USST_Arts_117121354 低渗透油田回注水水质恶化的分析研究
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摘 要
目前，注水驱油技术已得到了广泛的应用，为了充分的利用水资源和保护环
境，注水油田逐步采用将产出水处理后进行回用，将处理后的水作为注水水质；
但随着回注水驱油的深入，管线中回注水水质恶化（主要是含油量和总悬浮固体
含量严重超标）的问题也逐渐的暴露出来；此外，由于低渗透区块具有储层埋藏
深、储层物性差、非均质性强等特点，对于水质的要求更为苛刻，因此，油田低
渗透区块回注水水质恶化的问题越来越受到广泛的关注。
由于回注水水质恶化的问题导致地层受到污染严重，注水压力不断升高，注
水难度增大，极大的降低了驱油效果。本文针对当前低渗透油田回注水水质恶化
的问题作了全面而深入研究，所研究的水质主要来源于辽河油田，该油田主要采
用B1 级注水水质标准，随着注水的深入，管线中回注水水质中的含油量和总悬
浮物含量分别由水处理站出口处的 1.71mg/L 和6.00mg/L 增加到注水站出口处的
32.14mg/L 和394mg/L，严重的超出了国家标准。为了科学的解释水质恶化的原
因和现象，找到解决水质恶化的办法，以确保低渗透油藏区实现有效的注水，本
文首先利用 ICP-AES、IC、哈希 DR2800 等仪器沿注水流程进行了水质中相应指
标的全面检测分析，其中，选取了注水流程中的水处理站、注水站、注水井、井
底4个构筑物，共 14 个检测点中的 19 种相关的阴、阳离子，3种微生物和其它
6种指标；并且，根据上述的水质检测，发现了该水质中的铁含量的变化较大，
给出了水质的定性评价，得出了处理站出水水质的腐蚀倾向很大，进而利用
CHI604D 电化学工作站对该水质的腐蚀性做了深入的研究，定量的说明了该水质
对管线（管材为 15CrMo 合金钢）的腐蚀程度较大；其次，采用模拟现场注水实
验的方法进一步验证了管线的腐蚀对于水质中含油量和总悬浮固体含量的影响，
并且，通过对悬浮固体进行 SEM-EDS 能谱分析和 XRD 化合物分析最终确定了管
线腐蚀的产物对于水质恶化的作用；最后，通过建立腐蚀产物（Fe2+）与油滴脱
稳、总悬浮固体含量的数学模型关系，进一步从机理上解释和说明了管线腐蚀是
回注水水质恶化的主要影响因素。
此外，针对上述所研究的结论，本文最后还给出了初步的解决方案和相应的
经济评价。
关键词：回注水质 油滴脱稳 油含量 管线腐蚀
ABSTRACT
Currently, the water injection technology is applied widely in most of the oil
fields. Meanwhile, the produced water is re-injected to decrease environmental
pollution and save resources. With the deepening of the waterflooding, the
deterioration of injection water quality (mainly oil content and total suspended solid
content exceed criterion badly) is gradually exposed in pipeline. Besides, the
requirement of injection water quality is more strictly with reservoir burial depth, poor
reservoir property, strong heterogeneity in the low permeability blocks. Therefore, it
has attracted widespread attention that the deterioration of injection water quality in
the low permeability blocks.
