油田采出水Zeta 電位和中值粒徑對(duì)絮凝效果條件研究

何 靜，王滿學(xué)，周 普，顧菁華

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 研究院， 西安 710075；2. 西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，西安 710065）

伴隨著原油和天然氣的采出，在油田采出液中約含有80%以上的水，這些油田采出水經(jīng)過處理后回注是實(shí)現(xiàn)老油田穩(wěn)產(chǎn)的一種措施。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了滿足國家“十三五”和“十四五”對(duì)環(huán)境保護(hù)水質(zhì)排放的要求，一般在加入絮凝劑[1-3]進(jìn)行懸浮物的絮凝沉降之前，往往需要加入破乳劑、殺菌劑、阻垢劑、緩蝕劑，以降低含油量以及運(yùn)輸管線腐蝕或結(jié)垢現(xiàn)象[4-6]。但是，隨著開采進(jìn)入后期，水質(zhì)越來越難處理，水中的懸浮物含量仍很難達(dá)到回注水標(biāo)準(zhǔn)，這將導(dǎo)致堵塞地層出油通道，降低注水開發(fā)效率。

近年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)油田采出液的處理進(jìn)行了大量的研究，前期國內(nèi)科研工作人員都主要以污水處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)于各添加劑之間的復(fù)配對(duì)絮凝穩(wěn)定性和中值粒徑2 個(gè)因素并未考慮。

該研究著重考察不同采出水添加劑與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集Zeta 電位、中值粒徑、絮凝體積和沉降速度的影響，以期對(duì)油田采出水的處理及各添加劑的合理選擇和使用提供指導(dǎo)作用，節(jié)省了水處理成本，實(shí)現(xiàn)綠色開發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

無水碳酸鈉、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、硫酸鈉、碳酸氫鈉、分析純；蒙脫土，聚醚類破乳劑，殺菌劑為 十二烷基二甲基芐基氯化銨（1227），阻垢劑為乙二胺四亞甲基膦酸（EDTMP），聚合氯化鋁（PAC）工業(yè)品；配液用水為模擬地層水，水型CaCl2、礦化度50 610 mg/L，ω（Ca2+）= 3 934.69 mg/L，ω（Mg2+）=198.6mg/L，ω（Na++K+）= 18 392.4 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電子分析天平（百分位）、CP214 電子分析天平（萬分位），奧豪斯儀器（上海）有限公司；NPA151 Zeta 電位測(cè)定儀、S3500 激光粒度儀，德國克呂氏儀器有限公司；PHS-3C 酸度計(jì)，上海精密科技有限公司；MY3000-6M 混凝實(shí)驗(yàn)攪拌器，梅宇儀器有限公司；ET750 絮凝沉降度測(cè)定儀，成都銳新儀器儀表有限公司。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在T=25 ℃下，按5%的黏土加0.25%的碳酸鈉比例配制1 mg/L 的蒙脫土模擬懸濁液，攪拌2 h 使黏土充分分散，老化靜置過夜，備用。

1.2.3 絮凝實(shí)驗(yàn)

絮凝實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)瓶試法。取200 mL 模擬水樣于燒杯中，按照不同濃度依次加入添加劑，將MY3000-6M 混凝實(shí)驗(yàn)攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為100 r/min的條件下加入0.8 mg/L PAC，攪拌1 min 使絮凝劑充分分散；在轉(zhuǎn)速為40 r/min 下攪拌2 min 后停止攪拌；將配制好的絮凝溶液快速倒入200 mL 具塞量筒中，加塞上下?lián)u動(dòng)10 次，靜置30 min，使用ET750 絮凝沉降度測(cè)定儀記錄沉絮體體積[13-16]。

1.2.4 Zeta 電位實(shí)驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)電泳光散射技術(shù)進(jìn)行Zeta 電位測(cè)量[7-12]。使用NPA151 Zeta 電位測(cè)定儀，在測(cè)量池中裝滿蒸餾水，按BKG 查看背景值不得大于0.01，否則應(yīng)清洗測(cè)量池。按S/Z 圖標(biāo)進(jìn)行調(diào)零，吸出蒸餾水，用滴管取前面配制好的液體，距離上層液面下2 cm 處混懸體系，在測(cè)量池中裝滿樣品，按LD 圖標(biāo)進(jìn)行加樣濃度測(cè)試，當(dāng)紅色加樣濃度指示條處于綠色范圍內(nèi)時(shí)按RUN 圖標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定體系中膠體粒子的Zeta 電位，測(cè)定3 次，取平均值，用ζ-表示。主要說明與膠態(tài)分散的穩(wěn)定性。

1.2.5 中值粒徑實(shí)驗(yàn)

中值粒徑測(cè)量，S3500 激光粒度儀利用多個(gè)激光源的光束投射通過一串粒子后產(chǎn)生的散射現(xiàn)象的原理，用注射器取前面配制的液體，距離上層液面下2 cm 處上清液進(jìn)行中值粒徑測(cè)定，隨后通過軟件得出分析結(jié)果，用d50表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚醚類破乳劑與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響

根據(jù)絮凝-聚結(jié)機(jī)理[17-18]，在加熱或攪拌的條件下，破乳劑與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配使其有較多的機(jī)會(huì)碰撞乳化液的界面膜，界面膜由于被擊破穩(wěn)定性降低，發(fā)生絮凝、聚結(jié)而破乳。實(shí)驗(yàn)考察了不同濃度破乳劑與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)沉降體積、沉降速率、Zeta 電位及中值粒徑的影響[19-20]，結(jié)果見表1。

