油田地面集輸系統沉積物組成分析及處理工藝優化

李慶云，隋欣，王寶輝，吳紅軍，李莉，苑丹丹，聶春紅，董晶

（東北石油大學化學化工學院，石油與天然氣化工省高校重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

隨著油田原油開采程度的不斷加深，原油的開采開發已經步入二次、三次采油階段，特別是三次采油技術的實施[1-2]，聚合物驅油為主的化學驅油[3]得到了廣泛的應用，在提高原油采收率的方法中，聚合物驅油占有重要的地位[4-5]。目前聚合物驅油技術在我國各油田的應用已大規模展開[6-8]。但聚合物驅油作業的綜合含水率為80%左右[9-10]，依靠改善聚合物驅油技術提高原油采收率，獲得原油穩產和高產的同時[11-14]，大量聚合物驅采油污水的處理難度也隨之增大。與常規采油污水相比，聚驅采油污水具有以下特點：①組成上除含有石油烴類、固體顆粒、無機鹽、細菌等常規物質外[15]，污水中還含有大量的難生物降解的高分子聚合物；②污水的黏度大，并隨其濃度的增加而增大[16]；③污水中的油滴分散度高，不利于聚并和浮升，加大了油水分離的難度；④污水中含有大量的乳化劑[17-19]。由于破乳困難，導致采出液的水質進一步劣化。隨著攜帶物含量的增加，采出液的水質呈現較復雜的狀態，增加了油田后續處理的難度。

聚合物驅油是指向注入水中添加一定量的聚丙烯酰胺，使其具有較高的殘余阻力系數以及黏彈效應。隨著油田的不斷開采，原油含水量逐漸增加，流動性好、阻力低、注入壓力低的低濃度聚合物已不能滿足實際生產。聚合物濃度越大，地層滲透率越小，聚合物吸附滯留量越大[20]。隨著聚合物用量的增加，采收率不斷增加，含水量逐漸減少[21]。因此，采用高濃度聚合物驅油，可以降低驅替相的流速，增大驅替相與石油的作用強度，提高油田采收率。

由于聚合物驅油采出液中聚合物的存在，使得采出液黏度增加，造成采出液油水乳化嚴重，油珠粒徑減小，含油量、懸浮物濃度、油層攜帶物含量增加。因而，容易發生堵塞現象，嚴重危害地面管線系統。采出液中的碳酸根和鈣、鎂等成垢離子易在管道內結垢，甚至發生垢下腐蝕。針對以上情況，本文通過儀器表征及化學分析的方法對高濃度聚合物驅油采出液及其攜帶物進行物性分析，為油田采出液處理工藝的優化提供有效數據及理論依據。

1 實驗部分

1.1 樣品來源與實驗儀器

（1）樣品來源 待測樣品為高濃度聚合物驅油 的油田地面集輸系統中的沉降節點（某轉油站1 號分離緩沖游離水脫除器）、提溫節點（某聯合站1號1.16MW 加熱爐）、凈化油緩沖罐節點（某聯合站1 號凈化油緩沖罐）的攜帶物。

（2）實驗儀器 Tensor27 型紅外光譜儀，德國Bruker；JSM-35CF 型掃描電鏡，日本電子；D/MAX-2200型X射線衍射儀，日本理學；原子吸收光譜儀，北京普析通用；722E 可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；DRZ 型馬弗爐，南京電爐廠。

1.2 實驗方法

對沉降節點、提溫節點、凈化油緩沖罐節點攜帶物進行紅外分析（FTIR）、掃描電鏡分析（SEM）和X 射線衍射（XRD）分析，采用酸化-煅燒-原子吸收法進行精細分析。取一定量的攜帶物，用450℃馬弗爐煅燒，除去攜帶物中的有機物，采用化學分析中的重量法得到有機物含量；將部分粉末狀的攜帶物采用FTIR 和XRD 進行沉積物表征分析確定其組分，采用SEM 對攜帶物形貌進行分析；再取一定量攜帶物酸溶、趕酸，待冷卻后濾出酸不溶物并稱重，此記為硅酸鹽；將濾液轉移至容量瓶中定容，并運用AAS、ICP 和UV/Vis 對金屬陽離子（K、Na、Ca、Mg、Fe、Ba)以及Si 離子含量進行測定，折算成相應的氧化物及鹽類含量。通過儀器表征和化學分析確定攜帶物的組分及含量，得出油田地面集輸系統沉積物的組成及形成規律。

2 實驗結果與討論

2.1 紅外光譜分析

將沉降節點、提溫節點、凈化油緩沖罐節點攜帶物進行紅外光譜分析，紅外譜圖及數據見圖1、表1。

圖1 不同節點的紅外譜圖

表1 各節點紅外譜圖定性分析

2.2 掃描電鏡分析

沉降節點攜帶物形貌如圖2(a)所示，攜帶物為塊狀A 或枝狀團聚體構成的大塊B。提溫節點攜帶物形貌如圖2(b)所示，攜帶物為枝狀團聚體構成的 大塊，如A、B 所示。凈化油緩沖罐節點攜帶物形貌如圖2(c)所示，垢樣為塊狀A 或枝狀團聚體構成的大塊B。

