酸化返排液電脫水效果影響因素分析

曹廣勝， 李世寧， 馬 驍， 李 澤， 楊曉雨， 何 奇

(1.東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 冀北油田分公司 工程監(jiān)督中心，河北 唐山 063299)

酸化工藝具有施工簡單、成本低、見效快的特點，而被國內(nèi)外各大油田廣泛應用。但其返排液含有較多殘酸，進入返排處理流程時，會對管柱、儀器等產(chǎn)生不同程度的腐蝕。更為嚴重的是，含酸返排液中除油水兩相外，還混雜大量金屬離子以及地層雜質(zhì)，形成較為穩(wěn)定的乳狀液，使電脫水器負荷加重，甚至導致“垮電場”，即電脫水器過流跳閘現(xiàn)象。酸化是油田最重要的增產(chǎn)增注工藝技術之一，而油田酸化返排液難以處理成為困擾人們多年的問題，所以解決此問題勢在必行。本文用控制變量的方法，找出了導致電脫困難的主要原因，并對該問題的處理提供了建設性的意見[1-5]。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和材料

實驗儀器：DZS-708多參數(shù)分析儀器，上海儀電科學儀器股份有限公司；DPY-2破乳劑評選儀，姜堰市奧普特分析儀器有限公司；CH-1015型超級恒溫水浴槽，陜西太康生物科技有限公司；TJ270-30A型紅外分光光度計，天津天光新光學儀器科技有限公司；TDZ5-WS高速離心機，上海盧湘儀離心機儀器有限公司。

實驗材料：酸化返排液油相、酸化返排液水相、蒸餾水、10%HCl溶液、5%NaOH溶液、鐵離子測定標準溶液、0.5%氯化鐵溶液、0.5%硫化亞鐵溶液、0.5%氫氧化鐵溶液(以上數(shù)據(jù)均為質(zhì)量分數(shù))。

1.2 實驗方法

采用控制變量的方法，通過改變單一因素測量返排液可加電場，從而總結(jié)出可加電壓與各個因素之間的關系。使用DPY-2破乳劑評選儀測試其可加電場。將儀器的空載電壓調(diào)至4.0 kV。

1.2.1 油相、水相和含水率變化實驗 取酸化返排液油相，65 ℃條件下靜置48 h，在倒出油樣的過程中可觀察到油樣明顯分層。觀察其油品性質(zhì)可發(fā)現(xiàn)，上層油品性質(zhì)較好，呈光滑狀；下層油品性質(zhì)較差，有顆粒狀或塊狀，乳化現(xiàn)象嚴重且含雜質(zhì)和水較多。分別取足量的上、下層油樣，置于大燒杯中，在加熱板上加熱攪拌6 h，蒸干游離水，65 ℃條件下靜置2 h，用脫水后上、下層油樣分別與蒸餾水和酸化返排液水相配制成含水率10%～60%的混相液體，并用力搖晃100下，使其充分乳化。取配制好的乳狀液100 mL倒進評選瓶中，再將其放入評選儀中，測量其可加電壓。

1.2.2 溫度變化實驗 取下層油樣，分為3份，記為樣品1、樣品2、樣品3，分別在50、60、70、80 ℃條件下，放入電脫裝置，觀察其電脫現(xiàn)象，并記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3 pH變化實驗 取下層油樣，分為3份，記為樣品1、樣品2、樣品3，用質(zhì)量分數(shù)為10%的HCl溶液和5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH，60 ℃條件下靜置20 min，然后測定其在pH為2～13條件下的電脫狀況。

1.2.4 鐵離子化合物變化實驗 取酸化返排液水相，分成4份，經(jīng)過濾、硝解后使用分光光度計等儀器進行鐵離子成分分析，并測量其電導率，測量數(shù)據(jù)如表1。

表1酸化返排液水相鐵離子濃度與電導率
Table1Concentrationandconductivityofironioninflowbackliquid

樣品序號ρ(鐵離子)/(mg·L-1)電導率/(μS·cm-1)1347．297722892348．876423203336．247420534315．72521989平均337．03552163

由表1可知，在水相中存在大量的鐵離子，油水混相后，形成了較為穩(wěn)定的乳狀液，水相中的各種離子使乳狀液導電性急劇上升，從而導致了過流現(xiàn)象。結(jié)合上下層油電脫水實驗，初步分析下層油相中的鐵離子為無法電脫水的主要原因。由于上層原油可以進行電脫，故通過向上層原油中加入氯化鐵、硫化亞鐵、氫氧化鐵后，再測試是否可以進行電脫，進而得知氯化鐵、硫化亞鐵和氫氧化鐵對原油電脫的影響[6]。

配制質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%的氯化鐵、硫化亞鐵、氫氧化鐵溶液，分別加入到上層油相中，65 ℃條件下攪拌均勻(含水率30%)，進行電脫水實驗，觀察電脫現(xiàn)象，并記錄可加電壓。

