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        電場(chǎng)作用下水驅(qū)油田采出水穩(wěn)定性研究*

        2021-05-21 08:31:48杜歡萬(wàn)蕾尚可心聶春紅
        能源化工 2021年2期
        關(guān)鍵詞:油率含油量油水

        杜歡,萬(wàn)蕾,尚可心,聶春紅

        (1. 東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,黑龍江大慶 163318;2. 中國(guó)石油大慶油田第七采油廠,黑龍江大慶 163517)

        隨著我國(guó)油氣田開(kāi)采進(jìn)程發(fā)展至中后期,水驅(qū)采油使油田綜合含水率達(dá)90%以上,大量油水混合液的產(chǎn)出,為后續(xù)處理帶來(lái)了難題。油水混合液分為2 種類型:水包油懸濁液和水包油乳狀液,這些混合液不僅產(chǎn)量大,而且礦化度和含油量均較高,回注容易堵塞地層,外排會(huì)造成污染。含水原油對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)輸、精煉也較不利,因此采用破乳手段使油水分離是石油工業(yè)及環(huán)保的關(guān)注點(diǎn)之一[1]。物理破乳如重力分離、離心、超聲等,可以很容易地分離油水懸浮液[2]。相對(duì)于油水懸濁液的處理,油水乳狀液的處理難度更大。目前油水乳狀液的處理方法主要分為化學(xué)破乳、物理破乳、生物破乳等?;瘜W(xué)破乳中的電氣技術(shù)是目前使用較廣的方法之一,但是能耗較高?;瘜W(xué)破乳中的化學(xué)劑破乳是比較有效的破乳方法,能增強(qiáng)乳液聚集和絮凝的能力。目前還開(kāi)發(fā)了基于各種納米粒子的破乳劑,以提高破乳效果[3]。但是破乳劑的使用,使乳狀液的成分更加復(fù)雜,容易導(dǎo)致水質(zhì)變差,污染環(huán)境。典型的物理處理技術(shù)包括微波輻照、超聲波或離心等機(jī)械方法。物理破乳中的膜和過(guò)濾也是常用的方法[4],該分離方法環(huán)保無(wú)污染,不引入新的雜質(zhì),但存在分離效率低,分離成本高等缺點(diǎn)[5]。用于油水乳狀液破乳的微生物方法較少。

        目前,電化學(xué)處理油田采出的方法主要有電絮凝法[6]、電氣浮[7]、電滲析[8]、電化學(xué)氧化法[9]、電化學(xué)還原法[10]等。雖然電化學(xué)技術(shù)在油田采出水中的應(yīng)用已較多,但針對(duì)電極材料對(duì)油田采出水穩(wěn)定性影響的研究卻較少。采用雙鉑電極,考察了不同電解時(shí)間、電解溫度、電解電流及含油初始質(zhì)量濃度對(duì)油田采出水含油量去除率的影響,為電場(chǎng)作用下處理油田采出水以及電極的選擇提供了理論依據(jù)。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑

        NaCl:天津市四通化工廠;NaHCO3、Na2CO3、MgCl2·6H2O:北京化工廠;Na2SO4:哈爾濱市新達(dá)化工廠;CaCl2:遼寧沈陽(yáng)醫(yī)藥股份有限公司;十二烷基苯磺酸鈉(SDBS):上海阿拉丁試劑有限公司;正己烷:天津市巴斯夫化工有限公司;以上試劑均為分析純。

        1.2 主要儀器

        213 型鉑電極:上海精密科學(xué)儀器有限公司;FA25 型剪切乳化機(jī):上海FLUKE 流體機(jī)械制造有限公司;SPECORD 50 PLUS 型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì):德國(guó)耶拿分析儀器股份公司;石英比色皿:1 cm,上海第三分析儀器廠。

