電化學(xué)破乳技術(shù)在風(fēng)城超稠油SAGD 循環(huán)液處理中的應(yīng)用

孫森 李學(xué)軍 張炳成 邱江源 胡新玉

摘要：2021年4月，為了完成《風(fēng)城超稠油SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離技術(shù)研究》科研項(xiàng)目，新疆成和天利能源科技股份公司在風(fēng)城作業(yè)區(qū)的安排下，對(duì)風(fēng)城超稠油SAGD循環(huán)液進(jìn)行了電化學(xué)除油和電磁復(fù)合脈沖原油脫水實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)，取得了較好的試驗(yàn)效果。經(jīng)過兩級(jí)電化學(xué)除油后，出水油含量明顯降低，電化學(xué)除油效果顯著。 經(jīng)過試驗(yàn)評(píng)價(jià)，初步形成了一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖原油脫水”組合工藝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)SAGD循環(huán)預(yù)熱液中原油回收處理合格，污水正常處理，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效，降低SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理成本。

關(guān)鍵詞：電化學(xué) ?除油技術(shù) ?風(fēng)城 ?處理

引言：

國內(nèi)外常見的油水分離技術(shù)包括熱化學(xué)沉降法、電破乳除油、電化學(xué)脫水法、電磁復(fù)合脈沖脫水法等，其中電磁復(fù)合脈沖具有適應(yīng)來液范圍寬，脫水效率高、處理時(shí)間短，降低破乳劑用量等優(yōu)勢。電磁復(fù)合脈沖原油脫水法：電除油裝置工作機(jī)理是利用電場力對(duì)乳液顆粒的吸引或排斥作用，使乳化油膠體在運(yùn)動(dòng)中互相碰撞，從而破壞其水化膜及雙電層結(jié)構(gòu)，使微細(xì)油粒聚結(jié)成較大的油粒浮升于水面，達(dá)到油水分層的目的。脈沖電磁場產(chǎn)生電磁振蕩，使乳化小水珠極化，加速運(yùn)動(dòng)，沖擊乳化膜，降低膜強(qiáng)度;當(dāng)脈沖頻率接近界面膜諧振頻率時(shí)兩者形成共振，形成不可逆孔，小水滴穿孔而出，實(shí)現(xiàn)破乳。

一、要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

根據(jù)現(xiàn)場需求，和前期調(diào)研情況，開展以“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)為主要方向的研究成果和現(xiàn)場試驗(yàn)。需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有以下幾個(gè)方面：

1. SAGD循環(huán)液物性分析研究

①循環(huán)液物性對(duì)比分析②循環(huán)液電性特性研究;③循環(huán)液油泥水分離研究。

2. SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離機(jī)理研究

①電化學(xué)除油機(jī)理研究;②電磁復(fù)合脈沖脫水機(jī)理研究。

3. SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理裝置研制;

①SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理設(shè)備研制;②SAGD循環(huán)預(yù)熱液電極控制系統(tǒng)研制。

4. SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離配套藥劑研制

①配套藥劑研制;②不同摻柴比例條件下藥劑優(yōu)化研究。

5. 現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

二、攻關(guān)目標(biāo)及主要研究內(nèi)容

（二）攻關(guān)目標(biāo)

1、研究目標(biāo)

（1）以風(fēng)城2號(hào)稠油聯(lián)合站SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理現(xiàn)有工藝為基礎(chǔ)，采用電化學(xué)技術(shù)聯(lián)合藥劑通過靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)對(duì)SAGD循環(huán)預(yù)熱液進(jìn)行電化學(xué)脫穩(wěn)除油預(yù)處理，進(jìn)行油水泥預(yù)分離;

（2）對(duì)SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離技術(shù)優(yōu)選，電化學(xué)處理預(yù)分離含水原油采用電磁復(fù)合脈沖脫水，含水率達(dá)到5.0%以下;電化學(xué)處理污水進(jìn)入現(xiàn)有采出水處理系統(tǒng)，并滿足現(xiàn)有的處理工藝條件;

