电子束辐照技术对油田含聚采出水物性影响探索性实验

马荣 纪建强 孙晓红 付馨 王建光

1大庆油田有限责任公司第五采油厂

2中国石油物资有限公司新疆分公司

聚合物驱油是油田三次采油应用最广泛的技术。聚合物驱油是在注入水中加入高分子聚丙烯酰胺驱油剂，通过增加水相黏度和降低水相渗透率来改善流度比、提高波及系数，从而提高原油采收率[1]。聚合物驱油虽提高了原油采出率，但同时也造成采出污水物性发生了较大变化。聚驱采出污水不仅含有大量的油和悬浮物等污染物，而且含有大量水解聚丙烯酰胺，使聚驱采出水处理工艺效率下降，油水分离难度加大，处理后水质难以达到回注水质指标要求。

1 含聚污水物性特点

随着油田注聚范围和规模的不断扩大，聚驱采出污水的特性发生了改变，具体表现为污水中聚合物浓度增加、污水黏度增大[2]，COD 浓度增高，表面张力及Zeta 电位绝对值上升，油水界面膜强度增高，造成污水中胶体颗粒的稳定性增强，污水体系中油滴和固体悬浮物乳化稳定性增强，使含聚污水处理体系沉降性能和过滤效果变差[3]，影响回注污水水质达标率。对某采油厂2 座含聚站污水进行了检测，具体物性数据如表1 所示。

表1 含聚污水物性检测数据Tab.1 Physical property test data of polymer-containing sewage

2 电子束辐照技术原理

电子束辐照技术是指通过电子加速器产生的电子束对污染物进行处理（图1），是一种独特的高级氧化-还原技术，其作用原理包括高能电子束直接辐射作用和电子束激发水分子产生·OH、eaq-、·H 等活性粒子的氧化-还原作用[4]。电子束辐照激发水分子产生的·OH 自由基和高能射线能够破坏含聚污水中聚丙烯酰胺的空间稳定结构，·OH 自由基氧化降解部分聚丙烯酰胺分子，从而降低含聚污水黏度。

图1 电子束辐照技术室内实验示意图Fig.1 Schematic diagram of laboratory experiment of electronbeam irradiation technology

3 电子束辐照技术实验

在电子束辐照技术对含聚污水中细菌的杀灭、降低污水的黏度及降解聚丙烯酰胺[5]作用效果研究的基础上，为了进一步考察电子束辐照技术对含聚污水其他物性的作用效果，选取了大庆油田2 座含聚污水站（1#、2#）的来水水样开展实验，研究经电子束辐照技术处理后含聚污水的pH 值、含油量、COD 浓度、TOC 浓度、S2-浓度、Zeta 电位、粒径、污水浊度等物性的变化。

实验方法是将2 种油田含聚污水直接用传送带输送到电子束辐照室进行辐照，通过调节束流强度和传输速度得到需要的辐照吸收剂量，检测辐照后含聚污水的pH 值、含油量、COD 浓度、TOC 浓度、S2-浓度、Zeta 电位、污水粒径、污水浊度、黏度、细菌。本研究采用的辐照吸收剂量为1.0 kGy～10.0 kGy。

3.1 对含聚污水pH 值的影响

将电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，对2 座含聚污水站（1#、2#）来水水样进行电子束辐照，检测辐照前后水样pH 值变化情况，具体数据见表2。

表2 含聚污水pH 值检测数据Tab.2 PH value test data of polymer-containing sewage

实验结果表明：辐照前2 种含聚污水来水pH值在7.92～8.33 范围，均呈弱碱性，1#站含聚污水pH 值略高于2#站。随着辐照吸收剂量的增加，含聚污水pH 值有小幅降低，辐照吸收剂量在10 kGy以内，电离辐照对含聚污水pH 值无明显影响。

3.2 对含聚污水含油量影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样含油量的变化情况，具体数据见表3。

表3 含聚污水含油量检测数据Tab.3 Oil content test data of polymer-containing sewage

由表3 可以看出，电子束辐照对含聚污水的含油量有一定的去除作用。随着辐照吸收剂量的增加，含聚污水含油量逐渐降低，去除率逐渐增加。辐照吸收剂量为1 kGy 时，含油量去除率为6.1%～23%；辐照吸收剂量为5 kGy 时，含油量去除率为15%～32%；辐照吸收剂量为10 kGy 时，含油量去除率可提高到29%～46%。

3.3 对含聚污水COD 浓度、TOC 浓度影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样COD 浓度和TOC 浓度的变化情况，具体数据见表4、表5。

表4 含聚污水COD 浓度检测数据Tab.4 COD concentration test data of polymer-containing sewage

表5 含聚污水TOC 浓度检测数据Tab.5 TOC concentration test data of polymer-containing sewage

从表4 可以看出：电子束辐照对含聚污水COD的去除效率较低，COD 浓度随辐照吸收剂量的增加缓慢降低。1#站、2#站污水COD 平均去除率分别为2.9%；辐照吸收剂量增加到5 kGy 后，1#站、2#站污水COD 平均去除率提高到4.3%；辐照吸收剂量增加到10 kGy，1#站、2#站污水COD 平均去除率增加到7.0%。

从表5 可以看出：电子束辐照对含聚污水TOC的去除效率较低，TOC 浓度随辐照吸收剂量的增加下降幅度较小。在辐照吸收剂量为1 kGy 时，1#站、2#站污水TOC 平均去除率为6.34%；辐照吸收剂量增加到5 kGy 后，1#站、2#站污水TOC 平均去除率提高到6.85%；辐照吸收剂量增加到10 kGy，1#站、2#站污水TOC 平均去除率增加到11.4%。可见电子束辐照对含聚污水COD、TOC 去除率较低的主要原因是电子束辐照可将含聚污水中大分子聚丙烯酰胺和石油等物质氧化降解[6]为低聚物、断链脂肪烃等小分子物质，完全将这些物质进一步矿化为二氧化碳和水则需要更高的能量[7]。

