曝氧量對聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液性能的影響

張繼紅 ， 朱 瑩

(東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318)

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曝氧量對聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液性能的影響

張繼紅 ， 朱 瑩

(東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318)

針對大慶油田聚合物驅(qū)清水用量日益緊張、清水配制稀釋聚合物帶來的弊病日益突出的現(xiàn)狀，提出有效利用含油污水配注聚合物技術的研究。通過污水配制聚合物室內(nèi)實驗，利用空壓曝氧方式改善水質(zhì)，分析曝氧量對聚驅(qū)污水及深度處理污水所配聚合物黏度的影響，優(yōu)化最佳曝氧量，為油田污水的有效利用提供技術支持。結果表明，深度處理污水最佳曝氧量為5.6 mg/L左右，降低的黏損率為4.69%；聚驅(qū)污水最佳曝氧量為7.2 mg/L左右，降低的黏損率為11.45%，說明該技術可以很大程度上提高含油污水稀釋聚合物溶液的黏度穩(wěn)定性。

曝氧； 含油污水； 配聚； 黏度； 最佳曝氧量

大慶油田是陸相沉積的大型砂巖油田，油層溫度為45 ℃左右，自1972年小井距注降試驗以來，聚合物驅(qū)技術逐漸完善，目前已實現(xiàn)了聚合物驅(qū)的工業(yè)化推廣。為保證聚驅(qū)的效果及聚合物溶液黏度，各個礦場均采用低礦化度清水配制聚合物溶液進行注入，但是隨著注聚工業(yè)化的推廣，油田消耗的清水越來越多，同時油田污水的過剩且大量的外排，造成水資源浪費和環(huán)境嚴重污染[1]。與此同時聚合物溶液由于本身的黏彈性特點，在注入過程中對油田開發(fā)造成的傷害也越來越嚴重，而且含聚污水的回注會造成近井地帶油層污染、注水困難等一系列問題[2-5]，因此，有效利用油田污水配制聚合物溶液就顯得更加重要。

研究表明，雖然油田污水的礦化度較高，但高礦化度不會大幅度降低其配制的聚合物溶液黏度，同時污水配制的聚合物與地層有良好的配伍性。因此，用油田污水配聚造成降黏的原因主要是微生物及還原性物質(zhì)。本文通過大量的試驗分析，確定了曝氧法是處理油田污水中微生物及還原性物質(zhì)經(jīng)濟合理的方法，開辟了油田污水處理的新途徑。蘇延昌等[6]通過現(xiàn)場試驗，采用超高分子、高質(zhì)量濃度聚合物體系、曝氧工藝技術和調(diào)驅(qū)技術，解決了大慶喇嘛甸聚合物驅(qū)過程中出現(xiàn)的問題，取得了階段提高采收率15.28%的好效果，實現(xiàn)了污水的有效利用，采收率進一步提高。文獻[7-8]研究了采油污水體系配制聚合物溶液的可行性，曝氧對污水進行改性，改善污水與聚合物的兼容性和提高保黏率，但對不同程度處理后的污水的曝氧時間和有效的曝氧量沒有特別研究。

為此，需要對不同的油田污水進行不同程度的曝氧分析，盡管對污水進行曝氧處理具有較好的抑制和殺菌作用，但曝氧過量又會導致聚合物分子鏈的斷裂[9]，影響聚合物溶液黏度。因此，適合不同污水的曝氧量是污水曝氧處理技術成功應用的關鍵。針對聚驅(qū)污水和深度處理污水進行的曝氧研究，對化學驅(qū)油效果具有十分重要的意義，為油田污水的有效利用提供一定的技術參考。

