长庆C致密油层采出水水质改性处理小型试验

低渗透油气田勘探开发国家工程实验室·西安长庆科技工程有限责任公司

鄂尔多斯盆地致密油资源丰富[1]，目前已逐渐实现规模开发，致密油层采用“体积压裂水平井早期准自然能量开发+中后期注水吞吐等有效补充能量方式”[2-3]的开发方式，油田开发分离出的采出水与成熟油区采出水具有水质成分复杂、矿化度高等[4]共同特点，但还具有其自身特点，处理难度大，不能直接排放或回注。从安全环保方面考虑，采出水需经改性处理达标后再回注地层，以实现水资源的有效利用[5]。

根据区域层系分布及水量匹配等特点，选择侏罗系作为目的回注层，开展致密油层采出水物性分析、配伍性分析及水质改性小试试验。

表1 C致密油层、侏罗系采出水性质分析Tab.1 Property analysis of produced water in C tight oil layer and Jurassic system

1 致密油层采出水水质特点

取致密油层、侏罗系层系采出水进行水质分析，水质特性见表1。

由表1 可知：致密油层采出水为氯化钙水型，富含钙、锶、钡三种成垢金属离子；侏罗系采出水为碳酸氢钠水型，富含硫酸根、碳酸氢根离子；两种水型分别富含成垢阳离子及阴离子。

2 采出水配伍性分析

通过应用Scalechem 化学分析软件[6-7]模拟C 致密油层、侏罗系层采出水在不同混合比例下的最大结垢量，模拟数据见表2，结垢趋势见图1。模拟运行条件为温度35 ℃，运行压力0.1 MPa。

图1 C致密油层、侏罗系层采出水混合结垢趋势Fig.1 Mixed scaling trend of produced water in C tight oil layer and Jurassic system layer

35 ℃正常运行温度下，C致密油层采出水与侏罗系采出水按1∶9、2∶8……9∶1、10∶0共11种比例混合后，主要结垢种类有CaCO3、SrCO3、SrSO4及BaSO4，当混合比例为4∶6 时，总结垢量最大，达到617 mg/L，其中CaCO3结垢量占总结垢量的70%以上，两种水型配伍性较差。

3 水质改性小试工艺

3.1 工艺流程

由以上水质特点可知，为避免系统及地层的结垢堵塞，实现有效回注，C致密油层采出水需进行适当的水质改性，去除钙、镁、钡、锶等成垢离子后再回注侏罗系。水质改性小试试验采用“化学沉淀+二级过滤+离子交换”工艺，工艺流程见图2。

储存在原水箱中的致密油层采出水经蠕动泵提升进入絮凝沉淀池，依次加入化学沉淀剂进行混合、反应、沉淀，混合液经斜管沉淀池沉淀后，上层清液进入pH 调节池，调节pH 值至7～7.5 后进入中间水箱，经泵提升进入二级过滤，出水再经阳离子交换后，净化水进入清水箱储存。

3.2 工艺原理

采用的工艺基于化学沉淀及离子交换的原理[8-9]。

化学沉淀反应：

表2 C致密油层、侏罗系层采出水混合结垢类型及结垢量Tab.2 Mixed scale types and amount of produced water in C tight oil layer and Jurassic system layer

图2 采出水处理工艺流程Fig.2 Process flow of produced water treatment

絮凝沉淀反应：

4 运行过程

（1）运行参数。小试装置处理能力20 L/h，投加药剂从经济性、实用性考虑，选取碳酸钠与硫酸铝作为絮凝沉淀剂[10]。经多组实验室筛选试验，100 mL 水样中加入2.3 mL 碳酸钠（11%，质量分数）及1 mL 硫酸铝（5%，质量分数）时沉降效果及去除钙、镁离子效果最佳，药剂量筛选结果见图3、图4，最终确定投加药剂量为碳酸钠2.5 mg/L，硫酸铝0.5 mg/L，投加位置为絮凝池一、二级入口处。

图3 碳酸钠投加量试验Fig.3 Sodium carbonate dosing test

图4 硫酸铝投加量试验Fig.4 Aluminum sulfate dosing test

（2）主要工艺单元参数。小型试验装置主要包括3个单元，分别为絮凝沉淀单元、过滤单元及离子交换单元，各单元主要工艺参数见表3。

表3 工艺单元主要参数Tab.3 Main parameters of process unit

（3）运行结果。小试装置运行情况显示絮凝沉淀单元出水效果较好，沿程水质变化见图5，对主要单元沿程出水进行取样分析，水质指标见表4。

图5 水质改性沿程水质变化Fig.5 Changes of water quality along the process of water quality modification

