《能源发展“十三五”规划》中提到，2020年我国天然气产量将达到2 200亿m³，页岩气与煤层气2020年产量指标分别为300亿m³和100亿m³，占比分别仅为13.64%和4.55%，而据中国工程院预测，致密气产量将达到800亿m³，占比高达36.36%，致密气已成为我国非常规天然气的领头羊。在致密气开采过程中需要通过水力压裂技术释放地层压力从而达到预期产量。与压裂伴随而来的采出水水质成分复杂，矿化度极高，脱盐处理费用昂贵且处理后残留物处理依然是个难题^〔1-4〕。近年来随着致密气的不断开发，采出水量也逐年增多，为采出水寻找安全可靠的处理处置方式是当前致密气开发迫切关注的问题。当前，油气田领域对采出水的处理方式主要包括处理后外排、回用或储层回注，从环境安全性、经济可行性及操作难易性角度综合来看，将采出水简单处理后回注储层是一个值得深入研究的处置方式^〔5-6〕。而国内外对致密气采出水的水质特征及处理处置方式研究甚少，进行低孔特低渗砂岩储层回注更是尚未有先例。笔者针对前人研究中对回注水注入过程中出现的堵塞、腐蚀结垢及所选回注层可注性问题，采集鄂尔多斯东缘盆地某致密气区块不同时期的采出水进行水质特征分析，将主要回注水源，即初期采出水处理后进行配伍性、黏土膨胀性实验，并选取非主力储层的石盒子组8段（简称盒8）进行岩心伤害及敏感性研究，综合分析致密气采出水水质对盒8回注层的影响。

致密气采出水：取自鄂尔多斯东缘盆地某致密气区块产气井不同时期井场采出水（初期采出水：CDJ-07和CDJ-10；中后期采出水：本溪-28和本溪-17）及集气站采出水；实验岩心：盒8天然岩心。

仪器：U8型紫外可见分光光度计，上海佑科仪器有限公司；101-0AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；布鲁克D8型衍射仪，束蕴仪器（上海）有限公司；LDY50-180型多功能岩心流动实验仪，南通仪创实验仪器有限公司。

衍射仪测试条件：Cu靶，管电压为40 kV，管电流为40 mA，测试方式为连续扫描，扫描范围为5°~80°，扫描速度为0.15 s/步，步长为0.02°。

试剂：过氧化氢，天津市天力化学试剂有限公司；氢氧化钠、浓硫酸，天津市富宇精细化工有限公司；硫酸亚铁，巩义市泽源净水材料有限公司，以上试剂均为分析纯。聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）（相对分子质量为1 400万），天津市富宇精细化工有限公司。

按照《油气田水分析方法》（SY/T 5523—2000）进行离子测定；细菌含量及腐蚀率的测定依据《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》（SY/T 5329—2012）规定进行^〔7-8〕。

预处理原水样：（1）用H₂SO₄（1+1）调节水的pH至3~4；（2）加入300 mg/L FeSO₄和0.2%H₂O₂，反应30 min；（3）用NaOH调节水pH至8~8.5；（4）加入150 mg/L的1% PAC，再加入10 mg/L的0.1% PAM，沉降30 min过滤，用保鲜膜封口，待用。

将处理后的致密气初期采出水样CDJ-10和CDJ-07以8∶2、6∶4、4∶6、2∶8的比例进行混配，放入57 ℃烘箱静置72 h，玻璃砂芯真空抽滤装置（配套0.45 μm水性滤膜）进行抽滤，用蒸馏水清洗3次后将滤膜放入57 ℃烘箱烘干1 h，干燥箱恒重1 h，然后进行称重，通过滤膜前后质量变化计算结垢量。

实验以前人研究中所用方法对黏土膨胀率进行测定^〔9〕。即恒温下，1 g钠基膨润土（蒙脱土）与10 mL实验水样掺混均匀后注入10 mL离心管，于25 ℃静置2 h，放入离心机，1 500 r/min下离心15 min后测出蒙脱土体积V₂（以1 g蒙脱土与10 mL 3%KCl膨胀体积V₁为基准），膨胀率计算公式：

