三元复合驱采出污水油水分离影响因素分析

2013-12-23芦玉花王志敏刘廷峰

石油地质与工程 2013年1期

芦玉花，梁伟，王志敏，王超，刘廷峰

（1.中国石化胜利油田鲁明公司科研中心，山东东营257200；2.中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院）

三元复合驱是三次采油的一种重要方法，碱-表面活性剂-聚合物（ASP）三元复合驱油体系具有降低油水界面张力，增强乳化作用，提高水相黏度，改善水相与原油流度比等优点，能提高注入液的波及系数，大幅度提高原油采收率，可比水驱提高采收率20%以上［1-3］。但三元复合驱采出污水中含有大量的聚合物、表面活性剂和碱等，污水成分极为复杂，污水中含油量显著增加。污水中的残余聚合物水解聚丙烯酰胺增加了污水的黏度，残余的表面活性剂则降低了油水间的界面张力；碱的加入使得污水的pH 值高达10 以上，污水的乳化程度更加严重，造成常规水处理药剂失效［4-5］。污水处理已经成为三元复合驱推广应用的一大难题。

笔者研究探讨了三元复合驱采出污水中的聚合物、表面活性剂、碱等驱油剂组分对采出污水中含油量的影响，以期能为三元复合驱采出污水的有效处理提供一定的技术参考。

1 实验仪器与方法

1.1 实验仪器与材料

仪器：Brookfield流变仪（美国BROOKFIELD公司）；Texas-500型界面张力仪（美国德克萨斯）；Zeta电位测定仪（美国BROOKHAVEN 公司）；表面张力仪（淄博科森仪器公司）；紫外分光光度计（上海光谱仪器有限公司）；精密pH 计（上海精密科学仪器有限公司）；高速剪切乳化机（青岛胶南分析仪器厂）；恒温水浴锅（龙口市先科仪器公司）；增力电动搅拌器（江苏金坛医疗仪器厂）；精密分析天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）。

材料：聚丙烯酰胺，相对分子质量（1 800～2 000）×104，水解度23%～30%（北京恒聚油田化学剂有限公司）；OP-10 化学纯（淄博天德精细化工研究所）；Tween80化学纯（国药集团化学试剂有限公司）；石油磺酸盐（工业品，胜利油田产）；氯化钠，氯化钙，氯化镁，碳酸钠，碳酸氢钠（分析纯，上海美兴化工有限公司）；石油醚，盐酸（分析纯，天津化学试剂有限公司）；胜利油田孤东采油厂脱水原油，密度0.9709 g／cm3，黏度2 700 mPa·s，凝点21 ℃，酸值4.73 mgKOH／g；污水取自孤东二号联合站，总矿化度7 000～10 000 mg／L，悬浮物含量60～80 mg／L，pH 值7.1～7.3。

1.2 实验方法

（1）污水含油量的测定。本实验中，污水中含油量的测定采用分光光度法，方法参照石油天然气行业标准“碎屑岩油藏注水水质推荐指标（SY-T5329-94）”执行。如无特殊说明，测试温度为60 ℃。

从图1看出，含油量与吸光度值呈线性关系，直线方程为：Y＝484.89 X，相关系数R2＝0.9936，直线拟合关系很好。以萃取剂石油醚作为空白样，用分光光度计测定出萃取液的吸光度值，再在标准曲线上查出对应的含油量［6］。

图1 含油量测定标准曲线

（2）黏度的测定。采用Brookfield DV-II ULTRA 黏度计测定聚合物溶液的黏度。测试时用恒温水浴锅将聚合物溶液测试温度控制在60 ℃。

（3）界面张力的测定。界面张力值采用美国Texas-500型旋转滴界面张力仪测定。如无特殊说明界面张力值均为动态稳定值。

（4）表面张力的测定。采用吊环法测定表面活性剂的表面张力。为了保证接触角为零，即接触角固定不变，应把铂环放在强酸中认真的清洗或经过灼烧才能使用。开始测试时，要让铂环平躺在静止的液面上，稳定后读取表面张力值。

（5）Zeta电位的测定。将从采出液中分离出的游离水在室温下静置沉降至底水颜色为乳白色或淡黄色，用注射器抽取15 mL 底水样，注入到Zeta电位测定仪的测量皿中，测定油珠的Zeta电位值。

2 实验结果与讨论

2.1 聚合物的影响

2.1.1 聚合物浓度对污水含油量的影响

为了考察聚合物的影响，在配制模拟采出污水时，使溶液中聚合物的浓度不同，测定不同聚合物浓度下的污水含油量，结果如图2所示。

由图2可知，随着聚合物浓度的增加，污水中的含油量都大幅度增加，且加入一定浓度表面活性剂与不加表面活性剂相比增加幅度更快。这是因为聚合物虽不溶于油相，但能与形成界面膜的表面活性剂的亲水基团发生作用，增加界面膜间的排斥力及空间阻力，使油膜强度增加；而表面活性剂增加了油珠的稳定性，因为表面活性剂通过非极性基团伸入油珠、极性基团伸入水中的形式吸附在油珠的表面，油珠的表面由憎水性变为亲水性，油珠很难彼此接近。