1.2.5 泥質(zhì)變化實驗 取酸化返排液下層油離心，觀察到下層油樣分為三層：油層、油泥混層和水層。將呈膠狀的油泥混層在白紙上鋪展開時，發(fā)現(xiàn)膠狀物中含有原油、水和部分泥質(zhì)。通過離心、汽油清洗的方法將泥質(zhì)分離出來，烘干。取上層油樣，在60 ℃條件下與蒸餾水配制成含水率30%的乳狀液，分成4份，每份100 mL，在其中加入不同質(zhì)量的泥質(zhì)，攪拌均勻后60 ℃靜置10 min，放入電脫裝置測量其可加電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 油相-水相和含水率對返排液可加電壓的影響

可加電壓與油樣、水樣和含水率的關系如表2所示。

表2 可加電壓與含水率的關系Table 2 The relationship between additive voltage and oil sample and water content

由表2可知，上層油均能達到電脫水的效果，電脫水時所用水相為蒸餾水或返排液水相時對電脫水效果幾乎沒有影響。在含水率小于60%時其可加電壓與含水率大小無關。對于下層油，可加電壓隨含水率的升高而減小，所用水相為返排液水相時，過流現(xiàn)象更為嚴重，無法達到電脫水要求。據(jù)此判斷酸化施工后的返排液無法進入電脫水裝置是由于油水中間的乳化層造成的。

2.2 溫度對返排液可加電壓的影響

溫度升高，三個樣品可加電場變化趨勢類似，結(jié)果如圖1所示。

圖1 可加電壓與溫度的關系

Fig.1Therelationshipbetweentheadditionalvoltageandtemperature

由圖1可知，隨著溫度升高，油樣可加電場增大，溫度對下層油樣可加電場影響較為明顯。溫度對油樣可加電場的影響可能有如下原因：在油相中有許多微小的水滴，溫度升高，小液滴運動速度加快，很大程度上增加了液滴碰撞的幾率，液滴大量碰撞聚并成大水滴從油相中脫出；油的黏度隨著溫度升高而降低，該油樣形成的乳狀液為W/O型，油相黏度降低會使油水界面膜強度降低，從而使水脫出；溫度升高會使原油中或返排液水相中含有的一些天然乳化劑溶解度增大，原本聚集在界面膜上的乳化劑會溶解于油相或水相中，界面膜強度降低，水滴從油相中脫出[7-8]。

2.3 pH對酸化返排液可加電壓的影響

據(jù)文獻[7]記載，pH會對乳狀液的界面張力產(chǎn)生一定影響。一方面,pH減小會降低油水界面張力，增大油水乳狀液的穩(wěn)定性；另一方面，pH增大會使原油中環(huán)烷酸、活性酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵睇}，增加乳化劑數(shù)量，使乳化膜強度加大[9-11]。所以pH對乳狀液穩(wěn)定性的影響，不可一概而論，要調(diào)節(jié)原油乳狀液的pH，測定其在不同的pH條件下的加電場情況而定。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)將可加電壓與pH的關系繪制成曲線，如圖2所示。

由圖2可知，pH對電脫效果有一定影響，隨著pH的升高，可加電壓先降低后升高，到pH=7時，可加電壓達到最大，pH繼續(xù)增加時，可加電壓隨之減小。原因可能是在低pH時(pH=2)，雖然含有H+較多，但含鐵化合物所形成的凝膠物質(zhì)較少，一部分H+進入水相，并且乳狀液中的天然乳化劑由皂鹽還原為酸，油水界面膜強度降低，破乳率增加，使油相電導率沒有達到最大值；隨著pH繼續(xù)增大，H+含量減少，含鐵化合物增多，這時含鐵化合物對乳狀液的電導率影響比H+稍大，所以此時油相電導率最大，可加電壓達到最小值；pH繼續(xù)增大(pH=7)，含鐵化合物含量增多，但游離的H+含量幾乎為零，此時乳狀液電導率最低；再增加pH時，大量Fe3+將與OH-結(jié)合，成為膠狀物混雜在油相中，使油相電導率持續(xù)增大。

圖2 可加電壓與pH的關系

Fig.2TherelationshipbetweentheaddedvoltageandthepHvalue

2.4 鐵離子化合物對酸化返排液可加電壓的影響

將質(zhì)量分數(shù)分別為5%的氯化鐵、硫化亞鐵、氫氧化鐵溶液分別加入到上層油中，測其可加電壓。鐵離子溶液對上層油可加電壓的影響如表3所示。

表3 鐵離子溶液對上層油可加電壓的影響Table 3 The influence of iron ion solution on the additional voltage of the upper oil

由表3可知，質(zhì)量分數(shù)0.5%氯化鐵溶液不足以使上層油過流，而質(zhì)量分數(shù)0.5%硫化亞鐵溶液和0.5%氫氧化鐵溶液可以導致上層油可加電場小于1.5 kV，導致電脫水器過流。對下層油進行硫元素含量分析，發(fā)現(xiàn)下層油幾乎不含硫元素，所以排除硫化亞鐵對下層油過流的影響，認為下層油相中影響電脫水的一個主要因素為氫氧化鐵膠體。

