电化学破乳技术在风城超稠油SAGD 循环液处理中的应用

孙森 李学军 张炳成 邱江源 胡新玉

摘要：2021年4月，為了完成《风城超稠油SAGD循环液电化学油水分离技术研究》科研项目，新疆成和天利能源科技股份公司在风城作业区的安排下，对风城超稠油SAGD循环液进行了电化学除油和电磁复合脉冲原油脱水实验室评价，取得了较好的试验效果。经过两级电化学除油后，出水油含量明显降低，电化学除油效果显著。 经过试验评价，初步形成了一套“电化学除油+电磁复合脉冲原油脱水”组合工艺技术，可以实现SAGD循环预热液中原油回收处理合格，污水正常处理，实现增产增效，降低SAGD循环预热液处理成本。

关键词：电化学  除油技术  风城  处理

引言：

国内外常见的油水分离技术包括热化学沉降法、电破乳除油、电化学脱水法、电磁复合脉冲脱水法等，其中电磁复合脉冲具有适应来液范围宽，脱水效率高、处理时间短，降低破乳剂用量等优势。电磁复合脉冲原油脱水法：电除油装置工作机理是利用电场力对乳液颗粒的吸引或排斥作用，使乳化油胶体在运动中互相碰撞，从而破坏其水化膜及双电层结构，使微细油粒聚结成较大的油粒浮升于水面，达到油水分层的目的。脉冲电磁场产生电磁振荡，使乳化小水珠极化，加速运动，冲击乳化膜，降低膜强度;当脉冲频率接近界面膜谐振频率时两者形成共振，形成不可逆孔，小水滴穿孔而出，实现破乳。

一、要解决的关键技术问题

根据现场需求，和前期调研情况，开展以“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术为主要方向的研究成果和现场试验。需要解决的关键技术问题有以下几个方面：

1. SAGD循环液物性分析研究

①循环液物性对比分析②循环液电性特性研究;③循环液油泥水分离研究。

2. SAGD循环液电化学油水分离机理研究

①电化学除油机理研究;②电磁复合脉冲脱水机理研究。

3. SAGD循环预热液处理装置研制;

①SAGD循环预热液处理设备研制;②SAGD循环预热液电极控制系统研制。

4. SAGD循环液电化学油水分离配套药剂研制

①配套药剂研制;②不同掺柴比例条件下药剂优化研究。

5. 现场试验研究。

二、攻关目标及主要研究内容

（二）攻关目标

1、研究目标

（1）以风城2号稠油联合站SAGD循环预热液处理现有工艺为基础，采用电化学技术联合药剂通过静态评价和动态评价对SAGD循环预热液进行电化学脱稳除油预处理，进行油水泥预分离;

（2）对SAGD循环液电化学油水分离技术优选，电化学处理预分离含水原油采用电磁复合脉冲脱水，含水率达到5.0%以下;电化学处理污水进入现有采出水处理系统，并满足现有的处理工艺条件;

（3）形成一套电化学处理SAGD循环预热液工艺路线，实现SAGD循环预热液中原油回收处理合格，增产增效，降低SAGD循环预热液处理成本。

主要研究内容

（1）SAGD循环液物性分析研究

①循环液物性对比分析②循环液电性特性研究;③循环液油泥水分离研究。

（2）SAGD循环液电化学油水分离机理研究

①电化学除油机理研究;②电磁复合脉冲脱水机理研究。

（3）SAGD循环预热液处理装置研制;

①SAGD循环预热液处理容器研制;②SAGD循环预热液电极控制系统研制。

（4）SAGD循环液电化学油水分离配套药剂研制

①配套药剂研制;②不同掺柴比例条件下药剂优化研究。

（5）现场试验研究。

① 风城2号稠油联合站SAGD循环预热液，应用电化学技术联合药剂处理工艺研究。通过静态试验评价电极材料（可溶性、微溶性、不溶性）、电流、电压、占空比、频率、温度、时间、药剂、掺柴油比例等电化学处理SAGD循环预热液的预分离效果的影响;优化电极材料和运行参数，进行动态小试，研究电化学技术联合药剂处理工艺运行的可靠性和稳定。

