恩曼CPRS技術在油田污水處理中的應用

2015-12-01 06:36:48吳澤美孫玉民王鵬舉劉萬斗梁璟中石油華北油田分公司第五采油廠河北辛集052360

長江大學學報(自科版) 2015年19期

吳澤美，孫玉民，王鵬舉，劉萬斗，梁璟（中石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360）

崔延杰，偉娜（中石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552）

張玉珍（中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北任丘 062552）

華北油田第五采油廠晉95站、深一聯合站、趙一聯合站3座污水站承擔4500m3／d的油田污水處理任務，采出污水礦化度高，未處理的污水腐蝕率最高達到0.4mm／a，對注水管網造成嚴重的腐蝕結垢。傳統的防腐防垢方法是在污水處理中加緩蝕阻垢劑、殺菌劑等，藥劑成本高，難以達到注水水質控制標準［1］。為此，筆者對恩曼CPRS技術在油田污水處理中的應用進行了研究，以便為油田開發提供參考。

1 恩曼CPRS技術原理

恩曼CPRS技術的核心是由銅、鋅、鎳等多種金屬組成的合金工具在與流體接觸時，導致流體的靜電動勢發生改變，進而改變了流體中各種粒子間的作用力，最終減少固相粒子的形成。流體中已經存在的各種固相粒子會處于穩定的懸浮狀態，隨流體運移，在管壁不易吸附沉積。研究表明，在銅鋅合金的作用下已經形成的碳酸鈣垢會由方解石向文石轉變，方解石外形規則容易沉積，而文石呈不規則針形結構［2］，不易在管壁沉積吸附，這樣會使已經形成的方解石型碳酸鈣垢逐步被疏松剝離［3］。

鐵腐蝕的電化學反應是鐵原子失去2個電子變成Fe2＋，恩曼CPRS技術的原理在于合金材料中的活潑金屬（鋅）提供電子到流體中，鋼鐵表面被電子覆蓋，使鐵原子變成Fe2＋的陽極反應不能發生，從而抑制鐵腐蝕［4］。

圖1 恩曼CPRS合金片

圖2 恩曼CPRS現場安裝圖

在油田污水處理中把恩曼合金工具設計成多孔形狀（見圖1），這樣可以增加合金與流體的作用面積。此外，該工具可通過法蘭連接在注水管道中（見圖2），且工作時不需要供電，安裝維護方便［5］。

2 污水水質特點及主要處理工藝

華北油田第五采油廠進入高含水開發期，污水處理量逐年攀升，對采出地層水要求做到全部處理并回注，這對油田注水工作提出了更高的要求。該采油廠3個主要污水處理站的水質數據如表1所示。

表1 污水水質數據表

從表1可以看出，該采油廠3個主要污水處理站存在不同程度的腐蝕結垢問題。根據現場調查統計，2013年僅晉95站所屬注水管網就發生腐蝕穿孔28次，深一聯合站、趙一聯合站腐蝕更為嚴重。室內數值模擬3個主要污水處理站的污水都有結垢趨勢。取現場垢樣分析，其主要成分為碳酸鈣垢［6］。表2列出了3個主要污水處理站的污水處理方式。從表2可以看出，3個主要污水處理站的污水經過過濾處理，機械雜質和污油含量都控制在水質指標以內［1］，但是腐蝕結垢仍然存在。頻繁的穿孔補漏及清垢作業不僅增加了生產成本，影響平穩注水，同時也存在安全隱患，因而注水系統的防腐防垢工作是油田注水開發的重要環節。

表2 主要污水處理工藝

3 現場應用情況

2014年3月，恩曼CPRS裝置首先在晉95站投運，晉95站日處理污水1500m3，對應注水井27口。恩曼CPRS裝置的作用距離為5km［7］，根據注水管網的長度，在注水系統的低壓區（注水泵前）、高壓區（注水泵后）不同節點安裝合金工具（見圖3）。低壓區安裝在過濾器后，高壓區安裝在配水間內。低、高壓區恩曼CPRS裝置的合金片性能相同，外殼承壓級別不同。如果注水井距低壓區恩曼CPRS裝置的距離超過5km，在配水間內該井管線上加裝恩曼CPRS裝置（見圖4），如果不超過5km則不加。

現場施工完畢，對注水系統各節點的腐蝕結垢情況進行連續監測，腐蝕率測試采用現場掛片方式，恩曼CPRS技術處理前掛片位置設在污水沉降罐，處理后掛片位置選取了不同距離的3口注水井，掛片時間為60d，結垢情況由加裝在管線上的短接觀察。表3是晉95站加裝恩曼CPRS系統后進行2輪監測的數據。從表3數據可以看出，處理前污水腐蝕率超標，經過恩曼CPRS裝置處理后，污水腐蝕結垢情況均有好轉。3口井緩蝕率都在75%以上，高于緩蝕劑緩蝕率標準［8］，處理后污水腐蝕率都在0.076mm／a以下，達到油田注入水水質標準。拆開管線上安裝的短接，內壁光滑無垢，鄰近短接原有管線內壁的老垢有疏松跡象，說明恩曼CPRS裝置不僅抑制了污水中新垢的生成，對已經形成的垢通過破壞其晶格鍵，將垢還原成離子狀態，起到了逐步清垢的作用，這個過程相對緩慢，不會造成垢的集中脫落而堵塞管線。同時，從表3還可以看出，采用恩曼CPRS裝置后，隨著距離的延長，緩蝕效果有所減弱。此外，2014年在深一聯合站、趙一聯合站也陸續應用了恩曼CPRS技術，同時停加緩蝕阻垢劑、殺菌劑，運行1年來效果良好。