注水水质指标及水处理工艺设计 17页

注水水质指标及水处理工艺设计第一节概述设计目的和技术思路油田注水生产过程中的储层伤害机理非常复杂，由于外来入井流体〔注入水或其它化学剂〕进入油气层，必然要与油气层的岩石和流体接触，产生各种物理或化学的变化，这样就可能使储层孔隙结构发生变化，形成各种堵塞，从而降低储层渗透率，损害油气层。注水生产过程中可能造成的油气层损害原因很多，有些还具有叠加性，深入了解储层特性并在此根底上分析潜在损害因素，可有效地预防生产过程中可能造成的伤害，为制定合理的注水开发方案和保护油气层措施提供可靠的依据。注水中不合格的注入水质引起的地层损害是注水的主要损害。注入水质不合格表现在两个方面：一是指注入水与地层岩石不配伍；二是指注入水与地层的流体不配伍。第一种不合格造成的结果是〔1〕注入水造成地层粘土矿物水化、膨胀、分散和运移；〔2〕由于注水速度过快，引起地层松散微粒的分散、运移；〔3〕注入水机械杂质粒径、浓度超标，堵塞孔道等。第二种不合格造成的结果是〔1〕注入水与地层水不配伍，产生沉淀和结垢；〔2〕注入水和地层油不配伍产生有机垢或毛细现象。因此由于水质所引起的损害包括两个根本因素：注水地层自身的岩性与它所含流体特性；注入水的水质。前者是客观存在的，是引起地层损害的潜在因素，而后者是诱发地层损害发生的外部因素，是可以通过主观努力来控制的。因此，控制注入水水质，采用合理注水强度是减少注水损害的技术关键。本章所讨论的储层潜在伤害识别、注水指标确定和注水水质处理，仅为一个完整的注水工程方案设计的主要局部。在本设计中，暂不涉及注水工艺参数及地面工程设计。本设计的技术思路大致可用图1-1来表示。为了正确评价储层，找出储层潜在的损害因素，制定合理的水质指标，应收集如下根本资料：1、储层岩石岩性特征，其中包括：〔1〕岩石矿物组成及粘土矿物相对含量；〔2〕粘土矿物的产状；〔3〕胶结物类型及胶结强度〔4〕岩石外表润湿性。\n收集资料、认识储层岩性、物性、流体性质储层岩石敏感性实验数据整理分析找出微粒运移的临界速度找出造成伤害的临界矿化度找出造成伤害的临界PH判断地层水敏程度判断地层酸敏程度对储层敏感性作出评价，找出储层潜在的问题注水水质标准确定分析注入水和地层水组分，预测结垢趋势为注水推荐保护措施根据所给水源设计水质处理工艺流程2、储层岩石储渗空间特征，其中包括：〔1〕渗透率、孔隙度、比面；〔2〕岩石孔隙大小分布特征〔平均孔隙半径，最大孔隙半径〕。3、储层流体性质〔1〕储层原油粘度、密度、凝固点、原油饱和压力；〔2〕原油组份分析〔胶质、沥青、蜡等含量〕；〔3〕地层水粘度、密度、矿化度；〔4〕地层水组成分析资料。4、注入水水源分析资料〔1〕矿化度、温度；\n〔2〕注入水组成分析资料；〔3〕注入水源水质分析资料。5、生产资料〔1〕日注量，注入压力；〔2〕地层压力，地层温度；〔3〕注水井层位、井段、厚度。第二节注水储层潜在损害因素及伤害类型一、注水储层潜在损害油气层的潜在损害与其储渗空间特性、敏感性矿物、岩石外表性质和流体性质有关，下面就讨论各因素对油气层损害的影响。〔一〕油气层储渗空间油气层的储集空间主要是孔隙，渗流通道主要是喉道，喉道是指两个颗粒间连通的狭窄局部，是易受损害的敏感部位。孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通关系，称为油气层的孔隙结构。