1 實驗部分

1.1 曝氧機理

在適宜的環(huán)境條件下，大多數(shù)細菌都可以在油田污水系統(tǒng)中生長繁殖，其中危害最大的是硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細菌(FB)、腐生菌(TGB)。SRB是厭氧異養(yǎng)菌，F(xiàn)B和TGB是好氧菌，3種細菌的菌數(shù)增減與水中的溶氧量及生長條件息息相關。而水中溶解氧下降的耗氧作用主要包括好氧有機物降解的耗氧，生物呼吸耗氧。SRB在厭氧環(huán)境下可生成Fe2+等還原性物質(zhì)，從而使聚合物分子鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生小分子降解產(chǎn)物，小分子中的—COO—可作電子供給體，以硫酸鹽作末端電子接受體而繁殖。此外，—COO—的消耗又會促進聚合物分子的進一步降解，降解的結果又為SRB的生長繁殖提供了更多的營養(yǎng)物質(zhì)，使SRB在其中的代謝旺盛且持久[10-12]。FB為好氧型細菌，在有氧氣情況下細菌含量會略微增加；TGB是以腐生方式生活的微生物，是以有機質(zhì)為生的有機體。

通過對污水進行曝氧后，可以維持氧氣與水的有效接觸，在生物氧化作用不斷消耗氧氣的情況下保持水中一定的溶解氧濃度；同時溶解氧可與污水中的還原性物質(zhì)發(fā)生充分的化學反應；曝氧可以使污水的混合液具有一定的運動速度，使懸浮物在混合液中始終保持懸浮狀態(tài)，便于除去懸浮物，起到氣浮的作用。污水中的有機物是SRB分解代謝的能源，曝氧后溶解氧與有機物充分反應，可以有效地殺滅SRB等細菌，抑制自由基反應的發(fā)生，相應減少了聚合物的降解。同時有效減少了SRB等厭氧菌帶來的聚合物生物降解，增加聚合物溶液黏度的穩(wěn)定性。當曝氧量達到一定值后，污水中氧氣飽和率趨于飽和狀態(tài)，溶解氧量增加幅度變緩，并且殺滅SRB后還有剩余氧，聚合物分子鏈會受到氧分子作用而發(fā)生斷裂，導致聚合物溶液黏度降低[13]。因此為使污水稀釋聚合物溶液黏度達到注入標準，應優(yōu)化污水最佳曝氧量，最大程度利用污水，增加所配聚合物溶液的黏度穩(wěn)定性。

1.2 實驗材料

聚合物干粉和母液：相對分子質(zhì)量為1 900×104和1 600×104的聚合物干粉，分別用清水配制成5 000 mg/L的聚合物母液。

實驗用污水：聚驅(qū)污水和深度處理污水，聚驅(qū)污水取自杏九放水污水站，深度處理污水取自杏二十五聯(lián)合站，利用淀粉-碘化鎘法測得聚驅(qū)污水中的含聚質(zhì)量濃度為380 mg/L，深度處理污水中含聚質(zhì)量濃度為340 mg/L。2種污水的水質(zhì)分析結果見表1。

表1 污水水質(zhì)指標分析結果

1.3 儀器設備

曝氧裝置：簡易空壓曝氧裝置流程圖見圖1，其中空氣壓縮機的排氣壓力為0～0.8 MPa，排氣量為0～0.253 m3/h；

圖1 曝氧實驗裝置流程圖

Fig.1 Flow chart of oxygen exposure experiment device

其他儀器設備：HI9143型隔膜極譜電極法溶解氧測定儀(氧氣飽和比率0～300%，具有溫度、鹽度和高度自動補償功能)、磁力控溫攪拌器、電子分析天平、HAAKE RS 6000流變儀、721型光柵分光光度計、砂芯過濾器、真空干燥箱、真空泵等。

2 結果與討論

2.1 曝氧量對污水水質(zhì)的影響

2.1.1 SRB含量 曝氧裝置進行聚驅(qū)污水和深度處理污水曝氧實驗(曝氧時排氣壓力控制在0.4 MPa左右)，利用測試瓶絕跡稀釋法(《(SY/T 0532—1993)油田注入細菌分析方法/絕跡稀釋法》)測量曝氧后污水中細菌含量的變化。不同曝氧量下污水中SRB含量的測定結果見表2。

