曹廣勝， 李世寧， 馬 驍， 李 澤， 楊曉雨， 何 奇

(1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 冀北油田分公司 工程監(jiān)督中心，河北 唐山 063299)

酸化工藝具有施工簡單、成本低、見效快的特點(diǎn)，而被國內(nèi)外各大油田廣泛應(yīng)用。但其返排液含有較多殘酸，進(jìn)入返排處理流程時(shí)，會(huì)對管柱、儀器等產(chǎn)生不同程度的腐蝕。更為嚴(yán)重的是，含酸返排液中除油水兩相外，還混雜大量金屬離子以及地層雜質(zhì)，形成較為穩(wěn)定的乳狀液，使電脫水器負(fù)荷加重，甚至導(dǎo)致“垮電場”，即電脫水器過流跳閘現(xiàn)象。酸化是油田最重要的增產(chǎn)增注工藝技術(shù)之一，而油田酸化返排液難以處理成為困擾人們多年的問題，所以解決此問題勢在必行。本文用控制變量的方法，找出了導(dǎo)致電脫困難的主要原因，并對該問題的處理提供了建設(shè)性的意見[1-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

實(shí)驗(yàn)儀器：DZS-708多參數(shù)分析儀器，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；DPY-2破乳劑評選儀，姜堰市奧普特分析儀器有限公司；CH-1015型超級恒溫水浴槽，陜西太康生物科技有限公司；TJ270-30A型紅外分光光度計(jì)，天津天光新光學(xué)儀器科技有限公司；TDZ5-WS高速離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司。

實(shí)驗(yàn)材料：酸化返排液油相、酸化返排液水相、蒸餾水、10%HCl溶液、5%NaOH溶液、鐵離子測定標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.5%氯化鐵溶液、0.5%硫化亞鐵溶液、0.5%氫氧化鐵溶液(以上數(shù)據(jù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用控制變量的方法，通過改變單一因素測量返排液可加電場，從而總結(jié)出可加電壓與各個(gè)因素之間的關(guān)系。使用DPY-2破乳劑評選儀測試其可加電場。將儀器的空載電壓調(diào)至4.0 kV。

1.2.1 油相、水相和含水率變化實(shí)驗(yàn) 取酸化返排液油相，65 ℃條件下靜置48 h，在倒出油樣的過程中可觀察到油樣明顯分層。觀察其油品性質(zhì)可發(fā)現(xiàn)，上層油品性質(zhì)較好，呈光滑狀；下層油品性質(zhì)較差，有顆粒狀或塊狀，乳化現(xiàn)象嚴(yán)重且含雜質(zhì)和水較多。分別取足量的上、下層油樣，置于大燒杯中，在加熱板上加熱攪拌6 h，蒸干游離水，65 ℃條件下靜置2 h，用脫水后上、下層油樣分別與蒸餾水和酸化返排液水相配制成含水率10%～60%的混相液體，并用力搖晃100下，使其充分乳化。取配制好的乳狀液100 mL倒進(jìn)評選瓶中，再將其放入評選儀中，測量其可加電壓。

1.2.2 溫度變化實(shí)驗(yàn) 取下層油樣，分為3份，記為樣品1、樣品2、樣品3，分別在50、60、70、80 ℃條件下，放入電脫裝置，觀察其電脫現(xiàn)象，并記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3 pH變化實(shí)驗(yàn) 取下層油樣，分為3份，記為樣品1、樣品2、樣品3，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液和5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH，60 ℃條件下靜置20 min，然后測定其在pH為2～13條件下的電脫狀況。

1.2.4 鐵離子化合物變化實(shí)驗(yàn) 取酸化返排液水相，分成4份，經(jīng)過濾、硝解后使用分光光度計(jì)等儀器進(jìn)行鐵離子成分分析，并測量其電導(dǎo)率，測量數(shù)據(jù)如表1。

表1酸化返排液水相鐵離子濃度與電導(dǎo)率
Table1Concentrationandconductivityofironioninflowbackliquid

樣品序號(hào)ρ(鐵離子)/(mg·L-1)電導(dǎo)率/(μS·cm-1)1347．297722892348．876423203336．247420534315．72521989平均337．03552163

