生长的影响。随着待测水样放置时间的延长，细菌二次滋生不可避免。细菌一般在待测水样放置72 h以后才有明显的增长趋势。而在实际操作中，注入水颗粒直径中值检测在这期间已基本完成，因此在水样放置过程中细菌对颗粒直径的影响基本可以忽略。

（2）水中絮体聚结的影响。水中颗粒属于多相体系的混合物，在热力学性质上不稳定[5-6]，放置一定时间后极易发生聚结，水中固相颗粒不断向大粒径方向移动，且变化较大，影响粒径的检测。

（3）仪器搅拌速度的影响。在使用激光粒度仪测试注入水中颗粒直径时，搅拌速度是非常关键的一个测试条件：搅拌速度过低，不足以全部搅起待测水样中的颗粒，使测试值偏小；搅拌速度过大，易导致测试重复性不佳，而且也可能使已团聚的颗粒解体，造成测试结果的偏差[7]。室内检测结果见表8。

表8 放置时间对Zeta电位测定结果的影响Tab.8 Effect of setting time on Zeta potential determination results

（4）待测样品水中油含量的影响。若水中油含量过高，有可能促使悬浮物的包裹，加剧团聚现象发生，导致原始颗粒直径差异增大。针对这种情况，在粒径测试之前，应先将水中油萃取出来，或用粗滤纸将高含油待测水样进行过滤。

3 应对措施

由于新疆油田多数区块注入水质均存在不同程度的碳酸盐自结垢趋势，存在不等量还原性离子，水质存在不稳定性，而水质的不稳定会导致注水水质发生改变，从而使悬浮固体含量、悬浮颗粒直径中值等指标发生变化。要准确测定粒径中值等指标，需要使水质稳定。

3.1 离子稳定剂

（1）投加乙二胺四乙酸。在现场采集到的待测水样中加入乙二胺四乙酸（30 mg/L）稳定水质，粒径中值的检测结果与原水直径中值检测结果见表9。

在待测水样放置48 h后，颗粒直径中值由19.159 μm上升至35.210 μm，上升了82.21%，经过投加乙二胺四乙酸稳定的待测水样，放置48 h，颗粒直径中值由21.191 μm上升至25.164 μm，上升了18.75%。从粒径中值的变化幅度看，在待测水样中加入乙二胺四乙酸稳定水中粒径中值有明显效果。

表9 投加乙二胺四乙酸对水样中悬浮颗粒直径中值测定结果的影响Tab.9 Effect of adding ethylenediamine tetraacetic acid on the median diameter determination results of suspended particle in water samples

（2）投加无水亚硫酸钠。在待测水样中加入无水亚硫酸钠（50 mg/L）稳定水质，颗粒直径中值的检测结果与空白待测水样直径中值检测结果见表10。

表10 投加无水亚硫酸钠对直径中值测定结果的影响Tab.10 Effect of adding anhydrous sodium sulfite on the median diameter determination

在待测水样放置48 h后，颗粒直径中值由4.738 μm上升至19.475 μm，上升了311.04%，经过投加无水亚硫酸钠稳定的待测水样，放置48 h后直径中值由4.239 μm上升至5.093 μm，上升了20.15%。从粒径中值的变化幅度看，在待测水样中加入无水亚硫酸钠稳定水中悬浮颗粒直径中值有明显效果。

（3）投加柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液。在待测水样中加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液稳定水质，颗粒直径中值的检测结果与空白待测水样直径中值检测结果见表11。

表11 投加柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液对粒径中值测定结果的影响Tab.11 Effect of adding citric acid-sodium citrate buffer solution on the median diameter determination

经过加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液的待测水样，放置48 h后，直径中值由4.483 μm上升至4.625 μm，上升了3.17%。从粒径中值的变化幅度看，在待测水样中加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液稳定水中悬浮颗粒直径中值有明显效果。

综合以上3种金属离子稳定剂实验结果表明，向待测水样中投加一定量的金属离子稳定剂或除氧剂，可达到稳定沉淀金属离子、减少沉淀生成的效果，测得的粒径中值可在较长时间保持较低的增幅，待测水样稳定时间较长，但这种方法广泛适用性还有待进一步研究。

3.2 溢流排空法取样

直接通过注水站取样阀接待测水样于取样桶中，不进行排空和避氧保存的常规操作，与避氧操作的溢流排空法相比，随放置时间的变化结果见图1和表12。

图1 常规操作和溢流排空法采样的粒径随放置时间的变化Fig.1 Change of particle size with placement time of sampling by conventional operation and overflow drainage

表12 新疆油田不同处理站采用常规操作和溢流排空法采样的粒径变化Tab.12 Particle sizes sampled by conventional operation and overflow drainage in different treatment stations in Xinjiang Oilfield

从两种不同方法的比较可以看出，采取排空取样的方法，将水注满容器不留空间，并且保持待测水样在测试前一直处于密封避氧状态，待测水样在放置4 h内的粒径测试结果基本和首次测试结果一致。水中存在还原性离子时，样品随着放置时间的延长，氧气会逐渐从取样瓶口缝隙渗入，粒径中值同样呈现增大的趋势。

4 结论

（1）颗粒直径中值不能反映出直径大于某一规定数值的颗粒数目之绝对值，而注入水中固体颗粒是否堵塞地层不仅决定于颗粒直径，还与直径大于某一规定数值的颗粒数目密切相关。所以在分析水中的颗粒时，不但要看粒径中值，还要分析颗粒的分布情况及每毫升待测水样中颗粒的总数，这样才能客观地评价水中的悬浮物颗粒。

（2）试验结果表明，在反映水质好坏时，“悬浮物颗粒直径中值”这一指标存在一定的局限性，建议修改（或将其不作为主要控制指标）。标准SY/T 5329—2012中，用空气渗透率来控制注水水质中颗粒直径中值的大小，并不能准确反映低渗、超低渗油藏对注入水中悬浮物含量及颗粒直径中值的接纳程度。

（3）在应用激光粒度仪测试油田回注污水颗粒直径中值时，待测水样自身性质、待测水样存储环境、测试条件以及计量基准均会对测试结果产生影响，油田回注污水颗粒直径中值的检测受诸多因素影响，在实际测试中应规范测试方法，针对不稳定水质可采用排空取样、避氧保存的方法，以及通过加入离子稳定剂等方法，最大限度降低检测误差，提高测试结果的准确性。