CO2驅(qū)采出流體相分離化學(xué)劑技術(shù)研究

鄭潤(rùn)芬 王一涵 杜威 張會(huì)平 艾廣智 劉霞

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2電力運(yùn)維分公司電力運(yùn)維二部

CO2驅(qū)油可實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)低滲油田的有效開(kāi)發(fā)[1-4]，早在上世紀(jì)90年代初大慶油田已經(jīng)開(kāi)始CO2驅(qū)先導(dǎo)性礦場(chǎng)試驗(yàn)[5]，2008年以來(lái)，大慶榆樹(shù)林油田推進(jìn)CO2驅(qū)油，并開(kāi)展了大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[6-9]。CO2驅(qū)開(kāi)采過(guò)程中，注入地層的CO2與地層水混合，會(huì)造成地層水pH 值降低，呈酸性的地層水對(duì)地下礦物巖石具有侵蝕作用，致使采出液中鈣、鎂、硅、鋁等離子成分增加。在采出流體的處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)油井在生產(chǎn)過(guò)程中間歇性出現(xiàn)大量高含CO2伴生氣快速上返現(xiàn)象[10]，地面采出液處理系統(tǒng)面臨乳化程度加深問(wèn)題，集輸系統(tǒng)中壓力的突然降低也導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存在起泡的可能性。同時(shí)，隨著CO2的析出或與其他油田污水混合，導(dǎo)致采出流體pH 值升高，采出液水相中碳酸鈣等出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài)，會(huì)析出堿土金屬碳酸鹽微粒等新生懸浮物固體，引起采出水懸浮物固體增加，增大CO2驅(qū)采出液和采出水處理難度。針對(duì)CO2驅(qū)采出流體處理過(guò)程中面臨的氣液分離、液液分離以及固液分離等問(wèn)題，需研制適用于氣液分離的消泡劑，液液分離的破乳劑，以及固液分離的浮選劑、絮凝劑等相分離化學(xué)劑，以保障CO2驅(qū)地面系統(tǒng)開(kāi)采的順利運(yùn)行。

1 消泡劑研制

1.1 評(píng)價(jià)方法

為了快速評(píng)價(jià)多種消泡劑的效果，室內(nèi)評(píng)價(jià)采用在恒溫條件下向模擬液通入CO2氣體1 min 發(fā)泡的方法評(píng)價(jià)消泡劑（圖1），現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)采用取樣口直接取樣評(píng)價(jià)方式。消泡性測(cè)定：在1 L 具塞量筒中接取約800 mL 來(lái)液靜置，記錄泡沫完全消除所用時(shí)間。

圖1 消泡劑室內(nèi)評(píng)價(jià)裝置Fig.1 Defoamer indoor evaluation device

1.2 油氣分離系統(tǒng)消泡劑

CO2驅(qū)采出流體中CO2氣體含量較高，油相呈現(xiàn)發(fā)泡特性，針對(duì)上述特點(diǎn)開(kāi)展油相消泡劑配方研制，保障油氣分離器取得良好的分離效果，并觀察消泡劑對(duì)采出流體油水分離特性的影響。圖2是效果較好的4種消泡劑在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)瓶試效果。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，1#消泡劑效果最佳，加藥質(zhì)量濃度為50 mg/L 時(shí)，消泡時(shí)間由130 s 縮短到40 s；現(xiàn)場(chǎng)瓶試時(shí)采用在榆樹(shù)林油田樹(shù)16 油氣分離器進(jìn)口取樣，加藥質(zhì)量濃度為50 mg/L，結(jié)果顯示，同樣是1#配方效果最佳，消泡時(shí)間由110 s縮短到25 s。

圖2 消泡劑室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)瓶試效果Fig.2 Experimental effect of defoamer indoor and field bottle test

將1#消泡劑在樹(shù)16 油氣分離器進(jìn)口進(jìn)行加藥量?jī)?yōu)化現(xiàn)場(chǎng)瓶試試驗(yàn)，加藥質(zhì)量濃度分別為25、50、75、100、125 mg/L，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3 可知，加入藥劑后消泡時(shí)間呈快速下降趨勢(shì)，加藥質(zhì)量濃度為50 mg/L 時(shí)，消泡時(shí)間縮短77%，繼續(xù)增加加藥量消泡效果趨于穩(wěn)定，其最佳加藥質(zhì)量濃度為50mg/L，命名為AF-1005。

