① 采出水粘度大,含油量和悬浮固体含量高,重力沉降除油和悬浮固体效果差,所需沉降时间大幅度延长, 需要新建大量采出水处理设施;
② 含聚合物采出水中的阴离子型聚丙烯酰胺与水驱采出水处理中广泛应用的阳离子型混凝剂/絮凝剂发生电性中和反应,低加药量下处理效果变差甚至有增大采出水悬浮固体含量的反作用, 造成清水剂用量增大;
③ 分离设备中的聚结元件和分离元件常因结垢和积砂严重而流道堵塞,导致采出水处理设施处理能力下降和处理后采出水含油量和悬浮物含量严重超标;
④ 过滤器进水含油量和悬浮固体含量大,滤料表面因粘附有大量聚合物凝胶、原油和悬浮固体而板结,造成过滤压差增大,出水水质恶化,反冲洗周期缩短,反冲洗过程中滤料表面污染物清除效果差,滤料污染速率加快;
⑤ 聚合物的增粘作用使过滤压差大幅度上升,造成水驱采出水处理中广泛应用的重力式单阀滤罐和与之配套的自压反冲洗流程对含聚合物采出水的不适应, 反冲洗周期由24h缩短为8h~12h, 处理能力大幅度下降;
⑥ 采出水中的阴离子型聚丙烯酰胺与阳离子型混凝剂/絮凝剂形成的黏性絮凝物上浮进入沉降罐上部的浮油层中, 随水处理系统收油进入采出液处理系统后严重干扰原油脱水,造成电脱水器内油水过渡层增厚和电场破坏, 部分粘性产物还会悬浮在采出水中随之进入过滤器,造成过滤器堵塞和反冲洗效果变差。
相对来讲, 化学驱采出水中最难以去除的杂质是从储油层中采出的黏土颗粒、硫化亚铁等腐蚀产物颗粒和因采出水过饱和析出的新生矿物微粒。
化学驱采出水的性质和稳定机制
化学驱采出水较水驱采出水的主要性质差异
① 含油量高,油水乳化程度高,油珠之间聚并困难,分离缓慢;
② 聚合物驱、碱-聚合物驱和碱-表面活性剂-聚合物驱采出水中含有阴离子型聚合物,粘度大,其中的阴离子型聚丙烯酰胺易与水驱采出水处理中广泛应用的阳离子型混凝剂和絮凝剂发生电性中和反应,产生高粘性的絮状物;
③ 油水界面张力低,负电性强;
④ 悬浮固体颗粒含量高,表面负电性强, 絮凝能力弱;
⑤ 碱-聚合物驱和碱-表面活性剂-聚合物驱采出水pH和矿化度高,碳酸盐、硅铝酸盐等无机矿物过饱和,从中持续析出新生的矿物微粒;
⑥ 部分油珠因表面吸附有固体微粒而不能上浮和聚并;
化学驱采出水中的部分固体颗粒吸附在油珠表面上、嵌入油珠内部或其表面上粘附有油珠形成密度介于油相和固相之间的聚集体,密度差的减小使油珠上浮和悬浮固体颗粒沉降速率下降。
化学驱采出水处理工艺和设备
1水力旋流器;
2超声波处理器;
3活性炭吸附;
4电解絮凝;
5基于聚结填料和浅池理论的除油器
6气浮选机;
7由聚结填料和加压溶气浮选结合而成聚结气浮装置;
8配有高效管式混合器的斜板溶气气浮选装置;
9中空纤维过滤器;
10纤维球过滤器;
11石英砂-磁铁矿双层滤料过滤器
12超滤;
13两级大罐沉降-两级压力过滤流程
14基于聚结填料和浅池理论的除油器-两级压力过滤流程;
15一级大罐沉降-水力旋流器-两级压力过滤流程;
16水力旋流器-大罐沉降-两级压力过滤流程
17气浮选-一级过滤工艺;
18气浮选-二级过滤工艺;
19填料聚结器-斜板除油器-石英砂过滤工艺;
20聚结溶气气浮-斜板溶气气浮-过滤工艺;
21压力组合沉降-二级压力过滤(核桃壳滤料过滤器;
22石英砂-磁铁矿双层滤料过滤器-UV/H2O2/O3氧化-中空纤维过滤工艺;
23生物降解