（3）形成一套電化學(xué)處理SAGD循環(huán)預(yù)熱液工藝路線，實(shí)現(xiàn)SAGD循環(huán)預(yù)熱液中原油回收處理合格，增產(chǎn)增效，降低SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理成本。

主要研究內(nèi)容

（1）SAGD循環(huán)液物性分析研究

①循環(huán)液物性對(duì)比分析②循環(huán)液電性特性研究;③循環(huán)液油泥水分離研究。

（2）SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離機(jī)理研究

①電化學(xué)除油機(jī)理研究;②電磁復(fù)合脈沖脫水機(jī)理研究。

（3）SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理裝置研制;

①SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理容器研制;②SAGD循環(huán)預(yù)熱液電極控制系統(tǒng)研制。

（4）SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離配套藥劑研制

①配套藥劑研制;②不同摻柴比例條件下藥劑優(yōu)化研究。

（5）現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

① 風(fēng)城2號(hào)稠油聯(lián)合站SAGD循環(huán)預(yù)熱液，應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)聯(lián)合藥劑處理工藝研究。通過靜態(tài)試驗(yàn)評(píng)價(jià)電極材料（可溶性、微溶性、不溶性）、電流、電壓、占空比、頻率、溫度、時(shí)間、藥劑、摻柴油比例等電化學(xué)處理SAGD循環(huán)預(yù)熱液的預(yù)分離效果的影響;優(yōu)化電極材料和運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)小試，研究電化學(xué)技術(shù)聯(lián)合藥劑處理工藝運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定。

② SAGD循環(huán)預(yù)熱液含水原油采用電磁脈沖原油脫水工藝研究。通過靜態(tài)試驗(yàn)評(píng)價(jià)電磁場強(qiáng)度、占空比、頻率、溫度、時(shí)間、藥劑對(duì)脫水效果的影響;優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)小試，研究電磁脈沖原油脫水技術(shù)處理工藝運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定。

③ 形成一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)為主要方向的研究成果和現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)SAGD循環(huán)預(yù)熱液中原油回收處理合格，增產(chǎn)增效，降低SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理成本。

三、技術(shù)思路和研究路線

（一）技術(shù)思路

（1）根據(jù)SAGD循環(huán)液物性分析及電化學(xué)除油機(jī)理研究結(jié)論，確定SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理裝置，在不同工藝參數(shù)條件下對(duì)含油類、懸浮物去除效果，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化;

（2）開展不同工藝參數(shù)調(diào)控試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)油、泥、水三相分級(jí)分離;以及常壓容器在不同溫度下適應(yīng)性（80-100℃）;

（3）進(jìn)行現(xiàn)場連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，確定不同工藝條件下電化學(xué)法除油效率，優(yōu)化不同參數(shù)處理效果、經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。

（4）開展含水原油脫水試驗(yàn)：開展高頻電脈沖脫水試驗(yàn)工藝研究，對(duì)比高溫SAGD密閉脫水試驗(yàn)、大罐熱化學(xué)沉降脫水試驗(yàn)等不同工藝下脫水效率。

（5）形成一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)為主要方向的研究成果和現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)SAGD循環(huán)預(yù)熱液中原油回收處理合格，增產(chǎn)增效，降低SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理成本。

（二）技術(shù)研究路線

研究思路：

首先對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研，找到SAGD循環(huán)預(yù)熱液油水處理工藝存在的主要存在問題;其次通過開展原油物性評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)研究以及現(xiàn)有主體油水處理工藝評(píng)價(jià)研究等工作，確定SAGD循環(huán)預(yù)熱液油水處理工藝優(yōu)化研究方向;第三根據(jù)上述研究結(jié)果，開展電化學(xué)除油和電磁復(fù)合脈沖原油脫水工藝室內(nèi)評(píng)價(jià)研究，確定初步技術(shù)參數(shù);第四在室內(nèi)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場工藝實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及優(yōu)化，包括現(xiàn)場工藝安裝、運(yùn)行和改進(jìn)等;最終，由現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果來評(píng)價(jià)本項(xiàng)目的研究成果，形成一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)為主要方向的研究成果。