孔隙结构是从微观角度来描述油气层的储渗特性，而孔隙度与渗透率那么是从宏观角度来描述岩石的储渗特性。1、油气层岩石的孔隙结构常用的孔隙结构参数有孔喉大小与分布、孔喉弯曲程度和孔隙连通程度。一般来说，它们与油气层损害的关系为：〔1〕在其它条件相同的情况下，孔喉越大，不匹配的固相颗粒侵入的深度就越深，造成的固相损害程度可能就越大，但滤液造成的水锁、贾敏效应等损害的可能性较小。〔2〕孔喉弯曲程度越大，外来固相颗粒侵入越困难，侵入深度小；而地层微粒易在喉道中阻卡，微粒分散或运移的损害潜力增加，喉道越易受到损害。〔3〕孔隙连通性越差，油气层越易受到损害。2、油气层的孔隙度和渗透率\n孔隙度是衡量岩石储集空间多少及储集能力大小的参数，渗透率是衡量油气层岩石渗流能力大小的参数，它们是从宏观上表征油气层特征的两个根本参数。其中与油气层损害关系比拟密切的是渗透率，因为它是孔喉的大小、均匀性和连通性三者的共同表达。对于一个渗透性很好的油气层来说，可以推断它的孔喉较大或较均匀，连通性好，胶结物含量低，这样它受固相侵入损害的可能性较大；相反，对于一个低渗透性油气层来说，可以推断它的孔喉小或连通性差，胶结物含量较高，这样它容易受到粘土水化膨胀、分散运移及水锁和贾敏损害。〔二〕油气层的敏感性矿物1、敏感性矿物的定义和特点油气层岩石骨架是由矿物构成的，它们可以是矿屑和岩屑。从沉积物来源上讲，有碎屑成因、化学成因和生物成因之分。储层中的造岩矿物绝大局部属于化学性质比拟稳定的类型，如石英、长石和碳酸盐矿物，不易与工作液发生物理和化学作用，对油气层没有多大损害。成岩过程中形成的自生矿物数量虽少，但易与工作液发生物理和化学作用。导致油气层渗透性显著降低，这局部矿物就称为油气层敏感性矿物。它们的特点是粒径小很〔<37μm〕，比外表大，且多数位于孔喉处。因此它们必然优先与外界流体接触，进行充分作用，引起油气层敏感性损害。2、敏感性矿物的类型敏感性矿物的类型决定着其引起油气层损害的类型。根据不同矿物与不同性质的流体发生反响造成的油气层损害，可以将敏感性矿物分为四类：〔1〕水敏和盐敏矿物：指油气层中与矿化度不同于地层水和水相作用产生水化膨胀或分散、脱落等，并引起油气层渗透率下降的矿物。主要有蒙脱石、伊利石/蒙皂石间层矿物和绿泥石/蒙皂石间层矿物。〔2〕碱敏矿物：是指油气层中与高pH值外来液作用产生分散、脱落或新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，并引起渗透率下降的矿物。主要有长石、微晶石英、各类粘土矿物和蛋白石。〔3〕酸敏矿物：是指油气层中与酸液作用产生化学沉淀或酸蚀后释放出颗粒，并引起渗透率下降的矿物。酸敏矿物分为盐酸酸敏矿物和氢氟酸酸敏矿物。前者主要有：含铁绿泥石、铁方解石、铁白云石、赤铁矿、菱铁矿和水化黑云母；后者主要有：方解石、石灰石、白云石、钙长石、沸石、云母和各类粘土矿物。〔4〕速敏矿物：是指油气层中在高速流体流动作用下发生运移，并堵塞喉道的微粒矿物。主要有粘土矿物及粒径小于37μm的各种非粘土矿物，如石英、长石、方解石等等。3、敏感性矿物的产状敏感性矿物的产状是指它们在含油气岩石中的分布位置和存在状态，其对油气层损害有较大影响。通过大量的研究，敏感性矿物有四种产状类型〔图1-2〕，它们与油气层损害的关系如下：\n图1-2粘土矿物产状示意图〔a〕薄膜式；〔b〕栉壳式；〔c〕桥接式；〔d〕孔隙充填式〔1〕薄膜式：粘土矿物平行于骨架颗粒排列，呈局部或全包覆基质颗粒状，这种产状以蒙脱石和伊利石为主。