稀釋聚合物用含聚采出水曝氧處理工藝優化現場試驗

孫秀秀

大慶油田設計院有限公司

聚合物驅技術一般采用含油污水稀釋聚合物母液，形成聚合物溶液驅替石油[1]。對稀釋用含油污水進行曝氧處理，可提高稀釋用含油污水水質、降低聚合物溶液黏度損失[2-3]、減少聚合物干粉用量，提高油田開發效益；配制聚合物溶液所需淡水資源日益緊張，為使油田采出污水得到循環利用，處理后的采出污水代替清水稀釋聚合物母液驅油受到各油田的普遍重視[4-5]。

針對曝氧工藝曝氧效率低的問題，在現有空壓機+靜態混合器曝氧工藝基礎上形成了空壓機+曝氧罐（內設曝氣頭）曝氣頭曝氧工藝，有效降低含聚采出水中的還原性物質含量，提高含聚采出水稀釋聚合物母液黏度。通過空壓機+靜態混合器、射流器、空壓機+曝氧罐（內設曝氣頭）三種曝氧工藝對比試驗，優選出最佳曝氧工藝及最佳曝氧技術參數。

1 曝氧試驗工藝

1.1 曝氧原理

含聚采出水中含有大量的二價鐵、硫化物、細菌等物質，這些物質將影響稀釋后的聚合物溶液黏度，其中影響最大的是二價鐵、硫化物等還原性物質[6-8]，因為這些還原性物質一旦接觸到聚合物母液中的氧會產生游離基，對聚合物分子鏈產生攻擊導致聚合物分子鏈被破壞[9]，使稀釋后的聚合物溶液黏度降低。

含聚采出水進行曝氧處理后可提高含聚采出水中溶解氧含量，溶解氧與含聚采出水中的二價鐵、硫化物等還原性物質接觸后發生化學反應，降低含聚采出水中還原性物質[10-11]，從而提高稀釋后聚合物溶液黏度。

1.2 曝氧流程

曝氧處理工藝現場試驗在大慶油田采油二廠進行，處理量為1 m3/h，對空壓機+靜態混合器曝氧工藝（以下簡稱為空壓機曝氧工藝）、射流器曝氧工藝、空壓機+曝氧罐（內設曝氣頭）曝氣頭曝氧工藝（以下簡稱為曝氣頭曝氧工藝）進行對比試驗，優選出最佳的曝氧工藝（圖1）及最佳曝氧技術參數。

圖1 曝氧處理工藝優化現場試驗流程Fig.1 Field test flow of aeration treatment process optimization

曝氣頭曝氧工藝是在空壓機曝氧工藝基礎上改進的工藝，在曝氧罐底部安裝曝氣頭，壓縮后的空氣通過曝氣頭直接在曝氧罐中進行曝氧，曝氧后的含聚采出水進入外輸水箱，用于稀釋聚合物母液；試驗前期選取了四種曝氣頭，分別為陶瓷剛玉曝氣頭、膜片式曝氣頭、球罐型曝氣頭、旋混式曝氣頭，通過現場試驗，確定最佳曝氣頭。在氣水比1∶1、曝氧時間4 h 的曝氧條件下，進行三種曝氧工藝的對比試驗，確定最佳曝氧工藝。最佳曝氧工藝在同一曝氧條件下進行不同氣水比、不同曝氧時間的對比試驗，確定最佳曝氧技術參數。

2 現場試驗結果及分析

2.1 確定最佳曝氣頭

在曝氣頭曝氧工藝氣水比1∶1、曝氧時間4 h 的條件下，對表1 中的四種曝氣頭進行曝氧效果對比試驗，考察四種曝氣頭曝氧對含聚采出水水質及稀釋聚合物母液黏度的影響，結果見表2 和表3。

表1 四種曝氣頭主要參數Tab.1 Main parameters of four types of aerator heads

表3 四種曝氣頭曝氧前后含聚采出水稀釋聚合物母液黏度Tab.3 Viscosity of polymer-containing produced water diluted polymer mother liquor before and after aeration with four types of aerator heads