由表1可知，在水相中存在大量的鐵離子，油水混相后，形成了較為穩(wěn)定的乳狀液，水相中的各種離子使乳狀液導(dǎo)電性急劇上升，從而導(dǎo)致了過流現(xiàn)象。結(jié)合上下層油電脫水實(shí)驗(yàn)，初步分析下層油相中的鐵離子為無法電脫水的主要原因。由于上層原油可以進(jìn)行電脫，故通過向上層原油中加入氯化鐵、硫化亞鐵、氫氧化鐵后，再測試是否可以進(jìn)行電脫，進(jìn)而得知氯化鐵、硫化亞鐵和氫氧化鐵對原油電脫的影響[6]。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%的氯化鐵、硫化亞鐵、氫氧化鐵溶液，分別加入到上層油相中，65 ℃條件下攪拌均勻(含水率30%)，進(jìn)行電脫水實(shí)驗(yàn)，觀察電脫現(xiàn)象，并記錄可加電壓。

1.2.5 泥質(zhì)變化實(shí)驗(yàn) 取酸化返排液下層油離心，觀察到下層油樣分為三層：油層、油泥混層和水層。將呈膠狀的油泥混層在白紙上鋪展開時(shí)，發(fā)現(xiàn)膠狀物中含有原油、水和部分泥質(zhì)。通過離心、汽油清洗的方法將泥質(zhì)分離出來，烘干。取上層油樣，在60 ℃條件下與蒸餾水配制成含水率30%的乳狀液，分成4份，每份100 mL，在其中加入不同質(zhì)量的泥質(zhì)，攪拌均勻后60 ℃靜置10 min，放入電脫裝置測量其可加電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 油相-水相和含水率對返排液可加電壓的影響

可加電壓與油樣、水樣和含水率的關(guān)系如表2所示。

表2 可加電壓與含水率的關(guān)系Table 2 The relationship between additive voltage and oil sample and water content

由表2可知，上層油均能達(dá)到電脫水的效果，電脫水時(shí)所用水相為蒸餾水或返排液水相時(shí)對電脫水效果幾乎沒有影響。在含水率小于60%時(shí)其可加電壓與含水率大小無關(guān)。對于下層油，可加電壓隨含水率的升高而減小，所用水相為返排液水相時(shí)，過流現(xiàn)象更為嚴(yán)重，無法達(dá)到電脫水要求。據(jù)此判斷酸化施工后的返排液無法進(jìn)入電脫水裝置是由于油水中間的乳化層造成的。

2.2 溫度對返排液可加電壓的影響

溫度升高，三個(gè)樣品可加電場變化趨勢類似，結(jié)果如圖1所示。

圖1 可加電壓與溫度的關(guān)系

Fig.1Therelationshipbetweentheadditionalvoltageandtemperature

由圖1可知，隨著溫度升高，油樣可加電場增大，溫度對下層油樣可加電場影響較為明顯。溫度對油樣可加電場的影響可能有如下原因：在油相中有許多微小的水滴，溫度升高，小液滴運(yùn)動(dòng)速度加快，很大程度上增加了液滴碰撞的幾率，液滴大量碰撞聚并成大水滴從油相中脫出；油的黏度隨著溫度升高而降低，該油樣形成的乳狀液為W/O型，油相黏度降低會(huì)使油水界面膜強(qiáng)度降低，從而使水脫出；溫度升高會(huì)使原油中或返排液水相中含有的一些天然乳化劑溶解度增大，原本聚集在界面膜上的乳化劑會(huì)溶解于油相或水相中，界面膜強(qiáng)度降低，水滴從油相中脫出[7-8]。

2.3 pH對酸化返排液可加電壓的影響

據(jù)文獻(xiàn)[7]記載，pH會(huì)對乳狀液的界面張力產(chǎn)生一定影響。一方面,pH減小會(huì)降低油水界面張力，增大油水乳狀液的穩(wěn)定性；另一方面，pH增大會(huì)使原油中環(huán)烷酸、活性酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵睇}，增加乳化劑數(shù)量，使乳化膜強(qiáng)度加大[9-11]。所以pH對乳狀液穩(wěn)定性的影響，不可一概而論，要調(diào)節(jié)原油乳狀液的pH，測定其在不同的pH條件下的加電場情況而定。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將可加電壓與pH的關(guān)系繪制成曲線，如圖2所示。

