三元复合驱采出液沉降处理室内实验研究

余 男, 曹广胜, 白玉杰, 李世宁， 单继鹏

(1.东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江 大庆 163318)

目前，大庆油田的水驱油已经进入了特高含水阶段，三元复合驱油[1-2]技术越来越受到人们的关注，但是三元复合驱采出液体系中离子矿化度较高，悬浮颗粒半径较大[3]，原油乳化严重，形成了O/W型乳状液[4-5]，导致体系黏度较大，成分较复杂，使三元采出液这种复杂的污水体系，在进行油水分离时，很难靠常规沉降处理方法达到较好的分离效果，处理后的三元污水中油质量浓度和悬浮物质量浓度都严重超标[6-7]，无法达到油田回注水处理要求[8]。为此，本文通过室内沉降和过滤实验，明确不同含剂浓度三元污水与聚驱污水混掺沉降的技术界限[9-10]，以及三元污水与聚驱污水混掺过滤，聚驱污水与水驱污水混掺过滤的技术界限，为提高萨北开发区三元复合驱采出污水的再利用提供技术支持[11-12]，对指导油田污水资源有效利用和实现油田可持续发展具有重要的现实意义。

1 时间对采出液沉降效果的影响

将取自北Ⅲ-6三元污水站的三元采出液，在恒温38 ℃条件下进行沉降实验，沉降时间设置为0、8、10、12、14、16 h，在各沉降时间进行取样，分别测油质量浓度2次，取平均值，测悬浮物质量浓度3次，取平均值，测黏度和pH各1次，通过在不同沉降时间下三元采出液水质测量结果对比，分析沉降时间对三元采出液沉降效果的影响，结果见图1。

图1 沉降时间对油质量浓度和悬浮物质量浓度及去除率的影响

Fig.1Effectofsettlingtimeonoilcontentandsuspendedmattercontent

1.1 沉降时间对三元采出液水质指标影响

根据实验方案测试不同沉降时间下采出水体系中油质量浓度、悬浮物质量浓度的变化，见图1(a)。

由图1(a)可以看出，采出液体系中油质量浓度和悬浮物质量浓度均随着沉降时间的增长而降低，沉降时间12 h以前，油质量浓度和悬浮物质量浓度下降速度较快，沉降时间超过12 h以后，油质量浓度和悬浮物质量浓度下降速度变缓；沉降时间为8 h时，三元采出液中油质量浓度为132.3 mg/L，悬浮物质量浓度为32.3 mg/L，其中油质量浓度未达到沉降处理指标要求(≤100 mg/L)，悬浮物质量浓度达到了沉降处理指标要求(≤50 mg/L)。

1.2 沉降时间对油质量浓度和悬浮物去除率的影响

根据上述实验结果，计算不同沉降时间对三元采出液中油质量浓度和悬浮物的去除率，计算结果见图1(b)。

由图1可以看出，在沉降时间达到10 h时，油质量浓度和悬浮物质量浓度的沉降效果已经很明显，其中油质量浓度达到83.56 mg/L，悬浮物质量浓度达到21.7 mg/L，油去除率为85.65%，悬浮物去除率为74.89%。10 h之后油质量浓度与悬浮物质量浓度依然下降，但沉降效果已不明显，沉降时间为12 h时，油去除率为90.59%，悬浮物去除率为80.33%，12 h后油去除率和悬浮物去除率均趋于平稳。

2 温度对采出液沉降效果的影响

将取自北Ⅲ-6三元污水处理站的三元采出液置于恒温箱中的简易沉降装置中，在30、35、40 ℃三种恒温条件下进行自然沉降实验，设计沉降时间分别为0、0.5、1、2、4、6、8、10、12、14、16 h，在各沉降时间进行取样，分别测油质量浓度和悬浮物质量浓度，对比不同沉降温度下各沉降时间所处理的三元采出液中油质量浓度和悬浮物质量浓度的变化，分析不同沉降温度对三元采出液沉降效果的影响，结果见图2。

2.1 温度对三元采出液沉降后油质量浓度影响

图2(a)为温度对三元采出液油质量浓度的影响。由图2(a)可以看出，在30、35、40 ℃下，随着沉降温度的升高，在不同沉降时间下，三元采出液中的油质量浓度均有所下降，除油效果均有所提高。这是由于三元采出液中的油主要由大大小小粒径不同的油滴组成，均匀地分散在三元采出液中，三元采出液中碱、HPAM、表面活性剂等残留药剂的作用效果受温度的影响较大，在温度较高时会促进油滴分子间的聚结，且随着沉降时间的增长，采出液中小油滴的聚结速度加快，使油质量浓度降低。因此，在三元采出液处理时应当提高污水处理的温度。

图2 温度对三元采出液油质量浓度和悬浮物质量浓度的影响

Fig.2Effectoftemperatureonoilcontentandsuspendedmattercontentofternaryrecoveryfluid

