高钙型三元采出水分离特性研究

2022-11-10姜英男

油气田地面工程 2022年10期

姜英男

中国石油新疆油田公司陆梁油田作业区

三元复合驱技术是采收率较高的采油技术，是指利用碱、聚合物和表面活性剂作为驱替剂，通过它们相互之间的协同作用来提高驱替和波及效率达到增采的技术[1-2]。近年来，三元复合驱技术由于其在提高油田采收率上的优势而引起人们的广泛关注，大庆油田已大规模的应用[3-5]。但是，由于三元采出水中驱替剂成分的存在，使得三元采出水出现污水黏度大、油珠粒径小和乳化严重的问题，是一种较难处理的油田污水[6-9]。张大伟[10]和赵觅[11]等通过试验研究了驱替剂与三元采出水稳定性的关系。赵忠山等[12]对三元采出水的沉降特性进行了研究。在实际生产中，油藏的水质具有多变性，三元采出水中由于钙离子含量高，过饱和悬浮固体中碳酸钙微粒析出的概率变大，导致水质更加复杂。为了保证三元采出水得到有效的处理，高钙型采出水稳定的机理研究是目前油田研究的重点。

该研究以高钙型三元采出水为研究对象，通过室内实验对油珠粒径分布和静置沉降分离进行了研究，并且考察了不同pH 值和气浮条件对三元采出水分离特性的影响，为高钙型三元采出水处理工艺的开发和优化提供理论支持。

1 实验材料及方法

1.1 污水来源

该研究中实验水样为实际油田开采过程中产生的采出液，来自大庆油田某三元污水处理站，试验用水包含残余聚合物、无机盐、表面活性剂等。水质理化性质见表1。

1.2 油珠粒径分布实验

使用油珠粒径测定装置，取高钙型三元采出水置于圆柱形分液漏斗（高250 mm，容积500 mL）中，进行静置沉降分离实验。实验共设置9 个沉降时间梯度，分别为2、5、10、30、60、90、120、180、240 min，恒温箱的温度设置为40 ℃。根据实验设置不同沉降时间进行取样，取样部位为圆柱形分液漏斗底部，取样体积为250 mL，对样品进行含油量指标的检测。

1.3 静止沉降分离实验

使用玻璃沉降柱（500 mL）接取中心井采出液、脱水泵进液、电脱水器出液、污水站原水，先取其中的200 mL 水样进行聚合物含量、表面活性剂浓度和碱度指标的检测，后将玻璃沉降柱置于HWCS 恒温试验装置中进行污水沉降分离实验。实验共设置12 个沉降时间梯度，分别为10、30 min、1、2、4、6、8、12、18、24、36 和48 h，整个实验保持恒温条件，温度设置为40 ℃。当每次处理的沉降时间满足相应的要求时，将玻璃沉降柱上下倒置两次，静置1 min 后，先将玻璃沉降柱底部排出的100 mL 污水弃置，后续分别排出150 mL 污水，进行含油量指标和悬浮固体含量指标检测。

1.4 不同pH 值条件下高钙型三元采出水分离情况

使用广口瓶（250 mL）接取污水站原水，然后通过加入10%（质量分数）NaOH 和1%HCl 调节pH 值。实验共设置10 个pH 值梯度，分别为1.5、3、4.5、6、7、8、9.5、10.5、12、13。调节pH 值后，将恒温水浴装置设置为40 ℃，将广口瓶置于其中4 h，并进行观察记录。静置结束后，使用取样器对广口瓶底部液体取样50 mL 进行检测，通过污水的含油量和悬浮固体指标来评价pH 值的变化对高钙型三元采出水分离的影响。

1.5 不同气浮条件下高钙型三元采出水分离情况

使用5 L 玻璃下口瓶接取中心井采出液，将下口瓶置于恒温水浴装置中，水浴温度设置为40 ℃。分别静置1、2、3 和4 h 时，将玻璃下口瓶内的底水放于浮选机的浮选槽内，每次气浮处理前使用取样器抽取浮选槽底部水40 mL 作为对照样。气浮处理时间为20 min，待气浮处理结束后静置1 min，使用取样器抽取底部水样40 mL 进行含油量指标的检测。