表2 SRB含量測定結果

由表2可以看出，深度處理污水中SRB含量明顯高于聚驅(qū)污水。SRB含量隨著曝氧量的增加而逐漸減小，在曝氧量達到5.65 mg/L左右時，深度處理污水中細菌的含量基本趨于穩(wěn)定；而聚驅(qū)污水對曝氧處理的過程更加敏感，當曝氧量達到4.12 mg/L，聚驅(qū)污水中SRB含量變化較大，在曝氧量達7.22 mg/L后，SRB的含量基本不再變化。

2.1.2 油、懸浮物含量 同樣利用空壓曝氧方法對2種污水進行曝氧處理。利用分光光度法(《油田污水中含油量測定方法/分光光度法(SY/T 0530—1993)》)測量曝氧處理污水中的含油量，用濾膜過濾法(《油田注水懸浮固體含量測定方法》)測量曝氧處理污水中的懸浮物含量。不同曝氧量下污水中含油量、懸浮物含量的測定結果見表3。

表3 含油量、懸浮物含量測定結果

由表3可知，兩種污水中含油量和懸浮物固體含量均隨溶氧量的增加而下降，但下降幅度不大。曝氧前后深度處理污水中含氧量和懸浮物固體含量均比聚驅(qū)污水中的低。分析其原因認為，深度處理污水的處理過程為兩次沉降加兩次過濾，而聚驅(qū)污水的處理過程為一次沉降加兩次過濾，深度處理污水的處理過程比聚驅(qū)污水的處理過程增加了一道工序，并且聚驅(qū)污水的含聚質(zhì)量濃度高于深度處理污水，HPAM能增大污水溶液的黏度，減慢水中油的上浮速度，因此曝氧前后深度處理污水的含油量和懸浮物固體含量均低于聚驅(qū)污水。

2.2 曝氧量對聚合物溶液黏度的影響

利用HAAKE RS 600流變儀分別測量曝氧處理污水稀釋的不同相對分子質(zhì)量、不同質(zhì)量濃度聚合物溶液黏度，實驗溫度為45 ℃。不同曝氧量下聚驅(qū)污水和深度處理污水稀釋的相對分子質(zhì)量1 900×104、質(zhì)量濃度1 800 mg/L聚合物溶液的黏度測量結果見圖2(a)，相對分子質(zhì)量1 900×104條件下，不同質(zhì)量濃度深度處理污水稀釋聚合物溶液黏度與曝氧量關系見圖2(b)。

由圖2(a)可以看出，兩種污水所稀釋的聚合物溶液的黏度均隨著曝氧量的增大而增加，當曝氧量達到6 mg/L左右時，聚合物溶液黏度增加幅度最大，曝氧量超過6 mg/L后，聚合物溶液黏度增加的幅度趨于平緩；由圖2(b)可以看出，相同相對分子質(zhì)量下所稀釋聚合物溶液，高質(zhì)量濃度聚合物黏度增加的幅度比低質(zhì)量濃度的大；深度處理污水曝氧后的增黏率大于聚驅(qū)污水曝氧后的增黏率；曝氧后污水稀釋聚合物溶液的黏度比未經(jīng)曝氧污水稀釋聚合物溶液的黏度值高。結合前面分析的曝氧過程中污水水質(zhì)的變化情況，說明曝氧后細菌含量的改變對改善水質(zhì)、提高污水稀釋聚合物溶液黏度有一定的效果。相同曝氧量下，相同質(zhì)量濃度、相同相對分子質(zhì)量的聚合物溶液，經(jīng)深度處理污水稀釋后的聚合物溶液黏度均比經(jīng)聚驅(qū)污水所稀釋后的聚合物溶液黏度高；當溶氧量達到一定的數(shù)值后，污水所稀釋的聚合物溶液黏度基本保持不變，其原因可能是曝氧工藝的作用機理造成的。

圖2 稀釋聚合物溶液黏度與曝氧量關系

Fig.2 Viscosity-dissolved oxygen of diluted polymer solution

2.3 曝氧量對聚合物黏度穩(wěn)定性的影響

2.3.1 深度處理污水 對所配聚合物溶液進行了黏度穩(wěn)定性分析，由實驗數(shù)據(jù)繪制曝氧前后深度處理污水稀釋的相對分子質(zhì)量1 900×104下，不同質(zhì)量濃度聚合物溶液黏度隨時間變化曲線，結果見圖3。