目前工业规模的化学驱采出水处理中应用最普遍和适应性最强的是两级沉降-一级压力过滤处理工艺和两级沉降-二级压力过滤处理工艺。通过大幅度延长沉降处理时间(由水驱采出水沉降处理的一次沉降停留时间4h, 二次沉降停留时间2h延长至一次沉降10.3h,二次沉降5.2h)和用一级或两级压力过滤工艺替代一级重力过滤工艺可以使过滤器进水含油量达到100mg/l以下,并使过滤器出水的含油量和悬浮固体含量都达到20mg/l以下的含聚合物采出水回注高渗透率油藏的控制指标。
化学驱采出水处理药剂
(1)氧化剂
① Fe2+/H2O2
② Fe2+/H2O2/草酸
③ 氯氧高价盐
④ 对苯二酚/O2
⑤ Na2S2O8/(NH4)2S2O8
⑥ K2S2O8/FeSO4
⑦ ClO2/FeSO4
⑧ K2FeO4
⑨ NaClO/KClO
⑩ K2FeO4/KClO
(2)无机阳离子混凝剂/絮凝剂
① 混合氢氧化物正电溶胶;
② 聚合氯化铝
③ 聚合硫酸铝
④ 聚合硫酸铁
⑤ 三氯化铝
⑥ 聚合氯化硫酸铝铁
(3)非离子有机反相破乳剂
嵌段聚醚
(4)阳离子有机絮凝剂
① 阳离子聚丙烯酰胺
② 聚二甲基二烯丙基氯化铵
③ 阳离子聚丙烯酰胺-二甲基二烯丙基氯化铵共聚物
(5)阴离子有机助凝剂
(6)螯合剂
(7)复合型药剂
① 无机阳离子混凝剂/絮凝剂+有机阴离子助凝剂;
② 无机阳离子混凝剂/絮凝剂+有机阳离子絮凝剂;
③ 无机阳离子混凝剂/絮凝剂+非离子有机反相破乳剂+有机阳离子絮凝剂
④ 非离子有机反相破乳剂+有机阳离子絮凝剂
氧化剂
陈颖和王宝辉等研究了高铁酸钾对聚合物驱采出水中聚丙烯酰胺和原油的氧化降解去除效果和适宜的处理条件。聚合物含量和含油量分别为238mg/l和375mg/l的大庆油田喇嘛甸区块聚合物采出水经调节pH至3,投加0.001mol/l高铁酸钾在45℃下反应15min后,其聚合物含量和含油量分别降低至2.4mg/l和3.7mg/l,同时水样粘度也由2.39mPa·s降低至0.91mPa·s。
王健等研究了Fenton试剂法去除华北油田岔河集区块含聚合物铬凝胶采出水化学耗氧量的影响因素和适宜的处理条件, 通过在Fenton氧化体系中增加紫外线照射、草酸盐和氧气,显著提高了Fenton试剂法对含聚合物铬凝胶采出水化学耗氧量的去除效果。含油量为1189mg/l,部分水解聚丙烯酰胺弱凝胶含量为201mg/l, COD值为1152mg/l的岔河集区块弱凝胶调驱采出水中投加900mg/l Fe2+、1500mg/l H2O2、500mg/l 草酸盐并在30℃下经过120min紫外线照射后的COD去除率可达99%。
无机混凝/絮凝剂
刘国荣等以胜利油田孤东区块含聚合物采出水为介质,评价了聚合硫酸铝和聚合硫酸铁等6种无机絮凝剂对含聚合物采出水的混凝清水效果,确定对孤东区块聚丙烯酰胺含量为100mg/l~500mg/l, pH为7~8, 粘度为1.6mPa·s~2.4mPa·s, 含油量为140mg/l~1500mg/l,悬浮固体含量为100mg/l~200mg/l的含聚合物采出水的适宜混凝参数包括调水样pH至6.1, 聚合硫酸铁加量为60mg/l,聚合硫酸铝的加药量为15mg/l,混凝后静置沉降2h。经过上述混凝和沉降处理的含聚合物采出水再经过精细过滤后其含油量和悬浮固体含量可分别降低至4.0mg/l和1.2mg/l。
