海上化學(xué)驅(qū)油田含聚油泥分析及預(yù)防措施

寇子健，陳 斌，李 強(qiáng)，敖文君，楊 彬，王成勝，方月月

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)部，北京 100028；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450）

對(duì)于長(zhǎng)期的注聚油田，在聚驅(qū)污水處理過(guò)程中，聚合物和原油、水、水處理藥劑、固體顆粒等相互作用，形成復(fù)雜穩(wěn)定的含聚油泥體系，使得常規(guī)含油污泥的處理方法難以有效分離油、泥、水三相[1-4]。目前，像陸地油田大慶、勝利以及渤海注聚油田等均已采取聚驅(qū)措施十多年，長(zhǎng)期的注聚導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)破壞加劇，所以采出液中含泥量明顯增加。

在聚驅(qū)污水處理過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定量的油泥，含聚油泥流動(dòng)性差，堵塞管線，影響水處理效果[5，6]；同時(shí)原油儲(chǔ)罐中含聚油泥使得清罐過(guò)程的難度增大，周期變長(zhǎng)，不僅大大降低了處理效率，并且?guī)?lái)更高的處理成本。前期研究發(fā)現(xiàn)，污水組成與含油污泥組成并不完全一致，說(shuō)明含聚污水中原油、懸浮物和聚合物形成油泥的過(guò)程比較復(fù)雜，本文旨在研究注水緩沖罐中油泥生產(chǎn)的過(guò)程。通過(guò)研究聚驅(qū)污水不同組分在注水緩沖罐中發(fā)生沉降的可能性分析油泥產(chǎn)生的原因，并提出注水緩沖罐中含聚油泥產(chǎn)生的模型。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)用水為渤海某一注聚油田的含聚污水。含聚油泥為渤海某一注聚油田采出液中的油泥。實(shí)驗(yàn)儀器主要有激光粒度儀，六聯(lián)攪拌器，電子天平等。含聚污水組成含量（見(jiàn)表1），含聚油泥的組成含量（見(jiàn)表2）。

表1 含聚污水組成

表2 含聚油泥組分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）含聚污水中懸浮物粒徑分布測(cè)試：使用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer2000）來(lái)測(cè)量污水中懸浮物的粒度分布。

（2）含聚污水中懸浮物沉降速率：含聚污水中懸浮物沉降速率公式采用斯托克斯公式，如公式（1）所示：

式中：g-重力加速度，m/s2；ν-水的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)，m2/s；γs，γ-黏土和水的容重，N/m3；d-黏土的粒徑，mm；ω-沉降速率，cm/s。

參照相關(guān)文獻(xiàn)，在假定有效容重系數(shù)的值為1.65的情況下，用斯托克斯公式計(jì)算了不同粒徑情況下的沉降速率。

（3）含聚污水中油滴上浮速度：含聚污水中油滴上浮速度由Stokes 定律推導(dǎo)得出，如公式（2）所示：

式中：r-球形油滴的半徑，μm；v-球形油滴上浮速度，m/h；ρ0-污水密度，kg/m3；ρ-油的密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2；η-污水黏度。

這就是球形油滴在水中上浮的速度公式。根據(jù)注水緩沖罐內(nèi)液面高度，由此公式可估算沉降時(shí)間。

（4）注水緩沖罐內(nèi)不同高度油滴濃度比計(jì)算：根據(jù)膠體化學(xué)中，膠體運(yùn)動(dòng)特性理論，達(dá)到沉降平衡時(shí)，含聚污水中不同高度處的油滴濃度可由式（3）計(jì)算，注水緩沖罐內(nèi)不同高度油滴濃度比計(jì)算（見(jiàn)圖1）。

圖1 注水緩沖罐內(nèi)不同高度油滴濃度比計(jì)算示意圖

式中：x1、x2-不同高度的兩個(gè)平面，m；n1、n2-兩個(gè)平面上的油滴濃度；NA-阿伏伽德羅常數(shù)，6.02×1023；R－氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K；T-體系的絕對(duì)溫度，K；r-油滴半徑，μm；ρ-原油密度，kg/m3；ρ0-水的密度，kg/m3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含聚污水中懸浮物沉降分析

