李 旭,唐洪明,2,劉義剛,高建崇,劉 璐

(1.西南石油大學(xué),四川成都 610500;2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué),四川成都 610500; 3.中海石油天津分公司,天津塘沽 300452)

SZ36-1油田污水懸浮物無機(jī)組分研究

李 旭1,唐洪明1,2,劉義剛3,高建崇3,劉 璐1

(1.西南石油大學(xué),四川成都 610500;2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué),四川成都 610500; 3.中海石油天津分公司,天津塘沽 300452)

綜合利用掃描電鏡能譜分析、X-射線衍射儀等先進(jìn)儀器對(duì)SZ36-1油田濾膜組分燃燒前后進(jìn)行綜合分析研究。通過分析無機(jī)組分中Fe、Ca等元素的變化規(guī)律,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)SZ36-1油田回注污水由CEP向A、J平臺(tái)輸送過程中水質(zhì)逐級(jí)惡化;同時(shí)污水由CEP到A平臺(tái)再到J平臺(tái)過程中,Fe原子百分比平均值依次為4.45%、13.03%、19.45%,Ca原子百分比平均值依次為4.33%、5.43%、5.66%。腐蝕、結(jié)垢現(xiàn)象逐漸加劇,是導(dǎo)致注水水質(zhì)惡化的主要原因。

無機(jī)組分;濾膜灰燼;X-射線衍射;掃描電鏡能譜分析;水質(zhì)指標(biāo)

SZ36-1油田為渤海地區(qū)產(chǎn)量最大的自營(yíng)油田,原油年產(chǎn)量約300×104t,目前采用清污混注技術(shù),年注水量1 010.08×104m3,清污混合比例50%～70%。目前該油田已全面進(jìn)入注水開發(fā)階段,設(shè)備腐蝕、管線結(jié)垢堵塞、地層損害、累計(jì)注采比低等問題日益突出,給正常生產(chǎn)帶來巨大阻礙。

水中的懸浮物是影響水質(zhì)的重要因素之一[1]。懸浮物是指不能通過孔徑為0.45μm濾膜的固體物質(zhì)。懸浮物在一定程度上能綜合反映水體的水質(zhì)特征和水體化學(xué)元素遷移、轉(zhuǎn)化、來源的特征和規(guī)律,因此具有極其重要的研究?jī)r(jià)值。然而常規(guī)水質(zhì)研究只局限于懸浮物含量的測(cè)定,并沒有深入研究懸浮物具體的主要成分和變化規(guī)律給生產(chǎn)帶來的影響。本文以SZ36-1在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),綜合利用掃描電鏡能譜分析儀、X射線衍射儀等儀器對(duì)燃燒后的濾膜截留物灰燼進(jìn)行深入分析研究,重點(diǎn)跟蹤Fe、Ca等腐蝕、結(jié)垢元素的分布變化規(guī)律,確認(rèn)水質(zhì)惡化原因,并為水質(zhì)深入分析研究提供一個(gè)新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及方法簡(jiǎn)介

使用PANatical(原Philips分析儀器部)生產(chǎn)的X’Pert PRO粉末X射線衍射儀分析直接測(cè)試濾膜表面晶質(zhì)成分,主要性能指標(biāo):新型超能探測(cè)器X’Celerator,Cu靶、陶瓷光管、θ/2θ掃描方式、光學(xué)編碼定位、X射線發(fā)射器最大電壓60 kV、最大管流60 mA。本次將濾膜攤平后,直接上機(jī)衍射測(cè)試其無機(jī)組分。

本文使用荷蘭Philips公司生產(chǎn)的XL30-DX-4i掃描電鏡能譜儀檢測(cè)濾膜灰燼礦物形態(tài)及元素組成。主要技術(shù)指標(biāo):分辨率3.5 nm;放大倍數(shù)為20倍～30萬倍,連續(xù)可調(diào);加速電壓1～30 kV。能譜儀可分析原子序數(shù)C～U的元素,對(duì)燃燒后濾膜組分進(jìn)行區(qū)域能譜分析。