水质改性后C 致密油层采出水成垢离子钙、镁、锶、铁去除明显，二级过滤出水、离子交换出水Ca2+去除率分别为79.76%、100%，Mg2+去除率分别为35.35%、100%，Sr2+去除率分别为64.17%、100%（图6）。在改性过程中，钡离子数据稍有升高，分析原因有水质改性过程中添加药剂导致pH值变化的影响。悬浮物、含油量由进水的78、46 mg/L 分别降至1 mg/L 以下，去除率分别达到99.68%、98.08%（图7）。

表4 小试运行沿程水质指标Tab.4 Water quality indicators along the process of small test

图6 Ca2+、Mg2+沿程变化Fig.6 Changes of Ca2+and Mg2+along the process

图7 含油量、悬浮物沿程变化Fig.7 Changes of oil and SS concentration along the process

改性前后C致密油层采出水水质与侏罗系层采出水水质对比见表5。

改性后C致密油层采出水水质清澈透明，成垢离子含量远低于侏罗系层采出水，各项指标低于侏罗系层水对应指标浓度，达到预期目标。改性后采出水与侏罗系层采出水的配伍性，还需进一步进行模拟分析。

（4）结垢量模拟对比。在运行温度为35 ℃、运行压力为0.1 MPa的模拟条件下，采用Scalechem化学分析软件分别模拟改性工艺中二级砂滤出水及离子交换出水与侏罗系层采出水在不同配比下的最大结垢量，模拟结果见表6。

由表6可知，二级砂滤出水与侏罗系层水在混合比例4∶6 时结垢量达到最大，为337.381 mg/L，与原水、侏罗系混合最大结垢量相比，结垢量降低45.38%，同混合比例时离子交换出水与侏罗系混合的最大结垢量为176.47 mg/L，仅为改性前采出水与侏罗系混合最大结垢量的28.52%，但在实际运行中，仍需投加适当的阻垢剂方可安全回注侏罗系层。

以市场上工业碳酸钠1 280 元/t、工业硫酸铝900元/t测算，每处理1 m3长7层采出水药剂成本为3.71 元，考虑树脂使用成本，则综合运行成本约6.4元。

5 结论

由室内实验及模拟试验结果，可得出以下结论：

（1）C 致密油层采出水为氯化钙水型，富含钙、锶、钡三种成垢金属离子，主要结垢种类有硫酸钡、碳酸钙及碳酸锶。侏罗系层采出水为碳酸氢钠水型，富含硫酸根、碳酸氢根离子，主要结垢类型为碳酸钙、碳酸锶。

（2）C致密油层采出水与侏罗系层采出水按比例混合后，主要结垢类型有硫酸钡、碳酸钙及碳酸锶，除碳酸锶结垢量低于100 mg/L外，硫酸钡、碳酸钙结垢量达到450 mg/L左右，结垢量较大，两种水型配伍性较差。

（3）水质改性后C 致密油层采出水成垢离子钙、镁、锶、铁去除明显，经离子交换后钙、镁离子含量未检出，锶离子质量浓度为0.09 mg/L，二级过滤出水、离子交换出水钙去除率分别为79.76%、100%，镁去除率分别为35.35%、100%，锶去除率分别为64.17%、100%。悬浮物、含油量由进水的78、46 mg/L 分别降至1 mg/L 以下，去除率分别达到99.68%、98.08%，水质改性效果显著。

表5 致密油层采出水水质改性前后与侏罗系层水质指标对比Tab.5 Water quality index comparison of tight oil layer and Jurassic system layer before and after water modification

表6 配伍性模拟对比Tab.6 Compatibility comparison and simulation mg/L

（4）通过Scalechem 化学分析软件模拟，水质改性二级砂滤出水与侏罗系层采出水在混合比例4∶6 时结垢量达到最大，为337.381 mg/L，与原水、侏罗系混合最大结垢量相比，结垢量降低45.38%，同混合比例时离子交换出水与侏罗系层采出水混合的最大结垢量为176.47 mg/L，仅为原水与侏罗系层积水混合最大结垢量的28.52%。

长庆油田致密油层已逐渐实现规模开发，对解决富裕采出水的有效回注具有重要的意义，是提高油气田开发效益的重要保障[11]。但目前的实验室小型试验仅仅是起步，尚需进一步研究，为致密油层采出水的有效回注提供更多解决思路。