由圖3可知，深度處理污水稀釋的相對分子質(zhì)量1 900×104，不同質(zhì)量濃度聚合物溶液的黏度均隨放置時間增加而下降，并且曝氧前后所稀釋的聚合物溶液黏度隨著時間變化總體趨勢相同。

圖3 稀釋聚合溶液的黏度穩(wěn)定性曲線(深度處理污水)

Fig.3 Viscosity stability curve of diluted polymer solution(Multilevel processing sewage)

2.3.2 聚驅(qū)污水 不同曝氧量下聚驅(qū)污水稀釋的相對分子質(zhì)量1 900×104下，不同質(zhì)量濃度聚合物溶液黏度隨時間變化曲線，結果如圖4所示。

圖4 稀釋聚合物溶液的黏度穩(wěn)定性曲線(聚驅(qū)污水)

Fig.4 Viscosity stability curve of diluted polymer solution(Polymer flooding sewage)

由圖3、圖4對比可以看出，聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液，其黏度穩(wěn)定性要比深度處理污水稀釋的聚合物溶液黏度穩(wěn)定性差。曝氧前深度處理污水和聚驅(qū)污水稀釋的相對分子質(zhì)量為1 900×104、質(zhì)量濃度為1 800 mg/L的聚合物溶液在15 d后黏度下降率分別為16.32%和26.68%，稀釋的相對分子質(zhì)量為1 900×104、質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的聚合物溶液在15 d后黏度下降率分別為22%和30.03%；同時，不同曝氧量下，深度處理污水稀釋的不同質(zhì)量濃度聚合物溶液黏度下降率在5 d前變化較大，5 d后溶液黏度變化趨于平緩，而聚驅(qū)污水稀釋的不同質(zhì)量濃度聚合物溶液黏度在15 d過程中持續(xù)下降。

[1] 詹亞力，杜娜，郭紹輝．我國聚合物驅(qū)采出水處理方法研究進展[J]．油氣田環(huán)境保護，2002，13(1):19-23．

Zhan Yali, Du Na, Guo Shaohui. Research progress on processing method of produced water of ploymer flooding in our country[J]. Environmental Protection of Oil & Gas Fields，2002,13(1):19-23.

[2] 王寶江，李彥興，姚蘭，等．清水配制污水稀釋聚合物溶液試驗研究[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20(2)：86-88．

Wang Baojiang, Li Yanxing ,Yao Lan，et al. Research experimental on polymer solution of manufactured by clear water and diluted by sewage[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2001，20(2)：86-88.

[3] 于洪江，劉祥，史俊，等．污水配制聚合物驅(qū)油體系可行性研究[J]．西安石油學院學報:自然科學版，2001，15(1)：27-29．

Yu Hongjiang, Liu Xiang, Shi Jun, et al. Feasibility study on oil displacement system polymer made with sewage[J]. Journal of Xi’an Petroleum Institute(Natural Science Edition),2001,15(1):27-29.

[4] 羅一菁，張忠智，趙樹英，等．聚合物驅(qū)采油污水處理研究進展[J]．石油化工高等學校學報，2003，16(1)：9-13．

Luo Yijing, Zhang Zhongzhi, Zhao Shuying, et al. Research progress on treatment of oil production sewage of polymer flooding[J]. Journal of Petrochemical Universities，2003,16(1)：9-13．

[5] 孔繁華，宋吉水，劉書孟．含聚污水回注對油層傷害研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20(2)：95-99．

Kong Fanhua, Song Jishui, Liu Shumeng. Research on reservoir damage of reinjection of containing poly sewage[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing, 2001,20(2): 95-99．

[6] 蘇延昌，劉德寬，高峰，等．喇嘛甸油田污水配制高分子高濃度聚合物驅(qū)油試驗研究[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2006，25(3)：82-84．

Su Yanchang, Liu Dekuan, Gao Feng, et al. Research experimental on flooding with heavy and high concentration polymer manufactured by sewage of Lamadian oilfield[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2006，25(3)：82-84.