        1.3 模擬油田采出水的配制

        試驗(yàn)中使用的油樣為油田某聯(lián)合站外輸凈化原油,根據(jù)油井采出液游離水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)配制模擬水樣:NaCl 1.995 g/L;NaHCO33.024 g/L;Na2CO30.171 g/L;Na2SO40.001 g/L;CaCl20.002 g/L;MgCl2·6H2O 0.007 g/L;SDBS 0.16 g/L。先配制1 000 mL的模擬水樣,稱取0.5 g 的標(biāo)準(zhǔn)油,用高剪切乳化機(jī)以3 000 r/s 的速率乳化30 min。乳化完成后靜止,取其穩(wěn)定部分備用。

        1.4 試驗(yàn)方法

        1.4.1 含油量-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

        依據(jù)SY/T0530—2011《油田采出水中含油量測(cè)定方法 分光光度法》配制含油質(zhì)量濃度分別為50,100,150,200 mg/L 的油田采出水試樣。以正己烷為參比,經(jīng)空白校正后,在225 nm 和254 nm處測(cè)定所配標(biāo)準(zhǔn)試樣吸光度,繪制含油量-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

        圖1 含油量-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

        1.4.2 紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定除油率

        取待測(cè)試樣用正己烷萃取后,采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)于225 nm 和254 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定正己烷萃取液的吸光度,并根據(jù)制作的標(biāo)準(zhǔn)曲線得出水樣含油量,然后計(jì)算破乳后的除油率。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 電解時(shí)間對(duì)油田采出水穩(wěn)定性的影響

        在反應(yīng)器中,兩極均為20 mm×20 mm 的鉑電極,電極間距13 mm。在溫度為20 ℃,電流為50 mA 的條件下,測(cè)定電解時(shí)間分別為0.5,1,1.5,2,2.5 h 時(shí),油田采出水含油量的變化情況,以評(píng)價(jià)電解時(shí)間對(duì)電解效率的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

        圖2 電解時(shí)間對(duì)除油率的影響

        由圖2 可見(jiàn):隨著電解時(shí)間的增長(zhǎng),除油率先上升后基本不變,1.5 h 時(shí)存在一個(gè)拐點(diǎn)。分析其原因有3 點(diǎn):①試驗(yàn)初始時(shí)油田采出水含油量較高,水中乳化油被氧化的機(jī)率較大,因此含油量變化速率較快,但電解1.5 h 后,體系中只剩下一些不易被降解的物質(zhì),即使增加電解時(shí)間也無(wú)法使含油量繼續(xù)大量降低。②由于水樣中含有一些可溶性無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物等導(dǎo)電物質(zhì),電阻小,因此產(chǎn)生的電流較大,帶電離子也較多,可以快速地中和水包油表面的電荷。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)電物質(zhì)被氧化還原成一些不能導(dǎo)電的物質(zhì),也阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行。③生成的一些物質(zhì)也會(huì)附著在電極表面,阻礙后續(xù)反應(yīng)進(jìn)行,因此在1.5 h 之后,隨著電解時(shí)間的增長(zhǎng),除油率保持穩(wěn)定。考慮能耗因素,電解時(shí)間優(yōu)選1.5 h。

        2.2 電解溫度對(duì)油田采出水穩(wěn)定性的影響

        在電流為50 mA,電解時(shí)間為1.5 h 的條件下,考察電解溫度分別為20,30,50,70,80 ℃時(shí),電解溫度對(duì)除油率的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

        圖3 電解溫度對(duì)除油率的影響

        由圖3 可見(jiàn):隨著電解溫度的升高,除油率不斷增大,且沒(méi)有趨于平緩的趨勢(shì),說(shuō)明電解溫度越高越有利于油田采出水的破乳。一般的氧化還原反應(yīng)速率都受溫度的影響,反應(yīng)溫度越高,反應(yīng)速率越快,石油烴的氧化降解也一樣,溫度升高也使活化分子數(shù)目增多,反應(yīng)物分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇,同時(shí)降低了反應(yīng)的活化能,使電極反應(yīng)容易發(fā)生。同時(shí)溫度升高,油田采出水中油滴的布朗運(yùn)動(dòng)速度加快,加速了油滴的絮凝聚結(jié)效率,使油珠粒徑增大,油田采出水的穩(wěn)定性降低,利于破乳。

