1.2　注水水处理技术

1.2.1　注水水质处理措施

在水源确定的基础上，一般要进行水质处理。水源不同，水处理的工艺也就不同。常用的水处理措施有沉淀、过滤、杀菌、脱氧、除油、曝晒等。

1.2.1.1　沉淀

来自不同水源的水一般含有一定数量的机械杂质，为了除去这些机械杂质，水质处理的第一步就是进行沉淀。沉淀是让水在沉淀池或罐内停留一定时间，使其中所悬浮的固体颗粒依靠重力作用沉淀下来。经沉淀后的水质，其悬浮物含量<50mg/L。足够的沉淀时间和快速的下沉速度是水处理质量的保证。为了达到这一目的，一般在沉淀池或罐内安装迂回挡板以增大其流程来延长沉淀时间。同时，在沉淀过程中需要加入絮凝剂以增大颗粒直径来加速水中悬浮物和不溶物的沉淀。

1.2.1.2　过滤

过滤是水质处理的重要措施之一，它是通过过滤设备来除掉水中微小的悬浮颗粒和大量细菌。水质标准分级决定了过滤等级，过滤所用的设备称为过滤罐。按工作压力可将过滤罐分为重力式和压力式滤罐。利用水池的水面和水管的出口或清水池水位的高度差进行过滤的滤罐为重力式滤罐。压力式滤罐是利用水在一定压力下通过完全密封的滤罐进行过滤，油田上常用的是压力式滤罐。经过滤后的水质其机械杂质含量应<2mg/L，方可算为有效的过滤。

1.2.1.3　杀菌

任何水系统都含有不同程度的细菌，油田水中常见的有害细菌主要有硫酸盐还原菌（SRB）、腐生菌（TGB）和铁细菌（FB）。这些细菌都会对注水设备造成腐蚀，并且菌体与腐蚀产物会对地层造成堵塞。因此当这三种细菌含量超标时，必须进行杀菌处理。杀菌方法有化学法和物理法两种。化学法是通过向注入水中添加适当的化学药剂来进行杀菌，物理法主要是利用紫外线进行杀菌。目前，油田水处理系统应用最为广泛的杀菌方法是化学法。

1.2.1.4　脱氧

地面水源因与空气接触常溶有一定量的氧，有的水源的水还含有二氧化碳和硫化氢气体。在一定的条件之下，这些气体对金属和水泥均有腐蚀性，因此注水前需用物理法或化学法除去注入水中所溶解的氧气、二氧化碳和硫化氢气体。物理法脱氧主要方法有真空脱氧和气提脱氧。真空脱氧的原理是抽真空设备将脱氧塔内压力降低，由于气体在液体中的溶解能力与系统的压力成正比，随着压力降低，溶解气含量降低，从而使塔内水中的氧分离出来并被抽掉。气提脱氧是利用天然气或氮气作为气提气对水进行逆流冲刷使水表面氧的分压降低从而脱除氧气，但气提脱氧不易达到较高的最终脱氧指标，有时采用化学脱氧来弥补。化学脱氧是在水中投加化学药剂，通过其与水中氧反应生成无腐蚀性且易溶解产物从而达到除去水中溶解氧的目的。

1.2.1.5　除油

目前油田注水的含油污水回注量已占油田总注水量的70%～80%，而污水中含油量一般在100～200mg/L，这种污水如果直接用来回注会伤害地层。因此，在回注前除了除去水中大量悬浮物外还必须对其进行除油处理，使其达到注水水质标准方可用来回注。通常采用两种方法进行除油，一是筛选出适用的高效破乳剂；二是采用粗粒化，让极细的油滴互相聚合成大油滴而从水中分离出来。目前，常用的除油装置有重力除油装置和气浮选槽除油装置。

1.2.1.6　曝晒

当水源水含有大量的过饱和碳酸盐（重碳酸钙、重碳酸镁和重硫酸亚铁等）时，因为其化学性质不稳定，注入地层后因温度升高可能产生碳酸盐沉淀而堵塞孔道。因此，在注入地层前用曝晒法使其沉淀除去。

1.2.2　注水水质处理设备

油田水处理一般包括除油和过滤两个方面。近年来国内外都在设备的研发上做了很多的工作，在对原有设备改进的基础上也出现了许多新的设备。如各种浮选设备、水力旋流器以及过滤设备等。这些设备的成功开发对提高含油废水的处理效果，对改进设备的处理效能以及实现处理设备功能的一体化都具有重大意义。

1.2.2.1　除油沉降设备

（1）除油罐

除油罐是一种重力分离型除油构筑物，它是利用油粒在油水中的相对密度差，使粒径较小的油粒随水流动，不断碰撞聚成大的油珠而上浮以达到油水分离的目的。除油罐是目前应用最广，数量最多的除油设备。