圖3 消泡劑加藥量?jī)?yōu)化Fig.3 Optimization of the defoamer dosage

2 采出液脫水系統(tǒng)破乳劑

由于CO2驅(qū)采出液具有特殊的性質(zhì)，采出液脫水用破乳劑不同于常規(guī)水驅(qū)破乳劑，需研制適合CO2驅(qū)采出液游離水脫除和電脫工藝條件更經(jīng)濟(jì)高效的破乳劑。確保在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)中，破乳劑加藥質(zhì)量濃度不大于50 mg/L，采出液處理溫度在40 ℃左右、停留時(shí)間≤30 min 的條件下，游離水脫除達(dá)到脫后油中含水率≤30%、污水含油質(zhì)量濃度≤1 000 mg/L的指標(biāo)。

隨著CO2的不斷上返，采出液性質(zhì)發(fā)生顯著變化，取樹(shù)16轉(zhuǎn)油站來(lái)液，在溫度45 ℃條件下，對(duì)破乳劑配方進(jìn)行優(yōu)化，沉降時(shí)間30 min，部分配方評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1 和圖4，結(jié)果顯示4#、5#、7#、8#、9#配方效果較好。

表1 45 ℃條件下部分破乳劑配方優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Optimization results of some demulsifier formula at 45 ℃

圖4 破乳劑配方進(jìn)一步評(píng)價(jià)效果Fig.4 Further evaluation of the effectiveness of demulsifier formula

對(duì)上述效果較好的破乳劑配方進(jìn)一步評(píng)價(jià)，5#配方在兩個(gè)加藥質(zhì)量濃度為20 mg/L 和50 mg/L 條件下，清水效果均最佳。加藥質(zhì)量濃度50 mg/L，溫度45 ℃的條件下，沉降30 min，水中含油質(zhì)量濃度由不加藥時(shí)的185 mg/L降低到90 mg/L。

優(yōu)化后的5#破乳劑配方進(jìn)行不同加藥濃度條件下不同沉降時(shí)間的處理效果對(duì)比試驗(yàn)（圖5）。在加藥質(zhì)量濃度為20 mg/L條件下，溫度45 ℃時(shí)，沉降180 min，水中含油質(zhì)量濃度由不加藥時(shí)的1 879.3 mg/L 降低到137.0 mg/L。5#配方效果良好，將其命名為破乳劑DE-1215。

圖5 不同加藥濃度條件下水中含油濃度隨沉降時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 Variation law of oil concentration in water with settling time under different dosing concentrations

3 采出水處理系統(tǒng)絮凝劑

結(jié)合采出水處理工藝，通過(guò)靜置沉降和絮凝試驗(yàn)分別進(jìn)行反相破乳組分和絮凝組分篩選，對(duì)其進(jìn)行配方優(yōu)化，研制出適合于CO2驅(qū)采出水處理的絮凝劑配方，確保在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)中，在清水劑加藥質(zhì)量濃度不大于200 mg/L的情況下，處理后采出水的水質(zhì)滿足膜濾工藝進(jìn)水要求。

室內(nèi)絮凝劑配方研制試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)Q/SY DQ0824—2014《油田采出水用絮凝劑產(chǎn)品驗(yàn)收和檢驗(yàn)技術(shù)要求》，取樹(shù)16轉(zhuǎn)油站四合一分離水，在40 ℃條件下，絮凝沉降4 h，分別測(cè)定濾前和濾后水樣中含油濃度和懸浮物固體濃度。部分絮凝劑配方采出水處理效果見(jiàn)表2。由表2 可以看出，絮凝劑4#配方效果較好，濾前懸浮物固體濃度達(dá)到了8 mg/L，濾后懸浮物固體濃度為0，可以滿足特低滲透油藏膜濾工藝進(jìn)水指標(biāo)，將4#配方命名為絮凝劑CL-5013。

表2 不同類型絮凝劑采出水處理效果Tab.2 Treatment effects of produced water under different types of flocculants

為進(jìn)一步研究絮凝劑CL-5013 對(duì)CO2驅(qū)采出水處理效果的適應(yīng)性，考察了不同加藥濃度條件下采出水的處理效果。取樹(shù)16 轉(zhuǎn)油站四合一分離水，40 ℃條件下，靜沉4 h，分別測(cè)定濾前和濾后水樣中含油濃度和懸浮物固體濃度，采出水處理效果見(jiàn)表3。由表3可以看出，加藥質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，含油濃度變化不大，濾前、濾后懸浮物固體質(zhì)量濃度分別達(dá)到5 mg/L和1 mg/L。

表3 絮凝劑不同加藥濃度條件下采出水處理效果Tab.3 Treatment effects of produced water under different dosing concentrations of flocculants

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在榆樹(shù)林油田樹(shù)16 轉(zhuǎn)油站開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)所研制的破乳劑、絮凝劑等配套化學(xué)劑的應(yīng)用效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)。

4.1 破乳劑應(yīng)用試驗(yàn)

