電化學破乳技術在風城超稠油SAGD 循環液處理中的應用

孫森 李學軍 張炳成 邱江源 胡新玉

摘要：2021年4月，為了完成《風城超稠油SAGD循環液電化學油水分離技術研究》科研項目，新疆成和天利能源科技股份公司在風城作業區的安排下，對風城超稠油SAGD循環液進行了電化學除油和電磁復合脈沖原油脫水實驗室評價，取得了較好的試驗效果。經過兩級電化學除油后，出水油含量明顯降低，電化學除油效果顯著。 經過試驗評價，初步形成了一套“電化學除油+電磁復合脈沖原油脫水”組合工藝技術，可以實現SAGD循環預熱液中原油回收處理合格，污水正常處理，實現增產增效，降低SAGD循環預熱液處理成本。

關鍵詞：電化學 ?除油技術 ?風城 ?處理

引言：

國內外常見的油水分離技術包括熱化學沉降法、電破乳除油、電化學脫水法、電磁復合脈沖脫水法等，其中電磁復合脈沖具有適應來液范圍寬，脫水效率高、處理時間短，降低破乳劑用量等優勢。電磁復合脈沖原油脫水法：電除油裝置工作機理是利用電場力對乳液顆粒的吸引或排斥作用，使乳化油膠體在運動中互相碰撞，從而破壞其水化膜及雙電層結構，使微細油粒聚結成較大的油粒浮升于水面，達到油水分層的目的。脈沖電磁場產生電磁振蕩，使乳化小水珠極化，加速運動，沖擊乳化膜，降低膜強度;當脈沖頻率接近界面膜諧振頻率時兩者形成共振，形成不可逆孔，小水滴穿孔而出，實現破乳。

一、要解決的關鍵技術問題

根據現場需求，和前期調研情況，開展以“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術為主要方向的研究成果和現場試驗。需要解決的關鍵技術問題有以下幾個方面：

1. SAGD循環液物性分析研究

①循環液物性對比分析②循環液電性特性研究;③循環液油泥水分離研究。

2. SAGD循環液電化學油水分離機理研究

①電化學除油機理研究;②電磁復合脈沖脫水機理研究。

3. SAGD循環預熱液處理裝置研制;

①SAGD循環預熱液處理設備研制;②SAGD循環預熱液電極控制系統研制。

4. SAGD循環液電化學油水分離配套藥劑研制

①配套藥劑研制;②不同摻柴比例條件下藥劑優化研究。

5. 現場試驗研究。

二、攻關目標及主要研究內容

（二）攻關目標

1、研究目標

（1）以風城2號稠油聯合站SAGD循環預熱液處理現有工藝為基礎，采用電化學技術聯合藥劑通過靜態評價和動態評價對SAGD循環預熱液進行電化學脫穩除油預處理，進行油水泥預分離;

（2）對SAGD循環液電化學油水分離技術優選，電化學處理預分離含水原油采用電磁復合脈沖脫水，含水率達到5.0%以下;電化學處理污水進入現有采出水處理系統，并滿足現有的處理工藝條件;

（3）形成一套電化學處理SAGD循環預熱液工藝路線，實現SAGD循環預熱液中原油回收處理合格，增產增效，降低SAGD循環預熱液處理成本。

主要研究內容

（1）SAGD循環液物性分析研究

①循環液物性對比分析②循環液電性特性研究;③循環液油泥水分離研究。

（2）SAGD循環液電化學油水分離機理研究

①電化學除油機理研究;②電磁復合脈沖脫水機理研究。

（3）SAGD循環預熱液處理裝置研制;

①SAGD循環預熱液處理容器研制;②SAGD循環預熱液電極控制系統研制。

（4）SAGD循環液電化學油水分離配套藥劑研制

①配套藥劑研制;②不同摻柴比例條件下藥劑優化研究。

（5）現場試驗研究。

① 風城2號稠油聯合站SAGD循環預熱液，應用電化學技術聯合藥劑處理工藝研究。通過靜態試驗評價電極材料（可溶性、微溶性、不溶性）、電流、電壓、占空比、頻率、溫度、時間、藥劑、摻柴油比例等電化學處理SAGD循環預熱液的預分離效果的影響;優化電極材料和運行參數，進行動態小試，研究電化學技術聯合藥劑處理工藝運行的可靠性和穩定。