含聚污水的粒徑分布特征參數(shù)（見(jiàn)表3），其中D［0.1］、D［0.5］、D［0.9］分別表示粒度累積分布（0%～100%）中10%、50%、90%對(duì)應(yīng)的粒徑；D［4，3］表示體積或直徑平均粒徑。

表3 含聚污水中懸浮物粒徑分析

根據(jù)懸浮物沉降公式（1）計(jì)算懸浮物粒徑與沉降速率的關(guān)系（見(jiàn)表4）。由表4 可知，污水中不同粒徑的懸浮物，其沉降速率差異極大，當(dāng)懸浮物的粒徑為0.001～0.01 mm 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沉降速率為0.000 067 2～0.006 717 cm/s，當(dāng)粒徑增至0.05 mm 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沉降速率急速增大至0.167 934 cm/s，而當(dāng)粒徑增至0.10 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沉降速率急速增大至0.671 735 cm/s。

表4 懸浮物粒徑與沉降速率的關(guān)系

由于懸浮物在下沉過(guò)程中，一般為大顆粒的懸浮物首先下沉，且沉降速率快，小顆粒的物質(zhì)下沉慢。所以各個(gè)時(shí)間段，下沉的主導(dǎo)顆粒粒徑不一樣，主導(dǎo)沉降速率也是不一樣的，應(yīng)該是前期沉降速率大，后期沉降速率小。如果沉降過(guò)程中出現(xiàn)顆粒的堆積，沉降速度將會(huì)加速。另外，隨著沉降時(shí)間的增加，懸浮物的平均沉降速率逐漸減小，當(dāng)沉降時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，沉降速度趨于穩(wěn)定。

參照渤海S 油田污水處理主要設(shè)備參數(shù)表，選取注水緩沖罐深度為2.50 m 計(jì)，則呈完全分散或單顆粒狀態(tài)的懸浮物按靜沉降速率估算，從罐頂沉降至罐底的時(shí)間為10.34～1 033.81 h（懸浮物粒徑為0.001～0.01 mm），而當(dāng)懸浮物粒徑增至0.01～0.1 mm 時(shí)，從罐頂沉降至罐底的時(shí)間為0.1～10.34 h。

2.2 含聚污水中油滴運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)含聚污水中油滴上浮速度公式（2）計(jì)算緩沖罐中油滴的上浮速度（見(jiàn)表5）。從表5 中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著油滴尺寸變小，沉降時(shí)油滴的上浮速度變得很慢，當(dāng)油泥半徑從5 μm 下降到1 μm 后，其油滴的上浮速度從0.018 318 m/h 下降到0.000 733 m/h，速度下降了大概25 倍，表明油滴半徑是影響油滴上浮速度的關(guān)鍵參數(shù)。

表5 沉降時(shí)油滴上浮速度計(jì)算

2.3 注水緩沖罐內(nèi)不同高度油滴濃度比

根據(jù)注水緩沖罐內(nèi)不同高度油滴濃度比計(jì)算公式（3）計(jì)算注水緩沖罐中不同高度處油滴濃度比（見(jiàn)表6）。由表6 可知，油滴尺寸對(duì)沉降效果影響極大，當(dāng)油滴半徑在5.0 μm 以下時(shí)，含聚污水中不同液面高度處的油滴濃度比趨近1，說(shuō)明不能沉降。對(duì)于本項(xiàng)目所取污水而言，由于其含油量較低，從污水粒徑中值分析結(jié)果來(lái)看，油滴粒徑小于5.0 μm，因此，理論上沉降量較少，但是若體系中形成較大尺寸油滴則油滴可能發(fā)生沉降。

表6 沉降平衡時(shí)不同液體高度處油滴濃度比

3 含聚油泥形成機(jī)理分析及預(yù)防措施

3.1 含聚油泥形成機(jī)理分析

由實(shí)驗(yàn)分析得出懸浮物和油滴理論上不受其他因素影響時(shí)沉降量較少，且沉降速率緩慢。但是實(shí)際情況中，污水中有一定的聚合物含量，其在污水處理系統(tǒng)中受外界因素影響，可能與懸浮物和油滴共同作用，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的過(guò)程形成油泥[7，8]。