1.6 仪器及分析方法

实验指标检测所用的仪器和分析方法见表2。

表2 实验仪器及分析方法Tab.2 Experimental instruments and analytical methods

2 结果与讨论

2.1 油珠粒径分布特征

浮油油珠的粒径一般大于100 μm；分散油粒径为10～100 μm；乳化油粒径为0.1～10 μm；溶解油粒径小于0.1 μm，其中浮油很容易被去除，分散油一般至少需要4 h 以上，乳化油单纯静止沉降去除困难。实验所用水样的初始含油浓度为160 mg/L，油珠粒径是通过公式（1）计算。

式中：w为油珠上浮速度，m/s；dw为油珠粒径，m；μO为动力黏度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2；ρw、ρO分别为水和油的密度，kg/m3。

原水中浮油（粒径≥81.7 μm）比例为3.1%，粒径为21.1～81.7 μm 的分散油比例为8.8%，而粒径≤21.1 μm 的分散油、浮化油等比例约为88.1%。通过高钙型三元采出水的油珠粒径分布情况可以看出，高钙型三元采出水表现出稳定的特性，油珠与水相难以分离。

2.2 静止沉降分离特性

2.2.1 静置条件下高钙三元采出水分离情况

原水中含油量随沉降时间增加而降低，在静置12 h 时含油浓度由初始的159 mg/L 降为60 mg/L；在12 h 后降低的速率变得缓慢，经过24 h 后降至50 mg/L 以下。悬浮固体含量随沉降时间增加而降低，但在6 h 后降低的速率非常缓慢，经过12 h 静置后悬浮固体浓度依然为98 mg/L，静置48 h 后为74 mg/L。研究表明，高钙型三元采出水在一定时间的静止沉降条件下，对油、水、固体的分离有一定的效果（图1）。

图1 不同沉降时间下残余油和悬浮固体含量的变化情况Fig.1 Changes of residual oil and suspended solids content at different settling times

2.2.2 不同工艺段静止沉降分离特性比较

针对不同的工艺段取样，分析不同工艺段的沉降特性，不同工艺段的水质见表3。

表3 不同工艺段污水水质分析Tab.3 Analysis of sewage quality in different process sections

在沉降时间为0～8 h 期间，中心井及脱水泵进液的残余含油量下降趋势较大，随时间变化呈指数下降，而电脱水器出水及污水站原水下降趋势缓慢。分析原因，沉降时间0～8 h 期间水相内油珠密度大、粒径分布范围广，致使油珠的浮速速率相差较大，油珠间随机碰撞的概率也较大。较小的油珠经过碰撞聚结后尺寸变大，能够快速上浮至水面与油层融合。在沉降8 h 后，水中残余的油珠密度较小，粒径分布范围较小，油珠之间发生碰撞的概率变小，油珠只能依靠浮力缓慢上升至水面与油层融合，造成水相残余含油量下降缓慢。而电脱水器出水及污水站原水静沉含油量下降比较缓慢，主要是因为前期粒径比较大的油珠已经被去除掉，水相中残余的油珠均为相对较小尺寸的油珠，因此水相残余含油量下降缓慢（图2）。

如图3 所示，中心井最初的悬浮固体浓度为235 mg/L，在静置沉降0～4 h 期间沉降速度较快，悬浮固体浓度从235 mg/L 下降至110 mg/L；在静置沉降4 h 后悬浮固体含量下降趋势变缓，最后稳定在64.4 mg/L 左右。而采出液在进站汇总后，最初的悬浮固体浓度为354 mg/L，随着沉降时间的延长含量逐渐降低，但是整体的处理效果较差，沉降24 h 后残余悬浮固体含量为131 mg/L。电脱水器出水后最初的悬浮固体浓度为173 mg/L，随着时间的延长悬浮固体下降的趋势缓慢最后趋于稳定，静置沉降24 h 后仍保持在67 mg/L 左右。

