【顆粒攻略】庫爾特計數器對油田回注水的質量控制
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能源與油田采出水相關研究
能源在各國經濟發展中發揮著至關重要的作用,石油產量與儲量是最重要的資源之一。石油開采通常會產生采出水(油田鹽水)這一廢水流。隨著生產井進入成熟期,采出水量會不斷增加,成為油氣勘探開發作業中產量最大的流體流。僅在美國,目前就有57.3萬口已鉆井用于開采原油,其中43.3萬口被歸為邊際井,日均產原油2.2桶。盡管這些邊際井的油藏中仍留存著原始油量的40%-70%,但部分井的含水率可高達99:1(即每產出1單位原油伴隨99單位水)。此類油井對經濟效益變化較為敏感,若開采方因經濟原因關停油井,其產能與儲量將永遠損失。
隨著采出油中含水率的升高,在原油產量相同的情況下,總產油量與能源消耗量會同步增加,油水分離后的廢水量也會隨之增多。采出水的處理與處置往往成為石油生產的瓶頸,對油井經濟效益起著重要影響。若含油污水未經妥善處理直接排放,不僅會污染環境,還會浪費寶貴的水資源。因此,必須對其進行適當處理并回收利用,以獲取經濟與社會效益。
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采出水和回注水
石油開采過程中的采出水包括地層水、鹽水、回注水及其他水體。地層水與鹽水會隨油氣一同被開采出來;回注水則是為提高石油采收率而被泵入地層的水,且會受到石油、無機鹽及化學物質的污染。
油水分離后的采出水成分復雜,且其組成會因石油開采工藝及地下地層條件的不同而存在差異。采出水中含有殘余油、硫酸鹽化合物、苯酚、細菌、固體顆粒、殺菌劑,以及石油開采過程中添加的其他化學試劑等。這類廢水通常排放量較大,若直接排放,會對環境造成嚴重影響,因此必須處理至符合法規要求后才可排放。
經妥善處理后的油田勘探采出水,常見的利用途徑有三種:
首要途徑是回注地下,該途徑對殘余油和懸浮顆粒物的含量有嚴格控制要求;
若處理后的水質滿足供暖鍋爐用水標準,則可作為供暖鍋爐的補水;
若需通過其他方式處置,必須依據國家及地方的廢水處理法規,使殘余油、懸浮物及化學需氧量(COD)等指標符合規定要求。
在陸上油田開采中,采出水可用于注水開發或回注處置。注水開發是將采出水回注油藏的含油層或穩壓含水層,以將孔隙中的原油驅至生產井;回注處置則是將采出水回注地下地層(如鹽穴)中,通過該環境實現長期封存,確保處置過程的環境安全性。在海上油田開采中,除回注外,經處理的采出水在符合嚴格法規要求的前提下,更常直接排入海洋環境。明確采出水回注方案中的水質要求,至關重要。
在高效的水處理及提高石油采收率的回注作業中,分散烴與懸浮物的濃度及粒徑分布是最需重點監測的指標。對于石油公司而言,采出水處理與回注往往是單項運營成本中最高的部分——全球每年的采出水回注量超過1000億桶,相關成本超過500億美元。
目前全球范圍內的采出水處理工藝基本類似,核心流程均包括除油與過濾。若處理后的水主要用于回注,水質要求需根據地層特性確定:對于滲透性較好的地層,通常僅需在除油后進行粗過濾;對于滲透性較差的地層,則需進行多階段過濾處理。
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回注水的質量要求
回注水有很高的標準。主要控制指標為油的濃度、固體顆粒含量及粒徑分布,因為在注水過程中,殘留油和顆粒是導致注水井吸水能力下降、堵塞含油層孔隙的兩個主要因素。當吸水能力下降時,要回注等量的水就需要更高的壓力,這會降低回注效率與原油采收率,并增加能耗。
因此,減少回注水中的固體顆粒含量對于降低成本、提高回注速度和原油采收效率至關重要。回注水精細過濾技術是當前研究與開發的活躍領域。良好的過濾工藝可將固體顆粒濃度降至1 mg/L以下,且顆粒粒徑小于1微米。
顆粒濃度與粒徑是回注水質量控制的兩項關鍵指標,在低滲透油層的回注水控制中尤為重要。不同國家針對這兩項指標均制定了相關標準,通常要求固體顆粒濃度低于幾毫克/升,且中位粒徑小于幾微米。
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行業標準
隨著采出水(進而回注水)量的增加,對水質的要求也隨之提高。回注水需滿足以下基本要求:
性質穩定,與地下水混合后不產生沉淀;
回注后不會導致黏土礦物發生水化膨脹;
不含大量固體顆粒,避免堵塞注水井和油層孔隙;
不對回注設備產生腐蝕;
若回注水存在兩個及以上來源,必須進行相容性測試,確保混合后不會對地下含油層造成損害。
1995年,中國石油天然氣集團公司制定了《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法SY/T 5329-94》。該標準為回注水設定了11項質量指標,為中國各油田的回注水質量管理提供了依據。
根據該標準,回注水指標需依據含油層性質確定,并將含油層分為高滲透率(>0.6平方微米)、中滲透率(0.1~0.6平方微米)和低滲透率(<0.1平方微米)三類;每類又進一步劃分為三個等級。表1列出了回注水九類等級中與顆粒濃度、顆粒中位粒徑及含油量相關的主要指標。
隨著水處理法規日益嚴格,以及更先進、高效的水過濾設備投入使用,顆粒濃度與粒徑的測量已成為回注水處理過程中最重要的質量監測手段。
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庫爾特計數器的應用
庫爾特原理(電感應區法)利用顆粒通過小孔時,顆粒的體積和產生的電脈沖之間的關系直接計數和測量顆粒的直徑。這種測量不受顆粒的顏色,形狀和光學性質影響。甚至可以檢測很低濃度的顆粒,因此特別適合檢測回注水中的少量顆粒。在全球范圍內,回注水的顆粒濃度和粒徑監測最常使用的方法就是庫爾特原理。
貝克曼庫爾特公司作為庫爾特原理的發明者,在顆粒表征領域已服務逾半個世紀。過去五十余年間,該公司已研發并推出二十余款庫爾特計數器產品。其中,Multisizer 4e型庫爾特計數器采用數字脈沖處理技術,能更精準地記錄和分析每一個電脈沖;同時,用戶可通過脈沖分析監測樣品的變化,如絮凝、分解、細胞大小改變等。
由于油田地質構造不同,其滲透率存在差異,對回注水水質的要求也各不相同,進而導致回注水中顆粒的控制指標有所區別。目前,已有數百家油田企業及科研機構使用庫爾特計數器對回注水進行檢測與質量控制,其中多數采用貝克曼庫爾特公司的Multisizer系列儀器。實際應用中,所使用的小孔管規格涵蓋20微米至400微米,但以20微米、50微米和70微米規格為主,對應的可測量顆粒粒徑范圍分別為0.4~12微米、1~30微米和1.4~42微米。
表1:《碎屑巖儲層回注水水質推薦規范及分析方法SY/T 5329-94》的主要技術指標
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