聯(lián)合站采出液處理技術(shù)研究

滕新亮

大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠

脫水工藝是油氣集輸系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。電脫水器具有效率高、預(yù)處理空間大、對周圍環(huán)境影響小等多方面特點，被廣泛應(yīng)用于各油田脫水工藝系統(tǒng)[3]。隨著三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的推廣應(yīng)用，由于采出液的組成成分復(fù)雜，油水界面膜穩(wěn)定，表觀黏度增大，導(dǎo)電性增強，油珠之間聚集阻力增大，這些物化性質(zhì)的變化，造成采出液乳化嚴(yán)重，破乳脫水困難。大慶油田某聯(lián)合站采出液成分復(fù)雜，一般含有大量化學(xué)添加劑、泥砂雜質(zhì)和硫化亞鐵（FeS）等，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，其中大部分物質(zhì)可作為油水乳化劑，乳化情況嚴(yán)重，使用單一型破乳劑難以處理。另外FeS 導(dǎo)電性強，會導(dǎo)致電脫水器跨電，嚴(yán)重時損壞電脫水器。通過分析影響采出液處理的因素，室內(nèi)優(yōu)選破乳劑和FeS去除劑，調(diào)整處理系統(tǒng)運行參數(shù)，可應(yīng)用于聯(lián)合站進(jìn)行礦場試驗，確定電脫水器的最佳運行參數(shù)，為油田地面脫水工藝流程、設(shè)備的設(shè)計與改進(jìn)提供指導(dǎo)，以提高油田企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 影響因素

1.1 壓裂液

壓裂液成分一般由交聯(lián)劑、破膠劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑等組成[4]（表1），試劑的加入會使采出液的乳化增強。其中，采出液中的胍膠對油井作業(yè)的影響較為嚴(yán)重，胍膠的濃度越高，油水過渡層越厚，穩(wěn)定性越強。除了胍膠以外，采出液中的泥砂、黏土等礦物也會使得采出液乳化嚴(yán)重，從而導(dǎo)致單一破乳劑不易破乳。由于作業(yè)區(qū)常有多井壓裂，而壓裂液成分里含有高效助排劑、降黏劑等活性劑，這些表面活性劑分布在油水兩相界面上，降低了油水兩相界面張力，使乳狀液分散度高，穩(wěn)定性強。

表1 壓裂液主要成分Tab.1 Main components of fracturing fluid

1.2 破乳劑

破乳劑用量超過一定的閾值會導(dǎo)致原油脫水效果變差[5-6]，如果在不適宜溫度下使用過量破乳劑，會導(dǎo)致油水乳化，破乳劑會與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和石蠟等原油組分物質(zhì)結(jié)合，使油水兩相界面張力增大，截流后續(xù)原油中沉降的無機(jī)物形成穩(wěn)定性強的油水過渡層[7]。因此，破乳劑的活性要高于乳化劑才能迅速分散到油水界面上，替換或中和乳化劑，降低乳化水滴的界面張力，破壞油、水兩相界面膜，使水滴合并，在原油內(nèi)沉降，從而達(dá)到原油脫水的目的。目前，聯(lián)合站內(nèi)使用的破乳劑通常未進(jìn)行復(fù)配，隨著生產(chǎn)的連續(xù)運行，會有不適宜處理站場管線原油破乳的情況發(fā)生。

1.3 細(xì)菌

在注采管網(wǎng)中細(xì)菌種類繁多，硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌等均能對設(shè)備造成腐蝕[8-10]。其中，硫酸鹽還原菌腐蝕速度最快，腐蝕穿透速度大約為1.2～5.0 mm/a。硫酸鹽還原菌為厭氧型細(xì)菌，因此腐生菌和鐵細(xì)菌等好氧型細(xì)菌會為硫酸鹽還原菌創(chuàng)造繁殖條件，形成的缺氧區(qū)適合硫酸鹽還原菌的繁殖。這些微生物的代謝產(chǎn)物易引起材料的腐蝕，此外，大量的黏性分泌物中含有的酸性產(chǎn)物也會對基體造成腐蝕。

