产出水回注过程中的污染机制：基于微观模型研究对井筒附近损伤的深入理解

《Energy & Fuels》：Fouling Mechanisms in Produced Water Reinjection: Insights into Near-Wellbore Damage from a Micromodel Study

产水回注过程中近井筒堵塞机制研究：通过微流控模型模拟发现生物膜形成、无机物周期性沉淀与气体泡捕获是主要堵塞原因，钙碳酸盐涂层加剧了沉积现象，揭示了微生物活动与矿物沉淀的耦合作用及其对渗透率的影响。

　　### 产生的水处理挑战与研究背景

随着全球能源需求的持续增长，石油和天然气仍然是主要的能源来源之一。在石油和天然气的开采过程中，会产生大量所谓的“产出水”，这种水含有原油滴、溶解的有机和无机化合物、悬浮的固体颗粒以及微生物等成分。产出水的处理是一个复杂且关键的问题，因为它不仅影响油田的运营效率，还可能对环境造成潜在危害。目前，产出水的再注入（Produced Water Re-injection, PWRI）是一种较为可持续的处理方式，能够减少对海洋环境的排放。然而，PWRI过程中存在的一个主要挑战是，由于岩层孔隙的堵塞，注入井附近的渗透性（injectivity）会逐渐下降，这一现象称为“近井堵塞”。

近井堵塞可以由多种机制引起，包括物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞。物理堵塞通常发生在悬浮颗粒和油滴被拦截或过滤，导致它们在孔隙中堆积，形成阻碍。化学堵塞则与注入水中固体沉淀、化学平衡的变化以及离子浓度、温度、压力或pH值的改变有关。生物堵塞则是由微生物活动引起的，例如细菌在高盐度和高温环境下形成生物膜，从而影响流体的流动。此外，沥青质沉积和岩石与水之间的化学反应也可能对渗透性产生负面影响。

为了更深入地理解这些堵塞机制，研究者采用了一种创新的实验方法，即在玻璃微模型中注入海水和产出水的混合物，并在70°C的条件下进行模拟。这种方法不仅能够再现实际油田中的物理和化学条件，还能通过高分辨率成像技术直接观察近井堵塞的过程。通过结合渗透性测量和图像分析，研究团队成功识别了三种主要的堵塞因素：微生物生物膜的形成、无机固体的周期性沉淀与再溶解，以及气体泡的滞留。这些发现为今后的微生物控制和无机沉淀预防策略提供了重要的参考。

### 实验材料与方法

为了进行这一研究，研究人员首先准备了实验所需的化学试剂，包括氢氧化钠、乙酸、乙醇、3-三甲氧基硅基丙烯酸酯、异丙醇、1,6-己二醇二丙烯酸酯、光引发剂、苏丹I等。这些化学物质被用于构建钙碳酸盐涂层，以模拟油田中的岩石表面。通过这些涂层，研究人员能够更真实地再现岩石与水之间的相互作用，从而更准确地评估堵塞机制。

在实验过程中，研究人员使用了两种类型的玻璃微模型：一种是未涂层的玻璃微模型，另一种是涂有钙碳酸盐的玻璃微模型。这两种微模型在实验前均被饱和于原油成分，以模拟油田中的实际情况。随后，通过微量注射泵将海水和产出水的混合物以特定的流速注入微模型中。为了确保实验的准确性和可重复性，研究人员还使用了高分辨率成像技术，包括光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM），对微模型内部的堵塞现象进行观察和分析。

此外，研究人员还通过DNA测序对产出水中的微生物进行了分析。测序结果显示，产出水中存在多种微生物，包括一些已知能够在高温和高盐度环境中生存的细菌。这些细菌的种类和数量对实验结果具有重要影响，因为它们的活动可能导致生物膜的形成，从而加剧近井堵塞。为了进一步研究这些微生物的影响，研究人员还进行了紫外（UV）处理实验，以消除微生物活动对渗透性的影响，并观察不同条件下的堵塞行为。

### 实验结果与现象分析

在实验过程中，研究人员观察到多种堵塞现象。首先是生物膜的形成，这主要发生在钙碳酸盐涂层的微模型中。随着海水和产出水的混合物不断注入，微生物在微模型的孔隙中开始生长，并逐渐形成稳定的生物膜。这些生物膜不仅会占据孔隙空间，还可能与其他物质结合，进一步降低渗透性。在某些情况下，生物膜的形成还伴随着无机固体的沉淀，这些固体具有不同的形态，如纤维状和晶状。

