气田水通常是指在采气过程中随天然气一同带出地面的地下水[1], 含有大量的重金属、固体悬浮物、各种无机盐、石油类等污染物质。大量气田水被带至地面, 对气田水的处理制约和影响了天然气的生产。如不经处理直接排放会造成土壤板结, 引起地下水污染等环境问题, 那些产水量大和无外排条件的气田水, 一般都采用回注方式进行处置[2-5]。沙二段虽然作为气田水回注的首选层位, 但必须通过水质配伍性实验, 证实气田水异层回注的可行性。若气田水得以回注地层, 不仅具有较好的经济效益, 而且具有重要的环保意义[6, 7]。
选取龙岗001-U3井沙二段作为回注层位基本地质特征分析, 沙二段岩心取样深度为1931.93 m ~1938.81 m, 岩性为灰色细砂岩, 其中石英含量为27%, 长石含量为61%, 粘土矿物绝对含量为11%, 方解石1%。粘土矿物相对含量为高岭石35.2%, 绿泥石35.5%, 伊/蒙间层29.4%, 间层比25%。
岩心孔隙度为5.88%~9.52%, 平均为7.56%;渗透率为0.06×10-3 μm2~0.54×10-3 μm2, 平均0.18×10-3 μm2; 储层压力为23.91 MPa, 温度为50℃。
沙溪庙组储集空间类型以残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔为主, 偶见微裂缝。自生石英和粘土矿物胶结岩石, 粘土矿物呈薄膜状(图 1)。图 1 (b)为图 1 (a)方框的局部放大。
从敏感性矿物和储层特征综合分析, 回注层潜在主要损害形式为酸敏和水敏损害, 其次为应力敏感性、速敏等损害。沙二段作为污水回注层需有理想的裂缝, 做评价实验必须对岩心人工造缝才能满足要求。
长兴组产出水矿化度高, 总矿化度为98.45 g/L; 飞仙关组产出水矿化度较低, 总矿化度仅为26.95 g/L, 水型均为CaCl2型。气田产出水组分分析结果见表 1。
分析回注井气田水处理前的水质监测结果发现, 龙岗气田采出水的主要特点有:
(1) 水中悬浮物含量高, 颗粒粒径大。分析回注井处理前的气田采出水水质, 发现水中悬浮物含量普遍很高, 长兴组污水固悬物含量达到626 mg/L, 飞仙关组污水固悬物含量为255.3 mg/L; 颗粒粒径大, 悬浮固体颗粒粒径小于10 μm的只占9.42%;污水水样中固悬物成分主要是SiO2、CaCO3、S8等。
(2) 低含油率, 高含挥发酚、硫化物等有害物质。气田采出水中含有多种有机物, 其中包括挥发酚、硫化物等有害物质。飞仙关组和长兴组污水含油率 < 0.5 mg/L; 其COD值从几百、几千甚至上万毫克每升不等; S2-含量为820 mg/L~1600 mg/L。
(3) Cl-含量高。气田水中的含盐量普遍较高(见表 1), 对设备、管道将产生严重的腐蚀作用。如某井在2008年11月上试作业时取出油管发现, 油管节箍坑蚀严重, 坑深4.5 mm左右, 其它部位为均匀腐蚀, 分析认为是气田水中Cl-含量较高所致。
针对污水回注过程中可能发生的敏感性损害, 采用行业标准SY/T5358-2002《储层敏感性实验评价方法》, 定量评价了回注层的敏感性损害类型和程度。实验结果为:
(1) 沙二段速敏损害程度为无~弱, 主要原因是储层低渗致密, 成岩作用强, 可移动地层微粒数量少, 难于发生运移, 发生速敏损害机率和程度就很小。因此, 仅从速敏损害角度看, 污水回注无需考虑临界流速。
(2) 沙二段缺乏地层水资料, 标准SY/T5358-2002以及相关文献推荐使用8×104 mg/L标准盐水作为实验工作液; 沙二段根据标准盐水, 实验结果表明沙二段水敏指数为43.50%~66.72%, 平均为55.35%, 损害程度为中等偏弱~中等偏强。根据水敏实验可判断入井液的最佳矿化度为 > 1/2倍标准盐水矿化度, 即 > 4×104 mg/L; 而龙岗气田长兴组产出污水矿化度均大于该矿化度, 因此回注时不会发生水敏性损害。飞仙关组矿化度为2.7×104 mg/L, 单独回注可能会发生水敏, 但是沙二段中水敏性的矿物伊/蒙间层相对含量为29.4%, 间层比25%, 绝对含量低; 如果飞仙关组、长兴组混合回注会预防水敏损害。