② SAGD循環預熱液含水原油采用電磁脈沖原油脫水工藝研究。通過靜態試驗評價電磁場強度、占空比、頻率、溫度、時間、藥劑對脫水效果的影響;優化運行參數，進行動態小試，研究電磁脈沖原油脫水技術處理工藝運行的可靠性和穩定。

③ 形成一套“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術為主要方向的研究成果和現場試驗，實現SAGD循環預熱液中原油回收處理合格，增產增效，降低SAGD循環預熱液處理成本。

三、技術思路和研究路線

（一）技術思路

（1）根據SAGD循環液物性分析及電化學除油機理研究結論，確定SAGD循環預熱液處理裝置，在不同工藝參數條件下對含油類、懸浮物去除效果，試驗裝置結構進行設計與優化;

（2）開展不同工藝參數調控試驗，實現油、泥、水三相分級分離;以及常壓容器在不同溫度下適應性（80-100℃）;

（3）進行現場連續動態實驗，確定不同工藝條件下電化學法除油效率，優化不同參數處理效果、經濟費用。

（4）開展含水原油脫水試驗：開展高頻電脈沖脫水試驗工藝研究，對比高溫SAGD密閉脫水試驗、大罐熱化學沉降脫水試驗等不同工藝下脫水效率。

（5）形成一套“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術為主要方向的研究成果和現場試驗，實現SAGD循環預熱液中原油回收處理合格，增產增效，降低SAGD循環預熱液處理成本。

（二）技術研究路線

研究思路：

首先對國內外研究現狀和現場運行情況進行調研，找到SAGD循環預熱液油水處理工藝存在的主要存在問題;其次通過開展原油物性評價認識研究以及現有主體油水處理工藝評價研究等工作，確定SAGD循環預熱液油水處理工藝優化研究方向;第三根據上述研究結果，開展電化學除油和電磁復合脈沖原油脫水工藝室內評價研究，確定初步技術參數;第四在室內評價基礎上開展現場工藝實驗應用及優化，包括現場工藝安裝、運行和改進等;最終，由現場運行結果來評價本項目的研究成果，形成一套“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術為主要方向的研究成果。

技術路線：

三、 預期成果和考核指標

（一）預期成果與關鍵技術

（1）形成一套“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術為主要方向的研究成果和現場試驗，實現SAGD循環預熱液中原油回收處理合格，增產增效，降低SAGD循環預熱液處理成本。

（2）形成《風城超稠油SAGD循環液電化學油水分離技術研究》技術報告。

1、技術經濟考核指標

風城超稠油SAGD循環液電化學油水分離技術指標：

（1）原油含水率<5%，脫出污水含油、懸浮物<300mg/L;

（2）同指標下，藥劑投加量下降30%;

（3）同指標下，SAGD循環液綜合處理成本較目前降低30%以上。

2、知識產權考核指標

（1）申報專利1項;

（2）發表核心論文1篇;

（3）成果報告1份。

3、預期應用前景

通過現場試驗，形成一套“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術，利用電化學的方法合格處理風城SAGD循環預熱液，大幅度減少藥劑使用量、降低處理成本，實現風城超稠油經濟效益開發。風城油田作業區2021年預計投產SAGD新井34對，每天將產生SAGD循環預熱液4000多噸，按照SAGD循環預熱階段6個月到9個月測算，本項目產生的降本增效收益巨大，對風城超稠油全生命周期的順利實施有著關鍵技術的作用。另外對重油公司九八區SAGD開發試驗，也具備推廣應用前景。

四、計劃任務完成情況

（一） 完成的主要工作量

1、SAGD采出液的組成與性質研究

新疆風城SAGD采出液中原油密度大、酸值高、粘度高、膠質和瀝青質含量高，并且采出液中泥沙含量高，使得采出液組成復雜，乳狀液非常穩定，給油水分離照常了很大困難;同時，分離后的污水含油明顯增高。而SAGD采出液中的界面活性組分、泥沙是采出液穩定存在的主要原因。因此，研究SAGD采出液的組成和性質，對風城超稠油油開采、集輸和加工都有重要的意義。

