基于實驗優(yōu)化設(shè)計的油田采出水穩(wěn)定技術(shù)研究

摘" " 要：某油田聯(lián)合站的過濾器頻繁發(fā)生結(jié)垢物堵塞，影響了采出水穩(wěn)定工藝的正常運行。為解決這一問題，在進行多節(jié)點水質(zhì)分析和腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物分析的基礎(chǔ)上，篩選了合適的除鈣劑，對除鈣、除鐵所需的各類藥劑進行了單因素影響實驗，并對加藥順序進行了調(diào)整，基于極端頂點設(shè)計完成了多種響應指標值下的混料實驗設(shè)計，并進行了現(xiàn)場效果驗證。結(jié)果表明，鈣、鐵離子引發(fā)碳酸鈣和鐵的氧化物是導致水質(zhì)不達標的主要原因；在Na2CO3→NaOH→H2O2→PAC→PAM的加藥順序下，對鈣、鐵離子的復合處理效果最佳；當Na2CO3、NaOH、H2O2、PAC的配比分別為0.485 2、0.213 6、0.203 4、0.097 8，游離Ca2+質(zhì)量濃度、總鐵質(zhì)量濃度和透光率等指標可達到最優(yōu)，綜合指標的復合合意性為0.73，采出水中油和懸浮物含量滿足標準要求。

關(guān)鍵詞：混料實驗；采出水；穩(wěn)定；絮凝沉降；除鈣；除鐵

Oilfield produced water stabilization technology based on experimental

optimization design

ZHU Liaoyu LIU Qingjiang GAO Na HE Zilong LIANG Changjing

1. No. 4 Oil Production Company of Huabei Oilfield Company， CNPC， Langfang 065000， China

2. Jitai Exploration and Development Branch， Huabei Oilfield， CNPC， Bayannur 015000， China

3. No. 2 Oil Production Company of Huabei Oilfield Company， CNPC， Bazhou 065700， China

Abstract：Frequent fouling of filters in an oilfield united station has negatively affected the normal operation of the produced water stabilization process. To solve this problem， based on multi-node water quality analysis and corrosion product analysis， suitable calcium removers were screened， single-factor experiments were carried out on various agents for calcium and iron removal， and the dosing sequence was adjusted. Mixing experiment design under multiple response index values， and field verification were completed based on extreme vertex design. The results show that calcium carbonate and iron oxides induced by iron ions and calcium are the main causes of substandard water quality. Under the dosing sequence of Na2CO3→NaOH→H2O2→PAC→PAM， the combined treatment effect of iron ions and calcium is the best. When the ratio of Na2CO3， NaOH， H2O2， and PAC is 0.485 2， 0.213 6， 0.203 4， and 0.097 8， respectively， the indexes including free Ca2+ concentration， total iron concentration， and light transmittance can reach the optimal level with the composite agreement of the comprehensive index at 0.73.Effluent oil and suspended matter meet the standard requirements.

Keywords：mixing experiment; produced water; stability; flocculation settling; calcium removal; iron removal

油田采出水是指油田開采過程中產(chǎn)生的含有原油的伴生水。采出水具有污染物含量高、成分復雜、雜質(zhì)種類多等特點，如處理不當或未經(jīng)處理，一旦回注地層或外排環(huán)境，將導致嚴重的污染，甚至威脅人類健康[1]。目前，已有諸多學者針對采出水穩(wěn)定工藝進行了研究，采用的方法有生物處理法、膜法、氣浮法、電化學法和絮凝沉降法等[2-4]，也進行了相應的工藝參數(shù)優(yōu)化。生物處理法需培育專業(yè)的微生物菌種，產(chǎn)生的污泥量較大；膜法需定期進行反沖洗，定期更換費用不菲；氣浮法的設(shè)備氧腐蝕較為嚴重；電化學法對電極性能要求較高，且電極容易結(jié)垢，無法保持長期效果。迄今為止，油田現(xiàn)場應用最為廣泛的還是絮凝沉降法，只需要合理添加化學藥劑即可實現(xiàn)水質(zhì)達標[5]。