檢測(cè)方法:(1)平臺(tái)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè):根據(jù)平臺(tái)污水流經(jīng)和處理流程,對(duì)不同結(jié)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),并將烘干后濾膜保存好;(2)室內(nèi)利用X-射線衍射儀對(duì)濾膜測(cè)試,分析其無機(jī)組分;(3)對(duì)同一處理器出口幾十張濾膜在500℃電阻箱中烘烤燃燒,對(duì)剩余灰燼進(jìn)行能譜分析測(cè)試。

2 在線水質(zhì)檢測(cè)

SZ36-1油田包括一期試驗(yàn)區(qū)(A平臺(tái)、B平臺(tái)、J平臺(tái))和二期試驗(yàn)區(qū)(E平臺(tái)、F平臺(tái)、C平臺(tái)、D平臺(tái)、H平臺(tái)、G平臺(tái)),本文以CEP、A平臺(tái)、J平臺(tái)為主要研究對(duì)象。CEP(中心處理平臺(tái))將處理好的污水與D平臺(tái)地下清水混合后經(jīng)海管輸送至A平臺(tái)統(tǒng)一分配,一部分與A平臺(tái)清水混合供A平臺(tái)注水,剩余水分別供B平臺(tái)及J平臺(tái)注水。A平臺(tái)年注水量約201×104m3,J平臺(tái)81×104m3,清污比例20%～80%。清水和污水離子成分見表1。

表1 SZ36-1污水與清水離子成分Tab.1 Ionic constituent of recirculated and fresh water

CEP污水處理流程:生產(chǎn)污水→斜板除油器→氣浮選器→核桃殼過濾器→污水緩沖罐→增壓泵→海管。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)懸浮物含量、含油率、濁度等水質(zhì)指標(biāo),取樣位置及檢測(cè)結(jié)果見表2。所需主要儀器及材料:0.45μm醋酸纖維混合濾膜(北京華恒高科工程技術(shù)有限公司),OCMA-350型油分濃度計(jì)(日本HORIBA公司),比色分析測(cè)試管(北京華興化學(xué)試劑廠),SRB-HX測(cè)試瓶(北京華興化學(xué)試劑廠)和HACH 2100型便攜式濁度儀(美國(guó)HACH公司)。

數(shù)據(jù)顯示CEP輸出污水水質(zhì)良好,除懸浮物、含油率略高于推薦指標(biāo)外,其他各項(xiàng)均達(dá)到推薦控制指標(biāo)要求。但是,污水輸送至A平臺(tái)、J平臺(tái)后逐步發(fā)生惡化,懸浮物含量明顯增高,到達(dá)A平臺(tái)時(shí)由6.5 mg/L增大到16.8 mg/L,到達(dá)J平臺(tái)時(shí)增大到17.7 mg/L。同時(shí)細(xì)菌個(gè)數(shù)也急劇上升,含油率增大近1倍。

濁度是表達(dá)水中不同大小、不同相對(duì)密度、不同形狀的懸浮物、膠體物質(zhì)、浮游生物和微生物等雜志對(duì)光所產(chǎn)生的效應(yīng)[3]。據(jù)高生軍等人研究認(rèn)為2NTU以下可達(dá)到油田回注水質(zhì)要求[4], CEP注水泵出口濁度為5NTU,A平臺(tái)海管出口為16.8NTU,J平臺(tái)為17.7NTU,均高于回注要求。

3 濾膜組分電鏡能譜分析

將濾膜(取樣點(diǎn)為CEP增壓泵出口和A平臺(tái)、J平臺(tái)海管管匯出口)置于箱式電爐中經(jīng)500℃高溫焚燒,燒盡有機(jī)成分,使用掃描電鏡能譜儀檢測(cè)濾膜灰燼(圖1)。

表2 現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 On-site water quality monitoring data