2、實驗部分

（3）分子量的測定

SAGD原油及其組分的數均分子量采用蒸汽壓滲透法（VPO法）。

（4）酸值測定

根據相關標準測定了原油及其四組分的酸值[39]。

（5）SAGD采出液的元素組成

利用元素分析儀，測定了SAGD采出液水中原油及其組分的C、H、N、O、S等元素的含量。

（6）SAGD原油及其組分的紅外光譜分析

采用用美國尼高力公司的PerkinElmer instruments Spectrum One型紅外光譜儀測定了原油及其極性四組分的紅外光譜。

（二）結果

（1）SAGD采出液基本性質

風城SAGD采出液為高含水原油，含水量為78.3%，其浮油含水為29.3%;游離水中含有大量的油，水相呈黑褐色，有大量分散油，由此看出采出液非常穩定。采出液的pH值為7.92偏堿性，密度為0.9836g·cm-3，粘度為37012 mPa.s，表明風城SAGD采出液為高密度高粘度原油。風城SAGD稠油物性參數見表2-1和2-2。

由表2-2可知，SAGD采出液水中油的含量較高，油含量高達7978 mg·L-1，靜置30天后，油含量為7899 mg·L-1，除油率0.83%;采出油含水量很高，是穩定的W/O型乳狀液。說明SAGD采出液游離水是非常穩定的W/O型乳狀液，油水分離非常困難。采出液泥沙含量為7.05%，經長時間靜止沉降水相中仍含有大量的泥沙。說明采出液的泥沙顆粒小，而大的油滴在靜止沉降以后會自動油水分離，但分離時間長;而較小的油滴則會長時間存在于水中，并且由于泥沙的存在，使得水中油無法完全實現自動的油水分離。

（2）SAGD稠油四組分含量分離

SAGD稠油四組分分離結果見表2-3。

由表2-3可知，SAGD稠油中，四組分的含量順序為：芳香分>膠質>飽和分>瀝青質。其中瀝青質含量為11.88%，含量較高，遠高于普通原油中瀝青質的含量，膠質的含量22.59%，約為瀝青質的兩倍，膠質和瀝青質等活性組分占到了稠油的1/3。說明SAGD采出液稠油膠質和瀝青質含量高，具有較強的乳化能力，采出液穩定性強。

（2）SAGD稠油元素及酸值分析

由四組分H/C比值的大小發現，飽和分、芳香分、膠質、瀝青質的飽和度依次降低;瀝青質的N、S、O等雜原子總含量最高，且遠大于其他三組分中的N和S等雜原子含量。膠質的N、S、O等雜原子總含量也較多，說明膠質瀝青質中的極性基團很多，對界面膜的穩定性起重要作用;飽和分中氮元素含氯極低，從飽和分到瀝青質的氮含量依次升高。瀝青質的結構非常復雜，膠質中的雜原子總含量僅次于瀝青質的，含有較多極性基團，對乳狀液穩定性的影響很大。

采用pH計滴定法測定SAGD稠油及四組分的酸值發現，原油的酸值達到5.38mgKOH·g-1，屬于高酸值原油，環烷酸在高溫下具有強腐蝕性，故后期處理有較大影響。四組分中瀝青質和膠質酸值分別達到7.73和5.56 mgKOH·g-1，這說明原油中的酸性組分主要集中在膠質和瀝青之中。瀝青質和膠質中環烷酸含量較高。

結論：

通過理論研究和現場試驗，形成了一套“電化學除油+電磁復合脈沖脫水”組合工藝技術，實現了SAGD循環預熱液中原油回收處理合格，增產增效，降低SAGD循環預熱液處理成本。采用物理法的電化學處理工藝，無需添加過多復雜的藥劑體系，避免了大量污油產生，是一種簡單高效、運行成本大幅度下降的處理工藝路線。

參考文獻：

[1]翟磊，靖波，王秀軍，檀國榮，孟凡雪.電化學脫穩技術處理油田含聚污水[J].化工環保，2016，36（03）：243-249.

[2]李慶，尹先清，翟磊，靖波.電化學處理海上油田含聚污水礦場[J].水處理技術，2016，42（05）：78-81.

項目名稱：

風城超稠油SAGD循環液電化學油水分離技術研究