某油田區(qū)塊聯(lián)合站三相分離器分離出的采出水，先經(jīng)過除油罐氧化破乳，實現(xiàn)浮油和水的分離，隨后進入沉降罐和緩沖罐實現(xiàn)雜質(zhì)的氧化、絮凝和沉降，最后進入兩級精細過濾器實現(xiàn)水質(zhì)穩(wěn)定，屬于典型的“沉降-過濾-回注”三段式處理工藝。投產(chǎn)初期，穩(wěn)定后采出水可滿足SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標技術(shù)要求及分析方法》中第三級指標的要求（含油量≤15 mg/L、懸浮物≤5 mg/L），運行一段時間后，受水質(zhì)波動、反沖洗參數(shù)、藥劑配伍等因素的影響，過濾器多次發(fā)生結(jié)垢物堵塞，并在附屬管道引發(fā)了垢下腐蝕，采出水的水質(zhì)質(zhì)量有所下降，雖然新版SY/T 5329—2022對懸浮物含量和粒徑中值指標有所放寬，但目前水質(zhì)仍難以穩(wěn)定達標。鑒于此，為提高多種藥劑作用下的采出水絮凝沉降效果，以氫氧化鈉（NaOH）為pH調(diào)節(jié)劑，以聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）為復合絮凝劑，以過氧化氫（H2O2）為氧化劑，在篩選除鈣藥劑的基礎(chǔ)上，通過混料實驗考察不同藥劑配比下的水質(zhì)穩(wěn)定效果，并確定藥劑的最佳加量。

1" " 實驗部分

1.1" " 試劑與儀器

1.2" " 實驗方法

1.2.1" " 水質(zhì)分析和腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物分析

依據(jù)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對采出水水質(zhì)特性進行分析。通過材料表征儀器對腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物進行放大，并選取合適區(qū)域進行物相分析。

1.2.2" " 鈣離子的去除

1.2.3" " 不同藥劑加量范圍確定

2" " 結(jié)果與討論

2.1" " 水質(zhì)分析和腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物分析

2.2" " 除鈣加藥工藝分析

2.3" " NaOH加量范圍確定

依據(jù)2.2節(jié)的方法，考察不同NaOH加量對水樣pH值的影響，如圖2所示。隨著NaOH加量的增加，水樣pH值先快速增加后緩慢增加，在加量為150 mg/L時，pH值出現(xiàn)了小幅下降，可能與酸性指示劑存在示值誤差有關(guān)。考慮到水樣呈堿性時，有利于絮凝劑中的水合鋁離子發(fā)生配位水解，形成的氫氧化鋁作為水解鋁的主要存在形式，可以對懸浮物實現(xiàn)網(wǎng)捕、卷吸和絮凝，加速絮體的形成和變大。因此，NaOH加量宜控制在100～200 mg/L。

2.4" " H2O2加量范圍確定

2.5" " PAC、PAM加量范圍確定

分別考察PAM加量為2 mg/L時，不同PAC加量對上清液透光率的影響，以及PAC加量為60 mg/L時，不同PAM加量對上清液透光率的影響，結(jié)果見圖4。隨著PAC加量的增加，水解產(chǎn)生的鋁離子提供的正電荷不斷增加，與油和懸浮物表面攜帶的負電荷相互吸附，形成較大絮體，絮體穩(wěn)定性和沉降速度不斷增加，上清液透光率持續(xù)上升；在PAC加量超過40 mg/L時，部分Fe3+被還原成Fe2+，導致上清液透光率變化不大。

隨著PAM加量的增加，水中電解質(zhì)對膠體表面負電荷的吸附作用不斷增強，起到電中和作用，且PAM屬于長鏈高分子結(jié)構(gòu)，能夠通過橋架方式將不同粒子連接在一起，加速絮凝沉降效果；但當PAM加量超過2 mg/L時，粒子疊加易出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，對絮凝效果的幫助出現(xiàn)限制。

因此，PAC加量宜控制在40～100 mg/L，PAM加量宜控制在2～5 mg/L。

2.6" " 加藥順序確定

2.7" " 基于混料實驗的藥劑最佳配比確定

2.7.1" " 混料實驗設(shè)計

油田采出水的處理過程涉及多種化學反應，上述實驗均為單因素影響實驗，任何一種藥劑加量的變化均會影響采出水穩(wěn)定效果，從2.6節(jié)加藥順序結(jié)果中也側(cè)面印證了這一點。目前，采用的正交實驗或響應曲面實驗對藥劑之間的配比考量較少，容易造成藥劑浪費。在此，采用混料實驗完成最佳藥劑配比[9-10]，公式如下：

2.7.2" " Cox響應跟蹤圖分析

2.7.3" " 重疊等值線圖分析

重疊等值線圖可直觀表示各個響應值在混料因子范圍內(nèi)的折中區(qū)域，見圖7。其中，白色區(qū)域為游離Ca2+質(zhì)量濃度、總鐵質(zhì)量濃度和透光率均滿足水質(zhì)性能要求的混料配方區(qū)域。

2.7.4" " 藥劑配比優(yōu)化結(jié)果與驗證

3" " 結(jié)論

參考文獻

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作者簡介：

朱遼宇（1988—），女，天津人，工程師，2011年畢業(yè)于青島理工大學工程造價專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田工藝設(shè)計工作。

Email：499309594@qq.com

收稿日期：2024-05-21