李玉江等筛选出不含铁离子的混合金属氢氧化物正电溶胶作为碱-表面活性剂-聚合物驱采出水的清水剂。用该药剂处理胜利油田孤五注一碱-表面活性剂-聚合物驱油井采出的pH值为9.2,粘度为3.3mPa·s,含油量为970mg/l的采出水,在处理温度为30℃和加药量为200mg/l的情况下,处理后采出水含油量降低至10mg/l。
阳离子有机絮凝剂
龙凤乐和孙岩波等报道了一种阳离子型聚丙烯酰胺作为含聚合物采出水的除油剂。胜利油田孤二联合站在采用自然沉降→混凝沉降→压力过滤处理工艺和混凝沉降罐进水中投加10mg/l上述除油剂的情况下, 处理后采出水中的含油量的平均值由试验前的940mg/l降低到145mg/l。试验期间也暴露出两个问题,一是药剂费用高; 二是采出水处理过程中产生的高机械杂质含量的污油流动性差,不仅回收困难,更无法处理。
从2008年9月大庆油田南III-1联合站混凝沉降罐上部粘稠污油中分离出的机械杂质(主要成分为阳离子型絮凝剂与采出水中阴离子型聚合物作用的产物
非离子型有机反相破乳剂
吴迪等研制了兼有油珠聚结和浮选除油功能的非离子型除油剂。根据所研制药剂对O/W型化学驱采出液具有良好破乳效果的特点, 提出了将该药剂加药点设在采出液破乳之前, 采用沉降→浮选处理工艺来解决化学驱采出水油水分离问题的方法。
无机阳离子型混凝剂/絮凝剂+阳离子型有机絮凝
邓述波和郭春昱等通过在过无机絮凝剂中复配少量有机阳离子絮凝剂研制出一种复合絮凝剂,将其用于大庆油田北一区断西区块聚合物驱矿藏试验中心井产出的 聚合物驱采出水的处理中,在采用自然沉降→混凝沉降→两级压力过滤处理工艺和自然沉降罐和混凝沉降罐进水中投加50mg/l复合絮凝剂的情况下, 处理后采出水的含油量和悬浮固体含量分别由未投加复合絮凝剂前的3.6mg/l和33mg/l降低到3.5mg/l和8.6mg/l。
申玉星和傅绍斌等以大庆油田杏二中试验区碱-表面活性剂-聚合物驱采出水为介质,研制了由pH调节剂、复合铝盐和有机絮凝剂构成的复合清水剂,水温为40℃的上述三元复合驱采出水在搅拌状态下依次投加pH调节剂、240mg/l复合铝盐和10mg/l有机絮凝剂,静置5min后的含油量可降低至1.9mg/l, 透光率提高到99.4%。
氧化剂+无机混凝/絮凝剂
陈云霄等研制了一种含氯氧高价盐氧化剂的强氧化缓速缓蚀体系,在河南油田双联聚合物含量为200mg/l的采出水处理中将其与无机絮凝剂复合使用,在两种药剂加药量均为50mg/l的情况下,处理后采出水中的聚合物含量降低至60mg/l,使经过沉降和过滤处理后采出水的含油量和悬浮固体由单独投加絮凝剂时的均高于20mg/l降低到均低于10mg/l的技术指标。
非离子型有机反相破乳剂+有机阳离子型絮凝剂
卢磊等针对胜利油田坨一联合站的含聚合物采出水研制了一种由改性聚醚类破乳剂和弱阳离型絮凝剂复合而成的复合清水剂,在其加药量为250mg/l的情况下,使坨一联合站含聚合物采出水的含油量由859mg/l降低到69mg/l, 除油率为92%。
其它类型清水剂
李胜华等报道了针对胜利油田孤岛西区弱碱体系碱-表面活性剂-聚合物驱采出水按照阳离子界面剂+阳离子成核剂+架桥剂的思路研制的未指明成分的絮凝剂和净化剂,将二者复合使用,可在不需要调节pH的情况下将含油量大于200mg/l的灰色粘稠状采出水的含油量和悬浮固体含量分别降低到30mg/l和20mg/l以下。