        2.3 電解電流對(duì)油田采出水穩(wěn)定性的影響

        試驗(yàn)溫度設(shè)為20 ℃,電解時(shí)間為1.5 h,考察了電解電流分別為40,50,60,70,80 mA 時(shí),電解電流對(duì)油田采出水除油率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。

        圖4 電解電流對(duì)除油率的影響

        由圖4 可見(jiàn):隨著電流的增大,除油率逐步增大,并且沒(méi)有趨于平緩的趨勢(shì)。在電化學(xué)反應(yīng)里,電解電流的大小代表著氧化還原反應(yīng)得失電子速率的大小,而得失電子的速率就是反應(yīng)的速率,因此電解電流的大小決定反應(yīng)的快慢。單位時(shí)間內(nèi),當(dāng)電解電流增大時(shí),反應(yīng)加快,除油率增大。同樣的電極表面,電流越大,電流效率也越高,陽(yáng)極氧化油田采出水中油就越多,除油率增大。

        2.4 初始濃度對(duì)油田采出水穩(wěn)定性的影響

        在溫度為20 ℃,電流為50 mA,電解時(shí)間為1.5 h 的條件下,考察了初始含油質(zhì)量濃度分別為70,100,220,300 mg/L 時(shí),初始含油質(zhì)量濃度對(duì)除油率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖5。

        圖5 初始含油質(zhì)量濃度對(duì)除油率的影響

        由圖5 可見(jiàn):除油率隨著油田采出水初始含油質(zhì)量濃度的增大而變大,這是由于反應(yīng)的速率與反應(yīng)物濃度是成正比關(guān)系,濃度越高,反應(yīng)速率越快,油田采出水的除油率也越大。

        2.5 電場(chǎng)破乳的機(jī)理分析

        傳統(tǒng)的破乳過(guò)程均包含絮凝和聚結(jié)的過(guò)程[11-12],如圖6 所示。

        圖6 乳狀液失穩(wěn)過(guò)程

        表面活性劑在2 種不混相液體界面間的定向吸附引起的界面張力明顯低于該2 種液體的表面張力。吸附在油水界面的表面活性劑分子、油分子和水分子之間的相互作用看作統(tǒng)一的平衡關(guān)系。由于表面活性劑分子的吸附,油水界面處增加了一層具有一定厚度的表面活性劑層[13-14],增加了油水界面膜的強(qiáng)度。

        破乳試驗(yàn)采用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為陰離子型的表面活性劑,表面活性劑上帶有大量的負(fù)電荷。在電場(chǎng)的作用下,吸附在油水界面膜上SDBS 會(huì)減少,使油水界面膜強(qiáng)度降低,利于油滴的絮凝和聚結(jié)。同時(shí)在電場(chǎng)的作用下,帶電的小油滴加速運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)了碰撞的機(jī)率,更促進(jìn)了油滴的絮凝和聚結(jié)過(guò)程,當(dāng)小油滴聚結(jié)成大油滴時(shí),由于密度差的原因,會(huì)開(kāi)始上浮,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油水分離,完成破乳。

        3 結(jié)論

        采用鉑電極,考察了電解時(shí)間、電解溫度、電解電流、初始含油質(zhì)量濃度對(duì)油田采出水穩(wěn)定性的影響,得到以下結(jié)論。

        1)電解時(shí)間在1.5 h 前,油田采出水的除油率隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增大,當(dāng)電解時(shí)間超過(guò)1.5 h 后,除油率變化較小。溫度為20~80 ℃時(shí),隨著電解溫度的升高,油田采出水的除油率不斷增大。電流強(qiáng)度為40~80 mA 時(shí),除油率隨電流強(qiáng)度的增大而增大。隨著油田采出水的初始含油質(zhì)量濃度的增大,除油率也隨之增大。

        2)電場(chǎng)作用下水驅(qū)油田采出水的失穩(wěn)機(jī)理為:在電場(chǎng)作用下,油水界面的SDBS 吸附量減少,使油水界面膜的強(qiáng)度和緊密程度減弱,同時(shí)帶電小油滴在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)加快,增加了油滴之間碰撞的機(jī)率,油滴之間更容易絮凝聚結(jié),使油田采出水穩(wěn)定性降低。

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