表1 聚醚類破乳劑與PAC 復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響Table 1 Effect of polyether demulsifier and PAC complex onparticle aggregation

表1 可知，聚醚類破乳劑加量對(duì)Zeta 電位沒有影響，溶液一直處于聚集開始的范圍之內(nèi)，但隨著聚醚類破乳劑加量的增加，沉降速度和中值粒徑變化較明顯。當(dāng)聚醚類破乳劑加量大于0.8 mg/L 時(shí)，沉降速度緩慢且30 min 以內(nèi)未有沉降絮體體積，這是由于隨著聚醚類破乳劑濃度升高，分散能力也在加強(qiáng)，導(dǎo)致形成的絮體剝落，故體系絮凝效果變差。因此，為了滿足絮凝效果，聚醚類破乳劑加量應(yīng)控制在0.8 mg/L。

2.2 殺菌劑（1227）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響

油田采出水經(jīng)處理后回注是目前國內(nèi)各大油田普遍采取的一種油田采出水處理方式。將采出水作為注水水源必須滿足“防腐、防垢、防堵塞”，否則會(huì)造成水質(zhì)惡化、堵塞地層、腐蝕注水管線等危害。為了減少上述危害對(duì)開發(fā)綠色油田的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)考察了殺菌劑（1227）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響，結(jié)果見表2。

表2 表明，隨著殺菌劑濃度的增加懸濁液的Zeta 電位由負(fù)向正方向移動(dòng)，中值粒徑先由大到小后由小到大，這是因?yàn)樵诰酆下然X（PAC）分子鏈上有大量的極性基團(tuán)吸附在膠體顆粒表面，在顆粒間架橋使得顆粒間相互連接，起到穩(wěn)定的絮凝作用。當(dāng)殺菌劑加量為0.8～1.2 mg/L 時(shí)，體系中的粒子的Zeta 電位處于強(qiáng)聚集和沉淀的范圍，中值粒徑降低；當(dāng)殺菌劑加量為1.4～1.6 mg/L 時(shí)，體系中的粒子的Zeta 電位處于聚集開始，膠體開始變得不穩(wěn)定，中值粒徑增大。因此，為了滿足絮凝效果，殺菌劑加量應(yīng)控制在0.8 mg/L。

表2 殺菌劑（1227）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響Table 2 Effect of bactericide 1227 and PAC complex on particle aggregation

2.3 阻垢劑（EDTMP）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響

阻垢劑的作用機(jī)理主要是阻垢劑把能產(chǎn)生沉淀的金屬離子變成可溶性的螯合物或絡(luò)合物離子，從而抑制陽離子與陰離子的結(jié)合產(chǎn)生沉淀。實(shí)驗(yàn)時(shí)考察了阻垢劑（EDTMP）與聚合氯化鋁（PAC）進(jìn)行復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響，結(jié)果見表3。

表3 阻垢劑（EDTMP）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集影響Table 3 Effect of scale inhibitor EDTMP and PAC on particle aggregation

表3 表明，當(dāng)阻垢劑加量小于0.6 mg/L 時(shí)，體系中的粒子的Zeta 電位穩(wěn)定，絮凝沉降體積達(dá)到95 mL，由于絮體沉降速度快，上清液透亮，因此中值粒徑降低；當(dāng)阻垢劑加量大于0.6 mg/L 時(shí)，絮體沉降速度慢且上清液渾濁。這是因?yàn)樽韫竸┙档土酥泻湍芰?，影響了絮凝效果。因此最佳濃度?.6 mg/L可達(dá)到理想的絮凝效果。

2.4 咪唑啉類緩蝕劑與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響

咪唑啉類緩蝕劑是無毒且高效的緩蝕劑，已被廣泛應(yīng)用在油氣田開發(fā)過程中，實(shí)驗(yàn)時(shí)考察了咪唑啉類緩蝕劑與聚合氯化鋁（PAC）進(jìn)行復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響，見表4。

表4 咪唑啉類緩蝕劑與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)配對(duì)顆粒聚集的影響Table 4 Effect of imidazoline corrosion inhibitor and PAC complex on particle aggregation

表4 表明， PAC 在一定的加量下與0.4 mg/L 咪唑啉類緩蝕劑由于協(xié)同作用，Zeta 電位處于很好的穩(wěn)定性，可以提高絮凝效果，但上清液渾濁且沉降體積降低，這表明咪唑啉緩蝕劑的存在降低了絮凝體系的透光率和絮凝能力。一方面由于聚合氯化鋁（PAC）分子上的極性基團(tuán)顆粒因自身帶負(fù)電荷的膠體粒子吸附到陽離子聚合物，膠體粒子阻聚能速動(dòng)電位降低而絮凝；另一方面咪唑啉類緩蝕劑通過壓縮與聚合氯化鋁（PAC）膠粒雙電層，由于自身強(qiáng)大的分散能力使得粒子間締合能力變差導(dǎo)致上清液變渾濁，因此應(yīng)該選擇配伍性良好的緩蝕劑。

3 結(jié)論

1） 添加聚醚類破乳劑、殺菌劑1227、阻垢劑EDTMP、咪唑啉緩蝕劑與聚合氯化鋁PAC 協(xié)同作用，可以提高絮凝效果。

2） 最佳用量：聚醚類破乳劑的質(zhì)量濃度為0.8 mg/L，殺菌劑1227 的質(zhì)量濃度為0.8 mg/L，阻垢劑EDTMP 的質(zhì)量濃度為0.6 mg/L。

3） 加入咪唑啉緩蝕劑雖對(duì)懸浮物有一定沉降作用，但絮凝體系的透光率、沉降時(shí)間都不能滿足處理要求。