图2 聚合物浓度对污水含油量的影响

2.1.2 聚合物浓度对溶液黏度的影响

聚合物能够提高水的黏度，降低水相的流动性，提高了三元复合驱的效率和采收率。由于聚合物的存在，采出污水黏度增加。考察不同聚合物浓度下溶液的黏度，结果见图3。

图3 聚合物黏浓关系曲线

由图3不难得出，在相同转速下，随着聚合物浓度的增大，聚合物溶液黏度大幅度增加；在相同聚合物浓度下，随着转子转速的增加，聚合物溶液黏度逐渐减小。

聚合物溶液黏度的增加会增大水中胶体颗粒的稳定性，而且使得油珠上浮或下沉的阻力增加，污水处理所需的自然沉降时间增长。

2.1.3 聚合物浓度对Zeta电位的影响

Zeta电位作为胶体电动特性的重要参数，常用来表征胶体颗粒表面的带电情况，Zeta电位越大，表明胶体表面所带电荷越多，静电稳定作用越强，油水稳定性越强。考察不同浓度聚合物下污水的Zeta电位值，结果见图4。

从图4中可以看出，随着聚合物浓度的增加，油珠Zeta电位降低非常明显。产生这种现象的原因是由于实验所用的聚合物为部分水解聚丙烯酰胺，大分子链上含有-COONa，在水中电离后使得HPAM 分子链上带有COO-负离子。这种带负电的聚合物分子可以通过一般扩散或多个链接吸附到油水界面上，使油珠表面的负电荷密度明显增加。随着聚合物浓度的增加，越来越多的聚合物分子吸附到油珠表面，使油珠表面的电负性明显增加。随着油珠表面的负电荷越来越多，静电斥力的增加，在一定程度上阻止了聚合物在油滴表面的继续吸附，这就导致了在较高的聚合物浓度下，油珠表面的电负性随着聚合物浓度的增加而升高的趋势明显变缓［7］。

图4 聚合物浓度对Zeta电位的影响

2.2 表面活性剂的影响

2.2.1 表面活性剂对含油量的影响

在配制模拟复合驱采出污水时，固定聚合物浓度为200 mg／L，使表面活性剂SLPS、OP-10、Tween80的浓度不同，考察表面活性剂浓度对含油量的影响，结果如图5所示。

由图5 可见，随着石油磺酸盐，OP-10，Tween80三种表面活性剂浓度的增加，含油量都急剧增加。表面活性剂增加油水稳定性的机理在于：一方面，表面活性剂的存在有利于油水乳状液的稳定。这是因为表面活性剂加强了天然乳化剂在原油和水之间形成的界面膜的强度［8］，不利于液珠聚并而利于体系稳定；另一方面，表面活性剂能使油珠严重乳化，微小油珠很难凝聚，即油珠粒径小，导致油珠上升速度慢，油水分离变难。

图5 表面活性剂浓度对污水含油量的影响

2.2.2 表面活性剂对表面张力的影响

将胜利石油磺酸盐（SLPS）、OP-10两种表面活性剂分别用去离子水配成不同浓度的水溶液，测定70 ℃条件下的表面张力，如图6所示。

图6 表面活性剂浓度对表面张力的影响

表面活性剂在低浓度时，降低油水表面张力，使油珠变得稳定而难以聚集和聚结；随着表面活性剂浓度的增加，液相中出现过量的胶束，胶束在液滴间产生的排液渗透压力使液滴聚集和聚结的速率加大［9］。另外，由于表面活性剂有很长的碳链，所以它能够通过憎水反应吸附在油珠表面，亲水的磺酸基链覆盖了油珠的表面，伸入水相，导致了油珠表面阴离子密度增大，油水稳定性增强。

2.3 碱的影响

2.3.1 碱和表面活性剂对油水界面张力的影响

为了考察碱和表面活性剂对油水界面张力的影响，将质量分数为0.05%，0.10%，0.20%的胜利石油磺酸盐（SLPS）分别与质量分数为0.10%，0.30%，0.50%，0.80%，1.0%的碱进行复配，测定油水界面张力，如图7所示。

图7 表面活性剂对界面张力的影响

由图7可知，随着碱质量分数的增加，油水界面张力出现先减小后增加的趋势。这是因为碱质量分数较低时，碱与原油中的有机酸物质反应，在油水界面处就地生成表面活性物质，增加了界面活性，使油水界面张力降低。随着碱质量分数的继续增加，碱充当了无机盐的作用，在碱质量分数大于某值时，大部分表面活性剂进入油相，油水界面吸附失去平衡，导致界面张力增加。

2.3.2 碱对含油量的影响

碱的影响主要体现在pH 值的不同，在配制模拟采出污水时固定聚合物浓度为200 mg／L，调节pH 值，考察pH 值对含油量的影响，结果见图8。