聚合物驅(qū)采出水處理技術(shù)研究進(jìn)展

葉芳芳，李長剛,聶麗君，葉綺彤，張 帥

(廣東石油化工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

隨著“一帶一路”的建設(shè)和推進(jìn)，我國與沿線國家的能源合作更加緊密，其中石油作為重要的化工原料，是我國重要的戰(zhàn)略物資，也是國際競爭和控制的焦點[1]。石油的開采技術(shù)分為三類：(1)天然能量采油技術(shù)：利用油藏中的天然能量作為驅(qū)油動力的一類原油開采方法，包括溶解氣驅(qū)、天然水驅(qū)和重力驅(qū)等。(2)補(bǔ)充能量采油技術(shù)：通過注水和注氣等方式補(bǔ)充地層能量開采石油的一類方法。(3)提高采收率技術(shù)：通過改善油藏及油藏流體物性，提高宏觀波及微觀驅(qū)油效率的采油方法。目前，由于地層壓力的下降和水驅(qū)采收低，我國已經(jīng)全面進(jìn)入提高采收率階段，應(yīng)用最多的是聚合物驅(qū)。聚合物驅(qū)開采過程中產(chǎn)生大量采出水，采出水含有大量殘余的聚合物，粘度高，油水乳化嚴(yán)重，懸浮物的沉降性能差[2]。

1 聚合物驅(qū)采油技術(shù)

化學(xué)驅(qū)是指以化學(xué)劑作為驅(qū)油介質(zhì)，改善地層流體的流動特性，改善驅(qū)油劑、原油和油藏孔隙之間的界面特性，提高原油開采效果和效益的所有采油方法統(tǒng)稱為化學(xué)驅(qū)。主要包括聚合物驅(qū)和化學(xué)復(fù)合驅(qū)等[3]。

1.1 聚合物驅(qū)

聚合物驅(qū)的原理是在注入水中加入高相對分子質(zhì)量的聚丙烯酰胺(PAM)，增加注入水的粘度。當(dāng)這種溶解了PAM注入水接觸地層時，通過油層間隙時不容易流動，殘余阻力系數(shù)高，改善油水流度比。粘度越大，聚合物驅(qū)擴(kuò)大油層宏觀和微觀波及效率的作用就越大[4]。

1.2 化學(xué)復(fù)合驅(qū)

化學(xué)復(fù)合驅(qū)是在驅(qū)替液中添加堿劑(A)表面活性劑(S)和聚合物(P)等驅(qū)替劑，形成三元或者二元驅(qū)替體系。驅(qū)替劑之間的協(xié)同作用增加驅(qū)替液的粘度，降低油水界面張力，降低水油流度比和減少驅(qū)替液流動指進(jìn)，從而提高驅(qū)油效率和波及效率，提高原油采收率。復(fù)合驅(qū)可根據(jù)實際的工作要求進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，靈活性強(qiáng)[5]。

熱力采油法是通過提高油藏的溫度，降低原油的粘度，增加原油的流動性，提高采收率。熱力采油主要包括熱流體法、化學(xué)熱法和物理熱法[6]。氣驅(qū)是以氣體作為主要驅(qū)油介質(zhì)的采油方法，按照相態(tài)特性分為混相驅(qū)和非混相驅(qū)。氣驅(qū)的原理是在驅(qū)替液中注入氣體，和油層在油藏條件下形成混相，消除界面效應(yīng)，降低地層孔道中的毛細(xì)管力，釋放由于毛細(xì)管力所圈閉的原油，提高微觀驅(qū)油效率。用于氣驅(qū)的氣體包括烴類和非烴類氣體兩種[7]。微生物采油(MEOR)是利用微生物及其代謝產(chǎn)物作用于油層及油層中的原油，提高驅(qū)油劑的波及體積和微觀驅(qū)油效率。微生物采油按照注入的方式分為微生物吞吐和微生物驅(qū)[8]。