流体流经它时阻力小，一般不易产生微粒运移，但这类粘土易产生水化膨胀，减少孔喉，甚至引起水锁损害。〔2〕栉壳式：粘土矿物叶片垂直于颗粒外表生长，外表积大，又处于流体通道部位，呈这种产状以绿泥石为主。流体流经它时阻力大，因此极易受高速流体的冲击，然后破裂形成颗粒随流体而运移。假设被酸蚀后，形成Fe（OH）3胶凝体和SiO2凝胶体，堵塞孔喉。〔3〕桥接式：由毛发状、纤维状的伊利石搭桥于颗粒之间，流体极易将它冲碎，造成微粒运移。〔4〕孔隙充填式：粘土充填在骨架颗粒之间的孔隙中，呈分散状，粘土粒间微孔隙发育。以高岭石、绿泥石为主呈这种产状，极易在高速流体作用下造成微粒运移。4、敏感性矿物的含量与损害程度的关系一般说，敏感性矿物含量越高，由它造成的油气层损害程度越大；在其它条件相同的情况下，油气层渗透率越低，敏感性矿物对油气层造成损害的可能性和损害程度就越大。〔三〕油气层岩石的润湿性岩石外表被液体润湿〔铺展〕\n的情况称为岩石的润湿性。岩石的润湿性一般可分为亲水性、亲油性和两性润湿三大类。油气层岩石的润湿性有以下作用：〔1〕控制孔隙中油气水分布；对于亲水性岩石，水通常吸附于颗粒外表或占据小孔隙角隅，油气那么占孔隙中间部位；对于亲油性岩石，刚好出现相反的现象；〔2〕决定着岩石孔道中毛管力的大小和方向，毛管力的方向总是指向非润湿相一方。当岩石外表亲水时，毛管力是水驱油的动力；当岩石外表亲油时，毛管力是水驱油的阻力；〔3〕影响着油气层微粒的运移，油气层中流动的流体润湿微粒时，微粒容易随之运移；否那么微粒难以运移。油气层岩石的润湿性的前两个作用，可造成有效渗透率下降和采收率降低两方面的损害，而后一作用对微粒运移有较大影响。〔四〕油气层流体性质1、地层水性质地层水性质主要指矿化度、离子类型和含量、pH值和水型等。对油气层损害的影响有：〔1〕当油气层压力和温度降低或入侵流体与地层水不配伍时，会生成CaCO3、CaSO4、Ca（OH）2等无机沉淀；〔2〕高矿化度盐水可引起进入油气层的高分子处理剂发生盐析。2、原油性质原油性质主要包括粘度、含蜡量、胶质、沥青、析蜡点和凝固点。原油性质对油气层损害的影响有：〔1〕石蜡、胶质和沥青可能形成有机沉淀，堵塞孔喉；〔2〕原油与入井流体不配伍形成高粘乳状液，胶质、沥青质与酸液作用形成酸渣；二、注水中的油气层伤害类型注水过程中，由于外来入井流体〔注入水〕流入油气层，必然要与油气层的岩石和流体接触，将发生各种损害。注水引起的地层损害类型以及各种类型损害的原因和造成的后果归纳于表1-1中。表1-1注水引起的地层损害类型损害类型原因后果水敏注入水引起粘土膨胀缩小渗流通道、堵塞孔喉速敏注水强度过大或操作不平衡〔工作制度不合理〕内部微粒运移、堵塞渗流通道悬浮物堵塞注入水中含有过量的机械杂质、油污、细菌及系统的腐蚀产物运移、沉积、堵塞孔喉结垢注入水与地层流体不配伍产生的无机垢和有机垢加剧腐蚀、为细菌提供生长繁殖场所，堵塞渗流通道腐蚀由于水质控制不当〔包括溶解气和细菌〕而引起，腐蚀方式有电化学腐蚀和细菌腐蚀两种损坏设备，产物堵塞渗流通道碱敏注入水pH值高，引起粘土分散粘土分散、运移、堵塞孔喉\n第三节储层敏感性实验数据分析和应用油气层敏感性评价通常包括速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸敏等五敏实验，其目的在于找出油气层发生敏感的条件和由敏感引起的油气层损害程度，为注入水质和各类工作液的设计、油气层损害机理分析和制定系统的油气层保护技术方案提供科学依据。