（2）水力旋流器

水力旋流器是国外20世纪80年代末开发的一种高效除油设备，其能实现油水分离。21世纪早期，国内就已引进数套用于污水除油的水力旋流器，同时也已开展相关的国产化研究，目前已在胜利等油田得到应用。这种设备具有体积小、效率高、投资和操作费用较低等优点，已成为采出水处理的一种常规设备。但是，当油水密度差≤0.05g/mL时，水力旋流器的除油效果则较差。目前，国外研究出了一种油-水-固三相分离的旋流器，与除油和除砂旋流器相比，三相旋流器同样具有体积小、效率高、投资和操作费用较低等特点，是一种集除油和除砂为一体的新型分离设备，适用于海上和陆上油田采出水的处理。

（3）气浮设备

气浮是我国在20世纪80年代由国外引进，当乳化严重时其处理效果比旋流分离器要好。目前，在含油污水的处理中应用较多的有加压溶气浮选法、叶轮浮选法和射流浮选法。

1.2.2.2　过滤设备

（1）石英砂、核桃壳过滤器

石英砂、核桃壳过滤器是目前我国油田水处理站中应用最广，处理效果较好的两种过滤器。核桃壳过滤器最早由江汉机械研究所开发并成功地应用于大港油田的污水精细过滤，并逐步完善各种配套设施。核桃壳滤料具有亲水疏油性能，容易洗涤再生，污水中含油低于100mg/L时过滤效果良好，核桃壳过滤器已成为污水处理中主要的过滤设备。

（2）纤维球过滤器

纤维球过滤器是我国近几年发展起来的深床高精度过滤器，其滤料纤维细密，过滤时可以形成上大下小的理想滤料空隙分布，纳污能力强，去除悬浮物的效果优于石英砂、核桃壳滤料，且反洗时不会出现滤料流失的现象。目前，某些低渗透油田已有应用，但是由于滤料的亲油性，反洗时需采用清洗剂。

（3）滤芯过滤器

过滤器中的滤芯是由特殊材料经特殊加工的微孔膜制成的柱状过滤件，用于油田水处理的滤芯有有机和无机两大类。金属膜过滤器是目前油田使用较多的无机膜过滤器，金属膜包括不锈钢膜、Ag膜、Ni膜、Ti膜等。滤芯过滤器在我国油田已有应用，过滤精度较高，但对悬浮物粒径的控制却仍有一定限度，而且过滤组件的清洗不能彻底解决，使得组件的拆装及更换等长期投资费用过大，从而限制了该技术的推广应用。

1.2.3　注水系统

注水系统是指从水源到注水井的全套设备和流程，通常包括水源本泵站、水处理站、注水站、配水间和注水井。

1.2.3.1　注水站

注水站的主要设施有储水罐、高压泵组、流量计和分水器。注水站为注水系统的核心，主要是将经处理后符合质量标准的水升压，使其满足注水井注入压力的要求。储水罐为注水泵储备一定水量，防止因停水而造成缺水停泵现象；避免供水管网压力不稳定而影响注水泵正常工作及其他系统的供水量及水质。与此同时，储水罐还可使水中较大的固体颗粒物质、砂石等沉降于罐底，含油污水中较大颗粒的油滴可浮于水面，便于集中回收处理。高压泵组常见的有多级离心泵和柱塞泵，主要用于给注入水增压。流量计的作用是计量水量。分水器的作用是将高压水分配给各配水间。

注水站设计包括确定总注水量和设计注水压力两部分，且需要规划站内工艺流程。注水站规模是指该站高压泵送出水量的大小。设计注水站时，注水用量主要是根据注水站管辖范围油田产油量、产水量和注水井洗井、作业用水量、生活与环境用水量来确定。注水工艺流程主要考虑满足注水水质、计量、操作管理及分层注水等方面的要求。其基本流程为：来水进站→计量→水质处理→储水灌→泵出。

注水压力是由油层注水压力决定的，是决定注水管道与设备的最重要参数之一。合理地确定注水压力，是设计注水工艺的前提，是经济合理、高效注水开发油田的基本环节。注水压力可通过试注求压获得，也可以对比油层特点和原油特性、油层深度等资料选取相似或相近性质的油田的注入压力，作为初定注水压力。为防止压力过高破坏地层结构，井底的最大注水压力不得大于地层破碎压力的85%。

1.2.3.2　配水间

配水间的任务是调节、控制和计量各注水井的注水量。其主要设施有分水器、正常注水和旁通备用管汇、压力表和流量计。配水间一般分为单井配水间和多井配水间。单井配水间是用来控制和调节一口注水井注入量的操作间。多井配水间一般可控制2～7口井。单井配水间的流程较简单，而多井配水间的流程则相对复杂。