(1)

式中：V₁——3%KCl与黏土混合后的膨胀体积，mL；

V₂——回注水与黏土混合后的膨胀体积，mL。

实验均按照《储层敏感性流动实验评价方法》（SY/T 5358—2010）及《岩心分析方法》（GB/T 29172—2012）进行测定^〔10-11〕。

（1）孔隙度计算。实验前岩心清洗后烘干：烘干温度为60~65 ℃，烘干24 h后，每隔8 h称重1次，两次称重差值小于10 mg，记下岩样实测质量；游标卡尺测量岩样的长度和直径；岩样放置在干燥瓶中，干燥情况下抽真空2 h，饱和水（将干燥瓶一端连接橡胶管处打开，倒吸模拟地层水淹没岩心）后继续抽真空6 h，关闭真空泵，称湿重，计算岩样孔隙度：

(2)

式中：m₁——岩心干燥后的质量，g；

m₂——岩心液体浸泡饱和后的质量，g；

ρ——浸泡液密度，g/cm³；

V——岩心总体积，cm³。

（2）渗透率计算。根据达西定律来计算岩心渗透率K₁（单位为10^-3μm²）：

(3)

式中：u——实验条件下液体黏度，mPa·s；

L——岩柱长度，cm；

A—岩柱横截面积，cm²；

Δp——岩柱两端的压力差，MPa；

Q——流体单位时间内通过岩柱的体积，cm³/s。

（3）悬浮物及含油量对储层伤害实验。实验水样：研究悬浮物对渗透率的影响实验时，配制出悬浮物分别为5、10、20、30、50 mg/L的水样进行实验，实验岩心（H8-7），岩心直径为25.20 mm，长度为47.66 mm，孔隙度为9.35%，气体渗透率为0.1×10^-3 μm²。研究含油量对渗透率的影响实验时，配制出含油质量浓度分别为2、4、6、8、10 mg/L的水样进行实验，实验岩心（H8-45），岩心直径为25.12 mm，长度为46.50 mm，孔隙度为7.13%，气体渗透率为0.8×10^-3 μm²。实验条件：设定温度为57 ℃，注入流速为2 mL/min，回注压力为10 MPa，注入体积根据试验确定。确定过程：在低于临界流速下，分别测定5、10、15、20、25、30、35、40倍孔隙体积模拟地层水流过岩心时的渗透率，结果见图 1。

由图 1可知，随着孔隙体积倍数的增加，岩心渗透率逐渐下降，在累计体积为20 PV时渗透率逐渐趋于稳定，然后又有所下降。因此选取注入体积为20 PV作为悬浮物及油对储层伤害率测定时的实验条件更为准确，渗透伤害率（η）计算公式：

(4)

式中：K_s——蒸馏水渗透率，10^-3μm²；

K_sa——不同悬浮物（含油量）渗透率，10^-3μm²。

（4）速敏实验。测定岩心渗透率及其变化，来判断实验液体对岩心渗透率的损害程度，岩样渗透损害率（D_k）：

(5)

式中：K_w——临界流速之前岩柱渗透率均值，10^-3μm²；

K_i——临界流速之后岩柱渗透率的最小值，10^-3μm²。

速敏实验流体选择配伍性良好的处理后混配水及模拟地层水样（矿化度为217 400 mg/L的氯化钾溶液）。

（5）酸敏、碱敏实验。酸敏、碱敏性渗透率损害率（D_c）：

(6)

式中：K₁——酸敏（或碱敏）处理前岩柱初始渗透率，10^-3μm²；

K₂——酸敏（或不同pH系列碱液）处理后岩柱渗透率，10^-3μm²。

酸敏实验所用的酸液为12%HCl+3%氢氟酸（HF），驱替水样为上述模拟地层水；碱敏实验流体配制pH分别为7、7.5、8、8.5、10、11.5、13的上述模拟地层水，实验流速为0.3 mL/min，以pH=7时的渗透率作为初始渗透率，碱敏实验所用流体及岩心物性参数见表 1。

