電子束輻照技術對油田含聚采出水物性影響探索性實驗

馬榮 紀建強 孫曉紅 付馨 王建光

1大慶油田有限責任公司第五采油廠

2中國石油物資有限公司新疆分公司

聚合物驅油是油田三次采油應用最廣泛的技術。聚合物驅油是在注入水中加入高分子聚丙烯酰胺驅油劑，通過增加水相黏度和降低水相滲透率來改善流度比、提高波及系數，從而提高原油采收率[1]。聚合物驅油雖提高了原油采出率，但同時也造成采出污水物性發生了較大變化。聚驅采出污水不僅含有大量的油和懸浮物等污染物，而且含有大量水解聚丙烯酰胺，使聚驅采出水處理工藝效率下降，油水分離難度加大，處理后水質難以達到回注水質指標要求。

1 含聚污水物性特點

隨著油田注聚范圍和規模的不斷擴大，聚驅采出污水的特性發生了改變，具體表現為污水中聚合物濃度增加、污水黏度增大[2]，COD 濃度增高，表面張力及Zeta 電位絕對值上升，油水界面膜強度增高，造成污水中膠體顆粒的穩定性增強，污水體系中油滴和固體懸浮物乳化穩定性增強，使含聚污水處理體系沉降性能和過濾效果變差[3]，影響回注污水水質達標率。對某采油廠2 座含聚站污水進行了檢測，具體物性數據如表1 所示。

表1 含聚污水物性檢測數據Tab.1 Physical property test data of polymer-containing sewage

2 電子束輻照技術原理

電子束輻照技術是指通過電子加速器產生的電子束對污染物進行處理（圖1），是一種獨特的高級氧化-還原技術，其作用原理包括高能電子束直接輻射作用和電子束激發水分子產生·OH、eaq-、·H 等活性粒子的氧化-還原作用[4]。電子束輻照激發水分子產生的·OH 自由基和高能射線能夠破壞含聚污水中聚丙烯酰胺的空間穩定結構，·OH 自由基氧化降解部分聚丙烯酰胺分子，從而降低含聚污水黏度。

圖1 電子束輻照技術室內實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory experiment of electronbeam irradiation technology

3 電子束輻照技術實驗

在電子束輻照技術對含聚污水中細菌的殺滅、降低污水的黏度及降解聚丙烯酰胺[5]作用效果研究的基礎上，為了進一步考察電子束輻照技術對含聚污水其他物性的作用效果，選取了大慶油田2 座含聚污水站（1#、2#）的來水水樣開展實驗，研究經電子束輻照技術處理后含聚污水的pH 值、含油量、COD 濃度、TOC 濃度、S2-濃度、Zeta 電位、粒徑、污水濁度等物性的變化。

實驗方法是將2 種油田含聚污水直接用傳送帶輸送到電子束輻照室進行輻照，通過調節束流強度和傳輸速度得到需要的輻照吸收劑量，檢測輻照后含聚污水的pH 值、含油量、COD 濃度、TOC 濃度、S2-濃度、Zeta 電位、污水粒徑、污水濁度、黏度、細菌。本研究采用的輻照吸收劑量為1.0 kGy～10.0 kGy。

3.1 對含聚污水pH 值的影響

將電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，對2 座含聚污水站（1#、2#）來水水樣進行電子束輻照，檢測輻照前后水樣pH 值變化情況，具體數據見表2。

表2 含聚污水pH 值檢測數據Tab.2 PH value test data of polymer-containing sewage

實驗結果表明：輻照前2 種含聚污水來水pH值在7.92～8.33 范圍，均呈弱堿性，1#站含聚污水pH 值略高于2#站。隨著輻照吸收劑量的增加，含聚污水pH 值有小幅降低，輻照吸收劑量在10 kGy以內，電離輻照對含聚污水pH 值無明顯影響。

3.2 對含聚污水含油量影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣含油量的變化情況，具體數據見表3。

表3 含聚污水含油量檢測數據Tab.3 Oil content test data of polymer-containing sewage

由表3 可以看出，電子束輻照對含聚污水的含油量有一定的去除作用。隨著輻照吸收劑量的增加，含聚污水含油量逐漸降低，去除率逐漸增加。輻照吸收劑量為1 kGy 時，含油量去除率為6.1%～23%；輻照吸收劑量為5 kGy 時，含油量去除率為15%～32%；輻照吸收劑量為10 kGy 時，含油量去除率可提高到29%～46%。

3.3 對含聚污水COD 濃度、TOC 濃度影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣COD 濃度和TOC 濃度的變化情況，具體數據見表4、表5。

表4 含聚污水COD 濃度檢測數據Tab.4 COD concentration test data of polymer-containing sewage

表5 含聚污水TOC 濃度檢測數據Tab.5 TOC concentration test data of polymer-containing sewage

從表4 可以看出：電子束輻照對含聚污水COD的去除效率較低，COD 濃度隨輻照吸收劑量的增加緩慢降低。1#站、2#站污水COD 平均去除率分別為2.9%；輻照吸收劑量增加到5 kGy 后，1#站、2#站污水COD 平均去除率提高到4.3%；輻照吸收劑量增加到10 kGy，1#站、2#站污水COD 平均去除率增加到7.0%。

從表5 可以看出：電子束輻照對含聚污水TOC的去除效率較低，TOC 濃度隨輻照吸收劑量的增加下降幅度較小。在輻照吸收劑量為1 kGy 時，1#站、2#站污水TOC 平均去除率為6.34%；輻照吸收劑量增加到5 kGy 后，1#站、2#站污水TOC 平均去除率提高到6.85%；輻照吸收劑量增加到10 kGy，1#站、2#站污水TOC 平均去除率增加到11.4%?？梢婋娮邮椪諏畚鬯瓹OD、TOC 去除率較低的主要原因是電子束輻照可將含聚污水中大分子聚丙烯酰胺和石油等物質氧化降解[6]為低聚物、斷鏈脂肪烴等小分子物質，完全將這些物質進一步礦化為二氧化碳和水則需要更高的能量[7]。