1.2.3.3　注水井

注水井是地面进入地层的通道，主要设施有井口装置和井下注水管柱。井口装置的主要作用是悬挂井内管柱；密封油、套环形空间；控制注水和洗井方式，如正注、反注、合注、正洗、反洗和井下作业。注水井可以是生产井转成的或专门为此目的而钻的井。一般将低产井、特高含水油井或边缘井转换成注水井。注水井的井下管柱结构、井下工具遵循简单原则。一般情况下，注水井仅需配置一套管柱和一个封隔器。多个注水井构成注水井组，注水井组的注入由配水间来完成。连接注水站、配水间、注水井的是注水管线。对于一个油田或区块，可能有几座或十几座注水站同时供水，它们可能相互独立、自我封闭，也可能相互连接组成网络系统。合理确定注水井的位置及数目是管网设计的重要内容。

1.2.4　注水井投注

注水井从完钻到正常注水，一般要经过排液、洗井、试注之后才能转入正常注水。

1.2.4.1　排液

试注前需做好排液作业，排液的目的是清除油层内的堵塞物，在井底附近造成低压带，为注水创造有利条件，同时还可以采出部分原油；采出部分弹性油量，减少注水井或注水井附近的能量损失，有利于注水井排拉成水线。油层性质不同，排液的目的也不同。对于均质地层，排液的目的主要是清除井底附近油层内部的堵塞物，使井底周围畅通。而渗透率较低的地层由于存在吸水能力差，启动压力高和不易吸水等特点，故排液的目的在于造成一个低压带。排液时间可根据油层性质和开发方案来决定，排液强度以不伤害油层结构为原则。

1.2.4.2　洗井

排液后必须洗井，洗井的目的是把井筒内的腐蚀物、杂质等污物冲洗出，避免油层被污物堵塞影响注水。洗井主要有正洗和反洗两种方式。正洗是指水从油管进井，从油套环形空间返回地面。反洗则是水从油套环形空间进井，从油管返回地面。洗井时排量由小到大，但不能大于30m3/h，进出口排量应平衡或出口略高于进口排量。洗井前一般要先洗地面管线，必须达到进口、出口、井底水质一致才算合格。除了注水井的定期洗井外，当出现注水井停注24h以上，正常注水井油层吸水能力显著下降，注入水水质不合格或改变水源，水型不能混合以及改换流程等情况时，都应进行洗井。

1.2.4.3　试注

洗井合格后，即可进行试注。试注是为了了解地层的吸水能力，确定配注压力。洗井后要对注水井进行分层测试，根据分层指示曲线确定地层的吸水指数，并根据配注量来确定配注压力。为防止黏土颗粒的膨胀和运移，在注水井投注或油井转注前需进行防膨处理，且在投注前需进行解堵预处理。

1.2.4.4　转注

注水井通过排液、洗井、试注，取全、取准试注的各项资料，再经过配水就可以转为正常注水。

1.2.5　水处理工艺

1.2.5.1　地下水处理工艺

地下水常含有铁质，主要为二价铁。二价铁极易水解，易堵塞地层，故对用地下水为水源的注水井，需要先除铁。目前应用较多的为锰砂除铁滤罐，其在除铁的同时也可将大部分悬浮物除去，从而达到高渗透油田注水水质标准。锰砂除铁滤罐用于低渗透油田注水时，还需在除铁后再进行深度处理。地下水处理工艺流程如图1-1所示。

1.2.5.2　地面水处理工艺

地面水是指江河、湖泊、水库内的水，常常含有少量的机械杂质、细菌等，需要进行沉淀、过滤与杀菌等处理，经处理的水沿输水管道送到注水泵站。图1-2为地面水处理工艺流程。该流程随着对处理后水质的要求不同而有所变化，当水中泥沙含量高时，应考虑在反应沉淀池前加预沉池。

1.2.5.3　含油污水处理工艺

含油污水的处理主要是除去油及悬浮物。除油、过滤、杀菌是基本的处理措施。图1-3是目前油田上常用的重力式混凝除油、石英砂压力过滤处理含油污水工艺流程。

1.2.5.4　海水处理工艺

海水中氧气和悬浮物含量较高，故脱氧和净化是海水处理的基本措施。脱氧部分主要是真空、气提和化学脱氧。净化部分目前一般采用多级过滤净化处理，依次为砂滤器、硅藻土滤器和金属网状筒式过滤器三级过滤。图1-4为海水处理工艺流程。

对于低渗透油田注水，水质要求高，水处理应强化深度处理，必要时水质经基本处理后，还可在井口再增加一级精细过滤器。对于特低渗透油层的保持压力措施，也可采取注气的方式。