油田地面集輸系統(tǒng)沉積物組成分析及處理工藝優(yōu)化

李慶云，隋欣，王寶輝，吳紅軍，李莉，苑丹丹，聶春紅，董晶

（東北石油大學化學化工學院，石油與天然氣化工省高校重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

隨著油田原油開采程度的不斷加深，原油的開采開發(fā)已經(jīng)步入二次、三次采油階段，特別是三次采油技術(shù)的實施[1-2]，聚合物驅(qū)油為主的化學驅(qū)油[3]得到了廣泛的應(yīng)用，在提高原油采收率的方法中，聚合物驅(qū)油占有重要的地位[4-5]。目前聚合物驅(qū)油技術(shù)在我國各油田的應(yīng)用已大規(guī)模展開[6-8]。但聚合物驅(qū)油作業(yè)的綜合含水率為80%左右[9-10]，依靠改善聚合物驅(qū)油技術(shù)提高原油采收率，獲得原油穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的同時[11-14]，大量聚合物驅(qū)采油污水的處理難度也隨之增大。與常規(guī)采油污水相比，聚驅(qū)采油污水具有以下特點：①組成上除含有石油烴類、固體顆粒、無機鹽、細菌等常規(guī)物質(zhì)外[15]，污水中還含有大量的難生物降解的高分子聚合物；②污水的黏度大，并隨其濃度的增加而增大[16]；③污水中的油滴分散度高，不利于聚并和浮升，加大了油水分離的難度；④污水中含有大量的乳化劑[17-19]。由于破乳困難，導(dǎo)致采出液的水質(zhì)進一步劣化。隨著攜帶物含量的增加，采出液的水質(zhì)呈現(xiàn)較復(fù)雜的狀態(tài)，增加了油田后續(xù)處理的難度。

聚合物驅(qū)油是指向注入水中添加一定量的聚丙烯酰胺，使其具有較高的殘余阻力系數(shù)以及黏彈效應(yīng)。隨著油田的不斷開采，原油含水量逐漸增加，流動性好、阻力低、注入壓力低的低濃度聚合物已不能滿足實際生產(chǎn)。聚合物濃度越大，地層滲透率越小，聚合物吸附滯留量越大[20]。隨著聚合物用量的增加，采收率不斷增加，含水量逐漸減少[21]。因此，采用高濃度聚合物驅(qū)油，可以降低驅(qū)替相的流速，增大驅(qū)替相與石油的作用強度，提高油田采收率。

由于聚合物驅(qū)油采出液中聚合物的存在，使得采出液黏度增加，造成采出液油水乳化嚴重，油珠粒徑減小，含油量、懸浮物濃度、油層攜帶物含量增加。因而，容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，嚴重危害地面管線系統(tǒng)。采出液中的碳酸根和鈣、鎂等成垢離子易在管道內(nèi)結(jié)垢，甚至發(fā)生垢下腐蝕。針對以上情況，本文通過儀器表征及化學分析的方法對高濃度聚合物驅(qū)油采出液及其攜帶物進行物性分析，為油田采出液處理工藝的優(yōu)化提供有效數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 樣品來源與實驗儀器

（1）樣品來源 待測樣品為高濃度聚合物驅(qū)油 的油田地面集輸系統(tǒng)中的沉降節(jié)點（某轉(zhuǎn)油站1 號分離緩沖游離水脫除器）、提溫節(jié)點（某聯(lián)合站1號1.16MW 加熱爐）、凈化油緩沖罐節(jié)點（某聯(lián)合站1 號凈化油緩沖罐）的攜帶物。

（2）實驗儀器 Tensor27 型紅外光譜儀，德國Bruker；JSM-35CF 型掃描電鏡，日本電子；D/MAX-2200型X射線衍射儀，日本理學；原子吸收光譜儀，北京普析通用；722E 可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；DRZ 型馬弗爐，南京電爐廠。

