注水水质对海上油田笼统注水开发影响实验研究

侯 岳，陈 斌，敖文君，王成胜，田津杰，阚 亮，季 闻

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

海上油田常用笼统注水的开发方式，水质问题是影响开发效果的重要因素之一[1-4]。目前大部分的海上油田的注入水以清水、污水混合注入为主，注水水质基本达标，其中部分油田注入水中二价铁、三价铁含量超标，含量在2.0 mg/L～4.0 mg/L[5-7]。由于二价铁活性的极不稳定，与混入的溶解氧反应生成三价铁，三价铁易生成氢氧化铁胶体，胶体失稳最终变为氧化铁沉淀，造成注入水中固体悬浮物含量上升，注水水质变差[8-10]，对注入造成不利影响。

目前石油行业标准SY/T 5329-2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标和分析方法》中只是将总铁指标控制在0.5 mg/L 以下，没有将二价铁、总铁含量作为水质主要控制指标，然而目前铁离子的存在对注水水质和地层伤害性影响的研究报道较少，是否将铁离子含量作为主要水质控制指标，需要进行详细的实验论证。本文主要通过实验，对铁离子存在引起注水水质变化和地层伤害性进行论证，对铁离子对注水的危害性进行评价。

1 实验

1.1 实验条件

驱替岩心采用人工胶结岩心：直径2.5 cm，长度10 cm；驱替水系用0.45 μm 薄膜过滤后的模拟地层水；模拟污水分别为加入3.0 mg/L Fe3+配制形成的含有Fe（OH）3絮体的模拟污水和加入3.0 mg/L Fe3+和3.0 mg/L Na2S 形成的含有FeS 的模拟污水。

1.2 实验步骤

（1）岩心抽空饱和油田模拟地层水24 h 以上；

（2）在60 ℃实验温度下，用过滤后模拟地层水以2.0 mL/min 的流速快速驱替岩心30 min，排除微粒运移对岩心物性的影响，再将流速调至0.8 mL/min，在该流速下恒速驱替2 h 后测定岩心的地层水渗透率K0；

（3）驱替污水20 PV，待流速稳定后测渗透率Kr；

（4）计算岩心渗透率损害率，（K0-Kr）/K0×100 %。

2 实验结果和讨论

2.1 注入水中铁离子来源

油田水中铁离子来源包括原生和外来两种。根据对典型油田J 水处理系统和注水系统中铁离子的含量情况进行分析可以看出：油井产出液中铁离子含量并不高（0.5 mg/L 左右），整个油水系统并不存在明显腐蚀引起的铁离子偏高情况；水源井铁离子含量严重超标，含量在3.0 mg/L～4.0 mg/L，水源井水与生产污水混合后造成整个注入水铁离子超标，可见，水源水是引起注入水铁离子超标的主要原因。

造成水源清水亚铁/总铁含量较高的原因是：（1）地层水溶解地层岩心中的含铁矿物质使铁离子（Fe2+、Fe3+）进入地层水中，这部分铁离子属原生。目前渤海油田注入水清水主要来自馆陶组地层，馆陶组地层水本身含铁量较高；（2）清水矿化度较高，含一定量的腐蚀性气体，且水源井pH 值呈弱酸性；弱酸性水源水具腐蚀性，容易引起水源井生产管柱被腐蚀，造成水源井水中铁离子含量较高，这类铁离子属外来来源。

2.2 溶解氧与铁离子对注入水质的影响

水处理系统中难免会因密封不紧密而混入溶解氧，特别是清水与污水混合过程中。溶解氧或其他氧化性物质会将Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+不稳定，形成Fe（OH）3沉淀，造成水体悬浮物浓度升高[4]（见图1）。

图1 J 油田水源井氧化情况

在水中二价铁离子含量一定的情况下，随着放置时间的延长，溶解氧增加，水中悬浮物增加（见图2）。说明水中有二价铁离子存在条件下，水中溶解氧会氧化二价铁离子，导致三价铁的氧化物或氢氧化物等不溶性物质生成，影响水中悬浮物含量变化。随水中溶解氧含量增加，二价铁离子氧化程度加深，对水质影响更严重。