② SAGD循环预热液含水原油采用电磁脉冲原油脱水工艺研究。通过静态试验评价电磁场强度、占空比、频率、温度、时间、药剂对脱水效果的影响;优化运行参数，进行动态小试，研究电磁脉冲原油脱水技术处理工艺运行的可靠性和稳定。

③ 形成一套“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术为主要方向的研究成果和现场试验，实现SAGD循环预热液中原油回收处理合格，增产增效，降低SAGD循环预热液处理成本。

三、技术思路和研究路线

（一）技术思路

（1）根据SAGD循环液物性分析及电化学除油机理研究结论，确定SAGD循环预热液处理装置，在不同工艺参数条件下对含油类、悬浮物去除效果，试验装置结构进行设计与优化;

（2）开展不同工艺参数调控试验，实现油、泥、水三相分级分离;以及常压容器在不同温度下适应性（80-100℃）;

（3）进行现场连续动态实验，确定不同工艺条件下电化学法除油效率，优化不同参数处理效果、经济费用。

（4）开展含水原油脱水试验：开展高频电脉冲脱水试验工艺研究，对比高温SAGD密闭脱水试验、大罐热化学沉降脱水试验等不同工艺下脱水效率。

（5）形成一套“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术为主要方向的研究成果和现场试验，实现SAGD循环预热液中原油回收处理合格，增产增效，降低SAGD循环预热液处理成本。

（二）技术研究路线

研究思路：

首先对国内外研究现状和现场运行情况进行调研，找到SAGD循环预热液油水处理工艺存在的主要存在问题;其次通过开展原油物性评价认识研究以及现有主体油水处理工艺评价研究等工作，确定SAGD循环预热液油水处理工艺优化研究方向;第三根据上述研究结果，开展电化学除油和电磁复合脉冲原油脱水工艺室内评价研究，确定初步技术参数;第四在室内评价基础上开展现场工艺实验应用及优化，包括现场工艺安装、运行和改进等;最终，由现场运行结果来评价本项目的研究成果，形成一套“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术为主要方向的研究成果。

技术路线：

三、 预期成果和考核指标

（一）预期成果与关键技术

（1）形成一套“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术为主要方向的研究成果和现场试验，实现SAGD循环预热液中原油回收处理合格，增产增效，降低SAGD循环预热液处理成本。

（2）形成《风城超稠油SAGD循环液电化学油水分离技术研究》技术报告。

1、技术经济考核指标

风城超稠油SAGD循环液电化学油水分离技术指标：

（1）原油含水率<5%，脱出污水含油、悬浮物<300mg/L;

（2）同指标下，药剂投加量下降30%;

（3）同指标下，SAGD循环液综合处理成本较目前降低30%以上。

2、知识产权考核指标

（1）申报专利1项;

（2）发表核心论文1篇;

（3）成果报告1份。

3、预期应用前景

通过现场试验，形成一套“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术，利用电化学的方法合格处理风城SAGD循环预热液，大幅度减少药剂使用量、降低处理成本，实现风城超稠油经济效益开发。风城油田作业区2021年预计投产SAGD新井34对，每天将产生SAGD循环预热液4000多吨，按照SAGD循环预热阶段6个月到9个月测算，本项目产生的降本增效收益巨大，对风城超稠油全生命周期的顺利实施有着关键技术的作用。另外对重油公司九八区SAGD开发试验，也具备推广应用前景。

四、计划任务完成情况

（一） 完成的主要工作量

1、SAGD采出液的组成与性质研究

新疆风城SAGD采出液中原油密度大、酸值高、粘度高、胶质和沥青质含量高，并且采出液中泥沙含量高，使得采出液组成复杂，乳状液非常稳定，给油水分离照常了很大困难;同时，分离后的污水含油明显增高。而SAGD采出液中的界面活性组分、泥沙是采出液稳定存在的主要原因。因此，研究SAGD采出液的组成和性质，对风城超稠油油开采、集输和加工都有重要的意义。

