王崇(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

0 引言

酸化是海上油田一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施，返排液處理是油井酸化施工中的一個(gè)重要步驟，酸化返排液是否能實(shí)現(xiàn)有效油水分離，對于保證油田的正常生產(chǎn)及外輸原油質(zhì)量具有重要意義。酸化工藝雖然在海上油田已應(yīng)用較為成熟，但由于受海上平臺的空間限制，生產(chǎn)流程較短，酸化返排液經(jīng)沉降罐分離后進(jìn)入電脫水器掉電現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響了油井酸化返排液的油水分離效率[1-3]。為此，開展了油井酸化返排液油水分離效率的影響因素研究，明確了導(dǎo)致酸化返排液進(jìn)入電脫水器后電脫水困難的主要原因。

1 酸化返排液電脫水實(shí)驗(yàn)研究方法

(1)酸化返排液電脫水機(jī)理。在交流電場中，電極板所帶電荷極性不斷地發(fā)生變化，酸化返排液中水滴的表面電荷方向也隨電場的變化而不斷改變，使包圍水滴的界面膜薄化，并沿電場方向發(fā)生聚集、破裂，實(shí)現(xiàn)酸化返排液脫水，其聚結(jié)效率隨施加的電場增強(qiáng)而增加。水滴能否并聚，進(jìn)而形成較大顆粒，是界面膜是否破裂的關(guān)鍵。(2)電脫水實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)選用電場強(qiáng)度參數(shù)來表征返排液油相的油水分離效率，評價(jià)其電脫水的難易程度。在借鑒海上油田現(xiàn)場使用的電脫水器工作原理的基礎(chǔ)上，制備了實(shí)驗(yàn)室小型模擬電破乳實(shí)驗(yàn)裝置。該儀器長電極長度為8 cm，短電極長度為4 cm，可加最大電壓為5.25 kV，與現(xiàn)場用電脫水器的最高工作電壓相符。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器：分析天平，感量0.1 mg；恒溫水浴鍋，工作溫度范圍為室溫至150 ℃，控溫精度±1 ℃；實(shí)驗(yàn)室小型電破乳儀器；離心機(jī)，轉(zhuǎn)速0～3 000 r/min。實(shí)驗(yàn)材料：蒸餾水；渤海油田酸化返排液油相；鹽酸、碳酸氫鈉、六水氯化鐵、無水氯化鈣，均為分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)機(jī)械雜質(zhì)含量。取現(xiàn)場返排液進(jìn)行沉降，取下層油樣進(jìn)行離心，將濾出固體用汽油清洗、烘干、研磨，制成固體粉末。將上層油樣與蒸餾水按照油水體積比3∶2混合，以3 000 r/min攪拌15 min，在溫度60 ℃條件下靜置30 min，制備成含水率為40%的油包水乳狀液。取400 mL油包水乳狀液，分成4份，分別加入不同質(zhì)量的固體粉末，經(jīng)高速攪拌后在溫度60 ℃條件下靜置30 min，采用電脫水裝置進(jìn)行板間電場強(qiáng)度測定。

(2)pH值。取300 mL酸化返排液油相，分為3份，記做樣品A、樣品B、樣品C。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%碳酸氫鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值后，在恒溫水浴60 ℃下靜置1 h使其充分反應(yīng)。然后通過電脫水裝置測定溶液pH在1～10條件下的電場強(qiáng)度。

(3)進(jìn)液溫度。量取300 mL酸化返排液油相，分成3份，記為樣品A、樣品B、樣品C，分別在溫度為60、80、100、120 ℃條件下進(jìn)行板間電場強(qiáng)度測定。

(4)高價(jià)陽離子。量取80 mL酸化返排液油相，分別加入20 mL濃度為1%的氯化鈣溶液、氯化鎂溶液、三氯化鐵溶液，在溫度為60 ℃的恒溫水浴鍋中靜置1 h，使其充分反應(yīng)，然后倒入評選瓶中，進(jìn)行板間電場強(qiáng)度測定。

3 結(jié)果討論

3.1 機(jī)械雜質(zhì)含量對返排液油水分離效率的影響

酸化返排液攜帶的機(jī)械雜質(zhì)主要為儲層微粒、粘土礦物、氟硅酸鹽及硫化亞鐵等。這些機(jī)械雜質(zhì)具有油水雙潤濕性，易使油水相界面強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致返排液的電場強(qiáng)度隨之變化，從而對油水分離效率的產(chǎn)生較大影響。為考察機(jī)械雜質(zhì)對酸化返排液電脫水的影響程度，實(shí)驗(yàn)評價(jià)了在不同含量的機(jī)械雜質(zhì)在電脫水裝置中的電場強(qiáng)度。結(jié)果表明，三個(gè)樣品電場強(qiáng)度的變化趨勢相似，當(dāng)機(jī)械雜質(zhì)含量低于50 mg/L時(shí)，原油乳化現(xiàn)象不明顯，電場強(qiáng)度高于318.75 V/cm，能建立起脫水所需的電場強(qiáng)度，因而能較好實(shí)現(xiàn)返排液油水分離；隨著機(jī)械雜質(zhì)含量的增大(50 mg/L以上)，電場強(qiáng)度急劇降低，油相乳化現(xiàn)象加劇；當(dāng)機(jī)械雜質(zhì)含量增至200 mg/L時(shí)，電脫水器出現(xiàn)明顯過流現(xiàn)象，電場強(qiáng)度介于93.74～151.25 V/cm，遠(yuǎn)低于電脫水器正常工作所需的電場強(qiáng)度。分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于機(jī)械雜質(zhì)的油水雙潤濕性的性質(zhì)決定了油-水-固三相交界處穩(wěn)定性，且機(jī)械雜質(zhì)以顆粒狀分散于油水界面，從而阻隔液滴間的聚并，導(dǎo)致乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3.2 pH值對油水分離效率的影響