(3) 沙二段储层盐酸酸敏损害率为11.38%~61.25%, 酸敏损害程度为中等偏弱~极强; 土酸酸敏损害率为16.10%, 酸敏损害程度为中等偏强。回注层酸化, 预防酸敏损害。
由表 1可知, 气田产出水含有一定量的Ca2+、Mg2+等硬离子, 且HCO3-浓度高, 两层位产出污水是否配伍是决定能否回注的关键参数, 下面通过热力学理论和实验直接评价其配伍性。
结垢预测是参照SY/T0600-1997《油田水结垢趋势预测》, 对污水是否配伍进行热力学预测。
(1)碳酸盐结垢机理与预测。目前常用的预测碳酸钙结垢趋势的方法, 一是Stiff和Davis经验(SI)法, 二是Ryznar提出的稳定指数(SAI)法和饱和指数法, 结果见表 2和表 3。
运用饱和指数法和稳定指数法分别对P2ch、T1f单一产出污水, P2ch:T1f=2:1、P2ch:T1f=1:1、P2ch:T1f=1:2混合水在回注层温度、压力条件下的结垢趋势进行了预测, 结果表明, P2ch、T1f污水回注呈轻度或不结碳酸盐垢趋势。
(2)硫酸盐结垢机理与预测。硫酸盐垢主要为硫酸钙, 硫酸钙(石膏CaSO4·2H2O、硬石膏CaSO4)是采油注水过程中最常见的盐类沉积类型。运用饱和指数方法预测是否结CaSO4垢, 预测结果是饱和度指数都小于0, 为欠饱和状态, 不能形成垢。
从预测结果可知:无论是单一产出水样还是相互混合后水样, 在沙二段储层温度、压力下只可能发生碳酸盐结垢, 不能形成硫酸盐垢。
注入水之间配伍性的好坏, 关系到产出污水能否顺利注入, 一旦不配伍水注入地层, 对回注层造成的伤害将是破坏性的。下面通过静态实验进一步分析其配伍性实验。
(1)实验步骤: ① 先将处理前回注污水和地层水, 排除水样杂质等的干扰; ②将产出污水(P2ch、T1f)按不同比例(1:0、2:1、1:1、1:2和0:1)混合好后, 装入试管中, 然后放入高温高压反应釜, 在储集层温度条件下放置2 h以上; ③观察实验现象, 测定浊度变化, 评价回注污水之间的配伍性。
(2)实验所用水样: ① 2009年7月14日收集的长兴组地层水(P2ch), 龙岗001-2井; ② 2009年7月14日收集的飞仙关组地层水(T1f), 龙岗1井。实验结果见表 4。
根据实验结果分析可知:①长兴组地层水在沙二段储层温度(50℃)下水质变黑, 见少量沉淀, 浊度值变大。其原因是污水在空气中曝氧, 温度再次升高, 硫化物不稳定, 导致其污水变黑; ②按P2ch:T1f =2:1混合水样, 浊度值变大, 并见少量沉淀, 配伍性一般; ③其他水样均表现为配伍, 浊度值小。总体趋势为:随着T1f污水比例增加, 配伍性变好。
在污水回注过程中, 储层敏感性矿物如高岭石、伊/蒙间层、伊利石、绿泥石等, 最容易与注入水发生各种物理化学作用, 其结果是使回注层的吸水能力和注入能力下降, 即发生储层损害, 损害程度可用储层渗透率的下降程度来表示。
为准确评价龙岗气田水异层回注的可行性, 确定合理的气田水回注水质指标, 进行了岩心动态驱替实验研究。
实验选取沙二段储层的天然岩样, 对目的层岩心进行人工造缝, 模拟目的层在具有裂缝情况下的回注情况。根据渗透率变化程度评价产出水与储层间的配伍性。
实验步骤:
(1) 岩心人工造缝并测出缝宽, 测试基本物性参数;
(2) 真空饱和相应的地层水, 浸泡24 h以上;
(3) 地层水驱替岩心, 流速控制在临界流速以下(最好为0.8倍临界流速), 避免微粒运移, 驱替稳定后测试渗透率Ki;
(4) 注入水驱替10 PV、20 PV、30 PV、40 PV、50 PV、60 PV、80PV, 测其相应的渗透率Kr;