圖2 各節點攜帶物微觀形貌

2.3 XRD 分析

沉降節點攜帶物的XRD 分析圖如圖3(a)所示，攜帶物中含有大量的SiO2，少量的CaCO3，以及其他無定形物質。提溫節點攜帶物的XRD 分析圖如圖3(b)所示，攜帶物中含有大量的CaCO3，少量的SiO2，以及其他無定形物質。凈化油緩沖罐淤泥XRD 分析圖如圖3(c)所示，攜帶物的晶相主要為氧化鐵，有一定量的鈣長石和少量的其他物質。

2.4 化學分析

采用重量法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法和紫外可見分光光度法對各節點攜帶物的組成及含量進行分析測定，得到各成分含量如表2 所示。

圖3 不同節點處攜帶物的XRD 圖

表2 三個節點攜帶物成分對比數據

由表2 可知，沉降節點攜帶物中，含量最多的是硅酸鹽，達到了83.467%，有機物為9.689%，有機物包括聚合物和原油等成分，另外還含有少量的CaCO3、MgCO3、Fe2O3、K2O、Na2O；提溫節點攜帶物中，含量最多的是CaCO3達到了35.265%，其次是MgCO3達到了23.763%，Fe2O3達到了13.160%、硅酸鹽達到了10.997%、有機物達到了8.221%，其中有機物包括聚合物原油等成分，另外提溫節點處的攜帶物還含有少量的Na2O 和K2O；凈化油緩沖罐淤泥中水占19.312%，有機物為76.653%，有機物包括聚合物和原油等成分，另外還含有少量的Fe2O3，微量的硅酸鹽、CaCO3、K2O、Na2O。

通過紅外分析、掃描電鏡分析、XRD 分析和原子吸收等分析方式，對沉降節點、提溫節點、凈化油緩沖罐節點攜帶物進行全面分析得出：在形貌上，沉降節點和凈化油緩沖罐攜帶物形貌相似，均為塊狀或枝狀團聚體構成的大塊，但沉降節點攜帶物較規整。提溫節點攜帶物形貌為枝狀團聚體構成的大塊。在晶相上，沉降節點的攜帶物中含有大量的SiO2，少量的CaCO3。提溫節點處的攜帶物含有大量的CaCO3，少量的SiO2。凈化油緩沖罐淤泥主要為氧化鐵，有一定量的鈣長石。在組成上，沉降節點攜帶物中含量最多的是硅酸鹽（83.467%），提溫節點處攜帶物中含量最多的是CaCO3（35.265%），凈化油緩沖罐淤泥中含量最多的是有機物（76.653%）。

3 高濃度聚驅油田地面集輸系統處理工藝的分析與優化

油田高濃度聚合物驅油采出液中含有大量的無機鹽，這些物質在管線內部隨流程運移、相互作用、沉積結垢，并附著有大量的有機物和菌落，使系統的處理壓力增大，采出液水質劣化加重。此外，攜帶物顆粒會磨損管道內壁，使管道腐蝕嚴重。管道受到腐蝕后，其質量、厚度、力學性能、組織結構、電極過程都會發生變化，這些物理性質和力學性能的變化會降低管道的使用壽命。因此，高效的采出液處理工藝是減少管道卡堵現象和防止發生垢下腐蝕的重要途徑，也是提高采出液水質的有效途徑。

3.1 高濃度聚合物驅油的油田地面集輸系統處理工藝優化

通過對油田地面集輸系統沉積物組成的分析得出：游離水脫除器節點處攜帶物的主要成分是硅酸鹽（含量為83.467%）；加熱爐節點處攜帶物的主要成分是碳酸鈣（含量為35.265%）、碳酸鎂（含量為23.763%）；凈化油緩沖罐節點處攜帶物的主要成分是有機物（含量為76.653%，包括原油和聚丙烯酰胺等）、水（含量為19.3%）。為了降低各節點處主要攜帶物的含量，對高濃度聚合物驅油采出液處理工藝進行優化以延長處理工藝的使用周期。

圖4 所示的工藝流程圖為油田地面集輸系統改進后的工藝流程圖。圖中主要的工藝流程是來自油井的油田采出液經計量間處理后到達三相分離器，在三相分離器進口投加破乳劑將采出液中的氣、油、水三相進行分離。天然氣經除油器處理后用于自耗或外輸；原油經沉降罐A除去大量泥沙，再經脫水泵、脫水爐、電脫水器除去原油中的水，再將原油運至加熱器B 分解聚合物，到達凈化油緩沖罐計量后外輸；三相分離器分離出的水以及電脫水器放出的水運至 1000m3沉降罐中沉降，再加入4%NaOH 調節pH 值至弱堿性在沉降罐C 中除去易結垢離子Ca2+、Mg2+等離子，投入防垢劑、調節劑、破乳劑進行調節使水達到回注水的各項指標，再通過熱洗爐和摻水爐處理運回計量間，再重新回注到油井。采出液攜帶出的地層沙粒在游離水脫除器處沉降，造成該節點處攜帶物中含有大量硅酸鹽。硅酸鹽難以除去，只能通過后期的清洗工藝進行處理。經試驗測定游離水前硅酸鹽含量為83.467%，游離水后含量為24.164%，因此沉降可以除去大量的硅酸鹽。在脫水泵前安置沉降罐A以減少泥沙的含量。