圖1 CEP(左)、J(右)平臺(tái)濾膜燃燒灰燼電鏡照片F(xiàn)ig.1 Photomicrograph of filter membrane ashes from platform CEP and J

表3是CEP濾膜懸浮物能譜分析結(jié)果,主要元素是O,其次為Ca、Mg、Si、S、Fe,少量Al、P和K等。主要元素及次要元素分布較均勻,變化不大。其中O、Ca、Mg、Si等元素為回注污水結(jié)垢形成碳酸鹽垢所致;S、Fe則多來自系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)物。

表3 CEP懸浮物無機(jī)組分能譜分析原子百分比Tab.3 Atom percent of suspended substance inorganic component from CEP

表4是A平臺(tái)濾膜懸浮物能譜分析結(jié)果,元素組成特征與CEP基本相似,但元素分布不均,波動(dòng)較大,尤其Fe和S元素,個(gè)別點(diǎn)Fe原子百分比高達(dá)61%。污水到達(dá)A平臺(tái)后Fe含量由4.45%增大到13.03%,說明腐蝕產(chǎn)物增多;Ca元素含量由4.33%增大到5.43%,表明結(jié)垢加劇。

表4 A平臺(tái)懸浮物無機(jī)組分能譜分析原子百分比Tab.4 Atom percent of suspended substance inorganic component from platform A

表5是J平臺(tái)濾膜懸浮物能譜分析結(jié)果,元素組成特征與CEP相似,但各種元素分布不均勻程度相對(duì)A平臺(tái)更大,Fe元素含量遠(yuǎn)高于CEP和A平臺(tái),達(dá)到19.45%;Ca元素增大到5.66%,結(jié)垢量增加。

表5 J平臺(tái)懸浮物無機(jī)組分能譜分析百分比Tab.5 Atom percent of suspended substance inorganic component from platform J

由水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果知,污水到達(dá)A平臺(tái)、J平臺(tái)海管出口處SRB含量急劇增加,分別達(dá)到600個(gè)/mL和2 500個(gè)/mL,SRB在污水中可產(chǎn)生酸性腐蝕,生成不溶的鐵硫化物,如FeS,這是一種溶解性很差的黑色堵塞物[5],附著力強(qiáng)且易與油污結(jié)合使顆粒變大,導(dǎo)致懸浮物含量升高。CEP、A平臺(tái)、J平臺(tái)Fe原子百分比平均值依次為4.45%、13.03%、19.45%,表明污水在流經(jīng)海管時(shí)不斷發(fā)生腐蝕,其產(chǎn)物進(jìn)入污水中。這些腐蝕與SRB密不可分,因此抑制細(xì)菌生長(zhǎng)、優(yōu)化緩蝕劑性能及加藥流程是解決問題的關(guān)鍵。

CEP、A平臺(tái)、J平臺(tái)Ca原子百分比平均值依次為4.33%、5.43%、5.66%,碳酸鹽結(jié)垢同樣呈現(xiàn)增大趨勢(shì),主要原因是污水流經(jīng)海管,阻垢劑逐漸降低阻垢效率,此外腐蝕產(chǎn)物逐漸進(jìn)入污水和其他藥劑的加入,阻垢劑與其他藥劑的相容性,也是影響阻垢劑性能的主要因素之一。

隨著回注污水在海管中的輸送,污水濾膜上元素分布越來越不均勻,尤其Fe元素和Ca元素的波動(dòng)最為明顯。水中元素分布波動(dòng)大,反應(yīng)污水系統(tǒng)中藥劑性能穩(wěn)定性和相容性存在一定的問題,對(duì)穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)注水不利。

4 濾膜組分X-衍射分析

CEP處理后的污水比較清澈,過濾后濾膜烘干為灰白色,至A平臺(tái)、J平臺(tái)濾膜則變?yōu)闇\褐色至灰黑色。對(duì)A平臺(tái)各管匯出口及J平臺(tái)注水泵出口懸浮物的衍射結(jié)果表明:絕大多數(shù)為衍射峰不明顯的有機(jī)物或非晶態(tài)組分,有機(jī)質(zhì)以殘余油為主。但是對(duì)于SZ36-1油田濾膜無機(jī)組分,有以下特殊現(xiàn)象:

(1)純方解石:A2管匯出口濾膜衍射結(jié)果是純的方解石(圖2,上),推斷這是由于阻垢劑加藥不均所致,該結(jié)果表明,污水中結(jié)鈣質(zhì)垢的能力強(qiáng)和快。一旦在海管中產(chǎn)生鈣質(zhì)垢,會(huì)導(dǎo)致污水中固懸物含量急劇增加,并在近井地帶形成堵塞。通過改善加藥系統(tǒng),提高阻垢劑性能能夠消除該類成分。

圖2 A2管匯(方解石)、A1管匯(滑石)、A1管匯與J平臺(tái)注水泵(坡縷石)懸浮物衍射曲線Fig.2 A2 manifold(Calcite),A1 manifold(Talcum)and A1 manifold/J water flood pump(Attapulgite) suspended substance diffraction image

(2)坡縷石和滑石:在某些濾膜上發(fā)現(xiàn)來源于過濾器濾料(圖2中、下)。坡縷石晶體呈毛發(fā)狀或纖維狀,而滑石一般呈塊狀、葉片狀、纖維狀或放射狀。SZ36-1G24井在2009年4月20日鋼絲作業(yè)中撈出3#配水器芯子,上部裝有5個(gè)死水嘴,1個(gè)6.8 mm水嘴,被纖維狀物堵死。可見,近井地層同樣存在被堵塞的可能。

5 結(jié)論及建議

(1)CEP處理后的污水在海管輸送過程中發(fā)生生物化學(xué)腐蝕,生成鐵硫化物可使懸浮物含量增高,是水質(zhì)惡化的主要原因之一。

(2)X-衍射結(jié)果表明污水在海管中由于加藥不均或者與其他藥劑相容性不好,污水在海管就產(chǎn)生大量碳酸鈣結(jié)垢,增加懸浮含量,堵塞地層。

(3)SZ36-1油田由于污水處理系統(tǒng)中,無外排系統(tǒng),系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水和沖洗廢水都是返回水處理系統(tǒng)源頭,重新處理再次進(jìn)入注入系統(tǒng),因此在濾膜中出現(xiàn)了核桃殼填料的纖維狀坡縷石和滑石等組分,這些物質(zhì)導(dǎo)致堵塞配水器、儲(chǔ)層孔喉。

(4)進(jìn)一步優(yōu)化殺菌劑、防垢劑、緩蝕劑性能和加藥流程,加強(qiáng)藥劑使用的規(guī)范性。

(5)加強(qiáng)過濾器反洗水的過濾并及時(shí)更換濾料,定期清理海管內(nèi)壁油污、污垢等雜質(zhì)。

[1]陳保艷.水中懸浮物測(cè)定的質(zhì)量控制[J].污染防治技術(shù), 2007,20(2):85-87.

[2]中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5329—1994.碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法[S].1995.

[3]金熙,項(xiàng)成林,齊冬子.工業(yè)水處理技術(shù)問答[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:28-30.

[4]高生軍,宋紹富.屈撐囤.濁度控制法處理油田產(chǎn)出水技術(shù)研究與應(yīng)用[J].油田化學(xué),2009,26(1):42-45.

[5]朱永艷.硫酸鹽還原菌和極化電位對(duì)海洋結(jié)構(gòu)用鋼在海泥中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響[D].中國(guó)科學(xué)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

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題《海上油田注入水綜合治理技術(shù)研究》(2008ZX05024-02-011)資助。

2009-12-01;改回日期:2010-03-04

李旭,1983年生,男,西南石油大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探2007級(jí)在讀碩士,主要從事儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究。E-mail:lixv991315@ yeah.net。