2、实验部分

（3）分子量的测定

SAGD原油及其组分的数均分子量采用蒸汽压渗透法（VPO法）。

（4）酸值测定

根据相关标准测定了原油及其四组分的酸值[39]。

（5）SAGD采出液的元素组成

利用元素分析仪，测定了SAGD采出液水中原油及其组分的C、H、N、O、S等元素的含量。

（6）SAGD原油及其组分的红外光谱分析

采用用美国尼高力公司的PerkinElmer instruments Spectrum One型红外光谱仪测定了原油及其极性四组分的红外光谱。

（二）结果

（1）SAGD采出液基本性质

风城SAGD采出液为高含水原油，含水量为78.3%，其浮油含水为29.3%;游离水中含有大量的油，水相呈黑褐色，有大量分散油，由此看出采出液非常稳定。采出液的pH值为7.92偏碱性，密度为0.9836g·cm-3，粘度为37012 mPa.s，表明风城SAGD采出液为高密度高粘度原油。风城SAGD稠油物性参数见表2-1和2-2。

由表2-2可知，SAGD采出液水中油的含量较高，油含量高达7978 mg·L-1，静置30天后，油含量为7899 mg·L-1，除油率0.83%;采出油含水量很高，是稳定的W/O型乳状液。说明SAGD采出液游离水是非常稳定的W/O型乳状液，油水分离非常困难。采出液泥沙含量为7.05%，经长时间静止沉降水相中仍含有大量的泥沙。说明采出液的泥沙颗粒小，而大的油滴在静止沉降以后会自动油水分离，但分离时间长;而较小的油滴则会长时间存在于水中，并且由于泥沙的存在，使得水中油无法完全实现自动的油水分离。

（2）SAGD稠油四组分含量分离

SAGD稠油四组分分离结果见表2-3。

由表2-3可知，SAGD稠油中，四组分的含量顺序为：芳香分>胶质>饱和分>沥青质。其中沥青质含量为11.88%，含量较高，远高于普通原油中沥青质的含量，胶质的含量22.59%，约为沥青质的两倍，胶质和沥青质等活性组分占到了稠油的1/3。说明SAGD采出液稠油胶质和沥青质含量高，具有较强的乳化能力，采出液稳定性强。

（2）SAGD稠油元素及酸值分析

由四组分H/C比值的大小发现，饱和分、芳香分、胶质、沥青质的饱和度依次降低;沥青质的N、S、O等杂原子总含量最高，且远大于其他三组分中的N和S等杂原子含量。胶质的N、S、O等杂原子总含量也较多，说明胶质沥青质中的极性基团很多，对界面膜的稳定性起重要作用;饱和分中氮元素含氯极低，从饱和分到沥青质的氮含量依次升高。沥青质的结构非常复杂，胶质中的杂原子总含量仅次于沥青质的，含有较多极性基团，对乳状液稳定性的影响很大。

采用pH计滴定法测定SAGD稠油及四组分的酸值发现，原油的酸值达到5.38mgKOH·g-1，属于高酸值原油，环烷酸在高温下具有强腐蚀性，故后期处理有较大影响。四组分中沥青质和胶质酸值分别达到7.73和5.56 mgKOH·g-1，這说明原油中的酸性组分主要集中在胶质和沥青之中。沥青质和胶质中环烷酸含量较高。

结论：

通过理论研究和现场试验，形成了一套“电化学除油+电磁复合脉冲脱水”组合工艺技术，实现了SAGD循环预热液中原油回收处理合格，增产增效，降低SAGD循环预热液处理成本。采用物理法的电化学处理工艺，无需添加过多复杂的药剂体系，避免了大量污油产生，是一种简单高效、运行成本大幅度下降的处理工艺路线。

参考文献：

[1]翟磊，靖波，王秀军，檀国荣，孟凡雪.电化学脱稳技术处理油田含聚污水[J].化工环保，2016，36（03）：243-249.

[2]李庆，尹先清，翟磊，靖波.电化学处理海上油田含聚污水矿场[J].水处理技术，2016，42（05）：78-81.

项目名称：

风城超稠油SAGD循环液电化学油水分离技术研究