The deterioration of injection water quality leads to a lot of problems, like that
formation is polluted, the pressure and difficulty of water injection is rising. However,
it reduced the effect of the production. A comprehensive and in-depth research on the
deterioration of injection water quality has been done in the paper. The injection water
comes from the Liaohe oilfield, and B1 is the executive standard. The concentrations
of TSS in the water (named A#) from Water Treatment Station and the water (named B#)
from Water Injection Well were 6 mg/L and 394 mg/L, respectively. And the
concentrations of oil in the A# water was 1.71 mg/L, whereas the concentrations in the
B# water was 32.14 mg/L. The goal of this paper is to expound the phenomenon and
investigate the mechanism of deterioration of the injection water quality. However, at
first a comprehensive water quality testing was made by ICP-AES, IC, DR2800,
Mastersizer 2000 etc., and 4 structures were choosed from the whole process of water
injection. A qualitative evaluation of the injection water was procided. In addition, a
large change about the Fe content in different structures was found, and the corrosive
properties of the A# water from WTS was researched by CHI604D. Then the simulated
experiment was conducted to better explain the effects of pipeline corrosion on the
injection water, and the TSS from WTS and WIW were characterized using the
Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), scanning electron microscope (SEM)
and X-ray diffraction analysis (XRD), It revealed that the effect of the corrosion
product on the deterioration of the injection water quality. Finally, the simulation
model for oil, TSS and ferrous ions contents was established to explain quantitatively
the relevance between the corrosion of pipeline and the deterioration of injection water
quality. However, it is concluded that pipeline corrosion is the dominating reason for
deterioration of injection water quality.
In addition, the preliminary solutions and the corresponding economic evaluation
were given in this paper at last.
Key Word：injection water quality, destabilization of oil droplets, oil
content, pipeline corrosion
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.............................................................................................................1
1.1 国内外注水技术及水质研究现状 .................................................................1
1.1.1 国外分层注水工艺现状 ......................................................................1
1.1.2 国内分层注水工艺现状 ......................................................................1
1.1.3 国外有关注水水质的标准探讨 ..........................................................2
1.1.4 国内有关注水水质的标准探讨 ..........................................................2
1.2 研究的目的、理论意义及实际应用价值 .....................................................3
1.2.1 研究目的 ..............................................................................................3
1.2.2 理论意义 ..............................................................................................3
1.2.3 实际应用价值 ......................................................................................3
1.3 问题的提出及分析 .........................................................................................4
1.3.1 分析依据 ..............................................................................................4
1.3.2 分析内容 ..............................................................................................4
1.3.3 分析论据 ..............................................................................................5
1.4 基本思路及研究路线 .....................................................................................5
1.4.1 基本思路 ..............................................................................................5
1.4.2 研究路线 ..............................................................................................5
1.5 水质检测分析理论 .........................................................................................6
