油井酸化返排液油水分離效率的影響因素

王崇(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

0 引言

酸化是海上油田一項重要的增產措施，返排液處理是油井酸化施工中的一個重要步驟，酸化返排液是否能實現有效油水分離，對于保證油田的正常生產及外輸原油質量具有重要意義。酸化工藝雖然在海上油田已應用較為成熟，但由于受海上平臺的空間限制，生產流程較短，酸化返排液經沉降罐分離后進入電脫水器掉電現象頻發，嚴重影響了油井酸化返排液的油水分離效率[1-3]。為此，開展了油井酸化返排液油水分離效率的影響因素研究，明確了導致酸化返排液進入電脫水器后電脫水困難的主要原因。

1 酸化返排液電脫水實驗研究方法

(1)酸化返排液電脫水機理。在交流電場中，電極板所帶電荷極性不斷地發生變化，酸化返排液中水滴的表面電荷方向也隨電場的變化而不斷改變，使包圍水滴的界面膜薄化，并沿電場方向發生聚集、破裂，實現酸化返排液脫水，其聚結效率隨施加的電場增強而增加。水滴能否并聚，進而形成較大顆粒，是界面膜是否破裂的關鍵。(2)電脫水實驗原理。實驗選用電場強度參數來表征返排液油相的油水分離效率，評價其電脫水的難易程度。在借鑒海上油田現場使用的電脫水器工作原理的基礎上，制備了實驗室小型模擬電破乳實驗裝置。該儀器長電極長度為8 cm，短電極長度為4 cm，可加最大電壓為5.25 kV，與現場用電脫水器的最高工作電壓相符。

2 實驗設計

2.1 實驗儀器及材料

實驗儀器：分析天平，感量0.1 mg；恒溫水浴鍋，工作溫度范圍為室溫至150 ℃，控溫精度±1 ℃；實驗室小型電破乳儀器；離心機，轉速0～3 000 r/min。實驗材料：蒸餾水；渤海油田酸化返排液油相；鹽酸、碳酸氫鈉、六水氯化鐵、無水氯化鈣，均為分析純。

2.2 實驗方法

(1)機械雜質含量。取現場返排液進行沉降，取下層油樣進行離心，將濾出固體用汽油清洗、烘干、研磨，制成固體粉末。將上層油樣與蒸餾水按照油水體積比3∶2混合，以3 000 r/min攪拌15 min，在溫度60 ℃條件下靜置30 min，制備成含水率為40%的油包水乳狀液。取400 mL油包水乳狀液，分成4份，分別加入不同質量的固體粉末，經高速攪拌后在溫度60 ℃條件下靜置30 min，采用電脫水裝置進行板間電場強度測定。

(2)pH值。取300 mL酸化返排液油相，分為3份，記做樣品A、樣品B、樣品C。用質量分數2%鹽酸、質量分數5%碳酸氫鈉緩沖溶液調節pH值后，在恒溫水浴60 ℃下靜置1 h使其充分反應。然后通過電脫水裝置測定溶液pH在1～10條件下的電場強度。

(3)進液溫度。量取300 mL酸化返排液油相，分成3份，記為樣品A、樣品B、樣品C，分別在溫度為60、80、100、120 ℃條件下進行板間電場強度測定。

(4)高價陽離子。量取80 mL酸化返排液油相，分別加入20 mL濃度為1%的氯化鈣溶液、氯化鎂溶液、三氯化鐵溶液，在溫度為60 ℃的恒溫水浴鍋中靜置1 h，使其充分反應，然后倒入評選瓶中，進行板間電場強度測定。

3 結果討論

3.1 機械雜質含量對返排液油水分離效率的影響

酸化返排液攜帶的機械雜質主要為儲層微粒、粘土礦物、氟硅酸鹽及硫化亞鐵等。這些機械雜質具有油水雙潤濕性，易使油水相界面強度發生變化，導致返排液的電場強度隨之變化，從而對油水分離效率的產生較大影響。為考察機械雜質對酸化返排液電脫水的影響程度，實驗評價了在不同含量的機械雜質在電脫水裝置中的電場強度。結果表明，三個樣品電場強度的變化趨勢相似，當機械雜質含量低于50 mg/L時，原油乳化現象不明顯，電場強度高于318.75 V/cm，能建立起脫水所需的電場強度，因而能較好實現返排液油水分離；隨著機械雜質含量的增大(50 mg/L以上)，電場強度急劇降低，油相乳化現象加劇；當機械雜質含量增至200 mg/L時，電脫水器出現明顯過流現象，電場強度介于93.74～151.25 V/cm，遠低于電脫水器正常工作所需的電場強度。分析該現象產生的原因是由于機械雜質的油水雙潤濕性的性質決定了油-水-固三相交界處穩定性，且機械雜質以顆粒狀分散于油水界面，從而阻隔液滴間的聚并，導致乳狀液的穩定性增強。