图3 沉降时间对残余悬浮物含量的影响Fig.3 Effect of settling time on residual suspended solids content

高钙型三元采出水由于三元驱油剂的加入导致乳化严重，油珠聚并性以及悬浮物沉降性能差；高钙型三元采出水为塑性流体，在塑性流体中，聚合物在水中形成网格结构，阻碍尺寸过小的油珠上升。尺寸较小的油珠，只能在聚合物形成的网格结构蠕变过程中才能缓慢的上浮上升。同时高钙型三元采出水屈服值的存在导致油珠之间的聚并概率显著下降，油珠上浮困难。因此，在聚合物含量较高的三元采出水处理中，应适当的加入油珠聚结部件来加强油珠之间的聚结，提高油珠的上浮能力。

2.3 pH 值对分离特性的影响

用10%NaOH 和1%HCl 对所取水样进行pH 值调节，静置沉降并观察现象。随着pH 值的变化，三元采出水表现出不同的现象，当pH 值为1.5 和3.0 时，经过调节pH 值后的水样中均有气泡产生，并且随着pH 值的增大，气泡产量增加，在静置2 h后，均有絮体的出现。当pH 值为4.5、6.0 和7.0时，经过调节pH 值后的水样中均有气泡产生，并且随着pH 值的增大，气泡产量增加，整个过程未有絮体出现。当pH 值为8.0 时，经过调节pH 值后的水样中有气泡产生，并伴有H2S 气味，整个过程未有絮体出现。当pH 值为9.5 和10.5 时，经过调节pH 值后的水样无明显的变化。当pH 值为12 和13时，经过调节pH 值后的水样中均立刻有絮体的产生，并且随着pH 值的增大，絮体量增加，整个过程均未有气泡出现。通过观察可知，随着污水pH值的逐渐提高，其水质特性也发生相应的变化。当pH 值＞12 时，水中出现絮体，其原因为随着pH 值变大，水中相应的OH-浓度增加，当OH-达到一定值时，体系平衡被破坏。

通过投加酸和碱调节三元采出水的pH 值，无论是pH 值＞7 还是pH 值＜7，静置沉降4 h 后含油量均有所降低，表明酸和碱的加入均可促进高钙型三元采出水的油水分离。pH 值升高时含油浓度由128 mg/L 降至27.5 mg/L，去除率为78.4%，pH 值降低时含油浓度降至58.7 mg/L，去除率为53.9%。随着pH 值的升高，悬浮固体浓度降低，从282 mg/L降到78.5 mg/L，最终去除率为72.2%；随着pH 值降低，悬浮固体浓度先增大后减小，由282 mg/L 先增加至758 mg/L，然后又降低到121 mg/L，最终去除率为57%。原因是当污水pH 值＜3 时，由于絮体的出现使得污水中一部分悬浮固体随之沉降至底层，从而表现为较低的悬浮固体含量；当污水pH值为3～9.5 时，由于气泡的产生导致悬浮固体沉降速度缓慢，从而表现为较高的悬浮固体含量（图4）。

图4 不同pH 值下残余含油量和悬浮固体含量变化情况Fig.4 Changes of residual oil and suspended solids content at different pH values

2.4 气浮条件下高钙型三元采出水油水分离特性

重力沉降方法难以有效去除三元采出水中的含油量，其残余含油浓度始终在100 mg/L 以上。在不加药情况下气浮对三元采出水的除油效果一般，在初始含油浓度1 400 mg/L 的情况下，静置沉降1h 除油率为24.2%，气浮处理20 min 后的除油率为6.0%。而且初始含油量下降，气浮的除油效果也随之下降。静置沉降4 h 后，初始含油浓度为524 mg/L 的三元采出水经过20 min 气浮处理，含油浓度降低到478 mg/L，对应的除油率仅有8.8%。表明气浮除油工艺如果应用，需要辅助反向破乳剂来进一步提高效率。