提高采收率(EOR)技術(shù)的發(fā)展開始于20世紀(jì)60年代初，發(fā)展高峰是20世紀(jì)80年代。由于我國石油資源具有油田小、地質(zhì)和地面條件復(fù)雜、儲層物性差等特點，造成我國采出油含水高、水驅(qū)采收率低?；瘜W(xué)驅(qū)是我國油田提高采收率技術(shù)的最佳選擇。我國的化學(xué)驅(qū)不論其研究水平、應(yīng)用規(guī)模、年增產(chǎn)原油量和技術(shù)的系統(tǒng)完善配套上均屬國際領(lǐng)先[9]?；瘜W(xué)驅(qū)應(yīng)用最多的技術(shù)是聚合物驅(qū)。

2 聚合物驅(qū)采出水的水質(zhì)特點

聚合物驅(qū)在大慶、大港和勝利等油田得到大面積的推廣。聚合物驅(qū)過程中產(chǎn)生大量的采油污水，聚合物驅(qū)采出水是一種比較穩(wěn)定的水包油型乳狀液，含有懸浮物、石油烴和無機(jī)鹽等物質(zhì)，含有大量殘余的聚合物，質(zhì)量濃度可達(dá)500mg/L以上，采出水粘度大，乳化程度高。聚合物的相對分子質(zhì)量大，難生物降解。聚合物驅(qū)采出水中油滴的初始粒徑小，粒徑小于10μm 的占90%以上，油滴粒徑中值為3～5μm，是水驅(qū)采油污水中油滴的初始粒徑中值的1/10，油水分離難[10]。

3 聚合物驅(qū)采出水的處理技術(shù)

聚合物驅(qū)采出水處理回注油井或達(dá)標(biāo)排放。作為回注水就要要求水質(zhì)穩(wěn)定，不易沉淀和結(jié)垢；不腐蝕注水設(shè)備；懸浮物含量低，不會對油層造成傷害；聚合物和表面活性劑等物質(zhì)要得到保留。因此作為回注用水我們的處理重點是去除油和懸浮物。達(dá)標(biāo)排放處理重點是去除污水中的油、懸浮物和聚合物。聚合物采出水的處理方法分為物理法、化學(xué)法和生物法。

3.1 物理法

物理法的原理是利用油水的不相容性和密度差，重力沉降除油。夏福軍等人利用橫向流除油器和水力旋流器兩種工藝處理大慶油田聚合物驅(qū)采出水，研究表明在油含量1301mg/L，懸浮固體含量69mg/L的進(jìn)水條件下，經(jīng)過該系統(tǒng)處理工藝處理后，出水含油量平均為3 mg/L，懸浮固體含量平均為14 mg/L[11]。微波和超聲是兩種新型的物理處理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)油、懸浮物和聚合物的去除。吉程使用微波處理聚合物驅(qū)采出水反應(yīng)速度快，聚合物驅(qū)采出水升溫快，PAM斷鏈，粘度降低，油滴聚集快，實現(xiàn)油水分離。利用空化作用產(chǎn)生大量的OH·自由基降解采出水中的PAM，便于后續(xù)處理[12]。趙小青使用超聲波處理含聚石油污水，綜合考慮了超聲頻率、功率和處理時間等因素，結(jié)果表明除油效率為40kHz，功率105W和反應(yīng)時間40min條件下，油水分離效果顯著，除油率達(dá)到98.96%，出水COD質(zhì)量濃度為204mg/L[13]。