含聚污水中聚合物與懸浮物的作用：疏水締合聚合物在水溶液中會(huì)發(fā)生部分水解，與泥砂顆粒雙電層上的正電荷作用而吸附于顆粒表面；疏水基團(tuán)因疏水作用而發(fā)生聚集，使大分子鏈產(chǎn)生分子內(nèi)締合與分子間締合。當(dāng)其濃度高于臨界締合濃度后，大分子鏈通過(guò)疏水締合作用聚集形成以分子間締合為主的超分子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

殘留在污水中的聚合物分子與泥砂顆粒之間作用后可形成大顆粒的“團(tuán)粒結(jié)構(gòu)”。泥砂顆粒懸浮于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，流體力學(xué)體積增加，體系黏度大幅升高，由于污水中陽(yáng)離子含量很高，陽(yáng)離子能中和泥砂顆粒表面的負(fù)電荷使電位下降、擴(kuò)散層變薄，細(xì)顆粒泥砂之間作用力增強(qiáng)，從而產(chǎn)生絮凝作用形成絮團(tuán)，加速泥砂顆粒沉降。因此，過(guò)高濃度的含油污泥會(huì)加劇絮凝，導(dǎo)致體系出現(xiàn)分層現(xiàn)象使得體系黏度降低，穩(wěn)定性也變差[9]。

聚合物溶解于水中后，增加了水相黏度，而黏度的增大必然會(huì)影響油珠聚結(jié)，造成水中油珠的上浮和碰撞速度變慢，使液滴的沉降速率減小。聚合物吸附于油水界面上，形成擴(kuò)散雙電層，加之聚合物的空間位阻效應(yīng)，增大油水界面的厚度和強(qiáng)度，使小液滴難以聚集成大液滴，液珠間的聚并趨勢(shì)降低，導(dǎo)致體系穩(wěn)定性增強(qiáng)。

由于聚合物對(duì)油滴的穩(wěn)定作用，在與懸浮物進(jìn)行吸附架橋過(guò)程中也可能會(huì)鏈接一定尺寸的油滴，從而使兩者一并沉降，其中原油界面活性組分、油滴尺寸、聚合物、表面活性劑、固體微粒在油水界面的吸附對(duì)含油污泥的形成起到了重要作用[10]。

3.2 含聚油泥產(chǎn)生預(yù)防措施

從以上分析可以看出，含聚油泥的產(chǎn)生通常是由于采出液中原油、聚合物（通常是聚丙烯酰胺）、固體顆粒、表面活性劑、絮凝劑等多種成分相互作用而形成的復(fù)雜、穩(wěn)定的混合物體系，其穩(wěn)定性的影響因素比較復(fù)雜，主要是受到儲(chǔ)層的礦物組成、儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、原油的性質(zhì)、聚合物性質(zhì)、水處理劑性質(zhì)等等，因此，可以從以下幾個(gè)方面措施預(yù)防或減少油泥的產(chǎn)生。

（1）對(duì)于儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)疏松的砂巖油藏，由于地層易出砂，應(yīng)盡量避免使用陽(yáng)離子型聚合物或疏水締合聚合物，以減少聚合物分子與黏土顆粒、膠質(zhì)瀝青質(zhì)大分子的締合作用，因此在選擇驅(qū)油劑時(shí)應(yīng)盡可能選用陰離子型線性聚合物；

（2）在采出液處理流程中，應(yīng)避免采用無(wú)機(jī)絮凝劑（如，聚鋁）、有機(jī)陽(yáng)離子清水劑等水處理藥劑，防止與清水劑或絮凝劑與聚合物、黏土顆粒發(fā)生聚沉作用[11]；

（3）優(yōu)化改進(jìn)采出液油水處理流程，提高油水分離效果，減少油泥的產(chǎn)生。

4 結(jié)論與建議

（1）含油污泥中懸浮物在殘留聚合物存在下由于吸附架橋作用使得顆粒粒徑增加，加快其沉降速度，因此從抑制含油污泥的形成，在生產(chǎn)中應(yīng)特別注意絮凝劑的使用和加量。

（2）懸浮物、油滴和聚合物相互作用發(fā)生聚集沉降現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)一定量的含油污泥。

（3）盡量避免使用陽(yáng)離子處理劑，選擇一些非離子型水處理劑減少處理劑與聚合物、黏土顆粒的聚沉作用，從而減少油泥產(chǎn)生。