调研了研究区16个井点实际产水情况，选取鄂尔多斯东缘盆地某致密气区块不同时期具有代表性的5个水样，分别为CDJ-07和CDJ-10（初期采出水）、本溪-28和本溪-17（中后期采出水）及集气站采出水（各时段混合水），分析采出水水质特征。

各阶段采出水水质的pH变化于5.8~6.7之间，整体偏弱酸性，为CaCl₂水型；矿化度变化范围在69 122.6~371 930.3 mg/L，平均矿化度约为217 000 mg/L，属高矿化水。水样悬浮物、色度均较高，中后期采出水悬浮物最高达1 233 mg/L，初期采出水悬浮物也达到971.7 mg/L，悬浮物来源于细菌及其代谢产物、压裂水源中携带的杂质或地层本身的松散岩石颗粒杂质被冲刷上来，是回注压力增高的主要原因之一^〔12〕。集气站混合水色度最大，达1 091度，水质发黑。各阶段采出水含油量均较低、腐蚀性小（腐蚀率低于0.02 mm/a）；初期出水3种细菌含量均很高：其中硫酸盐还原菌（SRB）超过2.5×10⁶ mL^-1；腐生菌（TGB）最大为6.0×10⁵ mL^-1；铁细菌（FB）最大为2.5×10⁵ mL^-1。采出水水质偏酸，且含有一定量硫酸盐，是SRB生存的适宜条件，水质中细菌存在会腐蚀井筒，细菌大量繁殖后会造成细菌黏液层增厚结瘤，吸附悬浮杂质进而加重堵塞，因此后续水处理需着重进行杀菌处理^〔13-14〕。

采出水中化学阳离子Na⁺+K⁺占主导地位，Ca²⁺、Mg²⁺次之；阴离子主要以Cl^-为主，HCO₃^-、SO₄^2-次之。Na⁺+K⁺的变化范围在20 204.7~68 398.5 mg/L，平均值为44 736 mg/L，水样中低价阳离子含量多，易引起黏土膨胀，回注前要进行黏土膨胀性评价；Ca²⁺变化范围为3 246.5~68 937.6 mg/L，平均值为23 474.7 mg/L，这主要由于在压裂生产过程中，注入的压裂液在迁移时不断发生水解、酸化，产生的酸性气体溶解了岩石中的钙，从而使产出水中Ca²⁺含量较高^〔15〕。采出水的主要阴离子中，Cl^-变化范围为42 653.44~ 234 094.1 mg/L，平均值为138 157.2 mg/L，Cl^-主要来源为压裂液成分或岩石中的氯化物溶解。在回注过程中要注意高浓度Cl^-会造成钢铁钝态的直接破坏^〔16〕。HCO₃^-变化范围为170.9~750.6 mg/L，平均值为394.2 mg/L，水质偏酸性，因此CO₃^2-不能共存，水样的HCO₃^-含量相对较多；SO₄^2-变化范围为12.4~289.3 mg/L，平均值为158.7 mg/L。水中S^-含量较低，其与Fe²⁺结合生成硫化亚铁的可能性较小。Ca²⁺、Mg²⁺及HCO₃^-、SO₄^2-这些离子的存在是造成采出水混合后发生结垢的主要原因，因此研究采出水配伍性对降低回注风险至关重要^〔17-18〕。

致密气产出水源主要为初期采出水（约占整个采出水水量的70%~80%），这部分水水量大，精细处理难度大，因此本实验选取主要回注水源CDJ- 07和CDJ-10进行处理及回注可行性评价。据上述水质分析：采出水水质偏酸性，且含大量细菌、悬浮物，结垢离子含量也较大。为此需重点考虑腐蚀、结垢、细菌、悬浮物等问题，因此确定了pH调节剂-硫酸亚铁-过氧化氢-高效絮凝剂-改性助凝剂的药剂体系，对上述水样进行处理，该工艺体集除油、防腐、阻垢、杀菌、降悬浮物于一体，处理效果显著。