2.2 不同沉降温度对悬浮物去除效果的影响

不同沉降温度下，三元采出液在不同沉降时间时的悬浮物质量浓度测量结果见图2(b)。

由图2(b)可以看出，在30、35、40 ℃下，三元采出液中的悬浮物初始质量浓度为47.32 mg/L，在沉降初期，三元采出液悬浮物质量浓度处于沉降处理标准50 mg/L以下，只是随着沉降温度的升高，在不同沉降时间下，三元采出液中的悬浮物质量浓度均有所下降，悬浮物的去除效果均有所提高，说明沉降温度的提高更有助于三元采出液的沉降效果。

3 聚合物质量浓度对沉降效果的影响

选取聚合物质量浓度分别为300、400、500、600、700 mg/L的三元采出液。在实验温度为35 ℃(现场温度)的条件下，测量其沉降时间分别为10、12、14、16、18 h时油质量浓度、悬浮物质量浓度的变化规律，结果见图3。

图3 不同聚合物质量浓度采出液在不同沉降时间条件下对三元采出液油质量浓度和悬浮物质量浓度的影响

Fig.3Effectsofdifferentconcentrationofproducedliquidonoilcontentandsuspendedmattercontentofternaryrecoveryfluidunderdifferentsettlingtimeconditions

3.1 油的去除效果

由图3(a)可以看出，在相同沉降时间条件下，随着聚合物质量浓度的增加，油质量浓度增加，说明聚合物质量浓度越高，三元采出液的沉降效果越差。但是当聚合物质量浓度大于700 mg/L时，靠单纯的三元采出液沉降处理方法，已很难达到三元采出液水质处理标准，因此当三元采出液聚合物质量浓度较高时，可考虑与深度处理污水或聚驱污水混掺沉降的方式进行处理，以便使三元采出液经沉降处理后能达到处理标准。

3.2 悬浮物的去除效果

由图3(b)可以看出，在相同沉降时间条件下，随着三元采出液中聚合物质量浓度的增加，悬浮物质量浓度增加。说明聚合物质量浓度越高，三元采出液的沉降处理的难度越大。

4 表面活性剂对沉降效果的影响

配制聚合物质量浓度分别为300、400、500、600 mg/L的三元采出液。设定实验温度为35 ℃，在恒温箱内沉降14 h，测量不同聚合物质量浓度、不同表面活性剂质量浓度三元采出液中的油质量浓度和悬浮物质量浓度。通过油质量浓度、悬浮物质量浓度以及油去除率和悬浮物去除率变化分析，总结不同含表面活性剂质量浓度三元采出液的沉降效果及其规律，见图4。

由图4(a)可以看出，随着表面活性剂质量浓度的增加，相同聚合物质量浓度三元采出液的油质量浓度增加，且聚合物质量浓度越大增加的幅度越大，当表面活性剂质量浓度超过200 mg/L后，油质量浓度增加幅度减小或有下降趋势，说明表面活性剂残留量越多，沉降处理效果越差，由于成本原因，表面活性剂注入量有限(约为质量浓度0.3%)，而且表面活性剂在油层中的吸附量较大，所以在三元采出液中表面活性剂质量浓度相对较小，就萨北开发区而言，三元采出液中表面活性剂质量浓度基本不会超过300 mg/L，处于油质量浓度处理难度较大阶段，所以说，表面活性剂质量浓度对三元采出液的处理效果有较大影响。

图4 表面活性剂质量浓度对三元采出液油质量浓度和悬浮物质量浓度的影响

Fig.4Effectofsurfactantconcentrationonoilcontentandsuspendedmattercontentofternaryrecoveryfluid

由图4(b)可以得出，表面活性剂质量浓度为200 mg/L时，聚合物质量浓度为500 mg/L的三元采出液在沉降14 h就已经达不到三元采出液的沉降指标要求；表面活性剂质量浓度为100 mg/L时，聚合物质量浓度为600 mg/L的三元采出液在沉降14 h就已经达不到三元采出液的沉降指标要求，说明在表面活性剂质量浓度和聚合物质量浓度都较高的情况下，三元采出液沉降处理时，一是增加沉降时间，增加污水处理成本；二是在尽量不增加处理成本情况下，通过与深度处理污水或聚驱污水混掺的方式进行沉降处理，以保证在沉降12 h以内达到沉降水质指标要求。

5 三元和聚驱采出液混掺沉降效果及技术界限研究

将三元采出液与聚驱采出液依次按照1∶5、1∶4、1∶3、1∶2和1∶1的质量比例掺混(简称混掺比)，在35 ℃条件下，在自行设计的简易沉降装置中沉降，设计沉降时间分别为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 h，并在各沉降时间取样，测油质量浓度2次，取平均值，结果见图5。

