三元復合驅采出液沉降處理室內實驗研究

余 男, 曹廣勝, 白玉杰, 李世寧， 單繼鵬

(1.東北石油大學 提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163318)

目前，大慶油田的水驅油已經進入了特高含水階段，三元復合驅油[1-2]技術越來越受到人們的關注，但是三元復合驅采出液體系中離子礦化度較高，懸浮顆粒半徑較大[3]，原油乳化嚴重，形成了O/W型乳狀液[4-5]，導致體系黏度較大，成分較復雜，使三元采出液這種復雜的污水體系，在進行油水分離時，很難靠常規(guī)沉降處理方法達到較好的分離效果，處理后的三元污水中油質量濃度和懸浮物質量濃度都嚴重超標[6-7]，無法達到油田回注水處理要求[8]。為此，本文通過室內沉降和過濾實驗，明確不同含劑濃度三元污水與聚驅污水混摻沉降的技術界限[9-10]，以及三元污水與聚驅污水混摻過濾，聚驅污水與水驅污水混摻過濾的技術界限，為提高薩北開發(fā)區(qū)三元復合驅采出污水的再利用提供技術支持[11-12]，對指導油田污水資源有效利用和實現(xiàn)油田可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 時間對采出液沉降效果的影響

將取自北Ⅲ-6三元污水站的三元采出液，在恒溫38 ℃條件下進行沉降實驗，沉降時間設置為0、8、10、12、14、16 h，在各沉降時間進行取樣，分別測油質量濃度2次，取平均值，測懸浮物質量濃度3次，取平均值，測黏度和pH各1次，通過在不同沉降時間下三元采出液水質測量結果對比，分析沉降時間對三元采出液沉降效果的影響，結果見圖1。

圖1 沉降時間對油質量濃度和懸浮物質量濃度及去除率的影響

Fig.1Effectofsettlingtimeonoilcontentandsuspendedmattercontent

1.1 沉降時間對三元采出液水質指標影響

根據(jù)實驗方案測試不同沉降時間下采出水體系中油質量濃度、懸浮物質量濃度的變化，見圖1(a)。

由圖1(a)可以看出，采出液體系中油質量濃度和懸浮物質量濃度均隨著沉降時間的增長而降低，沉降時間12 h以前，油質量濃度和懸浮物質量濃度下降速度較快，沉降時間超過12 h以后，油質量濃度和懸浮物質量濃度下降速度變緩；沉降時間為8 h時，三元采出液中油質量濃度為132.3 mg/L，懸浮物質量濃度為32.3 mg/L，其中油質量濃度未達到沉降處理指標要求(≤100 mg/L)，懸浮物質量濃度達到了沉降處理指標要求(≤50 mg/L)。

1.2 沉降時間對油質量濃度和懸浮物去除率的影響

根據(jù)上述實驗結果，計算不同沉降時間對三元采出液中油質量濃度和懸浮物的去除率，計算結果見圖1(b)。

由圖1可以看出，在沉降時間達到10 h時，油質量濃度和懸浮物質量濃度的沉降效果已經很明顯，其中油質量濃度達到83.56 mg/L，懸浮物質量濃度達到21.7 mg/L，油去除率為85.65%，懸浮物去除率為74.89%。10 h之后油質量濃度與懸浮物質量濃度依然下降，但沉降效果已不明顯，沉降時間為12 h時，油去除率為90.59%，懸浮物去除率為80.33%，12 h后油去除率和懸浮物去除率均趨于平穩(wěn)。

2 溫度對采出液沉降效果的影響

將取自北Ⅲ-6三元污水處理站的三元采出液置于恒溫箱中的簡易沉降裝置中，在30、35、40 ℃三種恒溫條件下進行自然沉降實驗，設計沉降時間分別為0、0.5、1、2、4、6、8、10、12、14、16 h，在各沉降時間進行取樣，分別測油質量濃度和懸浮物質量濃度，對比不同沉降溫度下各沉降時間所處理的三元采出液中油質量濃度和懸浮物質量濃度的變化，分析不同沉降溫度對三元采出液沉降效果的影響，結果見圖2。