溫度的升高，造成大量的碳酸鈣（含量為35.265%）、碳酸鎂（含量為23.763%）在加熱爐節點處結垢。同時，溫度升高腐蝕加劇，腐蝕產物鐵氧化物也會逐漸聚集沉降。在加熱爐前加入4%的NaOH 調節采油液pH 值至弱堿性，將成垢離子Ca2+、Mg2+及鐵離子在沉降罐C 中沉降，有效降低加熱爐內的成垢離子含量。同時，減少了因高溫導致的成垢量大和垢下腐蝕的影響。

圖4 油田地面集輸系統工藝改進流程圖

凈化油緩沖罐淤泥中水（含量為19.3%），有機物（含量為76.65%），有機物包括聚合物和原油等成分。在凈化油緩沖罐前安置加熱器B，升高溫度會使采出液中聚合物發生降解。經測定，當溫度升高到60℃時，黏度平均降低了54.09%。通過安置加熱器B 減少凈化油緩沖罐中聚合物的含量。

3.2 高濃度聚合物驅油采出液處理系統清洗工藝選擇

采出液處理系統需要進行清洗以保證其處理能力。設備和管道的清洗方法有很多，目前國內外油田主要采用化學清洗和物理清洗。化學清洗劑往往針對一種或一類物質，而物理清洗成本較低、作用效果好，得到了廣泛的應用。物理清洗包括復合式套管刮垢刀清洗、高壓水射流清洗、管道清洗器（PIG）清洗、氣動清洗等方式，這些處理方式通常應用于含油污水集輸管道的清洗。

針對該采油廠高濃度聚合物驅油采出液水質的現實狀況，結合室內分析研究結果，對該采油廠工藝設備和管線清洗方法的適用情況進行分析，結果如下。

（1）PIG 物理清洗技術和氣脈沖清洗技術的施工速度快，除垢率達到90%以上，能有效去除管線中的軟垢，解決“含油”、“懸浮固體含量”等指標的二次污染問題，有助于控制管線中細菌的繁殖速度。投加殺菌劑和除垢劑可以提高清洗效果。

（2）對于符合條件的干線、支干線采用PIG物理清洗具有很高的性價比。不規范管線（存在變徑、嚴重變形、機械障礙物等）則容易出現卡堵 現象。

（3）氣脈沖清洗技術可清除管線中的軟垢，對管網的適應性強，對管線破壞低，但廢液量較多。

（4）大排量沖洗技術可清除管線中的軟垢，廢液產生量少，對管網的適應性強，對管線破壞低，清洗成本低，不存在卡堵風險。

綜上分析可知：對于罐體，采用人工清淤；對于管線，采用PIG 物理清洗和氣動清洗（氣脈沖物理清洗和大排量物理清洗）相結合的技術，可以明顯改善采出液的水質。

3.3 清淤周期的確定

根據游離水器前后聚合物濃度及懸浮物含量的變化，結合現場產液量及流速（需現場提供）進行估算。對比數據見表3。

游離水器前后懸浮物含量降低了88.5%，說明一大部分攜帶物沉積在游離水器內。通過現場調研可知，游離水器通常為φ4m×20m 的桶型儲罐，其體積為251.2 m3。半年后，沉積物會達到儲罐體積的五分之一（不考慮沉積物在儲罐中的壓實過程），淤泥厚度達到半米，此時應對儲罐進行清淤處理，以免影響正常的生產。因此，合理的清淤周期為半年。

表3 游離水前和游離水后節點對比數據

4 結 論

（1）游離水脫除器節點處攜帶物的主要成分 是硅酸鹽。采出液攜帶出的地層沙粒在游離水脫除器處沉降，造成該節點處攜帶物中含有大量硅酸鹽。在脫水泵前安置沉降罐A以減少泥沙的含量。

（2）加熱爐節點處攜帶物的主要成分是碳酸鈣、碳酸鎂。加入4%的NaOH 調節采油液pH 值至弱堿性，使成垢離子在沉降罐C 中沉降，降低加熱爐內的成垢離子含量。

（3）凈化油緩沖罐節點處攜帶物的主要成分 是有機物（原油和聚丙烯酰胺等）。在凈化油緩沖罐前安置加熱器B，使采出液中聚合物發生降解。經測定，當溫度升高到60℃時，黏度平均降低了54.09%。通過安置加熱器B減少凈化油緩沖罐中聚合物的含量。

（4）對于管線，采用PIG 物理清洗和氣動清洗相結合的技術，可以明顯改善管線卡堵和水質問題。當淤泥厚度為半米左右時應該進行清淤，因此合理的清淤周期為半年。

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