(5) 根据注入污水80 PV后岩心渗透率Ki和原始地层水渗透率Kr比率判断其配伍性。一般来说, 若Ki/Kr≥0.70, 则配伍性好, 无伤害;
(6) 分别评价单一气田产出水(P2ch; T1f)、不同比例的混合产出水(P2ch: T1f=2:1;P2ch: T1f=1:1;P2ch: T1f=1:2)与沙二段回注层岩心动态流动实验, 重复上述实验步骤。结果见表 5。
由表 5可以看出, 在驱替80PV时, P2ch产出水对沙二岩心造成的损害率平均为66.91%, 损害程度为中等偏强; P2ch:T1f=2:1混合污水对沙二岩心造成的损害率平均为48.34%, 损害程度为中等偏强; P2ch: T1f=1:1混合污水对沙二岩心造成的损害率平均为38.35%, 损害程度为中等偏弱; P2ch:T1f=1:2混合污水对沙二岩心造成的损害率平均为40.01%, 损害程度为中等偏弱; T1f产出水对沙二岩心造成的损害率平均为51.66%, 损害程度为中等偏强。因此, 为避免沙二段储层的回注能力减弱, 气田水尽量在P2ch:T1f= (1:1) ~ (1:2)混合比例之间进行混注。通过对比观察实验前后岩心电镜发现, 造成岩心渗透率降低的主要原因是岩心缝面被盐析晶体、悬浮固相等覆盖在表面, 对岩心造成一定伤害。
(1) 将同一层位的岩心碎块烘干, 捣碎;
(2) 按沉降法抽提粘土进行X射线衍射分析, 对回注层位进行X射线衍射粘土矿物分析;
(3) 将抽提的粘土分别放入5种混合水中(1号P2ch:T1f=1:0;2号P2ch: T1f=0:1;3号P2ch:T1f=2:1;4号P2ch: T1f=1:1;5号P2ch:T1f=1:2)浸泡, 在沙二段储层温度下密闭浸泡一周; 做X衍射分析, 并与浸泡之前做对比分析(重点是粘土矿物)。
重点对比浸泡前后粘土矿物衍射曲线可以发现:储层粘土矿物主要有高岭石、绿泥石和伊利石, 在五种混合水水样中浸泡一周后, X衍射曲线没有发生明显变化, 说明粘土矿物的成分和含量没有明显变化, 混合水样对沙二段岩心的敏感性矿物的影响小。
通过实验前后岩心的电镜观察发现, 混合水样对岩心做驱替实验后, 盐析晶形发育好并充填孔隙或覆盖在颗粒表面, 在缝面及断面均可见大量的悬浮固相覆盖在表面上, 岩心表面形态变得模糊不清, 说明污水回注对目的层岩心造成一定的伤害。
另外, 本文建立了四级污水对沙二段岩心做驱替实验, 通过流动实验评价综合指标下污水使储层渗透率降低的程度, 结合实际情况, 推荐适用于该区污水回注过程中的水质标准。由于产出污水中含油率低, 因此本次评价不做重点评价, 结果见表 6。
由表 6可以看出, 随着对水质要求的提高, 驱替后岩心渗透率的保留率也逐步增高, 四级污水水样对岩心的损害程度已控制在30%之内, 直接回注对地层的损害很小, 达到回注要求, 当然这对现场的注水工艺也提高了要求。渗透率较高的岩心对颗粒粒径大小和固悬物含量更加敏感。现场可根据实际情况, 将水样水质指标控制在SS≤20 mg/L, d≤3 μm, 其他指标参考行业标准。
(1) 根据储层敏感性实验可知, 储层无速敏; 中等偏弱~中等偏强的水敏性; 中等偏强的酸敏。
(2) 无论是单一产出水样还是相互混合后水样, 在沙二段储层温度、压力下只可能发生碳酸盐结垢, 不能形成硫酸盐垢。
(3) 从静动态配伍性实验结果可知, 混合水样对沙二段岩心的敏感性矿物的影响小, 回注沙二段储层的污水最佳比例为P2ch:T1f= (1:1) ~ (1:2)。
(4) 推荐气田水回注的水质指标为:固悬物含量SS≤20 mg/L, d≤3 μm, 其他指标参考行业标准。
2010, Vol. 39 Issue (6): 505-509
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