三元配注系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)含氧量及二次曝氧作用分析

王天宇

西南油氣田公司基建工程處

某油田三元配注系統(tǒng)采用“污配污稀”運(yùn)行模式，而污水中含有大量微生物，其中SRB 及其代謝產(chǎn)物會使聚合物分子發(fā)生降解，嚴(yán)重影響溶液黏度。此外，污水中的還原性離子如Fe2+、S2-等，在配制時易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物分子鏈斷裂，大幅降低溶液黏度。對污水進(jìn)行曝氧處理可有效抑制SRB 等厭氧菌的繁殖，從而減少聚合物溶液的生物降解[1]，還能使還原性離子提前氧化，從而減少聚合物分子的氧化降解[2]。通過對曝氧工藝的前期調(diào)研，污水經(jīng)射流器曝氧后氧含質(zhì)量濃度可達(dá)5 mg/L 左右，但由于工藝流程較長，污水到達(dá)配制、注入端時含氧濃度僅剩1.5 mg/L 左右。基于黏損較高的現(xiàn)狀，保持污水中含氧量對降低黏損有著重要的作用，因此通過開展模擬壓氣曝氧以及高壓曝氧現(xiàn)場試驗(yàn)，分別在低壓端和高壓端對污水進(jìn)行二次曝氧，在觀察二次曝氧對三元配注系統(tǒng)的影響的同時分析能否有效降低黏損。

1 三元配注系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)含氧量概況

截至2019 年，第三開發(fā)區(qū)共有A、B、C 三個工業(yè)區(qū)塊采用三元復(fù)合驅(qū)開發(fā)方式，均采用“污配污稀”的運(yùn)行方式，配制及稀釋用水為深度曝氧水，曝氧方式均為射流曝氧。

第三開發(fā)區(qū)三元系統(tǒng)曝氧站共4 座，分別為1#曝氧站、2#曝氧站、3#曝氧站、4#曝氧站，對各曝氧站及其后續(xù)配注工藝各個節(jié)點(diǎn)含氧量進(jìn)行檢測，以A 區(qū)塊東塊數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析（圖1、圖2）。

圖1 A 區(qū)塊東塊低壓流程各節(jié)點(diǎn)含氧濃度趨勢圖Fig.1 Oxygen concentration trend of each node in the low pressure process of East A Block

圖2 A 區(qū)塊東塊高壓流程各節(jié)點(diǎn)含氧濃度趨勢圖Fig.2 Oxygen concentration trend of each node in the high pressure process of East A Block

由圖1 和圖2 可知：全區(qū)三元配注系統(tǒng)高壓端與低壓端含氧量整體均呈現(xiàn)下降趨勢，污水經(jīng)過射流器后，含氧濃度可達(dá)5 mg/L 左右，但經(jīng)過儲水罐緩存后，外輸時含氧量急劇下降，再通過長距離運(yùn)輸達(dá)到下游站時，氧含濃度穩(wěn)定在1.5 mg/L 左右，且輸送距離越長，污水中含氧量越低。但在經(jīng)過低壓端配制站后，部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)反彈，含氧量略有上升。這是由于儲罐內(nèi)部構(gòu)造表面以及污水中含有的大量有機(jī)物、好氧微生物以及還原性離子等成分消耗了大量氧氣，導(dǎo)致儲水罐出口含氧量急劇下降。同時，在密閉長距離輸送管道中，曝氧污水經(jīng)過沿程不斷消耗氧氣且沒有氧氣補(bǔ)充，因此到達(dá)下游站時含濃度僅剩1.5 mg/L 左右。但由于配制工藝并非密閉流程，期間與會空氣接觸，因此在后面流程中溶液含氧量略有提升。

基于以上檢測結(jié)果可知：配注工藝復(fù)雜而且管線輸送距離長，使氧氣大量消耗，導(dǎo)致末端氧含量不足；從原理上來說，射流曝氧工藝通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)壓被動吸氧，曝氧濃度最高不超過7 mg/L，通過更換射流器在源頭提升曝氧量難以實(shí)現(xiàn)。因此，結(jié)合實(shí)際情況采取如下方案：在末端工藝增加二次曝氧，規(guī)避長距離管線流程對氧氣的損耗；用壓氣曝氧工藝代替射流曝氧，壓氣曝氧在原理上屬于主動打氧，可大幅提升曝氧量，并且可以控制調(diào)整曝氧值。

2 模擬壓氣曝氧試驗(yàn)

通過了解壓氣曝氧原理并結(jié)合某設(shè)計院類似試驗(yàn)，利用氣泵等設(shè)備向水中打氧來模擬壓氣曝氧的工作方式。本實(shí)驗(yàn)擬在配制站低壓一元來液處進(jìn)行二次曝氧，模擬配制流程，研究在低壓端進(jìn)行二次曝氧是否對配制黏度有影響。

2.1 試驗(yàn)一

在1～5 配制站低壓一元來液（罐前）進(jìn)行壓氣曝氧模擬試驗(yàn)。取二次曝氧前水樣和二次曝氧后水樣，分別測試含氧量、SRB 含量，并室內(nèi)用干粉配制成濃度為5 000 mg/L 的聚合物母液測試其黏度，結(jié)果見表1。