技術(shù)路線：

三、 預(yù)期成果和考核指標(biāo)

（一）預(yù)期成果與關(guān)鍵技術(shù)

（1）形成一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)為主要方向的研究成果和現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)SAGD循環(huán)預(yù)熱液中原油回收處理合格，增產(chǎn)增效，降低SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理成本。

（2）形成《風(fēng)城超稠油SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離技術(shù)研究》技術(shù)報(bào)告。

1、技術(shù)經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)

風(fēng)城超稠油SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離技術(shù)指標(biāo)：

（1）原油含水率<5%，脫出污水含油、懸浮物<300mg/L;

（2）同指標(biāo)下，藥劑投加量下降30%;

（3）同指標(biāo)下，SAGD循環(huán)液綜合處理成本較目前降低30%以上。

2、知識(shí)產(chǎn)權(quán)考核指標(biāo)

（1）申報(bào)專利1項(xiàng);

（2）發(fā)表核心論文1篇;

（3）成果報(bào)告1份。

3、預(yù)期應(yīng)用前景

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，形成一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)，利用電化學(xué)的方法合格處理風(fēng)城SAGD循環(huán)預(yù)熱液，大幅度減少藥劑使用量、降低處理成本，實(shí)現(xiàn)風(fēng)城超稠油經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)。風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)2021年預(yù)計(jì)投產(chǎn)SAGD新井34對(duì)，每天將產(chǎn)生SAGD循環(huán)預(yù)熱液4000多噸，按照SAGD循環(huán)預(yù)熱階段6個(gè)月到9個(gè)月測算，本項(xiàng)目產(chǎn)生的降本增效收益巨大，對(duì)風(fēng)城超稠油全生命周期的順利實(shí)施有著關(guān)鍵技術(shù)的作用。另外對(duì)重油公司九八區(qū)SAGD開發(fā)試驗(yàn)，也具備推廣應(yīng)用前景。

四、計(jì)劃任務(wù)完成情況

（一） 完成的主要工作量

1、SAGD采出液的組成與性質(zhì)研究

新疆風(fēng)城SAGD采出液中原油密度大、酸值高、粘度高、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量高，并且采出液中泥沙含量高，使得采出液組成復(fù)雜，乳狀液非常穩(wěn)定，給油水分離照常了很大困難;同時(shí)，分離后的污水含油明顯增高。而SAGD采出液中的界面活性組分、泥沙是采出液穩(wěn)定存在的主要原因。因此，研究SAGD采出液的組成和性質(zhì)，對(duì)風(fēng)城超稠油油開采、集輸和加工都有重要的意義。

2、實(shí)驗(yàn)部分

（3）分子量的測定

SAGD原油及其組分的數(shù)均分子量采用蒸汽壓滲透法（VPO法）。

（4）酸值測定

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測定了原油及其四組分的酸值[39]。

（5）SAGD采出液的元素組成

利用元素分析儀，測定了SAGD采出液水中原油及其組分的C、H、N、O、S等元素的含量。

（6）SAGD原油及其組分的紅外光譜分析

采用用美國尼高力公司的PerkinElmer instruments Spectrum One型紅外光譜儀測定了原油及其極性四組分的紅外光譜。

（二）結(jié)果

（1）SAGD采出液基本性質(zhì)

風(fēng)城SAGD采出液為高含水原油，含水量為78.3%，其浮油含水為29.3%;游離水中含有大量的油，水相呈黑褐色，有大量分散油，由此看出采出液非常穩(wěn)定。采出液的pH值為7.92偏堿性，密度為0.9836g·cm-3，粘度為37012 mPa.s，表明風(fēng)城SAGD采出液為高密度高粘度原油。風(fēng)城SAGD稠油物性參數(shù)見表2-1和2-2。