一、速敏评价实验以不同的注入速度向岩心中注入实验流体，水速敏用地层水，油速敏用油〔煤油或实际地层原油〕，并测定各个注入速度下岩心的渗透率，从注入速度与渗透率的变化关系上，判断油气层岩心对流速的敏感性，并找出渗透率明显下降的临界流速。如果流量Qi-1对应的渗透率Ki-1，与流量Qi对应的渗透率Ki满足式〔3-1〕：〔1-1〕说明已发生速度敏感，流量Qi-1即为临界流速。速敏程度评价标准见表1-2。表1-2敏感程度评价指标损害程度<30%30%-70%>70%敏感程度弱中等强损害程度的计算见式〔1-2〕：损害程度〔1-2〕式中Kmax——渗透率变化曲线中各渗透率点中的最大值，μm2；Kmin——渗透率变化曲线中各渗透率点小的最小值，μm2。二、水敏评价实验首先用地层水测定岩心的渗透率Kmax然后再用次地层水测定岩心的渗透率，最后用淡水测定岩心的渗透率Kmin，从而确定淡水引起岩心中粘土矿物的水化膨胀及造成的损害程度。评价指标见表1-3。损害程度使用公式〔1-2〕。表1-3水敏程度评价指标损害程度<0.30.3-0.7>0.7水敏程度弱中等强\n三、盐敏评价实验通过向岩心注入不同矿化度等级的盐水〔按地层水的化学组成配制〕，并测定各矿化度下岩心对盐水的渗透率，根据渗透率随矿化度的变化来评价盐敏损害程度，找出盐敏损害发生的条件。对于盐敏评价实验，第一级盐水为地层水，将盐水按一定的浓度差逐级降低矿化度，直至注入液的矿化度接近零为止，求出的临界矿化度为Cc。如果矿化度Ci-1对应渗透率Ki-1与矿化度Ci对应的渗透率Ki之间满足下述关系：〔3-3〕说明已发生盐敏，并且矿化度Ci-1，即为临界矿化度Cc。四、碱敏评价实验通过注入不同pH值的地层水并测定其渗透率，根据渗透率的变化来评价碱敏损害程度，找出碱敏损害发生的条件。不同pH值盐水的制备，根据实际情况，一般要从地层水的pH值开始，逐级升高pH值，最后一级盐水的pH值可定为12。临界pH值确实定与盐敏实验中临界矿化度确实定方法相同。五、酸敏评价实验酸敏实验的具体作法是：〔1〕用地层水测根底渗透率K1〔正向〕；〔2〕反向注入0.5～1.0倍孔隙体积的酸液，关闭阀门反响1～3h；〔3〕用地层水正向测出恢复渗透率K2。酸敏伤害程度用K2与K1的比值〔K2/K1〕来评价，评价方法见表1-4。表1-4酸敏程度评价指标K2/K1<0.3>0.7≥1酸敏程度强中等弱无五敏评价实验所得的结果可直接用于保护油气层技术确实定，具体应用方法见表1-5。\n表1-5五敏实验结果的应用项目在保护油气层技术方面的应用速敏实验〔包括油速敏和水速敏〕1、确定其它几种敏感性实验〔水敏，盐敏，酸敏，碱敏〕的实验流速。2、确定油井不发生速敏损害的临界流量。3、确定注水外不发生速敏损害的临界注入速率，如果临界注入速率太小，不能满足配注要求，应考虑增注措施水敏实验1、如无水敏，进入地层的工作液的矿化度只要小于地层水矿化度即可，不作严格要求。2、如果有水敏，那么必须控制工作液的矿化度大于Cc。3、如果水敏性较强，在工作液中要考虑使用粘土稳定剂盐敏实验1、对于进入地层的各类工作液都必须控制其矿化度在工作液矿化度>Cc范围。2、如果是注水开发的油田，当注入小的矿化度比Cc要小时，为了避免发生水敏损害，一定要在注入水中参加适宜的粘土稳定剂，或对注水井进行周期性的粘土稳定剂处理碱敏实验1、对于进入地层的各类工作液都必须控制其pH值在临界pH值以下。