2.1 溫度對三元采出液沉降后油質量濃度影響

圖2(a)為溫度對三元采出液油質量濃度的影響。由圖2(a)可以看出，在30、35、40 ℃下，隨著沉降溫度的升高，在不同沉降時間下，三元采出液中的油質量濃度均有所下降，除油效果均有所提高。這是由于三元采出液中的油主要由大大小小粒徑不同的油滴組成，均勻地分散在三元采出液中，三元采出液中堿、HPAM、表面活性劑等殘留藥劑的作用效果受溫度的影響較大，在溫度較高時會促進油滴分子間的聚結，且隨著沉降時間的增長，采出液中小油滴的聚結速度加快，使油質量濃度降低。因此，在三元采出液處理時應當提高污水處理的溫度。

圖2 溫度對三元采出液油質量濃度和懸浮物質量濃度的影響

Fig.2Effectoftemperatureonoilcontentandsuspendedmattercontentofternaryrecoveryfluid

2.2 不同沉降溫度對懸浮物去除效果的影響

不同沉降溫度下，三元采出液在不同沉降時間時的懸浮物質量濃度測量結果見圖2(b)。

由圖2(b)可以看出，在30、35、40 ℃下，三元采出液中的懸浮物初始質量濃度為47.32 mg/L，在沉降初期，三元采出液懸浮物質量濃度處于沉降處理標準50 mg/L以下，只是隨著沉降溫度的升高，在不同沉降時間下，三元采出液中的懸浮物質量濃度均有所下降，懸浮物的去除效果均有所提高，說明沉降溫度的提高更有助于三元采出液的沉降效果。

3 聚合物質量濃度對沉降效果的影響

選取聚合物質量濃度分別為300、400、500、600、700 mg/L的三元采出液。在實驗溫度為35 ℃(現(xiàn)場溫度)的條件下，測量其沉降時間分別為10、12、14、16、18 h時油質量濃度、懸浮物質量濃度的變化規(guī)律，結果見圖3。

圖3 不同聚合物質量濃度采出液在不同沉降時間條件下對三元采出液油質量濃度和懸浮物質量濃度的影響

Fig.3Effectsofdifferentconcentrationofproducedliquidonoilcontentandsuspendedmattercontentofternaryrecoveryfluidunderdifferentsettlingtimeconditions

3.1 油的去除效果

由圖3(a)可以看出，在相同沉降時間條件下，隨著聚合物質量濃度的增加，油質量濃度增加，說明聚合物質量濃度越高，三元采出液的沉降效果越差。但是當聚合物質量濃度大于700 mg/L時，靠單純的三元采出液沉降處理方法，已很難達到三元采出液水質處理標準，因此當三元采出液聚合物質量濃度較高時，可考慮與深度處理污水或聚驅污水混摻沉降的方式進行處理，以便使三元采出液經沉降處理后能達到處理標準。

3.2 懸浮物的去除效果

由圖3(b)可以看出，在相同沉降時間條件下，隨著三元采出液中聚合物質量濃度的增加，懸浮物質量濃度增加。說明聚合物質量濃度越高，三元采出液的沉降處理的難度越大。

4 表面活性劑對沉降效果的影響

配制聚合物質量濃度分別為300、400、500、600 mg/L的三元采出液。設定實驗溫度為35 ℃，在恒溫箱內沉降14 h，測量不同聚合物質量濃度、不同表面活性劑質量濃度三元采出液中的油質量濃度和懸浮物質量濃度。通過油質量濃度、懸浮物質量濃度以及油去除率和懸浮物去除率變化分析，總結不同含表面活性劑質量濃度三元采出液的沉降效果及其規(guī)律，見圖4。