1.2 實驗方法

對沉降節(jié)點、提溫節(jié)點、凈化油緩沖罐節(jié)點攜帶物進行紅外分析（FTIR）、掃描電鏡分析（SEM）和X 射線衍射（XRD）分析，采用酸化-煅燒-原子吸收法進行精細分析。取一定量的攜帶物，用450℃馬弗爐煅燒，除去攜帶物中的有機物，采用化學分析中的重量法得到有機物含量；將部分粉末狀的攜帶物采用FTIR 和XRD 進行沉積物表征分析確定其組分，采用SEM 對攜帶物形貌進行分析；再取一定量攜帶物酸溶、趕酸，待冷卻后濾出酸不溶物并稱重，此記為硅酸鹽；將濾液轉(zhuǎn)移至容量瓶中定容，并運用AAS、ICP 和UV/Vis 對金屬陽離子（K、Na、Ca、Mg、Fe、Ba)以及Si 離子含量進行測定，折算成相應(yīng)的氧化物及鹽類含量。通過儀器表征和化學分析確定攜帶物的組分及含量，得出油田地面集輸系統(tǒng)沉積物的組成及形成規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

將沉降節(jié)點、提溫節(jié)點、凈化油緩沖罐節(jié)點攜帶物進行紅外光譜分析，紅外譜圖及數(shù)據(jù)見圖1、表1。

圖1 不同節(jié)點的紅外譜圖

表1 各節(jié)點紅外譜圖定性分析

2.2 掃描電鏡分析

沉降節(jié)點攜帶物形貌如圖2(a)所示，攜帶物為塊狀A(yù) 或枝狀團聚體構(gòu)成的大塊B。提溫節(jié)點攜帶物形貌如圖2(b)所示，攜帶物為枝狀團聚體構(gòu)成的 大塊，如A、B 所示。凈化油緩沖罐節(jié)點攜帶物形貌如圖2(c)所示，垢樣為塊狀A(yù) 或枝狀團聚體構(gòu)成的大塊B。

圖2 各節(jié)點攜帶物微觀形貌

2.3 XRD 分析

沉降節(jié)點攜帶物的XRD 分析圖如圖3(a)所示，攜帶物中含有大量的SiO2，少量的CaCO3，以及其他無定形物質(zhì)。提溫節(jié)點攜帶物的XRD 分析圖如圖3(b)所示，攜帶物中含有大量的CaCO3，少量的SiO2，以及其他無定形物質(zhì)。凈化油緩沖罐淤泥XRD 分析圖如圖3(c)所示，攜帶物的晶相主要為氧化鐵，有一定量的鈣長石和少量的其他物質(zhì)。

2.4 化學分析

采用重量法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法和紫外可見分光光度法對各節(jié)點攜帶物的組成及含量進行分析測定，得到各成分含量如表2 所示。

圖3 不同節(jié)點處攜帶物的XRD 圖

表2 三個節(jié)點攜帶物成分對比數(shù)據(jù)

由表2 可知，沉降節(jié)點攜帶物中，含量最多的是硅酸鹽，達到了83.467%，有機物為9.689%，有機物包括聚合物和原油等成分，另外還含有少量的CaCO3、MgCO3、Fe2O3、K2O、Na2O；提溫節(jié)點攜帶物中，含量最多的是CaCO3達到了35.265%，其次是MgCO3達到了23.763%，F(xiàn)e2O3達到了13.160%、硅酸鹽達到了10.997%、有機物達到了8.221%，其中有機物包括聚合物原油等成分，另外提溫節(jié)點處的攜帶物還含有少量的Na2O 和K2O；凈化油緩沖罐淤泥中水占19.312%，有機物為76.653%，有機物包括聚合物和原油等成分，另外還含有少量的Fe2O3，微量的硅酸鹽、CaCO3、K2O、Na2O。

通過紅外分析、掃描電鏡分析、XRD 分析和原子吸收等分析方式，對沉降節(jié)點、提溫節(jié)點、凈化油緩沖罐節(jié)點攜帶物進行全面分析得出：在形貌上，沉降節(jié)點和凈化油緩沖罐攜帶物形貌相似，均為塊狀或枝狀團聚體構(gòu)成的大塊，但沉降節(jié)點攜帶物較規(guī)整。提溫節(jié)點攜帶物形貌為枝狀團聚體構(gòu)成的大塊。在晶相上，沉降節(jié)點的攜帶物中含有大量的SiO2，少量的CaCO3。提溫節(jié)點處的攜帶物含有大量的CaCO3，少量的SiO2。凈化油緩沖罐淤泥主要為氧化鐵，有一定量的鈣長石。在組成上，沉降節(jié)點攜帶物中含量最多的是硅酸鹽（83.467%），提溫節(jié)點處攜帶物中含量最多的是CaCO3（35.265%），凈化油緩沖罐淤泥中含量最多的是有機物（76.653%）。