处理后的水仍为CaCl₂水型，水中离子平衡未被打破，水质pH为6.9~7.0，细菌及含油质量浓度均为0，水质色度低，透光率达98%以上，采出水腐蚀率均低于0.002 mm/a，腐蚀速率达标（见上述SY/T 5329—2012标准），处理后水中阴阳离子几乎无变化。但CO₃^2-质量浓度较处理前有所增加，变化范围在0~30 mg/L；HCO₃^-质量浓度较处理前有所减少，变化范围在106.79~147.50 mg/L，较处理前降低了13.6%~80.1%。这是由于采出水水质经调节后pH升高，水中部分碳酸氢根转化为碳酸根^〔19〕，处理后采出水水质见表 2。

由于采出水中结垢离子含量高，为防止回注过程出现因结垢造成的堵塞、回注压力增高等问题，对CDJ-07、CDJ-10进行配伍性研究（回注层无地层水，无需进行采出水与地层水的配伍研究），结果见图 2。

由图 2（a）可知，两水样在地层温度57 ℃下，以不同比例混合72 h后最大结垢量仅为47 mg/L；由图 2（b）可知，将不同比例混合水样在常温下静置不同时间后对其结垢量进行测定，发现结垢量较地层温度下稍高，但总体趋于一致，且随着静置时间的延长，结垢量最大在54 mg/L时趋于稳定。说明两水样的配伍性良好，若进行回注基本不会发生结垢，且两水样以任何比例均可回注。

地层中的黏土颗粒与外来的注入水接触后，常因矿化度差异而产生水化膨胀及分散运移。处理后采出水钠离子含量高，低价离子易引起黏土膨胀，导致回注作业难以进行。因此对水样做了黏土膨胀性实验，评价采出水对黏土膨胀性的影响，结果见表 3。

由表 3可知，以3%KCl作参比，CDJ-07与CDJ-10这2个回注水样，无论是单独回注还是混合后回注，其相对膨胀率最大为21.78%（相对膨胀率大于100%认为有引起黏土膨胀的可能），说明水样进行回注不会引起黏土膨胀。分析原因：采出水中矿化度高，含大量二价离子（例如Ca²⁺/Mg²⁺），扩散到黏土层间，抑制水化膨胀；其次，岩心黏土矿物离子交换能力较弱，从而膨胀性相对较低^〔20〕。后续2.2.4岩心分析结果也表明，岩石黏土矿物主要为高岭石（离子交换能力：蒙脱石 > 伊利石 > 绿泥石 > 高岭石），与实验结果一致。

考察悬浮物、含油量对渗透率的影响，结果见表 4。

由表 4可知，随着悬浮物及含油量的增加，岩心渗透率下降，渗透伤害率逐渐增大，说明悬浮物及油污大量存在会导致盒8储层堵塞、破坏岩石孔隙结构。当悬浮物超过10 mg/L、含油质量浓度超过6 mg/L以后，其岩心伤害率超过了20%。因此，在回注时应将水中悬浮物控制在10 mg/L以下，含油质量浓度控制在6 mg/L以下，可避免对储层造成伤害。

回注层岩心一旦引起敏感性损伤，会使产出水回注压力增大，回注量不断减小^〔21-22〕。地层的敏感类型、程度与自生矿物（或敏感性矿物）的类别、组成量和分布形态存在较大关系^〔23〕。因此对回注层进行岩心分析并进行敏感性评价至关重要，盒8岩石组分的XRD分析结果见图 3。