在酸化作業(yè)過程中，返排液pH值呈較為明顯的遞增趨勢。直至返排后期，返排液pH值逐漸趨近于中性，甚至堿性。實(shí)驗(yàn)考察了酸化返排液油相pH值對油水分離效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。由圖1可知，隨著pH值升高，返排液油相電場強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢，且在pH=7時(shí)油相電場強(qiáng)度達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性環(huán)境均使酸化返排液電破乳更為困難。分析原因可能是在低pH環(huán)境下(pH≤3)，返排液中攜帶的大量氫離子易與原油中的極性分子的羧酸鹽和環(huán)烷酸鹽等非離子型有機(jī)物脂肪酸接觸反應(yīng)，形成陰離子類乳化物質(zhì)，吸附在油水界面，使得界面膜更為致密，膜強(qiáng)度增大，乳化液穩(wěn)定性增強(qiáng)，導(dǎo)致油相電場強(qiáng)度降低；在pH=7時(shí)，溶液中游離氫離子和氫氧根離子含量最低，此時(shí)油相電場強(qiáng)度最高；在高pH環(huán)境下(pH≥9)，游離氫氧根離子增多，大量鐵離子轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵膠體，使得油相電場強(qiáng)度不斷降低。

3.3 進(jìn)液溫度對油水分離效率的影響

極限電壓與進(jìn)液溫度的關(guān)系如圖2所示。結(jié)果表明：三個(gè)樣品的電場強(qiáng)度均隨著進(jìn)液溫度的升高而增大，溫度對返排液油相的電脫水效率影響較大。分析原因可能是由于隨溫度升高，蠟晶體重新溶解到油相中，油相黏度降低，離子遷移率增大，使得溶液電阻率降低，電場強(qiáng)度升高。同時(shí)，溫度也降低了界面黏度，加劇液滴聚結(jié)，導(dǎo)致原油水界面膜更趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。此外，溫度增加了液滴的熱能，因此增加了液滴碰撞的頻率，提高了油水分離效率。在現(xiàn)場進(jìn)行返排液處理過程中，可通過適當(dāng)提高進(jìn)液溫度有助于解決返排液油相油水分離效率低的問題。

3.4 高價(jià)陽離子對油水分離效率的影響

在酸化作業(yè)過程中，酸液溶蝕地層中粘土礦物，會產(chǎn)生大量的Ca2+、Mg2+、Fe3+等高價(jià)陽離子，且酸液溶解管線中的鐵銹也會生成Fe3+。此外，酸化作業(yè)后由于地層水礦化度較高，殘酸經(jīng)過地層時(shí)會攜帶了更多的Ca2+、Mg2+，酸化返排液中不可避免含有Ca2+、Mg2+、Fe3+這些高價(jià)陽離子。為考察不同類型高價(jià)陽離子對油水分離效率的影響，實(shí)驗(yàn)將氯化鈣溶液、氯化鎂溶液、三氯化鐵溶液分別加入上層油相中，測其電場強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可知，隨著高價(jià)陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)濃度增大，油相電場強(qiáng)度降低，這說明相對較高濃度的陽離子有利于增大導(dǎo)電離子的活性，更利于形成導(dǎo)電介質(zhì)，增大油相導(dǎo)電性，使得油相在電脫水器中脫水難度增大；當(dāng)所加入的鹽為三氯化鐵時(shí)，其油相電場強(qiáng)度的降幅最大，分析原因可能是酸化作業(yè)后油相經(jīng)中和反應(yīng)后pH值恢復(fù)至6～7后，不同于鈣、鎂離子生成的氫氧化物沉淀，鐵離子易聚集形成氫氧化鐵沉淀及膠體，并吸附在油水界面，進(jìn)一步增強(qiáng)了油相穩(wěn)定性，導(dǎo)致電場強(qiáng)度大幅降低，電脫水難度增大。

圖1 機(jī)械雜質(zhì)與返排液油相電場強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖

圖2 進(jìn)液溫度與返排液油相電場強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖

圖3 陽離子溶液與返排液油相電場強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語

機(jī)械雜質(zhì)含量增至50 mg/L后，返排液油相乳化現(xiàn)象加劇，電場強(qiáng)度急劇降低，顯著影響返排液油水分離效率；當(dāng)酸化返排液pH 值為7左右時(shí)，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值，油水分離效果最好，強(qiáng)酸及強(qiáng)堿環(huán)境下均不利于酸化返排液脫水；高價(jià)陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)使返排液油相的電場強(qiáng)度有所降低，其中鐵離子影響最大，且當(dāng)鐵離子濃度高于300 mg/L后，電脫水裝置無法穩(wěn)定運(yùn)行?；谑覂?nèi)模擬實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)識，提出了針對酸化返排液進(jìn)入電脫水裝置后頻繁跳閘問題的對策方法；同時(shí)建議現(xiàn)場采用化學(xué)沉降、消除返排液中高價(jià)金屬離子含量的方法來提高油水分離效果。