3 高濃度聚驅(qū)油田地面集輸系統(tǒng)處理工藝的分析與優(yōu)化

油田高濃度聚合物驅(qū)油采出液中含有大量的無機鹽，這些物質(zhì)在管線內(nèi)部隨流程運移、相互作用、沉積結(jié)垢，并附著有大量的有機物和菌落，使系統(tǒng)的處理壓力增大，采出液水質(zhì)劣化加重。此外，攜帶物顆粒會磨損管道內(nèi)壁，使管道腐蝕嚴重。管道受到腐蝕后，其質(zhì)量、厚度、力學性能、組織結(jié)構(gòu)、電極過程都會發(fā)生變化，這些物理性質(zhì)和力學性能的變化會降低管道的使用壽命。因此，高效的采出液處理工藝是減少管道卡堵現(xiàn)象和防止發(fā)生垢下腐蝕的重要途徑，也是提高采出液水質(zhì)的有效途徑。

3.1 高濃度聚合物驅(qū)油的油田地面集輸系統(tǒng)處理工藝優(yōu)化

通過對油田地面集輸系統(tǒng)沉積物組成的分析得出：游離水脫除器節(jié)點處攜帶物的主要成分是硅酸鹽（含量為83.467%）；加熱爐節(jié)點處攜帶物的主要成分是碳酸鈣（含量為35.265%）、碳酸鎂（含量為23.763%）；凈化油緩沖罐節(jié)點處攜帶物的主要成分是有機物（含量為76.653%，包括原油和聚丙烯酰胺等）、水（含量為19.3%）。為了降低各節(jié)點處主要攜帶物的含量，對高濃度聚合物驅(qū)油采出液處理工藝進行優(yōu)化以延長處理工藝的使用周期。

圖4 所示的工藝流程圖為油田地面集輸系統(tǒng)改進后的工藝流程圖。圖中主要的工藝流程是來自油井的油田采出液經(jīng)計量間處理后到達三相分離器，在三相分離器進口投加破乳劑將采出液中的氣、油、水三相進行分離。天然氣經(jīng)除油器處理后用于自耗或外輸；原油經(jīng)沉降罐A除去大量泥沙，再經(jīng)脫水泵、脫水爐、電脫水器除去原油中的水，再將原油運至加熱器B 分解聚合物，到達凈化油緩沖罐計量后外輸；三相分離器分離出的水以及電脫水器放出的水運至 1000m3沉降罐中沉降，再加入4%NaOH 調(diào)節(jié)pH 值至弱堿性在沉降罐C 中除去易結(jié)垢離子Ca2+、Mg2+等離子，投入防垢劑、調(diào)節(jié)劑、破乳劑進行調(diào)節(jié)使水達到回注水的各項指標，再通過熱洗爐和摻水爐處理運回計量間，再重新回注到油井。采出液攜帶出的地層沙粒在游離水脫除器處沉降，造成該節(jié)點處攜帶物中含有大量硅酸鹽。硅酸鹽難以除去，只能通過后期的清洗工藝進行處理。經(jīng)試驗測定游離水前硅酸鹽含量為83.467%，游離水后含量為24.164%，因此沉降可以除去大量的硅酸鹽。在脫水泵前安置沉降罐A以減少泥沙的含量。

溫度的升高，造成大量的碳酸鈣（含量為35.265%）、碳酸鎂（含量為23.763%）在加熱爐節(jié)點處結(jié)垢。同時，溫度升高腐蝕加劇，腐蝕產(chǎn)物鐵氧化物也會逐漸聚集沉降。在加熱爐前加入4%的NaOH 調(diào)節(jié)采油液pH 值至弱堿性，將成垢離子Ca2+、Mg2+及鐵離子在沉降罐C 中沉降，有效降低加熱爐內(nèi)的成垢離子含量。同時，減少了因高溫導(dǎo)致的成垢量大和垢下腐蝕的影響。

圖4 油田地面集輸系統(tǒng)工藝改進流程圖

凈化油緩沖罐淤泥中水（含量為19.3%），有機物（含量為76.65%），有機物包括聚合物和原油等成分。在凈化油緩沖罐前安置加熱器B，升高溫度會使采出液中聚合物發(fā)生降解。經(jīng)測定，當溫度升高到60℃時，黏度平均降低了54.09%。通過安置加熱器B 減少凈化油緩沖罐中聚合物的含量。