由图 3可知，盒8矿物成分中存在大量的石英和长石，二者之和约为60.9%：其中，石英质量分数相对较高，平均约占49.6%，钠长石约占11.3%。石英属硅质矿物，主要引起储层速敏；钠长石易引起高pH下储层碱敏。其次，黏土矿物质量分数总和约为23.7%：其中，高岭石约占14.4%，斜绿泥石约占9.3%。高岭石易分散运移，增加储层速敏性；斜绿泥石含大量铁镁离子，易生成Fe（OH）₂和Mg（OH）₂沉淀，降低储层渗透率，因此要着重关注储层的酸敏性^〔24〕。岩石组分中还含有碳酸盐矿物：方解石约占12.5%；白云母约占2.9%。此类矿物含钙高，易与HF作用生成CaF₂沉淀物，堵塞储层孔隙，因此需考虑酸敏性^〔25〕。综上所述，储层敏感性评价中主要关注速敏、酸敏、碱敏。

（1）速敏实验结果见表 5。

由表 5可知，2种流体速敏损伤程度略有差异，CDJ混合水样的D_k为46.59%，岩石受损级别为中等偏弱；模拟地层水D_k为62.62%，岩石受损级别为中等偏强，对比来看，回注水对地层的速敏损害相对更低。两水样均在流量为0.3 mL/min时出现渗透率变化，初始渗透率分别为0.026 9×10^-3 μm²和0.032 9×10^-3 μm²。实验所测临界流量均为0.7 mL/min，将其换算成临界流速（换算方法见SY/T 5358—2010）分别为22.47 m/d和26.87 m/d。高岭石是主要造成速敏损害的原因，在大流速冲击下，造成黏土颗粒脱落、运移，从而堵塞孔喉^〔26〕。但该研究区岩石致密，硅质及钙质胶结作用更为明显，黏土矿物微观结构不易被破坏，因此，控制注入流速为26.87 m/d，可安全回注。

（2）酸敏实验结果见表 6。

由表 6可知，盒8段地层酸敏损害率为21.11%，受损级别为弱酸敏。酸溶后渗透率下降，结合岩心分析结果，很有可能是岩石中含有的黏土矿物斜绿泥石、碳酸盐矿物方解石、白云母与酸液反应，生成Fe（OH）₃沉淀或CaF₂沉淀，堵塞孔喉，致使储层渗透率稍有下降。但由于造成酸敏的黏土矿物含量较低，且回注水质偏中性，酸敏源较弱，即便回注过程可能还会有细菌滋生影响水源pH，但整体酸敏性不强，回注可行。

（3）碱敏实验结果见表 7。

由表 7可知，岩石渗透率随着液体碱度的增加而逐渐降低，说明碱度对岩石渗透性有一定的影响。当pH=8时渗透率变化率小于20%，pH一旦大于8，岩石渗透率大幅降低，渗透率变化率增大到65.41%，说明pH=8为临界碱度，超过临界值岩石孔隙结构将遭到破坏。因此为进行安全回注，应控制pH在8以内。

根据上述实验结果，结合《气田水回注方法》（SY/T 6596—2004）和《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》（SY/T 5329—2012）提出了笔者研究区致密气采出水回注推荐水质指标，见表 8。

（1）鄂尔多斯东缘盆地某区块致密气采出水整体水质偏酸性。矿化度的变化范围在69 122.6~ 371 930.3 mg/L，属高矿化度水。其色度大、悬浮物含量高，其中初期采出水细菌含量最高，SRB≥2.5× 10⁶ mL^-1；TGB、FB分别达6.0×10⁵、2.5×10⁵ mL^-1。

（2）处理后初期采出水结垢量低，配伍性良好；黏土相对膨胀率最大为21.78%；悬浮物、含油质量浓度分别控制在10、6 mg/L以下、pH控制为6~8，可满足回注要求。

（3）盒8段岩心速敏、酸敏伤害率分别为46.59%、21.11%，对研究区回注水源表现为中等偏弱速敏、弱酸敏，控制流速为26.87 m/d，可安全回注。