由圖2可知，pH對電脫效果有一定影響，隨著pH的升高，可加電壓先降低后升高，到pH=7時(shí)，可加電壓達(dá)到最大，pH繼續(xù)增加時(shí)，可加電壓隨之減小。原因可能是在低pH時(shí)(pH=2)，雖然含有H+較多，但含鐵化合物所形成的凝膠物質(zhì)較少，一部分H+進(jìn)入水相，并且乳狀液中的天然乳化劑由皂鹽還原為酸，油水界面膜強(qiáng)度降低，破乳率增加，使油相電導(dǎo)率沒有達(dá)到最大值；隨著pH繼續(xù)增大，H+含量減少，含鐵化合物增多，這時(shí)含鐵化合物對乳狀液的電導(dǎo)率影響比H+稍大，所以此時(shí)油相電導(dǎo)率最大，可加電壓達(dá)到最小值；pH繼續(xù)增大(pH=7)，含鐵化合物含量增多，但游離的H+含量幾乎為零，此時(shí)乳狀液電導(dǎo)率最低；再增加pH時(shí)，大量Fe3+將與OH-結(jié)合，成為膠狀物混雜在油相中，使油相電導(dǎo)率持續(xù)增大。

圖2 可加電壓與pH的關(guān)系

Fig.2TherelationshipbetweentheaddedvoltageandthepHvalue

2.4 鐵離子化合物對酸化返排液可加電壓的影響

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%的氯化鐵、硫化亞鐵、氫氧化鐵溶液分別加入到上層油中，測其可加電壓。鐵離子溶液對上層油可加電壓的影響如表3所示。

表3 鐵離子溶液對上層油可加電壓的影響Table 3 The influence of iron ion solution on the additional voltage of the upper oil

由表3可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%氯化鐵溶液不足以使上層油過流，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%硫化亞鐵溶液和0.5%氫氧化鐵溶液可以導(dǎo)致上層油可加電場小于1.5 kV，導(dǎo)致電脫水器過流。對下層油進(jìn)行硫元素含量分析，發(fā)現(xiàn)下層油幾乎不含硫元素，所以排除硫化亞鐵對下層油過流的影響，認(rèn)為下層油相中影響電脫水的一個(gè)主要因素為氫氧化鐵膠體。

2.5 泥質(zhì)對返排液可加電壓的影響

不同質(zhì)量濃度泥質(zhì)加入原油乳狀液中，可加電壓數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 泥質(zhì)對上層油可加電壓的影響Table 4 The influence of argillaceous matter on the additional voltage of upper oil

當(dāng)泥質(zhì)質(zhì)量濃度較小時(shí)(10 mg/L)，原油乳化現(xiàn)象不是很明顯，可加電壓仍在3.6 kV以上；隨著泥質(zhì)質(zhì)量濃度的增加(50 mg/L以上)，原油乳化現(xiàn)象加重，電脫水器過流。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是泥質(zhì)顆粒吸附在油水界面上，產(chǎn)生了強(qiáng)度很大的界面膜，阻止了液滴的聚并，導(dǎo)致乳狀液變得穩(wěn)定[12]。

3 結(jié)論

(1) 酸化返排液靜置一段時(shí)間會(huì)分層，上層油樣可電脫，下層油樣嚴(yán)重過流。

(2) 上層油樣與蒸餾水或酸化返排液水相配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～60%混相液體均可電脫，說明當(dāng)乳化不嚴(yán)重時(shí)，返排液過流與水相關(guān)系不大。

(3) 溫度升高會(huì)提高電脫可加電壓，在條件允許的范圍內(nèi)應(yīng)提高電脫水溫度。

(4) 可加電壓隨著pH的變化為先緩慢降低后急劇升高，到pH=7時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)增加pH，可加電壓急劇下降，所以在破乳之前應(yīng)將pH調(diào)節(jié)至中性左右。

(5) 返排液嚴(yán)重過流的主要原因是氫氧化鐵膠體混雜著油、水和泥質(zhì)，形成了一種極為穩(wěn)定的乳狀液，導(dǎo)致電導(dǎo)率過大而無法電脫，在破乳前加藥劑使氫氧化鐵絮凝或沉淀，會(huì)大大降低破乳難度。

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