图5 不同混掺比对采出液油质量浓度的影响

Fig.5Influenceofoilcontentofextractionliquidunderdifferentmixingratio

由图5可以看出，在混掺污水沉降过程中，混掺比为1∶5的三元、聚驱混掺污水的油质量浓度随着沉降时间的增长而下降，且下降幅度比较明显，在沉降6 h后，混掺污水的油质量浓度已达到90.69 mg/L(≤100 mg/L)。在油田污水实际处理中，将采出液沉降10 h、水中油质量浓度<100 mg/L作为沉降处理标准。当混掺比大于1∶3时，沉降时间在10 h以内，混掺沉降后污水中油质量浓度即可达到三元污水沉降指标要求；混掺污水沉降8 h时，混掺比为1∶4和1∶3的混掺污水的油质量浓度分别为83.23、78.82 mg/L，均达到三元污水沉降指标要求，但考虑实际生产中三元采出液的处理量及沉降处理效率，确定三元采出液与聚驱采出液混掺比为1∶3更具有现实意义。

将三元采出液与聚驱采出液按最优混掺比1∶3进行混掺，并分别测定三元采出液、聚驱采出液和掺混污水中聚合物、表面活性剂、碱剂的质量分数以及污水的黏度，见表1。

表1 不同污水类型基本物性参数Table 1 Basic physical parameters of different types of sewage

由表1可以看出，三元采出液中聚合物、表面活性剂及碱的质量浓度较高，黏度也较大；聚驱采出液与三元采出液相比，聚合物质量浓度和黏度均较低，且不含表面活性剂和碱；三元采出液与聚驱采出液按混掺比1∶3混掺后，混掺污水中聚合物、表面活性剂和碱的质量浓度以及黏度均介于三元采出液和聚驱采出液之间，由此分析混掺污水的沉降处理难度应该比三元采出液的低。

图6为不同类型采出液油质量浓度的影响。由图6可以看出，随着沉降时间的增长，三元采出液、聚驱采出液及混掺污水的油质量浓度均呈下降趋势。聚驱采出液中的油水分离速度最快，油质量浓度下降到98.59 mg/L时仅需沉降4 h；三元采出液中油质量浓度达到92.33 mg/L时，沉降时间为12 h；混掺污水油质量浓度达到86.3 mg/L时，沉降时间需8 h，说明在三元采出液中混掺聚驱采出液，有助于降低三元采出液中油水的分离难度，从混掺后混掺污水的水质特性分析，将三元采出液与聚驱采出液混掺，不但可以降低污水处理难度，而且更加有利于现有油田三元采出水处理工艺的稳定运行。

图6 不同类型采出液油质量浓度的影响

Fig.6Influenceofoilcontentofdifferenttypesofextractionliquid

图7为不同类型采出液体系悬浮物质量浓度随沉降时间的变化。由图7可以看出，聚驱采出液在沉降时间0～4 h时，悬浮物质量浓度随沉降时间急剧降低，之后随着沉降时间的增长，悬浮物质量浓度基本维持稳定；三元采出液中悬浮物质量浓度在沉降时间为12 h时达到沉降指标要求(<50 mg/L)，在沉降时间为12 h之前，悬浮物质量浓度随着沉降时间的增长而下降，且下降幅度波动较大，12 h之后下降幅度较平缓；而混掺污水的悬浮物质量浓度在沉降时间为4 h之前就达到了沉降指标要求(<50 mg/L)，之后随着沉降时间的增长而基本保持稳定，说明聚驱采出液掺入到三元采出液中后使混掺污水的悬浮物更易于沉降；从整体趋势看，混掺污水悬浮物质量浓度在沉降较短的时间内就能达到沉降指标要求，所以，混掺污水沉降界限应以油质量浓度所能达到的混掺界限为主，因此，以混掺污水沉降时油质量浓度所能达到的混掺沉降效果为基准，最终确定三元采出液与聚驱采出液的最佳混掺比例为1∶3，最佳混掺沉降时间界限为8 h。

图7 不同类型采出液体系悬浮物质量浓度随沉降时间的变化

Fig.7Variationofsuspendedsolidscontentindifferenttypesofliquidextractionsystemwithsettlingtime

6 结论

(1) 沉降时间对三元采出液中的油质量浓度和悬浮物质量浓度影响较大，在保证沉降后三元采出液中油质量浓度和悬浮物质量浓度达到沉降处理标准条件下，即油质量浓度不大于100 mg/L，悬浮物质量浓度不大于50 mg/L，确定最佳沉降时间为10 h。为了使三元采出液处理后的油质量浓度达到处理指标要求，建议萨北开发区在对三元采出液进行沉降时，应保持沉降温度在35 ℃以上。

(2) 从油田生产实际角度，为了控制生产成本及有效的达到生产绩效和污水回注要求，实际工作水温只要满足油去除效果即可，即处理温度基本控制在35～40 ℃。表面活性剂含量对三元采出液的处理效果有较大影响，随着表面活性剂质量浓度的增加，相同聚合物质量浓度三元采出液的油质量浓度增加，且聚合物质量浓度越大增加的幅度越大。

(3) 三元采出液中混掺聚驱采出液有助于降低三元采出液中油水的分离难度，从混掺后混掺污水的水质特性分析，将三元采出液与聚驱采出液混掺，不但可以降低污水处理难度，而且更加有利于现有油田三元采出水处理工艺的稳定运行。且三元采出液与聚驱采出液的最佳混掺比例为1∶3，最佳混掺沉降时间界限为8 h。

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