表1 第一次模擬壓氣曝氧試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of first simulated pressured oxygen aeration

由表1 可知，經(jīng)曝氧處理后，母液的細(xì)菌含量明顯下降（但仍未達(dá)標(biāo)），說明二次曝氧對硫酸鹽還原菌的繁殖有一定抑制作用[3]；二次曝氧水樣配制的母液黏度低于未曝氧水樣，二次曝氧沒有起到控制黏損的作用，反而影響了母液黏度。

2.2 試驗(yàn)二

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，理論上最佳曝氧效果的氧含濃度應(yīng)為5 mg/L 左右，氧含濃度過高會對聚合物起到氧化降解作用[4]，因此對試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，增加含氧量階梯，進(jìn)行第二次測試，結(jié)果如表2所示。

表2 模擬壓氣曝氧第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of second simulated pressured oxygen aeration

由表2 可知，各階梯黏度值相差不大，氧含濃度6 mg/L 所對應(yīng)黏度值最高，但衰減幅度最大；經(jīng)過2 h 靜置后，氧含濃度3 mg/L 所對應(yīng)的黏度值反而最高。

2.3 試驗(yàn)三

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)由1～5 化驗(yàn)室和中心化驗(yàn)室同時檢測對比，將溶液濃度稀釋至1 000 mg/L 后，中心化驗(yàn)室化驗(yàn)黏度分別為23.1、22.0 mPa·s，靜置2 h 后黏度分別為23.5、22.4 mPa·s；1～5 化驗(yàn)室化驗(yàn)黏度分別為23.5、22.4 mPa·s，靜置2 h 后黏度分別為22.4、21.3 mPa·s。由數(shù)據(jù)可看出，稀釋到1 000 mg/L 后所配制母液黏度差值很小，不足以進(jìn)行對比區(qū)分；含氧量濃度1.5 mg/L（未進(jìn)行二次曝氧處理）時，溶液黏度最高。

表3為1～5化驗(yàn)室一周內(nèi)實(shí)測現(xiàn)場配制母液黏度值，對比二次曝氧后實(shí)驗(yàn)室所測母液黏度，未見明顯差異，說明二次曝氧對配制母液黏度影響不大。

表3 1～5 化驗(yàn)室高分黏度值Tab.3 High viscosity value in 1～5 laboratories

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，用二次曝氧后的污水配制母液黏度不佳，分析原因如下：

（1）氧含量值從1～6 二元調(diào)配站到1～5 配制站基本沒有變化，說明此過程中氧氣的消耗量已經(jīng)很小，試驗(yàn)過程中用1～5配制站來液（含氧量1.5 mg/L）進(jìn)行二次曝氧，該處污水中含有的Fe2+、S2-等還原性離子可能在長距離運(yùn)輸過程基本氧化耗盡[5]，若再進(jìn)行二次曝氧，不但不能起到去除還原性離子的作用，多余的氧氣反而形成氧化降解，影響母液黏度；

（2）污水中含有的一部分Fe2+和S2-以FeS（不溶于水）懸浮物形式存在，不會影響到溶液黏度，曝氧后二價鐵氧化為三價鐵在水中以離子形式存在，可溶于水，反而會影響?zhàn)ざ取?/p>

綜合上述低壓配制端三次模擬壓氣曝氧的試驗(yàn)結(jié)果，說明二次曝氧有一定的抑菌作用，但對聚合物溶液黏度沒有明顯影響，同時過高的曝氧量反而會影響母液黏度。

3 高壓端曝氧現(xiàn)場試驗(yàn)

在對低壓端配制污水進(jìn)行二次曝氧的研究基礎(chǔ)上，B 區(qū)三元配注站開展了高壓曝氧試驗(yàn)，對高壓稀釋水進(jìn)行二次曝氧，并觀測試驗(yàn)效果。工藝上使注入站高壓二元來液先經(jīng)過高壓曝氧設(shè)備后，再進(jìn)入注入閥組與母液混合注入單井，研究高壓端曝氧對三元配注系統(tǒng)母液黏度的影響[6]。本次試驗(yàn)選取曝氧設(shè)備前后以及距離不同單井進(jìn)行跟蹤檢測，數(shù)據(jù)見表4、表5。

表4 第一次檢測工藝節(jié)點(diǎn)含氧量數(shù)據(jù)Tab.4 Oxygen content data of process nodes for the first test

表5 第二次檢測工藝節(jié)點(diǎn)含氧量數(shù)據(jù)Tab.5 Oxygen content data of process nodes for the second test

3.1 高壓曝氧工藝流程各節(jié)點(diǎn)含氧量

從現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高壓二元液含氧濃度從調(diào)配站到達(dá)配注站基本保持在1.5 mg/L 左右，經(jīng)過高壓曝氧裝置后含氧濃度顯著提升，可達(dá)14～18 mg/L，但達(dá)到注入井口時含氧量急劇減少，且隨距離增加降幅增大，井口含氧濃度值保持在4 mg/L 左右。