1.5.1 水质定性判定理论依据 ......................................................................6
1.5.2 水质腐蚀性研究依据 ..........................................................................7
1.6 因素测定方法综述 .......................................................................................12
1.6.1 仪器测定 ............................................................................................12
1.6.2 国家标准方法 ....................................................................................14
1.7 本章小结 .......................................................................................................16
第二章 注水水质的全分析检测 ...............................................................................17
2.1 水质检测研究概述 .......................................................................................17
2.1.1 研究思路 ............................................................................................17
2.1.2 分析方法 ............................................................................................17
2.1.3 水质常规检测结果 ............................................................................18
2.2 水质中指标含量统计及分析 .......................................................................18
2.2.1 水质中阳离子在不同位置的含量变化曲线图 ................................18
2.2.2 水质中阴离子在不同位置的含量变化曲线图 ................................20
2.2.3 水质中其它指标在不同位置的含量变化曲线图 ............................22
2.2.4 水质中 3种微生物在不同位置的含量变化图 ................................23
2.2.5 水质中溶解性有机物（DOM）在不同位置的含量变化图...........24
2.3 水质中重要指标间的含量关系 ...................................................................25
2.3.1 相关指标与固体悬浮物间的量化关系 ............................................26
3.3.2 相关指标与含油量间的量化关系 ....................................................30
2.3.3 总悬浮固体和含油量的量化关系 ....................................................33
2.3.4 总悬浮固体、滤膜系数和含油量的量化关系 ................................34
2.3.5 总悬浮固体、总铁和含油量的量化关系 ........................................35
2.3.6 总悬浮固体、总矿化度和含油量的量化关系 ................................35
2.4 本章小结 .......................................................................................................36
第三章 注水水质的定性评价 ...................................................................................37
3.1 水质的腐蚀与结垢倾向判定 .......................................................................37
3.2 水质在不同位置的优劣性评价 ...................................................................37
3.2.1 利用滤膜系数对水质进行定性评价 ................................................37
3.2.2 对水样中油滴粒径（MD）的研究..................................................38
3.3 本章小结 .......................................................................................................41
第四章 注水水质的腐蚀性研究 ...............................................................................42
4.1 腐蚀体系的稳态测量实验 ...........................................................................42
4.1.1 实验说明 ............................................................................................42
4.1.2 实验内容及方法 ................................................................................42
4.1.3 实验结果 ............................................................................................42
4.2 腐蚀体系的暂态测量实验 ...........................................................................48
4.2.1 实验目的 ............................................................................................48
4.2.2 实验内容及方法 ................................................................................48
4.2.3 实验结果 ............................................................................................48
4.3 本章小结 .......................................................................................................50
第五章 模拟注水实验研究 .......................................................................................51
5.1 模拟实验说明 ...............................................................................................51
5.1.1 模拟实验水的来源 ............................................................................51