[7] 牛金剛，孫剛 高飛．油田產(chǎn)出污水配制聚合物實驗研究[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20(2)：86-88．

Niu Jingang, Sun Gang, Gao Fei. Research experimental on polymer manufactured by output sewage of oilfield[J] Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing, 2001,20(2): 86-88．

[8] 蘇延昌，高峰，舒方春，等．污水配制聚合物研究[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2003，22(6)：44-47．

Su Yanchang, Gao Feng, Shu Fangchun, et al. Research on polymer manufactured by sewage [J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2003,22(6): 44-47．

[9] 姚惠，張中健．含油污水配注聚合物應用研究[J]．油氣田地面工程，2007，26(5)：3-4．

Yao Hui, Zhang Zhongjian. Research on applied polymer injected and allocated with oily sewage[J]. Oil Gasfield Engineering, 2007，26(5)：3-4．

[10] 韓玉貴．解決污水配制聚合物溶液黏度問題的方法探討[J]．油氣地質(zhì)與采收率,2008，15(6)：68-70．

Han Yugui. Research on technique to solve the problem of the solution viscosity of polymer made with sewage[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2008，15(6)：68-70．

[11] 孫洪海，張月先．污水配制聚合物黏度測定方法及影響因素的研究[J]．大慶師范學院學報，2006，26(2)：61-63．

Sun Honghai, Zhang Yuexian. Research on influence factors and means for viscosity measurement of sewage preparation polymer[J].Journal of Daqing Normal College, 2006，26(2)：61-63．

[12] 姜維東，張可，徐新霞，等．曝氧和厭氧污水聚合物溶液黏度差異及機理分析[J]．油氣地質(zhì)與采收率，2007，14(6)：69-71．

Jiang Weidong, Zhang Ke, Xu Xinxia, et al. Analysis on mechanism and viscosity divergence of polymer solution manufactured by oxygen exposure and anerobic[J]. Petroleum Geology and Recovery Efficiency， 2007，14(6)：69-71．

[13] 賈凌志，張春玲，白云鵬，等．曝氧污水配制聚合物溶液/ASP復合體系黏度的穩(wěn)定性[J]．石油化工高等學校學報，2010，23(1)：10-15．

Jia Lingzhi, Zhang Chunling, Bai Yunpeng, et al. Stability of viscosity of polymer and ASP solution prepared by produced water after aeration[J]. Journal of Petrochemical Universities,2010,23(1)：10-15．

(編輯 宋官龍)

Effect of Oxygen Exposure on the Performance of Polymer Solution Diluted by the Polymer Flooding Sewage

Zhang Jihong, Zhu Ying

(Improved Recovery Key Laboratory of the Ministry of Education, NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

Research on the technology of polymer injection allocation have been carried out in this paper by effective utilization of oily sewage, for the situation of the tensions of polymer flooding water usage, the protrusive disadvantages of polymer dilution and preparation in Daqing oilfield. Technical support to the effective utilization of oily sewage is provided by laboratory experiments, such as improving sewage quality through oxygen exposure by air compressor, analyzing affection of oxygen on polymer viscosity of the polymer flooding sewage and the multilevel processing sewage, and optimizing the amount of oxygen exposure. And all above experiments conducted with the polymer which is manufactured by sewage. The results show that the best amount of oxygen exposure for the multilevel processing sewage is 5.6 mg/L with viscosity loss rate of 4.69% and the best amount of oxygen exposure for the polymer flooding sewage is 7.2 mg/L with viscosity loss rate of 11.45%. Therefore, the viscosity stability of polymer solution diluted by oily sewage can be largely improved using this technology .

Oxygen exposure; Oily sewage; Polymer preparation; Viscosity; Best amount of oxygen exposure

1006-396X(2015)01-0046-05

2014-10-20

2014-12-16

黑龍江省自然科學基金項目“葡北油田納微米微球深部逐級調(diào)驅(qū)技術機理研究”(E201213)。

張繼紅(1969-)，女，博士，教授，從事提高采收率理論與技術研究；E-mail:dqzhjh@126.com。

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.01.010