由圖4(a)可以看出，隨著表面活性劑質量濃度的增加，相同聚合物質量濃度三元采出液的油質量濃度增加，且聚合物質量濃度越大增加的幅度越大，當表面活性劑質量濃度超過200 mg/L后，油質量濃度增加幅度減小或有下降趨勢，說明表面活性劑殘留量越多，沉降處理效果越差，由于成本原因，表面活性劑注入量有限(約為質量濃度0.3%)，而且表面活性劑在油層中的吸附量較大，所以在三元采出液中表面活性劑質量濃度相對較小，就薩北開發(fā)區(qū)而言，三元采出液中表面活性劑質量濃度基本不會超過300 mg/L，處于油質量濃度處理難度較大階段，所以說，表面活性劑質量濃度對三元采出液的處理效果有較大影響。

圖4 表面活性劑質量濃度對三元采出液油質量濃度和懸浮物質量濃度的影響

Fig.4Effectofsurfactantconcentrationonoilcontentandsuspendedmattercontentofternaryrecoveryfluid

由圖4(b)可以得出，表面活性劑質量濃度為200 mg/L時，聚合物質量濃度為500 mg/L的三元采出液在沉降14 h就已經達不到三元采出液的沉降指標要求；表面活性劑質量濃度為100 mg/L時，聚合物質量濃度為600 mg/L的三元采出液在沉降14 h就已經達不到三元采出液的沉降指標要求，說明在表面活性劑質量濃度和聚合物質量濃度都較高的情況下，三元采出液沉降處理時，一是增加沉降時間，增加污水處理成本；二是在盡量不增加處理成本情況下，通過與深度處理污水或聚驅污水混摻的方式進行沉降處理，以保證在沉降12 h以內達到沉降水質指標要求。

5 三元和聚驅采出液混摻沉降效果及技術界限研究

將三元采出液與聚驅采出液依次按照1∶5、1∶4、1∶3、1∶2和1∶1的質量比例摻混(簡稱混摻比)，在35 ℃條件下，在自行設計的簡易沉降裝置中沉降，設計沉降時間分別為0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 h，并在各沉降時間取樣，測油質量濃度2次，取平均值，結果見圖5。

圖5 不同混摻比對采出液油質量濃度的影響

Fig.5Influenceofoilcontentofextractionliquidunderdifferentmixingratio

由圖5可以看出，在混摻污水沉降過程中，混摻比為1∶5的三元、聚驅混摻污水的油質量濃度隨著沉降時間的增長而下降，且下降幅度比較明顯，在沉降6 h后，混摻污水的油質量濃度已達到90.69 mg/L(≤100 mg/L)。在油田污水實際處理中，將采出液沉降10 h、水中油質量濃度<100 mg/L作為沉降處理標準。當混摻比大于1∶3時，沉降時間在10 h以內，混摻沉降后污水中油質量濃度即可達到三元污水沉降指標要求；混摻污水沉降8 h時，混摻比為1∶4和1∶3的混摻污水的油質量濃度分別為83.23、78.82 mg/L，均達到三元污水沉降指標要求，但考慮實際生產中三元采出液的處理量及沉降處理效率，確定三元采出液與聚驅采出液混摻比為1∶3更具有現(xiàn)實意義。

將三元采出液與聚驅采出液按最優(yōu)混摻比1∶3進行混摻，并分別測定三元采出液、聚驅采出液和摻混污水中聚合物、表面活性劑、堿劑的質量分數(shù)以及污水的黏度，見表1。

表1 不同污水類型基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of different types of sewage

由表1可以看出，三元采出液中聚合物、表面活性劑及堿的質量濃度較高，黏度也較大；聚驅采出液與三元采出液相比，聚合物質量濃度和黏度均較低，且不含表面活性劑和堿；三元采出液與聚驅采出液按混摻比1∶3混摻后，混摻污水中聚合物、表面活性劑和堿的質量濃度以及黏度均介于三元采出液和聚驅采出液之間，由此分析混摻污水的沉降處理難度應該比三元采出液的低。