從表2 可知，利用四種曝氣頭曝氧后的含聚采出水水質變化趨勢相同，含聚采出水中溶解氧含量提高、二價鐵含量下降、硫化物含量下降；陶瓷剛玉曝氣頭曝氧后溶解氧質量濃度（以下簡稱濃度）提高了4.62 mg/L，膜片式曝氣頭曝氧后溶解氧濃度提高了3.57 mg/L，球罐型曝氣頭曝氧后溶解氧濃度提高了1.80 mg/L，旋混式曝氣頭曝氧后溶解氧濃度提高了1.26 mg/L；陶瓷剛玉曝氣頭曝氧后二價鐵濃度降低了1.78 mg/L，膜片式曝氣頭曝氧后二價鐵濃度降低了1.56 mg/L，球罐型曝氣頭曝氧后二價鐵濃度降低了0.82 mg/L，旋混式曝氣頭曝氧后二價鐵濃度降低了0.85 mg/L；陶瓷剛玉曝氣頭曝氧后硫化物濃度降低了3.56 mg/L，膜片式曝氣頭曝氧后硫化物濃度降低了3.42 mg/L，球罐型曝氣頭曝氧后硫化物濃度降低了2.71 mg/L，旋混式曝氣頭曝氧后硫化物濃度降低了2.15 mg/L。

從表3 可知，利用四種曝氣頭曝氧后的含聚采出水稀釋聚合物母液使黏度提高15.4～24.9 mPa·s，其中陶瓷剛玉曝氣頭曝氧后的含聚采出水稀釋聚合物母液初始黏度提高了24.9 mPa·s。

四種曝氣頭對比，陶瓷剛玉曝氣頭曝氧效果最佳，水質處理效果最好，稀釋后聚合物溶液黏度提高最大。由表1 可知，陶瓷剛玉曝氣頭微孔孔徑為80～100 μm，與其他曝氣頭相比，傳質效果更好，可將空氣氣泡切割成更加細小的微氣泡，從而提高氧的利用率。

2.2 確定最佳曝氧工藝

在氣水比1∶1、曝氧時間4 h 的條件下，對三種曝氧工藝進行曝氧效果對比試驗，考察三種曝氧工藝對含聚采出水水質及稀釋聚合物母液黏度的影響，結果見表4 和表5 所示。

表4 三種曝氧工藝曝氧前后含聚采出水水質Tab.4 Water quality of produced water containing polymer before and after aeration by three aeration processes mg/L

表5 三種曝氧工藝曝氧前后含聚采出水稀釋聚合物母液黏度Tab.5 Viscosity of polymer-containing produced water diluted polymer mother liquor before and after aeration by three aeration processes

從表4 可知，三種曝氧工藝曝氧后的含聚采出水中溶解氧含量不同程度的升高，水質得到提升；空壓機曝氧工藝曝氧后的溶解氧濃度提高了3.16 mg/L，射流器曝氧工藝曝氧后溶解氧濃度提高了0.69 mg/L，陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝曝氧后的溶解氧濃度提高了4.62 mg/L；空壓機曝氧工藝曝氧后二價鐵濃度降低了0.71 mg/L，射流器曝氧工藝曝氧后二價鐵濃度降低了0.70 mg/L，陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝曝氧后二價鐵濃度降低了1.78 mg/L；空壓機曝氧工藝曝氧后硫化物濃度降低了2.77 mg/L，射流器曝氧工藝曝氧后硫化物濃度降低了2.46 mg/L，陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝曝氧后硫化物濃度降低了3.56 mg/L。

從表5 可知，三種曝氧工藝曝氧后的含聚采出水稀釋聚合物母液后黏度提高18.9～24.9 mPa·s，其中陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝曝氧后的含聚采出水稀釋聚合物母液初始黏度提高了24.9 mPa·s，較空壓機曝氧工藝高10.7%，較射流器曝氧工藝高31.7%。

