注水水质指标及水处理工艺设计教材文档格式.docx
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（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、岩石表面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部分，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，而孔隙度与渗透率则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
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基本参数。
其中与油气层损害关系比较密切的是渗透率，因为它是孔喉的大小、均匀性和连通性三者的共同体现。
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部分属于化学性质比较稳定的类型，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，这部分矿物就称为油气层敏感性矿物。
它们的特点是粒径小很（<
37μm），比表面大，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应造成的油气层损害，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：
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，呈部分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表面生长，表面积大，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。
若被酸蚀后，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
岩石表面被液体润湿（铺展）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，水通常吸附于颗粒表面或占据小孔隙角隅，油气则占孔隙中间部位；
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。
当岩石表面亲水时，毛管力是水驱油的动力；
当岩石表面亲油时，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；
否则微粒难以运移。
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
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
0.3
0.3-0.7
0.7
水敏程度
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值的确定与盐敏实验中临界矿化度的确定方法相同。
五、酸敏评价实验
酸敏实验的具体作法是：
（1）用地层水测基础渗透率K1（正向）；
（2）反向注入0.5～1.0倍孔隙体积的酸液，关闭阀门反应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
≥1
酸敏程度
无
五敏评价实验所得的结果可直接用于保护油气层技术的确定，具体应用方法见表1-5。
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，则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，一定要在注入水中加入合适的粘土稳定剂，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，要避免使用
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：
（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对比评价。
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
0.1-0.6
0.6
标准分级
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
控
制
指
标
悬浮固体含量，mg/L
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
悬浮物颗粒直径中值，μm
1.5
2.5
3.5
含油量，mg/L
8.0
10
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/mL
25
铁细菌，个/mL
n×
102
103
104
腐生菌，个/mL
注：
1、1<
n<
10；
2、清水水质指标中去掉含油量。
在制定水质指标时除了以上各项指标外，还应注意注入水矿化度和pH值的确定。