5.1.2 模拟实验装置说明 ............................................................................51
5.2 模拟实验结果及分析 ...................................................................................52
5.2.1 模拟实验的水质变化结果及分析 ....................................................52
5.2.2 模拟实验产生的悬浮物元素成分结果及分析 ................................53
5.3 本章小结 .......................................................................................................54
第六章 现场注水水质中悬浮物的成分研究 ...........................................................55
6.1 水中悬浮物的研究思路 ...............................................................................55
6.1.1 研究思路 ............................................................................................55
6.1.2 分析方法 ............................................................................................55
6.2 悬浮物扫描电镜及元素能谱的测定结果 ...................................................56
6.2.1 扫描电镜（SEM）的结果分析........................................................56
6.2.2 X 射线能谱分析（EDS）结果.........................................................57
6.3 悬浮物中化合物的测定结果（XRD）.......................................................60
6.3.1 处理站处的悬浮固体 ........................................................................60
6.3.2 注水站处的悬浮固体 ........................................................................60
6.3.3 井底处的悬浮固体 ............................................................................60
6.4 元素及化合物检测结果分析 .......................................................................61
6.4.1 元素检测结果综合分析 ....................................................................61
6.4.2 化合物检测结果综合分析 ................................................................64
6.5 本章小结 .......................................................................................................65
第七章 注水水质中乳化油滴脱稳模型的建立 .......................................................66
7.1 铁离子对纳米级乳化油滴的破乳理论 .......................................................66
7.1.1 乳化油滴稳定性理论 ........................................................................66
7.1.2 乳化油滴脱稳理论 ............................................................................67
7.1.3 腐蚀产物破坏乳化油滴稳定性的分析 ............................................69
7.2 铁离子对纳米级乳化油滴破乳实验 ...........................................................70
7.2.1 实验说明 ............................................................................................70
7.2.2 实验内容及方法 ................................................................................70
7.2.3 实验结果 ............................................................................................70
7.3 实验结果的分析及数学量化关系的建立 ...................................................72
7.3.1 实验 1#结果分析 ...............................................................................72
7.3.2 实验 2#结果分析及建模 ...................................................................75
7.4 本章小结 .......................................................................................................77
第八章 解决方案及经济评价 ...................................................................................78
8.1 解决方案 .......................................................................................................78
8.1.1 具体的方案阐述 ................................................................................78
8.1.2 加入缓蚀剂后的腐蚀速率测定 ........................................................79
8.1.3 实验结果的总结与评价 ....................................................................83
8.2 经济评价 .......................................................................................................84
8.3 本章小结 .......................................................................................................85
第九章 结论与建议 ...................................................................................................86
9.1 结论...............................................................................................................86
9.2 建议...............................................................................................................87
