三元洗井液预处理技术室内实验研究

于庆龙

大庆油田有限责任公司第四采油厂

为保证油田井口注入水质合格，避免地层二次污染，每年需进行大量注水（入）井洗井作业。随着三元复合驱的不断开发，三元注入井大量投产，三元洗井任务也逐年增大。但由于三元洗井液成分复杂、黏度大，未经有效处理无法进入污水系统，从而制约三元洗井进度[1]。本文对三元洗井液成分进行分析，通过进行三元洗井液—压裂返排液、三元洗井液—酸化返排液室内混配实验，制定三元洗井液预处理措施。

1 三元洗井液的性质

三元洗井液主要由聚合物、表面活性剂、碱性盐、石油类化合物、悬浮物及杂质组成[2-3]。三元洗井液碱性较强、黏度较高，根据开发情况不同，其pH 值＞11，黏 度 在3～30 mPa·s，矿 化 度 在15 000 mg/L以上。三元注入井因长期生产，井底、井筒、井壁均附着较多的原油和悬浮物，其浓度均在3 000 mg/L 以上。X3-1-E59 井三元洗井液物化性质如图1、表1 所示，从结果可以看出其物化性质复杂，处理难度较大，无法直接进入污水系统处理。

表1 X3-1-E59井洗井液成分分析Tab.1 Composition analysis of Well X3-1-E59 well flushing fluid

图1 X3-1-E59注入井洗井液样品实物照片Fig.1 Physical photo of X3-1-E59 injection well flushing fluid sample

2 三元洗井液预处理室内实验

针对三元洗井液碱性高、黏度大、杂质多等特点，计划对其进行预处理后排入污水系统。预处理采用酸性的压裂返排液或酸化返排液与其混合，促使洗井液进行中和反应、聚合物降解及絮凝沉降，使水中含油、悬浮物含量降低，减小污水处理难度。

2.1 三元洗井液—压裂返排液混配实验

2.1.1 压裂返排液的成分及性质

压裂液主要成分有四硼酸钠交联胍胶、Na2S2O3、石英砂、助排剂等，进行压裂作业后返排液的水质特征见表2。由表2 可知，压裂返排液中不仅有大量的有机物和石油类化合物，而且比其他废水黏度大[4-6]。通常情况下，水在20 ℃时的黏度约为1 mPa·s，而压裂返排液的黏度是水的3～10倍，是压裂返排液难以处理的主要原因。在压裂返排液的处理过程中，由于化学药剂难以快速扩散，导致化学作用不均匀、反应时间长、处理效果差。

表2 压裂返排液的水质特征Tab.2 Water quality characteristics of fracturing backflow fluid

2.1.2 混配原理及实验方法

由于压裂返排液呈弱酸性，会与碱性的三元洗井液发生中和反应：

三元洗井液中的三价及高价金属离子与胍胶进行交联反应，反应方程式如下所示：

根据三元洗井液与压裂返排液的酸碱性不同，两者在20 ℃下，混配比例为1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2 时，通过充分混合、静沉后，取上层液化验，观察混合液黏度、含油量、悬浮物含量的变化情况，每组混配实验做5 次平行实验，并取平均值。实验结果如表3、图2所示。

图2 三元洗井液—压裂返排液混配实验化验曲线Fig.2 Test curve of ternary well flushing fluid-fracturing backflow fluid mixing experiment

表3 三元洗井液—压裂返排液混配实验结果Tab.3 Results of ternary well flushing fluid-fracturing backflow fluid mixing experiment

2.1.3 结果分析

根据理论分析和实验结果可以看出，三元洗井液与压裂返排液混配后含油量和悬浮物含量均有所下降，在混配比例为1∶1 时黏度与其他混配比例相比略高，但低于2 mPa·s；而含油浓度和悬浮物浓度均低于350 mg/L，可满足污水系统的处理要求。

2.2 三元洗井液—酸化返排液混配实验

2.2.1 酸化返排液的成分及性质

酸化液主要成分为HCl、HF、NH4Cl、乌洛托品、C16H33C6H4SO3Na 等，酸化液通过地层反应，其返排液的水质特征见表4。由表4 可知，酸化返排液中含多种有机物，COD 值达4 212 mg/L；酸化返排液具有高矿化度，其中HCO3-、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Cr3+等成垢离子含量较高；酸化返排液中悬浮物含量较高，易造成地层堵塞[7-10]。目前酸化返排液有效的处理工艺为预处理回注。

表4 酸化返排液的水质特征Tab.4 Water quality characteristics of acidified backflow fluid

2.2.2 混配实验及结果分析

酸化返排液中含有未反应完全的HCl 和HF，与碱性的三元洗井液混合后会发生中和反应：

酸化返排液中含有大量的Ca2+、Mg2+、Ba2+等二价金属离子，它会通过络合反应形成配位化合物，再与三元洗井液中的聚丙烯酰胺交联，反应过程如下：

实验方法同上，两者在20 ℃下按不同比例混配，均匀混合并静沉后，取清层液化验，检测混合液的黏度、含油量和悬浮物含量，每组混配实验做5 次平行实验，并取平均值。其实验结果如表5、图3所示。

表5 三元洗井液—酸化返排液混配实验结果Tab.5 Results of ternary well flushing fluid-acidified backflow fluid mixing experiment

图3 三元洗井液—酸化返排液混配实验化验曲线Fig.3 Test curve of ternary well flushing fluid-acidified backflow fluid mixing experiment

通过混配实验可以看出，悬浮物浓度随酸化返排液量增加而降低，含油浓度为先增加后降低，在三元洗井液与酸化返排液体积比为1∶2达到最低，含油浓度降至172.0 mg/L，悬浮物浓度为13.3 mg/L，混合体系黏度为2.2 mPa·s，可进入下游污水系统进行后续处理。

3 结论

三元洗井液具有成分复杂、碱性高、黏度大的特点，普通的沉降分离工艺无法满足下游污水系统处理要求。通过压裂返排液和酸化返排液的性质分析，并对三元洗井液混配后数据分析可得到以下结论：

（1）压裂返排液为弱酸性，主要成分为四硼酸钠交联胍胶，可与三元洗井液发生酸碱中和反应，并与三价金属离子再次发生交联，从而降低悬浮物含量。在三元洗井液与压裂返排液混配比例为1∶1 时，黏度低于2 mPa·s，含油浓度和悬浮物浓度均低于350 mg/L，水质较好，可满足污水系统的处理要求。

（2）酸化返排液为酸性，主要成分为未完全与岩层反应的HCl、HF，及与岩层反应后生成的二价金属盐，可与三元洗井液发生酸碱中和反应和配位络合、交联反应，从而降低洗井液黏度、水中含油量和悬浮物含量。在三元洗井液与酸化返排液体积比为1:2 混配时，水质最佳，含油浓度降至172.0 mg/L，悬浮物浓度为13.3 mg/L，混合体系黏度为2.2 mPa·s，可进入下游污水系统进行后续处理。

（3）三元洗井液与酸化返排液混配效果比三元洗井液与压裂返排液混配效果更好，水中含油浓度和悬浮物浓度均低于200 mg/L，混配后水质更适合下游污水系统处理。