2.5 泥質(zhì)對返排液可加電壓的影響

不同質(zhì)量濃度泥質(zhì)加入原油乳狀液中，可加電壓數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 泥質(zhì)對上層油可加電壓的影響Table 4 The influence of argillaceous matter on the additional voltage of upper oil

當泥質(zhì)質(zhì)量濃度較小時(10 mg/L)，原油乳化現(xiàn)象不是很明顯，可加電壓仍在3.6 kV以上；隨著泥質(zhì)質(zhì)量濃度的增加(50 mg/L以上)，原油乳化現(xiàn)象加重，電脫水器過流。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是泥質(zhì)顆粒吸附在油水界面上，產(chǎn)生了強度很大的界面膜，阻止了液滴的聚并，導致乳狀液變得穩(wěn)定[12]。

3 結(jié)論

(1) 酸化返排液靜置一段時間會分層，上層油樣可電脫，下層油樣嚴重過流。

(2) 上層油樣與蒸餾水或酸化返排液水相配制的質(zhì)量分數(shù)為10%～60%混相液體均可電脫，說明當乳化不嚴重時，返排液過流與水相關系不大。

(3) 溫度升高會提高電脫可加電壓，在條件允許的范圍內(nèi)應提高電脫水溫度。

(4) 可加電壓隨著pH的變化為先緩慢降低后急劇升高，到pH=7時達到最大值，此時增加pH，可加電壓急劇下降，所以在破乳之前應將pH調(diào)節(jié)至中性左右。

(5) 返排液嚴重過流的主要原因是氫氧化鐵膠體混雜著油、水和泥質(zhì)，形成了一種極為穩(wěn)定的乳狀液，導致電導率過大而無法電脫，在破乳前加藥劑使氫氧化鐵絮凝或沉淀，會大大降低破乳難度。

[1] 黎曉茸. 長慶油田油井酸化后排液問題的探討[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2010(2):68-69．

Li X R. Discussion on acidizing fluid in Changqing oilfield[J]. Inner Mongulia Petrochemical Industry. 2010(2):68-69．

[2] 葛衛(wèi)學. 電脫法污油脫水室內(nèi)實驗研究[D].青島：中國石油大學(華東),2011．

[3] 楊勇. 渤海SZ36-1油田注聚采出液新型電脫水器研制與應用[A]. 中國科學技術協(xié)會、天津市人民政府,2011:8．

[4] 馬躍，黃曉東，唐曉旭，等. 渤海油田油井酸化返排液對原油脫水的影響[J]. 油氣田地面工程,2015,34(11):61-62．

Ma Y, Huang X D, Tang X X, et al. Influence of oil well acidizing flowback fluid on dehydration of crude oil in Bohai oilfield[J]. Oil-Gas Field Surface Engineering, 2015, 34(11): 61-62.

[5] 夏旖旎. 油井酸化返排液處理工藝技術研究[D].成都：西南石油大學,2014．

[6] 吳迪，孟祥春，張瑞泉，等. 膠態(tài)FeS顆粒在電脫水器油水界面上的沉積與防治[J]. 油田化學,2001,18(4):317-319．

Wu D, Meng X C, Zhang R Q, et al.Deposition of colloidal FeS particles on oil-water interface in electric dehydrators and its control[J]. Oilfield Chemistry, 2001,18 (4): 317-319.

[7] 安秀林，李慶忠. 乳狀液穩(wěn)定性的影響因素和表達[J]. 張家口農(nóng)專學報,2003,19(3):29-31．

An X L, Li Q Z.The factors affecting stability of emulsion and its expression [J]. Journal of Zhangjiakou Agricultural College, 2003,19 (3): 29-31.

[8] 趙遠鵬. 阿爾油田含酸化返排液原油脫水技術研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2014(11):100-103．

Zhao Y P. Study on crude oil dewatering technology of acidizing flowback fluid in aer oilfield[J]. Inner Mongulia Petrochemical Industry, 2014(11): 100-103.

[9] 萬里平，孔斌，朱利，等. 酸化返排液/原油乳狀液的破乳脫水研究[J]. 科技導報,2015,33(13):39-45．

Wan L P, Kong B, Zhu L, et al. Study on demulsification and dehydration of emulsion of returned acidizing fluids and crude oil[J]. Science and Technology Review, 2015, 33(13): 39-45.

[10] 吳澤美，孫玉民，史貴生，等. 酸化后原油電脫水困難原因分析[J]. 長江大學學報(自然科學版),2011,8(4):52-53．

Wu Z M, Sun Y M, Shi G S, et al. The study of electic dehydration with crude oil [J]. Journal of Yangtze University(Natural Science Edition), 2011, 8(4): 52-53.

[11] 阮少陽，于兵川. 酸化返排液對原油破乳脫水的影響研究[J]. 石油天然氣學報,2014,36(12):253-256．

Ruan S Y, Yu B C. Study on the effect of acidizing flowback fluid on crude oil dehydration[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2014,36 (12): 253-256.

[12] 王琦. 油田含聚油泥穩(wěn)定機理研究[D].青島：中國石油大學(華東),2011．