3.2 高壓曝氧對黏度影響

在室內(nèi)，取曝氧前后污水分別配制、稀釋成等濃度三元液，檢測黏度變化（表6），經(jīng)高壓曝氧后黏度值平均提升11%。

表6 曝氧前后污水室內(nèi)配制黏度對比數(shù)據(jù)Tab.6 Comparison data of indoor preparation viscosity of sewage before and after oxygen aeration

對井口黏度進(jìn)行跟蹤，數(shù)據(jù)如圖3 所示，黏度未見明顯變化趨勢。

圖3 單井黏度變化趨勢Fig.3 Variation trend of single well viscosity

高壓曝氧試驗(yàn)室內(nèi)配制試驗(yàn)黏度有所提升，而實(shí)際井口取樣黏度無明顯變化趨勢。

原因分析：井口取樣數(shù)據(jù)受影響因素較多，每天來水礦化度不同，導(dǎo)致黏度偏差較大，需后續(xù)長期取樣觀測總體變化趨勢來論證試驗(yàn)結(jié)論；室內(nèi)配制試驗(yàn)所用污水含氧濃度為18 mg/L，而井口對應(yīng)含氧量為4 mg/L，含氧濃度差值較大，導(dǎo)致結(jié)果不同。

3.3 高壓曝氧對細(xì)菌的影響

取同一時段內(nèi)曝氧前（2-7 二元調(diào)配站外輸）和曝氧后（B 區(qū)高壓曝氧裝置后）污水進(jìn)行細(xì)菌含量化驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 曝氧前后細(xì)菌含量數(shù)據(jù)Tab.7 Bacterial content data before and after oxygen aeration

其中SRB 為厭氧菌，TGB、FB 為好氧菌。從表中數(shù)據(jù)可以看出，曝氧后SRB 合格率為100%，而TGB 和FB 含量變化不穩(wěn)定，存在超標(biāo)情況。由于曝氧前后污水取樣點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，因此干擾成分較多，但由表中數(shù)據(jù)總體趨勢可以看出，曝氧前后污水細(xì)菌含量合格率由56.3%上升至73.3%，總體說明曝氧對厭氧菌有一定的抑制作，可以通過曝氧來減少聚合物的生物降解[7]。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

綜合高壓曝氧現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：室內(nèi)用含氧濃度18mg/L 的高壓二次曝氧后污水稀釋母液得到的三元液黏度同比提高11%；在實(shí)際生產(chǎn)注入井口污水含氧量急劇下降，且一個月內(nèi)黏度未見明顯變化趨勢；高壓曝氧對細(xì)菌繁殖有一定抑制作用[8]。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及認(rèn)識

綜合全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可得到以下初步結(jié)論：

（1）兩次實(shí)驗(yàn)均證明二次曝氧對厭氧菌的繁殖一定有抑制作用。

（2）在低壓端，用二次曝氧污水配制母液不能起到降低黏損的作用。

（3）在高壓端，用二次曝氧污水稀釋母液（室內(nèi)配制）有一定的降低黏損效果，但在實(shí)際井口作用不明顯。

二次曝氧對第三開發(fā)區(qū)三元配注系統(tǒng)的作用尚需進(jìn)一步研究論證，通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)及結(jié)論的分析，主要問題包括以下幾點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本可以論證曝氧確實(shí)可以有效抑制厭氧菌繁殖，減少聚合物分子的生物降解，但對于污水中二價鐵、二價硫等還原性離子的變化尚未研究論證，后續(xù)試驗(yàn)計劃測定各工藝節(jié)點(diǎn)及曝氧前后還原性離子含量變化，進(jìn)一步論證二次曝氧的作用。高壓曝氧裝置距離最遠(yuǎn)注入井僅600 m，但含氧濃度由18 mg/L 降至4 mg/L，降幅較大，后續(xù)實(shí)驗(yàn)計劃增加注入站靜混后檢測點(diǎn)，進(jìn)一步研究注入站達(dá)到井口時含氧量大幅下降的原因。理論上，含氧濃度在5 mg/L 時所對應(yīng)的聚合物溶液黏度最高[9]，過高或過低的含氧量均會對黏度造成影響，實(shí)驗(yàn)中5 mg/L 所對應(yīng)的黏度較低（低于未曝氧黏度），而18 mg/L 所對應(yīng)的黏度反而較高（同比提升11%），試驗(yàn)與理論最佳曝氧值相差較大，這是由于壓氣曝氧試驗(yàn)在進(jìn)行配制攪拌過程中與空氣接觸，含氧量會相應(yīng)變化，可能影響試驗(yàn)結(jié)果；而且壓氣曝氧試驗(yàn)配制成的是低壓二元液，高壓曝氧試驗(yàn)配制成的是三元液，介質(zhì)成分不同可能也會對試驗(yàn)結(jié)果造成影響；同時，三元配注系統(tǒng)及污水成分具有特殊性[10]，最佳含氧量范圍取值可能比傳統(tǒng)理論值更高。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)計劃增加曝氧量階梯范圍，統(tǒng)一研究介質(zhì)，研究適應(yīng)薩北開發(fā)區(qū)三元系統(tǒng)的最佳曝氧量。