2、如果是强碱敏地层，由于无法控制水泥浆的pH值在临界pH值之下，为了防止油气层损害，建议采用屏蔽式暂堵技术。3、对于存在碱敏性的地层，在今后的三次采油作业中，要防止使用强碱性的驱油流体〔如碱水驱油〕。酸敏实验1、为基质酸化设计提供科学依据。2、为确定合理的解堵方法和增产措施提供依据。第三节注水水质标准确定在注水过程中控制注入水质是预防地层损害，提高注水效果的最直接主最重要的途径。不合格的注入水质主要从两方面引起地层损害：一方面是注入水与地层岩石不配伍造成损害；另一方面是注入水与地层流体不配伍造成损害，因此制定合理的注水水质指标，严格进行注入水水质处理是注水工程设计的关键内容。注入水水质是指溶解在水中的矿物盐、有机质和气体的总含量，以及水中悬浮物含量及其粒度分布。水质指标可分为物理指标和化学指标两大类。通常，物理指标是指水的温度、相对密度、悬浮物含量及其粒度分布、石油的含量。注入水的化学指标是指盐的总含量、阳离子〔如钙、镁、铁、锰、钠和钾等〕的含量、阴离子〔如重碳酸根、碳酸根、氯离子、硫离子〕的含量、硬度与碱度、氧化度、pH值、水型、溶解氧、细菌等等。对于某一特定的油气层，合格的水质必须满足注入水与地层岩石及其流体相配伍的物理和化学指标。一般注入水应满足以下要求：\n〔1〕机械杂质含量及其料径不堵塞喉道；〔2〕注入水中的溶解气、细菌等造成的腐蚀产物、沉淀不造成油气层堵塞；〔3〕与油气层水相配伍；〔4〕与油气层的岩石和原油相配伍。目前，我国有关部门已制订了注入水水质标准，表1-6就是我国石油工业制订的碎屑岩油田注入水水质标准。要强调的是，不同的油气层应有与之相应的合格水质，切忌用一种水质标准来对所有不同类型的油气层的注入水水质进行比照评价。表1-6推荐水质主要控制指标注入层平均空气渗透率μm2<0.1>0.6标准分级A1A2A3B1B2B3C1C2C3控制指标悬浮固体含量，mg/L<1.0<2.0<3.0<3.0<4.0<5.0<5.0<6.0<7.0悬浮物颗粒直径中值，μm<1.0<1.5<2.0<2.0<2.5<3.0<3.0<3.5<4.0含油量，mg/L<5.0<6.0<8.0<8.0<10<15<15<20<30平均腐蚀率，mm/a<0.076点腐蚀A1，B1，C1级：试片各面都无点腐蚀A2，B2，C2级：试片有轻微点蚀A3，B3，C3级：试片有明显点蚀SRB菌，个/mL0<10<250<10<250<10<25铁细菌，个/mLn×102n×103n×104腐生菌，个/mLn×102n×103n×104注：1、10.6标准分级A1A2A3B1B2B3C1C2C3控制指标悬浮固体含量，mg/L<1.0<2.0<3.0<3.0<4.0<5.0<5.0<6.0<7.0悬浮物颗粒直径中值，μm<1.0<1.5<2.0<2.0<2.5<3.0<3.0<3.5<4.0含油量，mg/L<5.0<6.0<8.0<8.0<10<15<15<20<30平均腐蚀率，mm/a<0.076点腐蚀A1，B1，C1级：试片各面都无点腐蚀A2，B2，C2级：试片有轻微点蚀A3，B3，C3级：试片有明显点蚀SRB菌，个/mL0<10<250<10<250<10<25铁细菌，个/mLn×102n×103n×104腐生菌，个/mLn×102n×103n×104注：1、1