（1）硫酸鹽還原菌。硫酸鹽還原菌生長環(huán)境的pH 值范圍為5.5～9.0，在硫酸鹽環(huán)境下，代謝產(chǎn)物H2S 與金屬材料快速反應(yīng)產(chǎn)生FeS，對管道產(chǎn)生腐蝕性（圖1）。由于FeS粒徑小（0.04～20 μm），進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)后，隨著注采管網(wǎng)注入地層，F(xiàn)eS會堵在納米孔隙中，導(dǎo)致層間非均質(zhì)性增強，破壞儲層質(zhì)量。并且FeS易吸附在油水界面上，形成機(jī)械強度高的界面膜，而且FeS導(dǎo)電性強，隨著站場連續(xù)生產(chǎn)運行，在電脫水器脫水段油水界面愈積愈多，在過渡層形成黑水，阻礙油水自然沉降，嚴(yán)重時還可破壞電脫水器電場導(dǎo)致脫水器跨電。

圖1 掃描電鏡下金屬表面硫酸鹽還原菌形態(tài)Fig.1 Morphology of sulfate-reducing bacteria on metal surface under scanning electron microscope

（2）腐生菌。注采管網(wǎng)中具備大量腐生菌生長所需的物理條件和營養(yǎng)物質(zhì)。在注水井網(wǎng)中由于清水中含一定數(shù)量的溶解氧，而含油污水中含有機(jī)化合物，當(dāng)含氧清水和含有機(jī)化合物的污水混合后，會導(dǎo)致礦化度降低，溫度介于25～35 ℃之間，形成適宜腐生菌生長繁殖的條件。當(dāng)腐生菌繁殖達(dá)到一定數(shù)量時，便會產(chǎn)生氧濃差電池，對管道產(chǎn)生腐蝕性，它分泌的大量黏液會在管線設(shè)備上附著，造成生物垢堵塞注水井和過濾器，黏液中的酸性產(chǎn)物也會對管材及設(shè)備造成腐蝕。

（3）鐵細(xì)菌。鐵細(xì)菌可以利用氧氣分子與Fe2+發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe3+，利用反應(yīng)過程中釋放的能量將CO2同化，進(jìn)行生長化能的自養(yǎng)型細(xì)菌。Fe3+可以與系統(tǒng)中的OH-離子結(jié)合生成大量的Fe(OH)3附著在管壁上。水中溶解氧的存在會形成陰極區(qū)，該陰極區(qū)可與金屬表面的小陽極點構(gòu)成原電池，對管道局部產(chǎn)生腐蝕。同時金屬表面的氫氧化鐵覆蓋物為厭氧型的硫酸鹽還原菌創(chuàng)造有利的生長繁殖的條件，硫酸鹽還原菌可迅速繁殖，進(jìn)一步加速了管材的腐蝕。形成的生物膜，可為異養(yǎng)菌的生長創(chuàng)造生長繁殖的條件，影響管網(wǎng)的水質(zhì)。

2 破乳劑方案優(yōu)選

通過對來液管線和過渡層的組分進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)采出液存在大量的壓裂液、沙粒、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等物質(zhì)，造成原油乳化嚴(yán)重，油水分離困難，使用單一型破乳劑效果不佳；好氧型細(xì)菌為厭氧型細(xì)菌的繁殖提供適宜的條件，導(dǎo)致硫酸鹽還原菌的產(chǎn)物FeS增多，進(jìn)入過渡層后導(dǎo)電性增強；鐵細(xì)菌、腐生菌的繁殖產(chǎn)物影響管網(wǎng)水質(zhì)，造成管網(wǎng)腐蝕；黏土、絮狀物等雜質(zhì)混合的黑水層導(dǎo)致過渡層成分復(fù)雜。因此，需要篩選組合破乳劑，達(dá)到油水破乳、降低電導(dǎo)率和改善過渡層的目的。