通過比較三種曝氧工藝，陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝比現有曝氧工藝曝氧效果好，陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝曝氧效率最高，較空壓機曝氧工藝高46.2%，較射流器曝氧工藝提高117%。陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝中壓縮空氣通過曝氣頭直接在曝氧罐中進行曝氧，可使空氣微氣泡更加均勻地分布在含聚采出水中，增加了空氣微氣泡與含聚采出水的接觸面積，使曝氧更加充分，有效降低含聚采出水中的還原性物質含量，利用處理后的含聚采出水稀釋聚合物母液可提高聚合物母液初始黏度。

2.3 確定最佳曝氧技術參數

利用陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝進行氣水比、曝氧時間對比試驗，考察不同氣水比、不同曝氧時間對含聚采出水水質及稀釋聚合物母液黏度的影響，如表6～表9 所示。

從表6 和表7 可知，隨氣水比的增加，含聚采出水中溶解氧含量逐漸增大，稀釋聚合物母液黏度呈現先增大后減小的趨勢，且在氣水比為0.6 ∶1～1.5∶1 時，含聚采出水中溶解氧濃度提高了1.83～4.96 mg/L，二價鐵濃度降低了1.12～1.78 mg/L，硫化物濃度降低了3.37～3.79 mg/L，稀釋聚合物母液黏度提高了14.2～24.9 mPa·s。

表7 不同氣水比曝氧前后含聚采出水稀釋聚合物母液黏度Tab.7 Viscosity of polymer-containing produced water diluted polymer mother liquor before and after aeration with different air water ratios

從表8 和表9 可知，隨著曝氧時間的延長，含聚采出水中溶解氧含量逐漸增大，稀釋聚合物母液黏度呈現先增大后減小的趨勢，且在曝氧時間為3～6 h 時，含聚采出水中溶解氧濃度提高了3.92～5.77 mg/L，二價鐵濃度降低了1.31～1.87 mg/L，硫化物濃度降低了3.14～4.00 mg/L，稀釋聚合物母液黏度提高了19.8～24.9 mPa·s。

表9 不同曝氧時間曝氧前后含聚采出水稀釋聚合物母液黏度Tab.9 Viscosity of polymer-containing produced water diluted polymer mother liquor before and after aeration at different aeration time

通過不同氣水比、不同曝氧時間對比試驗，確定最佳曝氧技術參數為：氣水比0.6∶1～1.5∶1、曝氧時間3～6 h。曝氧量較小時，含聚采出水曝氧不充分，還原性物質去除效果較差，殘余的還原性物質會與聚合物母液中的氧結合產生游離基，游離基會對聚合物分子鏈產生攻擊，導致分子鏈斷裂造成稀釋聚合物母液黏度降低；曝氧量較大時，含聚采出水中會有部分氧剩余，聚合物分子鏈會受到氧分子的作用而發生斷裂，導致稀釋聚合物母液黏度降低。

3 結論

通過對空壓機曝氧工藝、射流器曝氧工藝、曝氣頭曝氧工藝進行現場試驗以及對處理效果進行對比得出以下結論：

（1）三種曝氧工藝對比試驗表明陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝比現有曝氧工藝曝氧效果更佳，溶解氧含量較空壓機曝氧工藝高46.2%、較射流器曝氧工藝高117%，稀釋聚合物母液黏度較空壓機曝氧工藝高10.7%、較射流器曝氧工藝高31.7%。

（2）四種曝氣頭對比試驗表明陶瓷剛玉曝氣頭曝氧效果最佳，陶瓷剛玉曝氣頭可將空氣氣泡切割成微氣泡，傳質效果更好，能提高氧的利用率。

（3）陶瓷剛玉曝氣頭曝氧工藝的最佳技術參數為氣水比0.6∶1～1.5∶1、曝氧時間為3～6 h。該曝氧技術參數可有效降低含聚采出水中還原性物質，提高稀釋聚合物母液黏度。