3.2 化學(xué)法

化學(xué)法是通過向污水中投加破乳劑和絮凝劑等化學(xué)試劑，是乳化系統(tǒng)脫穩(wěn)破乳，油滴得到釋放和聚集，油水分離。主要包括升溫法、酸化法和凝聚法。凝聚法是目前應(yīng)用最大的方法，高效低用量的破乳劑和絮凝劑的開發(fā)是研究的重點[14]。呂志鳳系統(tǒng)分析了聚合物驅(qū)采出水中的乳化活性物質(zhì)，研究了不同水處理劑的破乳和絮凝效果，得出含聚污水不宜使用聚鋁等以中和作用為主的絮凝劑處理。通過復(fù)配的方式得到兩種油水分離劑，并在現(xiàn)場應(yīng)用得到很好的油水分離效果[15]。電化學(xué)氧化法是適用范圍廣，操作簡單，對于聚合物、油含量和COD等有一定的去除效果，是一種有效的預(yù)處理工藝。翟磊等人使用電化學(xué)除油器-斜板除油器-核桃殼過濾器裝置處理模擬含聚采油污水，研究表明電化學(xué)氧化過程中降低了油-水界面膜的強(qiáng)度，破壞了乳化油穩(wěn)定層，促進(jìn)了油滴的聚集和上浮，實現(xiàn)了油水分離[16]。光電催化是通過電場作用強(qiáng)化了光催化反應(yīng)的氧化能力，李肖琳等人采用膜分離-光電催化組合工藝深度處理高鹽含聚采油污水過程中發(fā)現(xiàn)光電催化氧化技術(shù)適用性強(qiáng)，電流密度的增加和停留時間的延長有助于油類物質(zhì)的去除[17]。

3.3 生物法

研究發(fā)現(xiàn)在聚合物驅(qū)過程中，注入的地層中的PAM粘度損失大，除去物理和化學(xué)降解之外，生物降解也起到了主要的作用，這一發(fā)現(xiàn)對于生物法處理聚合物驅(qū)采出水提供可行性。油田中存在的本源微生物硫酸鹽還原菌(SRB)能夠降解PAM，降解的產(chǎn)物可以作為生命活動的營養(yǎng)物質(zhì)。通過篩選和馴化，強(qiáng)化微生物的生命活動和適應(yīng)能力，用于聚合物驅(qū)采出水的降解處理。李殿杰從聚合物配注站的熟化罐中分離得到以PAM為碳源的硫酸鹽還原功能菌。富集純菌培養(yǎng)在厭氧條件下水解酸化降解PAM，乳酸鈉作為碳源要好于砂糖作為碳源，去除率在50.89%左右，高效的降解菌株和水解酸化工藝對處理含聚污水有一定的可行性，后續(xù)工作將在菌種的強(qiáng)化和工藝的優(yōu)化上做進(jìn)一步的研究[18]。

4 結(jié)論

聚合物驅(qū)在今后一段時間內(nèi)依然是采用的主要應(yīng)用技術(shù)，產(chǎn)生的大量聚合物驅(qū)采出水的處理問題不容忽視。聚合物驅(qū)采出水的研究發(fā)展方向概括為以下幾點：

(1)聚合物驅(qū)采出水油水乳化，對污水中的成分分離分析得出它們對于乳化體系的穩(wěn)定機(jī)理，探究聚合物驅(qū)采出水油水乳化的主要因素。篩選、合成和復(fù)配得出新型高效的水處理劑，提高油水分離效率，降低污水中油含量。

(2)聚合物驅(qū)采出水高效處理設(shè)備的研發(fā)，功能模塊化，整機(jī)一體化。通過優(yōu)化現(xiàn)有工藝處理工藝，開發(fā)聚結(jié)除油器、陶瓷膜和改性纖維等高效除油器；探明超聲波法、電化學(xué)氧化和光催化氧化法等新型技術(shù)的作用機(jī)理，優(yōu)化運行參數(shù)以達(dá)到最佳運行效果。高效處理設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用過程中要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

(3)聚合物驅(qū)采出水水質(zhì)復(fù)雜，粘度大，單一的處理工藝無法達(dá)到處理的目的，因此要采用多工藝聯(lián)動的方式，經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好和易于運行的物理法、化學(xué)法和生物法單元工藝聯(lián)合以達(dá)到最好的處理效果。