李玉善等研制了阳离子型有机除油剂和复合型脱稳絮凝剂, 其中的阳离子型聚合物除油剂可破乳除油而不去除悬浮固体颗粒, 脱稳絮凝剂能通过改变HPAM的水溶性而使聚合物和悬浮固体颗粒失稳、絮凝并从采出水中去除,将其分别应用于两级气浮+精细过滤处理工艺中的一级气浮和二级气浮单元中, 使含油量为1975mg/l,悬浮固体含量为310mg/l,聚合物含量为79mg/l的孤二联合站聚合物驱采出水达到悬浮固体含量<3mg/l, 悬浮物粒径中值<2.0μm, 含油量<8mg/l。
化学驱采出水处理的认识与建议
认识
虽然针对聚合物驱、碱-聚合物驱和碱-表面活性剂-聚合物驱采出水开发了上述诸多种类的清水剂、处理工艺和设备,一些清水剂产品在现场应用中也取得了显著的水质改善效果,胜利油田孤岛区块稠油聚合物驱采出水和大庆油田碱-表面活性剂-聚合物驱采出水的处理和回注问题仍没有得到圆满解决,尚需开展进一步的研究和试验工作。
如果单从室内清水效果看,阳离子型混凝剂/絮凝剂对采出水中原油和悬浮固体的去除效果是最好的,但这类药剂在混凝和絮凝过程中均会使采出水中的聚合物全部或部分脱稳形成大量含水率通常在90%以上的絮体。由于采出水中的原油通常会被捕获到絮体中造成很大一部分絮体不能下沉,其中的一部分絮体悬浮在水中造成过滤器进水水质变差,反冲洗周期缩短和滤料污染加重;另一部分絮体则上浮到水面进入到浮油层中形成高含水率、高机械杂质含量的粘稠污油,如果将这部分污油回掺到新鲜采出液中往往会对原油脱水系统的运行产生冲击,造成脱水后原油含水率超标和分离采出水含油量和悬浮固体含量大幅度上升,引起处理后采出水水质的恶化。
未囤积有大量高机械杂质含量污油的大庆油田联合站和转油放水污水处理站应用合适的清水型破乳剂可将水处理设施进水含油量控制在500mg/l以下,这样的采出水不需投加清水剂经过两级或一级大罐沉降后的含油量就可以达到100mg/l以下,再经过一级石英砂过滤后的含油量和悬浮固体含量均可达到20mg/l以下的含聚合物采出水回注高渗透率油藏的水质控制指标。
建议从采出液处理的源头入手,改善采出液处理过程中的油水分离效果,尽量降低采出水处理设施进水中的含油量和油水乳化程度;
研制与化学驱采出水中阴离子型聚合物配伍性良好的非强阳离子型混凝剂/絮凝剂,在去除采出水中悬浮固体颗粒的同时尽量避免或减少聚合物的脱稳和沉淀;
遵循“先除油,后除悬浮固体”的原则,在投加混凝剂/絮凝剂前尽量降低采出水的含油量,减少水处理过程中高机械杂质含量污油的产生,降低采出水处理过程中产生污泥的含油量;
开发采出水处理过程中产生污油和过滤器反冲洗水预净化处理或单独净化处理的处理药剂和处理工艺,尽量避免污油和反冲洗水回掺处理造成的采出液和采出水因地面二次污染而处理难度加大;
监测和研究化学驱采出水中机械杂质的构成和来源,采取相应措施减少新井和作业井投产初期的产出液带入采出液和采出水中的机械杂质数量,控制腐蚀产物等新生矿物微粒(硫化物、碳酸盐, 非晶质二氧化硅)和聚合物凝胶的产生;
在处理药剂研制中将采出液油水分离和采出水处理作为一个整体来考虑,重视不同种类药剂之间的配伍性,以避免或减轻药剂之间相互干扰处理效果的问题,尽可能做到防垢、防泡、破乳和清水药剂的整体优化;适当增加化学驱采出水处理药剂投入。
油田采出水处理和回注中存在的主要问题
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