油井酸化返排液油水分离效率的影响因素

王崇(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

0 引言

酸化是海上油田一项重要的增产措施，返排液处理是油井酸化施工中的一个重要步骤，酸化返排液是否能实现有效油水分离，对于保证油田的正常生产及外输原油质量具有重要意义。酸化工艺虽然在海上油田已应用较为成熟，但由于受海上平台的空间限制，生产流程较短，酸化返排液经沉降罐分离后进入电脱水器掉电现象频发，严重影响了油井酸化返排液的油水分离效率[1-3]。为此，开展了油井酸化返排液油水分离效率的影响因素研究，明确了导致酸化返排液进入电脱水器后电脱水困难的主要原因。

1 酸化返排液电脱水实验研究方法

(1)酸化返排液电脱水机理。在交流电场中，电极板所带电荷极性不断地发生变化，酸化返排液中水滴的表面电荷方向也随电场的变化而不断改变，使包围水滴的界面膜薄化，并沿电场方向发生聚集、破裂，实现酸化返排液脱水，其聚结效率随施加的电场增强而增加。水滴能否并聚，进而形成较大颗粒，是界面膜是否破裂的关键。(2)电脱水实验原理。实验选用电场强度参数来表征返排液油相的油水分离效率，评价其电脱水的难易程度。在借鉴海上油田现场使用的电脱水器工作原理的基础上，制备了实验室小型模拟电破乳实验装置。该仪器长电极长度为8 cm，短电极长度为4 cm，可加最大电压为5.25 kV，与现场用电脱水器的最高工作电压相符。

2 实验设计

2.1 实验仪器及材料

实验仪器：分析天平，感量0.1 mg；恒温水浴锅，工作温度范围为室温至150 ℃，控温精度±1 ℃；实验室小型电破乳仪器；离心机，转速0～3 000 r/min。实验材料：蒸馏水；渤海油田酸化返排液油相；盐酸、碳酸氢钠、六水氯化铁、无水氯化钙，均为分析纯。

2.2 实验方法

(1)机械杂质含量。取现场返排液进行沉降，取下层油样进行离心，将滤出固体用汽油清洗、烘干、研磨，制成固体粉末。将上层油样与蒸馏水按照油水体积比3∶2混合，以3 000 r/min搅拌15 min，在温度60 ℃条件下静置30 min，制备成含水率为40%的油包水乳状液。取400 mL油包水乳状液，分成4份，分别加入不同质量的固体粉末，经高速搅拌后在温度60 ℃条件下静置30 min，采用电脱水装置进行板间电场强度测定。

(2)pH值。取300 mL酸化返排液油相，分为3份，记做样品A、样品B、样品C。用质量分数2%盐酸、质量分数5%碳酸氢钠缓冲溶液调节pH值后，在恒温水浴60 ℃下静置1 h使其充分反应。然后通过电脱水装置测定溶液pH在1～10条件下的电场强度。

(3)进液温度。量取300 mL酸化返排液油相，分成3份，记为样品A、样品B、样品C，分别在温度为60、80、100、120 ℃条件下进行板间电场强度测定。

(4)高价阳离子。量取80 mL酸化返排液油相，分别加入20 mL浓度为1%的氯化钙溶液、氯化镁溶液、三氯化铁溶液，在温度为60 ℃的恒温水浴锅中静置1 h，使其充分反应，然后倒入评选瓶中，进行板间电场强度测定。

3 结果讨论

3.1 机械杂质含量对返排液油水分离效率的影响

酸化返排液携带的机械杂质主要为储层微粒、粘土矿物、氟硅酸盐及硫化亚铁等。这些机械杂质具有油水双润湿性，易使油水相界面强度发生变化，导致返排液的电场强度随之变化，从而对油水分离效率的产生较大影响。为考察机械杂质对酸化返排液电脱水的影响程度，实验评价了在不同含量的机械杂质在电脱水装置中的电场强度。结果表明，三个样品电场强度的变化趋势相似，当机械杂质含量低于50 mg/L时，原油乳化现象不明显，电场强度高于318.75 V/cm，能建立起脱水所需的电场强度，因而能较好实现返排液油水分离；随着机械杂质含量的增大(50 mg/L以上)，电场强度急剧降低，油相乳化现象加剧；当机械杂质含量增至200 mg/L时，电脱水器出现明显过流现象，电场强度介于93.74～151.25 V/cm，远低于电脱水器正常工作所需的电场强度。分析该现象产生的原因是由于机械杂质的油水双润湿性的性质决定了油-水-固三相交界处稳定性，且机械杂质以颗粒状分散于油水界面，从而阻隔液滴间的聚并，导致乳状液的稳定性增强。