图2 放置时间对悬浮物浓度的影响

随水中铁离子含量的增加，水中悬浮物含量逐渐增加（见图3）。说明其他条件相同的情况下，铁离子的存在对水中悬浮物含量有影响，导致水中悬浮物含量增加[5]。

图3 铁离子含量对悬浮物含量的影响

图4 现场所取水样及滤膜截留物

2.3 硫化物与铁离子对注入水质的影响

采油污水中含有大量的SRB，SRB 利用水中的硫酸根离子作为电子受体，在代谢产物中将其还原为S2-，并生成H2S，对管线具有强腐蚀作用[6，7]。反应产物为不溶于水的FeS、FeSx 颗粒，从现场井口取得的水样呈黑色、有臭味就充分证明了这一点（见图4）。

首先对污水进行脱氧处理（去除溶解氧的影响），然后向水中投加硫化钠，使水中S2-浓度控制在一定范围内，然后加入适量FeCl2，使水中Fe2+浓度控制在一定范围内，反应一定时间后检测水中悬浮物含量。通过一系列不同浓度的实验，得到S2-与Fe2+对水中悬浮固体的影响规律（见图5）。

由图5 看出，随水中Fe2+含量和S2-含量的增加，水中悬浮物含量逐渐增加，这是因为生成FeS 的缘故，随着Fe2+含量和S2-含量的增加，FeS 沉淀增加，因此悬浮物含量进一步升高。

2.4 铁离子对注入水腐蚀性的影响

随着Fe2+浓度升高和温度的升高，污水腐蚀速率明显上升，说明Fe2+的存在使污水腐蚀性增强（见图6）。原因是Fe2+与水反应生成Fe（OH）2和H+，使得注入水pH 降低，从而加快了注入水的腐蚀速率。温度的上升加快反应速率，增加了两者的反应程度，氢离子浓度增加，因而进一步加快了注入水的腐蚀速率。

图5 不同浓度的硫离子和铁离子作用后水中悬浮物含量的变化情况

图6 不同温度及铁离子含量下的腐蚀速率

2.5 铁离子对地层的影响

水中的铁离子是造成堵塞的主要因素[6，7]。对部分注水井井底垢样进行分析，垢样中铁离子含量较高，最高可达58 %。水中游离的铁离子经溶解氧氧化后，生成以三价铁和二价铁难溶化合物，如Fe（OH）2、Fe2O3、Fe（OH）3、FeS 等。难溶化合物主要以两种状态形式存在：一是在生成沉淀过程中，以固有颗粒为晶核，由于包裹作用，形成大的絮体，呈现“软颗粒”的形态；二是生成的难溶化合物或细小絮凝物。水中含铁、含氧、含硫化物生成的难溶化合物增加了注入水中的颗粒粒径分布和颗粒浓度，造成近井地带污染严重，注水压力升高，达不到配注要求。

水中的铁离子与溶解氧、硫化物接触生成不同的固体悬浮物形式[6，7]，为了分析铁沉淀的不同存在形式对地层伤害性影响，开展了岩心流动性实验。

实验结果表明，岩心渗透率基本保持稳定，在水驱至20 PV 时开始转模拟污水驱，含有Fe（OH）3絮体的模拟污水岩心渗透率下降比较缓慢，驱替20 PV 后，测渗透率为340×10-3μm2，渗透率伤害率达25 %；含有FeS 的模拟污水驱替过程中，岩心渗透率下降幅度明显，驱替20 PV 后，测渗透率为190×10-3μm2，渗透率伤害率达58 %；说明含有FeS 的模拟污水对岩心伤害更严重。

实验岩心出口端流出液为清澈透亮液体，说明模拟污水中的固体悬浮物被岩心截留。取出岩心观察，发现注含有Fe（OH）3絮体的模拟污水的岩心前端截留有大量黄色固体物质；注含有FeS 的模拟污水的岩心前端的截留物较少。主要原因是形成的固体悬浮物的粒径不同造成的，Fe（OH）3絮体大，不容易进入岩心深部，只能在岩心前端不断的压实堆积；而FeS 沉淀的粒径较小，能够进入岩心深部进行架桥堆积，造成岩心深部伤害，伤害严重。所以，防止注入水中FeS 沉淀的产生对防止地层伤害具有重要意义。

3 结论

（1）溶解氧、硫化物能够使含有二价铁离子的注入水中悬浮物的浓度升高；

（2）注入水中含有铁离子能够增加注入水的腐蚀速率，同时，铁离子浓度越高、温度越高，腐蚀速率增加愈明显；

（3）通过注入性实验研究发现铁离子的存在能明显降低岩心渗透率，原因是产生的Fe（OH）3和FeS 沉淀造成岩心堵塞，并且粒径更小的FeS 沉淀对岩心的伤害更明显，岩心伤害率可达58 %。