3.2 高濃度聚合物驅(qū)油采出液處理系統(tǒng)清洗工藝選擇

采出液處理系統(tǒng)需要進行清洗以保證其處理能力。設(shè)備和管道的清洗方法有很多，目前國內(nèi)外油田主要采用化學清洗和物理清洗。化學清洗劑往往針對一種或一類物質(zhì)，而物理清洗成本較低、作用效果好，得到了廣泛的應(yīng)用。物理清洗包括復(fù)合式套管刮垢刀清洗、高壓水射流清洗、管道清洗器（PIG）清洗、氣動清洗等方式，這些處理方式通常應(yīng)用于含油污水集輸管道的清洗。

針對該采油廠高濃度聚合物驅(qū)油采出液水質(zhì)的現(xiàn)實狀況，結(jié)合室內(nèi)分析研究結(jié)果，對該采油廠工藝設(shè)備和管線清洗方法的適用情況進行分析，結(jié)果如下。

（1）PIG 物理清洗技術(shù)和氣脈沖清洗技術(shù)的施工速度快，除垢率達到90%以上，能有效去除管線中的軟垢，解決“含油”、“懸浮固體含量”等指標的二次污染問題，有助于控制管線中細菌的繁殖速度。投加殺菌劑和除垢劑可以提高清洗效果。

（2）對于符合條件的干線、支干線采用PIG物理清洗具有很高的性價比。不規(guī)范管線（存在變徑、嚴重變形、機械障礙物等）則容易出現(xiàn)卡堵 現(xiàn)象。

（3）氣脈沖清洗技術(shù)可清除管線中的軟垢，對管網(wǎng)的適應(yīng)性強，對管線破壞低，但廢液量較多。

（4）大排量沖洗技術(shù)可清除管線中的軟垢，廢液產(chǎn)生量少，對管網(wǎng)的適應(yīng)性強，對管線破壞低，清洗成本低，不存在卡堵風險。

綜上分析可知：對于罐體，采用人工清淤；對于管線，采用PIG 物理清洗和氣動清洗（氣脈沖物理清洗和大排量物理清洗）相結(jié)合的技術(shù)，可以明顯改善采出液的水質(zhì)。

3.3 清淤周期的確定

根據(jù)游離水器前后聚合物濃度及懸浮物含量的變化，結(jié)合現(xiàn)場產(chǎn)液量及流速（需現(xiàn)場提供）進行估算。對比數(shù)據(jù)見表3。

游離水器前后懸浮物含量降低了88.5%，說明一大部分攜帶物沉積在游離水器內(nèi)。通過現(xiàn)場調(diào)研可知，游離水器通常為φ4m×20m 的桶型儲罐，其體積為251.2 m3。半年后，沉積物會達到儲罐體積的五分之一（不考慮沉積物在儲罐中的壓實過程），淤泥厚度達到半米，此時應(yīng)對儲罐進行清淤處理，以免影響正常的生產(chǎn)。因此，合理的清淤周期為半年。

表3 游離水前和游離水后節(jié)點對比數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

（1）游離水脫除器節(jié)點處攜帶物的主要成分 是硅酸鹽。采出液攜帶出的地層沙粒在游離水脫除器處沉降，造成該節(jié)點處攜帶物中含有大量硅酸鹽。在脫水泵前安置沉降罐A以減少泥沙的含量。

（2）加熱爐節(jié)點處攜帶物的主要成分是碳酸鈣、碳酸鎂。加入4%的NaOH 調(diào)節(jié)采油液pH 值至弱堿性，使成垢離子在沉降罐C 中沉降，降低加熱爐內(nèi)的成垢離子含量。

（3）凈化油緩沖罐節(jié)點處攜帶物的主要成分 是有機物（原油和聚丙烯酰胺等）。在凈化油緩沖罐前安置加熱器B，使采出液中聚合物發(fā)生降解。經(jīng)測定，當溫度升高到60℃時，黏度平均降低了54.09%。通過安置加熱器B減少凈化油緩沖罐中聚合物的含量。

（4）對于管線，采用PIG 物理清洗和氣動清洗相結(jié)合的技術(shù)，可以明顯改善管線卡堵和水質(zhì)問題。當淤泥厚度為半米左右時應(yīng)該進行清淤，因此合理的清淤周期為半年。

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