有条件许可的情况下应保证注入水矿化度高于盐敏评价实验中所测定的临界矿化度，这样才能防止注水时水敏损害的发生。
若注入水源矿化度低于临界矿化度，则必须采取防膨措施。
注入水的pH值确定应控制在7±
0.5为宜，也可在6.5-PHc之间。
第四节结垢预测
当注入水注入地层后，如果与地层水不配伍将生成一定量的不溶物，这就是我们通常所说的结垢问题。
目前预测结垢趋势的方法主要有两种，一种是按照注入水和地层水中各种阴、阳离子的浓度以及所处温度、压力等条件，通过计算进行预测；
另一种方法是直接将两种水在一定条件下按一定比例混合后放置起来，观察析出沉淀情况。
根据化学的溶度积原理，当两种水（注入水与注入水，或注入水与地层水）相混合，如果某化合物的阳离子浓度（mol/L）与阴离子浓度（mol/L）的乘积大于该化合物的溶度积时，可能有沉淀生成。
几种难溶化合物溶度积常数见表1-7。
表1-7难溶化合物溶度积常数
化合物名称
溶度积（25℃）
BaSO4
1.1×
10-10
SrSO4
2.8×
10-7
CaCO3
4.8×
CaSO4
6.1×
10-5
FeS
4.0×
10-19
BaCO3
8.0×
10-9
SrCO3
1.0×
Fe（OH）3
3.8×
10-38
Mg（OH）2
5×
10-12
Fe（OH）2
10-16
MgCO3
1×
第五节油田注水水质处理
在水源确定的基础上，一般要进行水质处理。
水源不同，水处理的工艺也就不同，现场上常用的水质处理措施有以下几种：
（1）沉淀；
（2）过滤；
（3）杀菌；
（4）脱氧；
（5）化学剂注入。
本设计介绍四种水源的处理方法。
一、浅层地下水水质处理
1、除铁
（1）方法：
地下水中铁质的主要成分是二价铁，通常以Fe（HCO3）2的形态存在。
二价铁极易水解，生成Fe（OH）2，氧化后形成Fe（OH）3，易堵塞地层。
除铁方法一般采用物理或化学方法。
（2）工艺流程：
见图1-3。
图1-3地下水锰砂除铁工艺流程图
1—地下水源井来水；
2—锰砂除铁滤罐；
3—缓冲水罐；
4—输水泵；
5—输水管线
2、除悬浮物
地下水因地层的过滤作用悬浮物含量较少，在除铁的同时也可将大部分悬浮物除去，而达到高渗透油田注水水质标准。
但用于低渗透油田注水时，还需在除铁后再进行深度处理。
工艺流程见图1-4。
图1-4地下水除悬浮固体工艺流程图
3—石英砂滤罐；
（精细过滤罐）；
4—缓冲水罐；
5—输水泵；
6—输水管线
二、地面水处理
1、工艺流程
地面水是指江河、湖泊、水库内的水。
图1-5是地面水处理主要工艺流程图。
该流程随着对处理后水质的要求不同而有所变化，当水中泥砂含量高时，应考虑在反应沉淀池前加预沉池。
图1-5地面水处理流程框图
1—地面水源来水；
2—取水泵；
3—药水混合器；
4—反应沉淀池；
5—滤池；
6—吸水池；
7—输水泵
2、水处理药剂（絮凝剂）
详见表1-8。
表1-8油田注水用清水或含油污水处理常用絮凝剂、缓蚀阻垢剂、杀菌剂的性能表
种类
序
号
名称
分子式及详细名称
性质及组成的
主要部分
主要技术指标
絮
凝
剂
1
硫酸铝
Al2（SO4）3·
18H2O
白色结晶状，易溶于水
相对密度：
0.7～1.62，Al2O3
含量14%～18%
2
聚合氯化铝
[Aln（OH）nCl3-n]m
固体为黄色透明体
固体Al2O3：
30%～40%，液体
Al2O3：
10%，相对密度：
1.2，
PH值3.5～5.0
3
硫酸亚铁
FeSO4·
7H2O
块状结晶体
含FeSO4·
7H2O：
95%,FeSO4：
52%，相对密度：
1.89
4
反相破乳剂
淡黄色液体
有效含量≥50%，pH值3.5～5.0，相对密度≥1.16
5
高分子聚丙烯酰胺
胶体状或白色粉状
胶体有效含量：
8%～10%，粉状：
90%以上
缓
蚀
阻
垢
6
丙烯酸-2-甲基-2′-丙烯酰胺基丙烷磺酸类聚合物
淡黄色至金黄色液体
相对密度≥1.05，有效含量≥30%
7
AA―AMPS―HPA三元共聚物
相对密度≥1.06，有效含量≥28%
8
氨基三甲叉磷酸
C3H12NO9P3
1.3～1.4，有效含量≥50%，pH值2～3
9
乙二胺四磷酸
C6H20N2P4O12
黄棕色透明液体
1.3～1.4，有效含量≥28%，pH值9～10
羟基乙叉二磷酸
C2H8O7P2
棕黄色或浅绿色油状液体
有效含量≥55%
11
聚丙烯酸
[C2H2―CH],a―COOH
无色或淡黄色液体
有效含量≥25%，聚合率：
95%
12
水解聚马兰酸酐
棕黄色透明粘稠性液体
有效含量≥50%，pH值2左右，相对密度≥1.20
杀菌剂
13
洁尔灭
十二烷基二甲基苄基氯化按
淡黄色蜡状物，溶于水
有效含量（40±
2）%
14
戊二醛
液体，溶于水
稳定性二氧化氯
有效含量≥2%
三、含油污水处理
图1-9是目前油田上常用的重力式混凝除油、石英砂压力过滤处理含油污水工艺流程图。
图1-9含油污水处理流程图
1—除油罐；
2—沉降罐；
3—提升泵；
4,5—一、二过滤罐；
6—净水水罐；
7—污水回收池；
8—回收水泵
四、脱氧处理
氧是造成注水系统腐蚀的最主要、最直接的因素，也是其
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