2.1 破乳劑篩選

利用水浴箱模擬現(xiàn)場溫度，通過控制變量法篩選5種破乳劑，分別為ZR115、9#、17#、28#、ed21型破乳劑。取匯管油樣，靜止2 天，待油水分離后，取上層油樣加入燒杯，同時向燒杯中均勻、緩慢加入60 ℃污水，油水體積比為2.5∶1。乳化機(jī)以3 000 r/min的速度對油樣進(jìn)行攪拌，20 min后關(guān)閉乳化機(jī)，乳化過程結(jié)束。將乳化后的油樣分別倒入未加破乳劑、加入ZR115、9#、17#、28#、ed21型破乳劑的6 支25 mL 試管中，破乳劑濃度0.1‰（體積分?jǐn)?shù)，下同）。試管平行搖動60 次用以模擬現(xiàn)場管道集輸狀態(tài)。放入60 ℃的水浴箱中，每隔一段時間觀察各試管脫水量并做記錄（圖2），相同的時間內(nèi)ZR115和28#型破乳劑破乳效果最好。

圖2 不同時間下各破乳劑脫水效果Fig.2 Dehydration effects of each demulsifier at different times

2.2 破乳劑復(fù)配

將ZR115、28#型的破乳劑按照1∶1、1∶1.5、1.5∶1、1∶2、2∶1 的5 種比例分別進(jìn)行復(fù)配。試管中分別配置25 mL 破乳劑濃度為0.10‰（體積分?jǐn)?shù)）的乳化原油，平行搖動60次后放入60 ℃的恒溫水浴箱中，記錄下不同時刻的乳狀原油脫水量，不同時刻脫水量見圖3。

圖3 不同時間下各復(fù)配比例破乳劑脫水效果Fig.3 Dehydration effects of demulsifiers with different compounding ratios at different times

如圖4、5 所示，從左至右分別為ZR115 與28#型破乳劑復(fù)配比1∶1、1∶1.5、1.5∶1、1∶2、2∶1在破乳1 h后的反映情況，ZR115與28#型破乳劑復(fù)配比例1∶2 脫水效果最好，所需時間最短，但存在過渡層較厚的缺點，試管內(nèi)掛壁嚴(yán)重。復(fù)配比例1∶1 的破乳劑在10 min 時，脫水效果最為明顯，過渡層薄，且掛壁現(xiàn)象不明顯。綜合考慮，采用ZR115 與28#型破乳劑1∶1 復(fù)配為室內(nèi)最佳破乳劑復(fù)配比例。

圖4 1∶1、1∶1.5、1.5∶1復(fù)配比破乳1 h反映情況Fig.4 Reaction of demulsification at compounding ratios of 1∶1，1∶1.5，1.5∶1 for 1 h

圖5 1∶2、2∶1復(fù)配比破乳1 h反映情況Fig.5 Reaction of demulsification at compounding ratios of 1∶2 and 2∶1 for 1 h

2.3 確定最佳處理濃度及時間

選取含水率為40%的乳狀原油，分別配置濃度為0.06‰、0.07‰、0.08‰、0.09‰、0.10‰復(fù)配比為1∶1 的ZR115 和28#破乳劑，容量25 mL。考慮到電脫水器設(shè)計溫度為60 ℃，因此在60 ℃的水浴箱中加熱，觀察不同濃度的復(fù)配破乳劑隨時間變化的反應(yīng)效果（表2），分別從破乳時間、破乳效果、脫水質(zhì)量、過渡層厚度等方面，確定濃度為0.08‰的ZR115和28#型1∶1配比破乳劑破乳1 h為最佳破乳方案。

表2 不同濃度破乳劑的破乳效果Tab.2 Demulsification effect of demulsifier with different concentrations