3.2 pH值對油水分離效率的影響

在酸化作業過程中，返排液pH值呈較為明顯的遞增趨勢。直至返排后期，返排液pH值逐漸趨近于中性，甚至堿性。實驗考察了酸化返排液油相pH值對油水分離效率的影響，實驗結果如圖1。由圖1可知，隨著pH值升高，返排液油相電場強度呈先增大后降低的趨勢，且在pH=7時油相電場強度達到最大值。實驗結果表明，強酸和強堿性環境均使酸化返排液電破乳更為困難。分析原因可能是在低pH環境下(pH≤3)，返排液中攜帶的大量氫離子易與原油中的極性分子的羧酸鹽和環烷酸鹽等非離子型有機物脂肪酸接觸反應，形成陰離子類乳化物質，吸附在油水界面，使得界面膜更為致密，膜強度增大，乳化液穩定性增強，導致油相電場強度降低；在pH=7時，溶液中游離氫離子和氫氧根離子含量最低，此時油相電場強度最高；在高pH環境下(pH≥9)，游離氫氧根離子增多，大量鐵離子轉化為氫氧化鐵膠體，使得油相電場強度不斷降低。

3.3 進液溫度對油水分離效率的影響

極限電壓與進液溫度的關系如圖2所示。結果表明：三個樣品的電場強度均隨著進液溫度的升高而增大，溫度對返排液油相的電脫水效率影響較大。分析原因可能是由于隨溫度升高，蠟晶體重新溶解到油相中，油相黏度降低，離子遷移率增大，使得溶液電阻率降低，電場強度升高。同時，溫度也降低了界面黏度，加劇液滴聚結，導致原油水界面膜更趨于不穩定狀態。此外，溫度增加了液滴的熱能，因此增加了液滴碰撞的頻率，提高了油水分離效率。在現場進行返排液處理過程中，可通過適當提高進液溫度有助于解決返排液油相油水分離效率低的問題。

3.4 高價陽離子對油水分離效率的影響

在酸化作業過程中，酸液溶蝕地層中粘土礦物，會產生大量的Ca2+、Mg2+、Fe3+等高價陽離子，且酸液溶解管線中的鐵銹也會生成Fe3+。此外，酸化作業后由于地層水礦化度較高，殘酸經過地層時會攜帶了更多的Ca2+、Mg2+，酸化返排液中不可避免含有Ca2+、Mg2+、Fe3+這些高價陽離子。為考察不同類型高價陽離子對油水分離效率的影響，實驗將氯化鈣溶液、氯化鎂溶液、三氯化鐵溶液分別加入上層油相中，測其電場強度，實驗結果如圖3所示。由圖可知，隨著高價陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)濃度增大，油相電場強度降低，這說明相對較高濃度的陽離子有利于增大導電離子的活性，更利于形成導電介質，增大油相導電性，使得油相在電脫水器中脫水難度增大；當所加入的鹽為三氯化鐵時，其油相電場強度的降幅最大，分析原因可能是酸化作業后油相經中和反應后pH值恢復至6～7后，不同于鈣、鎂離子生成的氫氧化物沉淀，鐵離子易聚集形成氫氧化鐵沉淀及膠體，并吸附在油水界面，進一步增強了油相穩定性，導致電場強度大幅降低，電脫水難度增大。

圖1 機械雜質與返排液油相電場強度的關系曲線圖

圖2 進液溫度與返排液油相電場強度的關系曲線圖

圖3 陽離子溶液與返排液油相電場強度的關系曲線圖

4 結語

機械雜質含量增至50 mg/L后，返排液油相乳化現象加劇，電場強度急劇降低，顯著影響返排液油水分離效率；當酸化返排液pH 值為7左右時，電場強度達到最大值，油水分離效果最好，強酸及強堿環境下均不利于酸化返排液脫水；高價陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)使返排液油相的電場強度有所降低，其中鐵離子影響最大，且當鐵離子濃度高于300 mg/L后，電脫水裝置無法穩定運行。基于室內模擬實驗分析認識，提出了針對酸化返排液進入電脫水裝置后頻繁跳閘問題的對策方法；同時建議現場采用化學沉降、消除返排液中高價金屬離子含量的方法來提高油水分離效果。