3.2 pH值对油水分离效率的影响

在酸化作业过程中，返排液pH值呈较为明显的递增趋势。直至返排后期，返排液pH值逐渐趋近于中性，甚至碱性。实验考察了酸化返排液油相pH值对油水分离效率的影响，实验结果如图1。由图1可知，随着pH值升高，返排液油相电场强度呈先增大后降低的趋势，且在pH=7时油相电场强度达到最大值。实验结果表明，强酸和强碱性环境均使酸化返排液电破乳更为困难。分析原因可能是在低pH环境下(pH≤3)，返排液中携带的大量氢离子易与原油中的极性分子的羧酸盐和环烷酸盐等非离子型有机物脂肪酸接触反应，形成阴离子类乳化物质，吸附在油水界面，使得界面膜更为致密，膜强度增大，乳化液稳定性增强，导致油相电场强度降低；在pH=7时，溶液中游离氢离子和氢氧根离子含量最低，此时油相电场强度最高；在高pH环境下(pH≥9)，游离氢氧根离子增多，大量铁离子转化为氢氧化铁胶体，使得油相电场强度不断降低。

3.3 进液温度对油水分离效率的影响

极限电压与进液温度的关系如图2所示。结果表明：三个样品的电场强度均随着进液温度的升高而增大，温度对返排液油相的电脱水效率影响较大。分析原因可能是由于随温度升高，蜡晶体重新溶解到油相中，油相黏度降低，离子迁移率增大，使得溶液电阻率降低，电场强度升高。同时，温度也降低了界面黏度，加剧液滴聚结，导致原油水界面膜更趋于不稳定状态。此外，温度增加了液滴的热能，因此增加了液滴碰撞的频率，提高了油水分离效率。在现场进行返排液处理过程中，可通过适当提高进液温度有助于解决返排液油相油水分离效率低的问题。

3.4 高价阳离子对油水分离效率的影响

在酸化作业过程中，酸液溶蚀地层中粘土矿物，会产生大量的Ca2+、Mg2+、Fe3+等高价阳离子，且酸液溶解管线中的铁锈也会生成Fe3+。此外，酸化作业后由于地层水矿化度较高，残酸经过地层时会携带了更多的Ca2+、Mg2+，酸化返排液中不可避免含有Ca2+、Mg2+、Fe3+这些高价阳离子。为考察不同类型高价阳离子对油水分离效率的影响，实验将氯化钙溶液、氯化镁溶液、三氯化铁溶液分别加入上层油相中，测其电场强度，实验结果如图3所示。由图可知，随着高价阳离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)浓度增大，油相电场强度降低，这说明相对较高浓度的阳离子有利于增大导电离子的活性，更利于形成导电介质，增大油相导电性，使得油相在电脱水器中脱水难度增大；当所加入的盐为三氯化铁时，其油相电场强度的降幅最大，分析原因可能是酸化作业后油相经中和反应后pH值恢复至6～7后，不同于钙、镁离子生成的氢氧化物沉淀，铁离子易聚集形成氢氧化铁沉淀及胶体，并吸附在油水界面，进一步增强了油相稳定性，导致电场强度大幅降低，电脱水难度增大。

图1 机械杂质与返排液油相电场强度的关系曲线图

图2 进液温度与返排液油相电场强度的关系曲线图

图3 阳离子溶液与返排液油相电场强度的关系曲线图

4 结语

机械杂质含量增至50 mg/L后，返排液油相乳化现象加剧，电场强度急剧降低，显著影响返排液油水分离效率；当酸化返排液pH 值为7左右时，电场强度达到最大值，油水分离效果最好，强酸及强碱环境下均不利于酸化返排液脱水；高价阳离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)使返排液油相的电场强度有所降低，其中铁离子影响最大，且当铁离子浓度高于300 mg/L后，电脱水装置无法稳定运行。基于室内模拟实验分析认识，提出了针对酸化返排液进入电脱水装置后频繁跳闸问题的对策方法；同时建议现场采用化学沉降、消除返排液中高价金属离子含量的方法来提高油水分离效果。