其次，无机固体的周期性沉淀与再溶解现象也被观察到。在钙碳酸盐涂层的微模型中，随着注入量的增加，无机固体在孔隙中逐渐积累，导致渗透性的下降。然而，当注入量达到一定水平后，这些固体开始被溶解，渗透性也随之恢复。这种周期性的变化表明，无机沉淀可能受到多种因素的影响，包括流体的化学成分、温度和压力的变化等。

此外，气体泡的滞留也是实验中观察到的一个重要现象。在钙碳酸盐涂层的微模型中，随着注入量的增加，气体泡逐渐形成并滞留在孔隙中，进一步阻碍了流体的流动。这一现象在未涂层的玻璃微模型中并未出现，说明气体泡的形成可能与涂层的化学性质有关。然而，研究人员也指出，这种气体泡的形成在实际油田条件下不太可能发生，因为高压力会将气体溶解在水中，而不是形成气泡。

### 讨论与实际应用

实验结果表明，近井堵塞是一个复杂的过程，涉及多种机制的相互作用。生物膜的形成是其中最为显著的因素之一，尤其是在钙碳酸盐涂层的微模型中。研究人员通过DNA测序和显微镜观察，发现多种微生物在实验过程中活跃，并且它们的活动可能导致生物膜的形成和无机固体的沉淀。这些微生物的种类和数量对实验结果具有重要影响，因为它们的代谢活动可能改变孔隙内的化学环境，进而影响流体的流动。

此外，无机固体的周期性沉淀与再溶解现象也对渗透性产生了显著影响。在钙碳酸盐涂层的微模型中，随着注入量的增加，无机固体逐渐积累，导致渗透性的下降。然而，当注入量达到一定水平后，这些固体开始被溶解，渗透性也随之恢复。这种周期性的变化表明，无机沉淀可能受到多种因素的影响，包括流体的化学成分、温度和压力的变化等。研究人员还指出，这种现象在实际油田中可能与化学反应和流体流动的动态变化有关。

气体泡的形成是实验中另一个重要的观察结果。在钙碳酸盐涂层的微模型中，随着注入量的增加，气体泡逐渐形成并滞留在孔隙中，进一步阻碍了流体的流动。这一现象在未涂层的玻璃微模型中并未出现，说明气体泡的形成可能与涂层的化学性质有关。然而，研究人员也指出，这种气体泡的形成在实际油田条件下不太可能发生，因为高压力会将气体溶解在水中，而不是形成气泡。

从实际应用的角度来看，这些研究结果对油田的运营管理具有重要意义。首先，研究人员发现，尽管在开采过程中已经采取了初步的杀菌措施，但微生物的活动仍然可能导致生物膜的形成和近井堵塞。因此，需要进一步优化杀菌方法，以更有效地控制微生物的活动。其次，无机固体的沉淀和再溶解现象表明，油田中的化学条件对流体的流动具有重要影响。因此，需要对注入水的化学成分进行更详细的分析，并采取相应的措施，以减少无机沉淀的发生。

此外，气体泡的形成虽然在实验中被观察到，但在实际油田条件下不太可能发生。因此，研究人员建议，在实际应用中，应更加关注其他堵塞机制，如生物膜的形成和无机沉淀。通过深入研究这些机制，研究人员希望能够为油田的可持续发展提供科学依据，并帮助工程师设计更有效的处理方案。

### 结论与未来研究方向

本研究通过实验模拟和高分辨率成像技术，揭示了产出水再注入过程中近井堵塞的主要机制。研究结果表明，生物膜的形成、无机固体的周期性沉淀与再溶解以及气体泡的滞留是导致渗透性下降的主要因素。这些发现不仅加深了对近井堵塞现象的理解，还为今后的微生物控制和无机沉淀预防策略提供了重要的参考。

未来的研究方向可能包括进一步优化实验条件，以更准确地模拟实际油田中的情况。此外，研究人员还建议，可以通过更先进的分析技术，如拉曼光谱和能量色散X射线光谱（EDX），来更详细地研究无机固体的化学成分。这些技术可以帮助研究人员更全面地了解堵塞机制，并为实际应用提供更精确的数据支持。

总的来说，本研究通过实验模拟和高分辨率成像技术，为产出水再注入过程中近井堵塞的机制提供了新的见解。这些发现不仅有助于理解油田中的复杂现象，还为今后的可持续发展和环境保护提供了科学依据。通过深入研究这些机制，研究人员希望能够为油田的运营管理提供更有效的解决方案，从而减少对环境的影响，并提高油田的运营效率。