3.4 电子束辐照对含聚污水S2-浓度影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样S2-浓度变化情况，具体数据见表6。

表6 含聚污水S2-浓度检测数据Tab.6 S2- concentration test data of polymer-containing sewage

实验结果表明：随着辐照吸收剂量的增加，含聚污水中S2-浓度逐渐降低。当辐照吸收剂量增加到10 kGy 时，1#站污水S2-平均去除率达到96.6%，2#站污水S2-平均去除率达到88.8%。电子束辐照对含聚污水中S2-去除率较高的主要原因是水分子受到电子束辐射后，产生氧化性活性粒子羟基自由基·OH 和过氧化氢以及还原性水合电子eaq-和氢自由基·H，含聚污水中存在溶解氧，水合电子和氢自由基经溶解氧反应生成氧化性超氧自由基O2·-和过氧羟基自由基HO2·，在羟基自由基、超氧自由基、过氧羟基自由基、过氧化氢以及电子束直接辐照的共同作用下，含聚污水中的S2-被高效氧化[8]，实现从含聚污水中去除S2-，从而减少污水的腐蚀性和臭味[9]。

3.5 对含聚污水中Zeta 电位影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样Zeta 电位变化情况，具体数据见表7。

表7 含聚污水Zeta 电位检测数据Tab.7 Zeta potential test data of polymer-containing sewage

实验结果表明：辐照前，1#站污水的Zeta 电位绝对值高于2#站污水Zeta 电位绝对值。随着辐照吸收剂量的增加，1#站污水的Zeta 绝对值呈明显的下降趋势，2#站污水的Zeta 电位绝对值变化不大。

由此可见，电子束辐照可以降低含聚污水Zeta电位绝对值，可以破坏含聚污水体系的稳定性，使其稳定性降低，继而降低含聚污水中油水分离难度[10]。

3.6 对含聚污水粒径影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，采用激光粒度仪检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样中固体颗粒粒径分布变化情况，具体数据见表8、图2。

图2 1#站含聚污水固体颗粒粒径分布Fig2 Particle size distribution of solid particles in polymer-containing sewage at No.1 Station

表8 含聚污水固体颗粒粒径分布数据Tab.8 Solid particle size distribution data of polymer-containing sewage

实验结果表明：随着辐照吸收剂量的增加，1#和2#站污水中固体颗粒粒径中值呈下降趋势，颗粒粒径在10～100 μm 占比有所降低，粒径在5 μm 颗粒占比升高。说明电子束辐照对含聚污水中悬浮固体颗粒有一定的破碎作用，可减小颗粒粒径。

3.7 对含聚污水浊度影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样浊度变化情况，具体数据见表9。

表9 含聚污水浊度检测数据Tab.9 Turbidity test data of polymer-containing sewage

实验结果表明：随着辐照吸收剂量的增加，含聚污水浊度逐渐减小，污水的乳化程度逐渐降低，污水的透明度提高了。

3.8 对含聚污水悬浮固体含量影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样悬浮固体含量变化情况，具体数据见表10。

表10 含聚污水悬浮固体检测数据Tab.10 Suspended solids test data of polymer-containing sewage

实验结果表明：随着辐照吸收剂量的增加，含聚污水悬浮固体含量无明显变化。

3.9 对含聚污水黏度影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样黏度变化情况，具体数据见表11。

表11 含聚污水黏度检测数据Tab.11 Viscosity test data of polymer-containing sewage

由表11 可知：随着辐照吸收剂量的增加，含聚污水黏度下降明显。辐照吸收剂量为1.0 kGy时，污水黏度即可降为1.1～1.55 mPa·s，辐照吸收剂量增加到5.0 kGy 及以上时，污水黏度接近相同温度下水的黏度。

3.10 对含聚污水细菌影响

电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、5.0、10.0 kGy，检测2 种含聚污水（1#、2#）辐照前后水样细菌变化情况，具体数据如表12 所示。

表12 含聚污水细菌检测数据Tab.12 Bacterial test data of polymer-containing sewage

由实验结果可知，电子束辐照对含聚污水的杀菌效果十分明显。当辐照吸收剂量为1.0 kGy 时，含聚污水中的硫酸盐还原菌、腐生菌和铁细菌去除率均达到99%以上；当辐照吸收剂量增加到5.0 kGy 以上，3 种细菌数量均降为0，均未检出。

4 结论

（1）电子束辐照技术可提高含聚采出水中含油去除率。辐照吸收剂量1 kGy 时，含聚污水含油量去除率为6.1%～23%；辐照吸收剂量为5 kGy 时，含油量去除率为15%～32%；辐照吸收剂量为10 kGy 时，含油量去除率可提高到29%～46%。

（2）电子束辐照技术对含聚采出水中有机物去除率较低。辐照吸收剂量为1 kGy 时，含聚污水中COD 和TOC 的平均去除率分别为2.9%和6.34%；辐照吸收剂量为5 kGy 时，含聚污水中COD、TOC 和平均去除率分别为4.3%和6.85%；辐照吸收剂量为10 kGy 时，含聚污水中COD、TOC 的平均去除率分别为7.0%和11.4%。

（3）电子束辐照技术可以高效灭活含聚采出水中硫酸盐还原菌、腐生菌和铁细菌，高效氧化含聚采出水中的S2-，减小悬浮固体颗粒粒径，有效降低含聚采出水黏度、Zeta 电位绝对值和浊度。