海上注聚油田含油污泥组成及结构特性分析

赵鹏 陈斌 王成胜 敖文君 吴彬彬 李奇

(1.中海石油有限公司天津分公司， 天津 300452； 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452； 3.海上石油高效开发国家重点实验室， 天津 300452)

在油田开发中，采取注入水中添加水溶性聚合物(聚丙烯酰胺类)的方法可以进一步提高驱油效率[1-2]。但实施聚合物驱开采后，采出液流体性质会发生较大改变，导致采出液油水分离过程中，固体颗粒与原油、聚合物发生一系列絮凝、聚集及沉降作用，从而形成不易处理的含油污泥。特别是实施聚合物驱开采后，采出液中有残留聚合物。残留聚合物与原油、地层水和固体颗粒之间相互作用而形成黏度大、乳化程度较高的含油污泥，不仅影响到注入水的水质，而且含油污泥最终在污水处理罐中聚集后发生沉降。而海上油田平台空间有限，无法引入大型处理设备，因此加大了含油污泥的处理难度。如何科学有效地进行含油污泥处理是一项技术难题，其中含油污泥理化特性参数的合理确定非常重要[2-7]。

本次研究将针对渤海海上油田某次聚驱采出液处理过程中所形成的含油污泥理化特性进行实验分析。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料：在渤海海上油田某次聚驱采出液处理过程中形成的含油污泥中取样品1和样品2；氯仿、石油醚、正己烷、甲苯、无水乙醇、丙酮和二氯甲烷等均为分析纯试剂。

实验仪器：索氏抽提器；凝胶渗透色谱；Bruker-Tonsor27型红外光谱仪；Bruker-400 MHz核磁共振氢谱；Tecnai G2 F20 S-TWIN场发射透射电镜。

1.2 实验方法

采用烘干法测定含油污泥中的含水量；采用索氏抽提法分离与测定含油污泥中含油量，以甲苯为抽提剂，提取其中残余原油；参照标准SYT 5119 — 2008的方法测定残余原油族组分，对于原油组成变化可通过凝胶渗透光谱(GPC)进行分析；采用焙烧法分离与测定含油污泥的泥相。

2 实验结果与讨论

2.1 含油污泥组分

在实验中，对样品1和样品2的组分进行测定。由表1所示含油污泥组分测定结果可知，样品1和样品2中含水率均较高，分别为55.65%和54.07%,故油泥流动性较好。样品1和样品2含油率分别为18.92%和19.26%，含油量较高，具有较高的回收利用价值。样品1和样品2泥相含量均较低，分别为1.27%和1.32%。含油污泥中的固体颗粒多为注入流体在油层运移过程中携带到地面的固体颗粒，通常为成油层与储油层伴生物，包括砂岩、石灰岩等构成的细小岩屑或黏土。此外，样品1和样品2中聚合物含量较高，其质量分数分别为24.16%和25.35%。含油污泥中的聚合物，主要由于污水中存在的残留聚合物吸附于油滴和悬浮颗粒表面，在絮凝剂或稳定条件改变时，小颗粒将聚集成大颗粒而逐渐沉降，最后沉积于缓冲罐或沉降罐底部[8]。

表1 含油污泥组分测定结果 %

2.2 含油污泥的原油组分特性

含油污泥中油相族组成是表征含油污泥原油特性的重要基础参数。油相族组分含量直接影响含油污泥回收油的品质，以及回收油与含油污泥的黏度。油相族组分决定了含油污泥分离工况如何选择。油泥中各组分与泥相成分的结合作用力并不相同。本次研究参照标准SYT 5119 — 2008对含油污泥中油相族进行分析，并与该区块采出原油样品的族组分进行对比。

由表2可知，渤海油田含油污泥中原油组分测定结果均在标准SYT5119 — 2008所要求的闭合度误差范围内，含油污泥样品和现场所取采出原油中所含原油的族组分以轻质组分(饱和烃和芳香烃)为主，饱和烃含量最高。样品1和样品2中饱和烃含量超过32%，胶质和沥青质含量分别为20%左右，芳香烃含量最少。与现场所取原油组分相比，含油污泥样品中芳香烃和胶质含量均有所增加，饱和烃和沥青质含量略有减少。出现上述现象，一方面是由于原油中饱和烃易于挥发，且更易与采出液中表面活性组分发生作用；另一方面是由于含油污泥形成过程中，剪切力作用导致胶质和沥青质等组分发生乳化作用[9]。