3 FeS去除劑方案優(yōu)選

根據(jù)大慶油田各聯(lián)合站電脫水器工作原理，乳化原油進(jìn)入電脫水器后，水滴在電場的作用下聚集結(jié)合，油水界面上的FeS顆粒逐漸增多，使水滴的結(jié)合變得困難，逐漸在油水界面形成過渡層，過渡層破裂時釋放的FeS顆粒又會導(dǎo)致電脫水器出水發(fā)黑。由于過渡層的FeS顆粒具有導(dǎo)電性，會使電極介質(zhì)的導(dǎo)電性增強，脫水電流升高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電脫水器跨電。因此針對黑水層，需要篩選FeS去除劑，達(dá)到減薄過渡層，提高脫水效率，降低電導(dǎo)率，減少垮電事故發(fā)生的目的。

（1）硫化亞鐵去除劑篩選。取垮電時電脫水器過渡層下部黑水水樣，選取SO1001、SO1003、SC1001 型硫化物去除劑配方，配置濃度為0.6‰的水樣加入試管中。如圖6所示，從左至右分別為未加入藥劑、加入SO1001、SO1003、SC1001 型藥劑30 min 和60 min 后的反應(yīng)情況。從圖中可以看出，SC1001 型硫化物去除劑去除黑水雜質(zhì)最多，脫水量最高，處理黑水層效果最佳，選取SC1001 型硫化物作為處理過渡層黑水藥劑。

圖6 不同F(xiàn)eS去除劑在不同時間的反應(yīng)情況Fig.6 Reaction of different FeS removers at different times

（2）確定最佳處理濃度及時間。取樣電脫水器正常運行時過渡層下部黑水，分別配置濃度為0.06‰、0.07‰、0.08‰、0.09‰、0.10‰的SC1001硫化物去除劑，考慮到電脫水器設(shè)計溫度為60 ℃，因此在60 ℃的水浴箱中觀察處理效果。如圖7 所示，從左至右分別為濃度0.06‰、0.07‰、0.08‰、0.09‰、0.10‰的SC1001 硫化物去除劑與黑水層在10、30、60 min時的反映情況，從圖中可以看出，30 min 后各濃度的反應(yīng)效果無明顯變化，濃度為0.07‰的試管中懸浮雜質(zhì)、底部黑色沉淀最少，因此選取濃度為0.07‰的SC1001 硫化物去除劑作用時間30 min為最佳黑水層處理方案。

圖7 不同濃度SC1001硫化物去除劑在不同時間下的反應(yīng)情況Fig.7 Reaction of SC1001 sulfide remover with different concentrations at different times

4 結(jié)論

通過對大慶油田某聯(lián)合站生產(chǎn)過程中來液管線以及電脫水器內(nèi)的過渡層的樣品進(jìn)行模擬實驗，得到以下結(jié)論：

（1）篩選ZR115、9#、17#、28#、ed21 五種類型破乳劑，選取破乳效果最好的ZR115 和28#型破乳劑進(jìn)行復(fù)配，其中，復(fù)配比為1∶1 的ZR115 和28#型破乳劑脫水效果最為明顯，過渡層薄，且掛壁現(xiàn)象不明顯。

（2）篩選SO1001、SO1003、SC1001 三種類型硫化物去除劑，其中，SC1001 型硫化物去除劑去除黑水雜質(zhì)最多，脫水量最高，處理黑水層效果最佳。

（3）通過對復(fù)配比為1∶1 的ZR115 和28#型破乳劑和SC1001 型硫化物去除劑進(jìn)行控制變量法的模擬實驗，最終確定濃度為0.08‰的ZR115和28#進(jìn)行1 ∶1 配比破乳劑破乳1 h 為最佳破乳方案，濃度為0.07‰的SC1001 硫化物去除劑作用時間30 min為最佳黑水層處理方案。