由表2-2可知，SAGD采出液水中油的含量較高，油含量高達(dá)7978 mg·L-1，靜置30天后，油含量為7899 mg·L-1，除油率0.83%;采出油含水量很高，是穩(wěn)定的W/O型乳狀液。說明SAGD采出液游離水是非常穩(wěn)定的W/O型乳狀液，油水分離非常困難。采出液泥沙含量為7.05%，經(jīng)長時(shí)間靜止沉降水相中仍含有大量的泥沙。說明采出液的泥沙顆粒小，而大的油滴在靜止沉降以后會(huì)自動(dòng)油水分離，但分離時(shí)間長;而較小的油滴則會(huì)長時(shí)間存在于水中，并且由于泥沙的存在，使得水中油無法完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的油水分離。

（2）SAGD稠油四組分含量分離

SAGD稠油四組分分離結(jié)果見表2-3。

由表2-3可知，SAGD稠油中，四組分的含量順序?yàn)椋悍枷惴?gt;膠質(zhì)>飽和分>瀝青質(zhì)。其中瀝青質(zhì)含量為11.88%，含量較高，遠(yuǎn)高于普通原油中瀝青質(zhì)的含量，膠質(zhì)的含量22.59%，約為瀝青質(zhì)的兩倍，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等活性組分占到了稠油的1/3。說明SAGD采出液稠油膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量高，具有較強(qiáng)的乳化能力，采出液穩(wěn)定性強(qiáng)。

（2）SAGD稠油元素及酸值分析

由四組分H/C比值的大小發(fā)現(xiàn)，飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的飽和度依次降低;瀝青質(zhì)的N、S、O等雜原子總含量最高，且遠(yuǎn)大于其他三組分中的N和S等雜原子含量。膠質(zhì)的N、S、O等雜原子總含量也較多，說明膠質(zhì)瀝青質(zhì)中的極性基團(tuán)很多，對(duì)界面膜的穩(wěn)定性起重要作用;飽和分中氮元素含氯極低，從飽和分到瀝青質(zhì)的氮含量依次升高。瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，膠質(zhì)中的雜原子總含量僅次于瀝青質(zhì)的，含有較多極性基團(tuán)，對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響很大。

采用pH計(jì)滴定法測定SAGD稠油及四組分的酸值發(fā)現(xiàn)，原油的酸值達(dá)到5.38mgKOH·g-1，屬于高酸值原油，環(huán)烷酸在高溫下具有強(qiáng)腐蝕性，故后期處理有較大影響。四組分中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)酸值分別達(dá)到7.73和5.56 mgKOH·g-1，這說明原油中的酸性組分主要集中在膠質(zhì)和瀝青之中。瀝青質(zhì)和膠質(zhì)中環(huán)烷酸含量較高。

結(jié)論：

通過理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，形成了一套“電化學(xué)除油+電磁復(fù)合脈沖脫水”組合工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了SAGD循環(huán)預(yù)熱液中原油回收處理合格，增產(chǎn)增效，降低SAGD循環(huán)預(yù)熱液處理成本。采用物理法的電化學(xué)處理工藝，無需添加過多復(fù)雜的藥劑體系，避免了大量污油產(chǎn)生，是一種簡單高效、運(yùn)行成本大幅度下降的處理工藝路線。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟磊，靖波，王秀軍，檀國榮，孟凡雪.電化學(xué)脫穩(wěn)技術(shù)處理油田含聚污水[J].化工環(huán)保，2016，36（03）：243-249.

[2]李慶，尹先清，翟磊，靖波.電化學(xué)處理海上油田含聚污水礦場[J].水處理技術(shù)，2016，42（05）：78-81.

項(xiàng)目名稱：

風(fēng)城超稠油SAGD循環(huán)液電化學(xué)油水分離技術(shù)研究