采出液脫水試驗(yàn)系統(tǒng)由氣液分離器、游離水脫除試驗(yàn)裝置、電加熱器和電脫水試驗(yàn)裝置各1臺(tái)串聯(lián)而成。試驗(yàn)介質(zhì)來(lái)自樹(shù)16 轉(zhuǎn)油站2#計(jì)量間，進(jìn)站來(lái)液先經(jīng)過(guò)氣液分離器進(jìn)行氣液分離，分離出的氣體輸至樹(shù)16 轉(zhuǎn)油站內(nèi)放空匯管，分離出的液體經(jīng)脫水泵輸至游離水脫除器進(jìn)行油水分離，分離出來(lái)的乳狀液經(jīng)電加熱器加熱后進(jìn)入電脫水試驗(yàn)裝置進(jìn)行處理，含油污水部分進(jìn)入采出水處理試驗(yàn)系統(tǒng)，凈化油和剩余的含油污水均進(jìn)入液體儲(chǔ)存緩沖單元后打回站內(nèi)液相處理系統(tǒng)（站內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)“四合一”進(jìn)口管線），工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 采出液脫水試驗(yàn)單元工藝流程及加藥點(diǎn)Fig.6 Process flow and dosing points of the produced liquid dehydration test unit

為考察破乳劑現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果，破乳劑加藥點(diǎn)設(shè)在游離水分離器進(jìn)液口，破乳劑加藥質(zhì)量濃度按油水總量計(jì)20 mg/L，來(lái)液溫度為40 ℃，液量為10.4 m3/h，停留時(shí)間為15 min；電脫水試驗(yàn)裝置進(jìn)口溫度50 ℃，電場(chǎng)內(nèi)停留時(shí)間30 min。投加研制的破乳劑DE-1215，可使游離水脫除器放水水中含油質(zhì)量濃度由576 mg/L降至264 mg/L，油出口油中含水率由7.51%降至5.25%，電脫后油中含水率為0.1%。

4.2 絮凝劑應(yīng)用試驗(yàn)

采出水處理試驗(yàn)單元來(lái)水量為1 m3/h，采用“曝氣沉降+混凝沉降+兩級(jí)雙濾料壓力過(guò)濾+PVC超濾”工藝。試驗(yàn)單元主流程：來(lái)水→緩沖曝氣罐→混凝沉降罐→濾前緩沖池→一次壓力過(guò)濾罐→二次壓力過(guò)濾罐→膜處理裝置（圖7）。

圖7 采出水處理試驗(yàn)單元工藝流程及加藥點(diǎn)Fig.7 Process flow and dosing points of produced water treatment test unit

絮凝劑加藥點(diǎn)為曝氣沉降罐進(jìn)口，CL-5013絮凝劑加藥質(zhì)量濃度為70 mg/L，投加絮凝劑前后水質(zhì)情況對(duì)比見(jiàn)圖8。在來(lái)水含油質(zhì)量濃度149 mg/L、懸浮物固體質(zhì)量濃度131 mg/L、粒徑中值5.24 μm的條件下，投加絮凝劑后二次濾后水水中含油質(zhì)量濃度降至3.38 mg/L、懸浮物固體濃度降至2.61 mg/L、粒徑中值降至1.51 μm，滿足含油質(zhì)量濃度≤8 mg/L、懸浮物固體質(zhì)量濃度≤3 mg/L、粒徑中值≤2 μm 的膜濾進(jìn)水水質(zhì)要求。

圖8 投加絮凝劑前后二濾出水處理效果Fig.8 Treatment effect of secondary filtration effluent before and after adding flocculant

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)CO2驅(qū)采出流體，研制出適用于氣液分離環(huán)節(jié)的消泡劑AF-1005，適合于采出液脫水環(huán)節(jié)的破乳劑DE-1215，以及采出水處理系統(tǒng)用絮凝劑CL-5013，研制的破乳劑和絮凝劑在榆樹(shù)林油田CO2驅(qū)采出流體處理試驗(yàn)裝置中開(kāi)展應(yīng)用研究，取得了良好的應(yīng)用效果。目前，CO2驅(qū)相分離劑在現(xiàn)場(chǎng)雖然有所應(yīng)用，但存在試驗(yàn)規(guī)模較小，周期短，沒(méi)有長(zhǎng)期驗(yàn)證藥劑的適應(yīng)性，工業(yè)化CO2驅(qū)試驗(yàn)區(qū)采出液乳化和起泡等問(wèn)題沒(méi)有充分暴露，之前的研究方案是采用投加消泡劑和破乳劑，雖然可以解決系統(tǒng)的發(fā)泡和破乳問(wèn)題，但成本較高。因此，有必要研制兼具消泡功能的破乳劑，同步解決系統(tǒng)乳化程度加深和發(fā)泡問(wèn)題，降低加藥成本。