3.4 電子束輻照對含聚污水S2-濃度影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣S2-濃度變化情況，具體數據見表6。

表6 含聚污水S2-濃度檢測數據Tab.6 S2- concentration test data of polymer-containing sewage

實驗結果表明：隨著輻照吸收劑量的增加，含聚污水中S2-濃度逐漸降低。當輻照吸收劑量增加到10 kGy 時，1#站污水S2-平均去除率達到96.6%，2#站污水S2-平均去除率達到88.8%。電子束輻照對含聚污水中S2-去除率較高的主要原因是水分子受到電子束輻射后，產生氧化性活性粒子羥基自由基·OH 和過氧化氫以及還原性水合電子eaq-和氫自由基·H，含聚污水中存在溶解氧，水合電子和氫自由基經溶解氧反應生成氧化性超氧自由基O2·-和過氧羥基自由基HO2·，在羥基自由基、超氧自由基、過氧羥基自由基、過氧化氫以及電子束直接輻照的共同作用下，含聚污水中的S2-被高效氧化[8]，實現從含聚污水中去除S2-，從而減少污水的腐蝕性和臭味[9]。

3.5 對含聚污水中Zeta 電位影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣Zeta 電位變化情況，具體數據見表7。

表7 含聚污水Zeta 電位檢測數據Tab.7 Zeta potential test data of polymer-containing sewage

實驗結果表明：輻照前，1#站污水的Zeta 電位絕對值高于2#站污水Zeta 電位絕對值。隨著輻照吸收劑量的增加，1#站污水的Zeta 絕對值呈明顯的下降趨勢，2#站污水的Zeta 電位絕對值變化不大。

由此可見，電子束輻照可以降低含聚污水Zeta電位絕對值，可以破壞含聚污水體系的穩定性，使其穩定性降低，繼而降低含聚污水中油水分離難度[10]。

3.6 對含聚污水粒徑影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，采用激光粒度儀檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣中固體顆粒粒徑分布變化情況，具體數據見表8、圖2。

圖2 1#站含聚污水固體顆粒粒徑分布Fig2 Particle size distribution of solid particles in polymer-containing sewage at No.1 Station

表8 含聚污水固體顆粒粒徑分布數據Tab.8 Solid particle size distribution data of polymer-containing sewage

實驗結果表明：隨著輻照吸收劑量的增加，1#和2#站污水中固體顆粒粒徑中值呈下降趨勢，顆粒粒徑在10～100 μm 占比有所降低，粒徑在5 μm 顆粒占比升高。說明電子束輻照對含聚污水中懸浮固體顆粒有一定的破碎作用，可減小顆粒粒徑。

3.7 對含聚污水濁度影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣濁度變化情況，具體數據見表9。

表9 含聚污水濁度檢測數據Tab.9 Turbidity test data of polymer-containing sewage

實驗結果表明：隨著輻照吸收劑量的增加，含聚污水濁度逐漸減小，污水的乳化程度逐漸降低，污水的透明度提高了。

3.8 對含聚污水懸浮固體含量影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣懸浮固體含量變化情況，具體數據見表10。

表10 含聚污水懸浮固體檢測數據Tab.10 Suspended solids test data of polymer-containing sewage

實驗結果表明：隨著輻照吸收劑量的增加，含聚污水懸浮固體含量無明顯變化。

3.9 對含聚污水黏度影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣黏度變化情況，具體數據見表11。

表11 含聚污水黏度檢測數據Tab.11 Viscosity test data of polymer-containing sewage

由表11 可知：隨著輻照吸收劑量的增加，含聚污水黏度下降明顯。輻照吸收劑量為1.0 kGy時，污水黏度即可降為1.1～1.55 mPa·s，輻照吸收劑量增加到5.0 kGy 及以上時，污水黏度接近相同溫度下水的黏度。

3.10 對含聚污水細菌影響

電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、5.0、10.0 kGy，檢測2 種含聚污水（1#、2#）輻照前后水樣細菌變化情況，具體數據如表12 所示。

表12 含聚污水細菌檢測數據Tab.12 Bacterial test data of polymer-containing sewage

由實驗結果可知，電子束輻照對含聚污水的殺菌效果十分明顯。當輻照吸收劑量為1.0 kGy 時，含聚污水中的硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌去除率均達到99%以上；當輻照吸收劑量增加到5.0 kGy 以上，3 種細菌數量均降為0，均未檢出。

4 結論

（1）電子束輻照技術可提高含聚采出水中含油去除率。輻照吸收劑量1 kGy 時，含聚污水含油量去除率為6.1%～23%；輻照吸收劑量為5 kGy 時，含油量去除率為15%～32%；輻照吸收劑量為10 kGy 時，含油量去除率可提高到29%～46%。

（2）電子束輻照技術對含聚采出水中有機物去除率較低。輻照吸收劑量為1 kGy 時，含聚污水中COD 和TOC 的平均去除率分別為2.9%和6.34%；輻照吸收劑量為5 kGy 時，含聚污水中COD、TOC 和平均去除率分別為4.3%和6.85%；輻照吸收劑量為10 kGy 時，含聚污水中COD、TOC 的平均去除率分別為7.0%和11.4%。

（3）電子束輻照技術可以高效滅活含聚采出水中硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌，高效氧化含聚采出水中的S2-，減小懸浮固體顆粒粒徑，有效降低含聚采出水黏度、Zeta 電位絕對值和濁度。