表2 含油污泥中原油组分测定结果 %

原油及其重质组分性质在很大程度上也取决于组分结构和分子量分布。为深入分析含油污泥形成过程中的原油特性变化，采用凝胶渗透色谱(GPC)对含油污泥样品所提取原油和采出原油的分子量及其分布进行对比，结果如表3所示。

表3 含油污泥样品油相GPC分析结果

由表3可知，样品1和样品2的数均分子量比较接近；与样品2 相比，样品1中原油分子量分布指数相对较大，分布范围较宽；采出原油的分子量分布指数为1.385，表明样品1和样品2含油污泥在形成过程中原油组分变化较大。其主要原因在于，含油污泥沉积过程中损失了轻组分饱和烃，沥青质比例减少。这与含油污泥原油族组分的分析结果基本一致。

2.3 含油污泥中泥相组分的特性分析

采用Tecnai G2 F20 S-TWIN场发射扫描电子显微镜，分别对样品1和样品2中提取的泥相组分进行定性分析，结果如图1、图2所示。

图1 样品1泥相场发射扫描结果

由图1和图2场发射扫描结果可知，含油污泥中泥相由大小不一、外观不规则的颗粒组成，其外表面比较粗糙，结构较为致密，有多处不规则突起。污泥颗粒表面凹凸不平，表面出现形状多样的孔洞。其中，元素C的含量最高，其次是O和Na。此外，污泥泥土中还含有少量Cl、Ca和Mg等元素。据此可推测，含油污泥样品中的泥相中含有大量碳酸盐类矿物质[10-11]。

图2 样品2泥相场发射扫描结果

2.4 含油污泥中残留聚合物的特性分析

依据前述残留聚合物分离方法，对含油污泥中的残留聚合物进行分离，并对其结构进行表征和对比。采用红外光谱分析法对所提取残留聚合物结构进行结构表征。

由图3所示含油污泥样品中残留聚合物红外光谱分析结果可看出：在3 200 ～3 500 cm-1范围内，吸收峰较宽，为水分子中 —OH键特征吸收峰；3 367 cm-1处，为游离 —NH2特征吸收峰；3 201 cm-1为缔合 —NH2特征吸收峰；2 854 cm-1处为亚甲基对称伸缩振动特征吸收峰；1 670 cm-1处为酰胺部分羰基C=O特征吸收峰，1 600 ～1 650 cm-1处是酰胺部分N—H弯曲振动特征吸收峰。此数据也可验证疏水缔合聚合物中存在丙烯酰胺单元结构，1 457 cm-1处为亚甲基变形的特征吸收峰；1 210 cm-1和1 126 cm-1两峰为仲酰胺C—N键的伸缩振动吸收特征峰，说明含有酰胺基、疏水尾链等活性基团。 样品1和样品2中残留聚合物红外光谱与注入前疏水缔合聚合物相比较，特征峰较为接近。这说明含油污泥中所提取的聚合物结构基本相同，较为明显的变化是疏水缔合聚合物中酰胺基结构发生了水解。

3 结 语

(1) 通过实验对含油污泥中的原油、水、泥相和残留聚合物进行了分离测定。所取含油污泥样品含水率较高，油泥流动性较好，泥相含量较低，残留聚合物含量较高，给采出液和含油污泥的处理带来很大困难。

图3 含油污泥样品中残留聚合物红外光谱分析结果

(2) 通过提取含油污泥样品中的原油组分对其族组分进行了分析：饱和烃含量最高，胶质和沥青质含量次之，芳香烃含量最少；结合现场所取原油样品结果可知，含油污泥在形成过程中原油组分变化较大。其主要原因在于，含油污泥沉积过程中损失了轻组分饱和烃，沥青质减少。

(3) 含油污泥样品中的泥相主要由O、C和Na等元素组成，其中C含量最高，其次是O和Na。由此，可推测泥相中含有大量碳酸盐类矿物质。

(4) 含油污泥中所提取聚合物的结构基本相同，较为明显的变化是含油污泥样品中残留聚合物结构中酰胺基发生了水解。

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