圖6為不同類型采出液油質量濃度的影響。由圖6可以看出，隨著沉降時間的增長，三元采出液、聚驅采出液及混摻污水的油質量濃度均呈下降趨勢。聚驅采出液中的油水分離速度最快，油質量濃度下降到98.59 mg/L時僅需沉降4 h；三元采出液中油質量濃度達到92.33 mg/L時，沉降時間為12 h；混摻污水油質量濃度達到86.3 mg/L時，沉降時間需8 h，說明在三元采出液中混摻聚驅采出液，有助于降低三元采出液中油水的分離難度，從混摻后混摻污水的水質特性分析，將三元采出液與聚驅采出液混摻，不但可以降低污水處理難度，而且更加有利于現(xiàn)有油田三元采出水處理工藝的穩(wěn)定運行。

圖6 不同類型采出液油質量濃度的影響

Fig.6Influenceofoilcontentofdifferenttypesofextractionliquid

圖7為不同類型采出液體系懸浮物質量濃度隨沉降時間的變化。由圖7可以看出，聚驅采出液在沉降時間0～4 h時，懸浮物質量濃度隨沉降時間急劇降低，之后隨著沉降時間的增長，懸浮物質量濃度基本維持穩(wěn)定；三元采出液中懸浮物質量濃度在沉降時間為12 h時達到沉降指標要求(<50 mg/L)，在沉降時間為12 h之前，懸浮物質量濃度隨著沉降時間的增長而下降，且下降幅度波動較大，12 h之后下降幅度較平緩；而混摻污水的懸浮物質量濃度在沉降時間為4 h之前就達到了沉降指標要求(<50 mg/L)，之后隨著沉降時間的增長而基本保持穩(wěn)定，說明聚驅采出液摻入到三元采出液中后使混摻污水的懸浮物更易于沉降；從整體趨勢看，混摻污水懸浮物質量濃度在沉降較短的時間內就能達到沉降指標要求，所以，混摻污水沉降界限應以油質量濃度所能達到的混摻界限為主，因此，以混摻污水沉降時油質量濃度所能達到的混摻沉降效果為基準，最終確定三元采出液與聚驅采出液的最佳混摻比例為1∶3，最佳混摻沉降時間界限為8 h。

圖7 不同類型采出液體系懸浮物質量濃度隨沉降時間的變化

Fig.7Variationofsuspendedsolidscontentindifferenttypesofliquidextractionsystemwithsettlingtime

6 結論

(1) 沉降時間對三元采出液中的油質量濃度和懸浮物質量濃度影響較大，在保證沉降后三元采出液中油質量濃度和懸浮物質量濃度達到沉降處理標準條件下，即油質量濃度不大于100 mg/L，懸浮物質量濃度不大于50 mg/L，確定最佳沉降時間為10 h。為了使三元采出液處理后的油質量濃度達到處理指標要求，建議薩北開發(fā)區(qū)在對三元采出液進行沉降時，應保持沉降溫度在35 ℃以上。

(2) 從油田生產實際角度，為了控制生產成本及有效的達到生產績效和污水回注要求，實際工作水溫只要滿足油去除效果即可，即處理溫度基本控制在35～40 ℃。表面活性劑含量對三元采出液的處理效果有較大影響，隨著表面活性劑質量濃度的增加，相同聚合物質量濃度三元采出液的油質量濃度增加，且聚合物質量濃度越大增加的幅度越大。

(3) 三元采出液中混摻聚驅采出液有助于降低三元采出液中油水的分離難度，從混摻后混摻污水的水質特性分析，將三元采出液與聚驅采出液混摻，不但可以降低污水處理難度，而且更加有利于現(xiàn)有油田三元采出水處理工藝的穩(wěn)定運行。且三元采出液與聚驅采出液的最佳混摻比例為1∶3，最佳混摻沉降時間界限為8 h。

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