参考文献 .....................................................................................................................88
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .........................................96
致 谢.........................................................................................................................97
附 录.........................................................................................................................98
附录一 注水水质主要控制指标（推荐指标）...........................................98
附录二 RSI 温度系数 B经验式...................................................................99
附录三 哈希 DR2800 测定硫化物的过程图 .............................................100
附录四 哈希 DR2800 测定硫酸盐的过程图 .............................................101
附录五 哈希 DR2800 测定磷酸盐的过程图 .............................................102
附录六 哈希 DR2800 测定二价铁离子的过程图 .....................................103
附录七 注水水质全检测结果列表.............................................................104
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 国内外注水技术及水质研究现状
随着油田逐步进入三次采油阶段，地层中油藏的油含量大量减少，传统的混
合注水方式存在不同层段的进水不均，进水量少或不进水的油层段的原油不能驱
替等问题；在此基础上，提出了精细注水方式，为了满足油藏精细注水的要求，
分层注水工艺技术随之产生[1-4]。分层注水工艺技术一般包括井下分层注水管柱和
井下测试调配工艺技术两部分。目前国内外的分层注水管柱按受力特点基本上可
分为悬挂式和锚定式两种类型[5-8]。
1.1.1 国外分层注水工艺现状
国外注入水水质处理工艺较为先进，注入水基本上不会堵塞地层，洗井解堵
的周期比较长，在注水过程中也没有不动管柱洗井的要求；因此，注水封隔器没
有设置洗井通道，结构较为简单，减少了烦琐的定期洗井工序，大大延长了管柱
的使用寿命。据此可知，注水水质的处理优劣对于注水结构具有极为重要的意义。
分层注水工艺相对简单主要是分层注水完井工艺，配水主要采用井口流量调节器
和井下流量调节器进行定量配水，一般不需要进行井下流量测试，不配套专门的
井下流量测试技术，管柱寿命可达 3年以上[9]。此外，按照井下管柱数量，国外分
层注水工艺管柱可分为单管注水工艺管柱和多管注水工艺管柱[9]。
1.1.2 国内分层注水工艺现状
国内的分层注水工艺主要由分层注水工艺管柱及分层测试、调配工艺组成。
目前国内的分层注水管柱可以分为单管分注、双管分注和油套分注等几种类型[10]。
当前同心双管分注和油套分注工艺，由于分注层数较少，正逐渐被淘汰；单管分
注工艺技术是最为常见的，其分层注水管柱主要由封隔器、配水器和其它配套工
具组成[11]。国内的分层注水管柱大多数采用悬挂式结构，根据配水器的结构不同，
主要分为空心分层注水管柱和偏心分层注水管柱，一般分层注水为 2-3 层。其中，
空心分层注水管柱最多可分注 5层，偏心分层注水管柱理论上最多可分注 8层
[12-13]。通过不断的改进完善，这些技术为油田的注水开发、稳产、高产发挥了积
极和重要的作用。但随着油田开发难度的增加以及油田精细开发和提高采收率要
求的提高，分层注水工艺技术在应用过程中已暴露出一些问题，已不能很好的适
应油田注水开发的需要[14-15]。
上海理工大学硕士学位论文
2
1.1.3 国外有关注水水质的标准探讨
关于水质的评定，美国腐蚀工程师协会（NACE）曾指出任何不溶性物质，
如：部分腐蚀产物、水垢、粘土、淤泥、油、不溶性化学处理物质、细菌、藻类
等都将降低水质；并且油层渗透率越低，对水质的要求就越高。按美国 Amoco
公司推荐，可根据相对堵塞指数（RPI）来衡量注水水质[16-17]，见表 1-1。
表1-1 堵塞指数与对应的水质评价列表
RPI 水质评价
<3 水质优
3~10 水质良
10~15 水质可疑
>15 水质差
此外，美国石油协会（API）的水质分析报告中列出的分析项目主要有：阳离
子Na、Ca、Mg、Ba、Fe（总量）；阴离子有 2 2
4 3 3
Cl SO SO
、 、 、
HCO
；总溶解固形
物；其它性能（pH等）。
1.1.4 国内有关注水水质的标准探讨
大量的油田开发实践表明，注水水质是影响注水工艺和效果的主要因素之一，
尤其对中低渗透油藏更是如此。低渗透油藏产量低，对水质指标的要求更为严格。
本文根据国内大量相关的标准和文献[18-33]提出以下几个指标的检测及分析：
悬浮固体：悬浮固体通常是指在水中不溶解而又存在于水中不能通过过滤器
的物质；按照国家标准规定，悬浮固体是指采用平均孔径为0.45µm的纤维素脂微
孔膜过滤，经汽油或石油醚溶剂洗去原油后，膜上不溶于油水的物质；但在本项
目中的悬浮固体是指采用平均孔径为0.45µm的纤维素脂微孔膜过滤，滞留在滤膜
上所有的物质（包含油类物质），这主要是由于固体悬浮物测试的目的是检查堵塞
地层的孔隙通道的物质，油和固体类物质都有堵塞的作用，故而要将此类物质加
入到悬浮固体的指标中；
悬浮物颗粒直径中值：是指水中颗粒的累积体积占颗粒总体积50%时的颗粒直
径；本文中所测定的粒径中值主要为油滴粒径；
含油量：指在酸性条件下，水中可以被汽油或石油醚萃取出的石油类物质；
铁细菌：能从氧化二价铁中得到能量的一群细菌，形成的氢氧化铁可在细菌
膜鞘的内部或外部储存；
腐生菌（TGB）：在一定条件下，它们从有机物中得到能量，产生粘性物质，
第一章 绪 论
3
与某些代谢产物累积沉淀可造成堵塞；
硫酸盐还原菌（SRB）：是指在一定条件下能够将硫酸根离子还原成二价硫离
子，进而形成副产物硫化氢，对金属有很大腐蚀作用的一类细菌，腐蚀反应中产
生硫化铁沉淀可造成堵塞；
倘若注水管线的腐蚀性较强的话，还需要考虑平均腐蚀速率（mm/a）、溶解氧、
硫化物、侵蚀性二氧化碳、亚铁、pH值等指标。按照国家标准规定，水质主要控
制指标见附录一所示。
此外，目前国内普遍采用的净化污水方法是：重力沉降除油、粗滤除油、混
凝除油、过滤的机械净化工艺流程等。目前，就在流程中的哪个位置添加污水处
理剂还存在一定的争议[34-37]。
1.2 研究的目的、理论意义及实际应用价值
1.2.1 研究目的
本文的主要研究目的在于找出使注水水质恶化（含油量和悬浮固体含量）的
主要影响因素并给出其反应机理，针对所得出的影响因素提出合理的解决措施，
并且加以合理的经济评价。从深层次上的主要目的在于探究铁离子对于乳化油滴
稳定性的作用，并拟合建立数学模型关系。
1.2.2 理论意义
从国内外的油田污水回注资料来看，各国对水质的具体要求各不一样，油田
的注水水质标准各不相同，因而对回注水水质恶化的原因研究较少；我国注水开
发油田油藏的类型多而且采用分层注水工艺，对于确定回注污水最佳净化程度具
有很大的难度，目前国内外还没有形成一种确定回注污水最佳净化程度的好方法
[38]；故而，借助对注水水质的检测分析，提出评价该水质稳定性的主要指标或净
化该水质的方法，为保障注水水质提供有效的理论依据具有非常重要的意义。
1.2.3 实际应用价值
油田注水是补充地层能量，保持油田稳产，提高采收率的重要举措之一，油
田污水作为注水水源回注地层既有利于保护环境，又又比其他水源较好的驱油效
果，因而被广泛采用，但油田污水中含有较高的悬浮固体、浮化油、细菌及有害
离子等。因此研究注水水质的问题便显得尤为重要，而且在当前油田注水过程中
时常会出现含油量、悬浮固体超标的现象，而水质中含油量和悬浮固体含量的增
加会严重堵塞微细注水孔，直接影响注水压力，一旦超标会严重影响注水效率并
且存在安全隐患，正因如此，含油量和悬浮固体含量也常常作为水质是否恶化的
标志，因而，对注水水质的研究具有十分重要的现实意义。
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2025-01-09 5
作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：111 页
大小：7.65MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
