油田聚合物驱采油污水处理药剂及工艺研究

【摘要】： 在聚合物驱油技术提高石油采收率,获得石油稳产和高产的同时,也随之产生了大量的采油污水。聚驱采油污水中含有大量残余的聚合物(HPAM),粘度大,乳化程度高,油水分离困难。用油田现有的采油污水处理工艺处理聚驱采油污水,出现了沉降时间过长,出水达不到油田回注水水质要求,外排又严重污染环境等问题。因此针对聚驱采油污水,开发有效的处理及回用技术,已经成为油田继续扩大聚驱作业中亟待解决的问题,有着显著的实际应用价值和良好的环境效益。 本文在大量文献调研和文献分析基础上,围绕油田聚合物驱采油污水处理这一主线,对聚合物驱采油污水的稳定机理进行系统研究,通过研制、筛选和优化高效油水分离药剂,以及物化-生物组合处理工艺的应用,以期为解决聚合物驱采油污水处理难题提供理论方向和可行方案。主要研究内容及结果如下: 1.根据HPAM在采油污水中的实际分子量分布,以及油水乳状液形成时的条件,配制了模拟水样、油样和乳状液,然后通过水中含油量、油中脱水率、油水界面张力及界面粘弹模量、水中油珠Zeta电位及粒径分布等多种方法系统的研究了HPAM对油水乳状液的稳定影响及机理,并且研究了HPAM与固体颗粒共存时,两者的协同稳定作用和机理。 实验结果表明,由于HPAM本身具有较长的分子链和良好的延展弹性,当部分HPAM吸附于油水界面上时,会增强界面膜扩张粘弹模量,导致两油珠在碰撞变形的过程中界面膜破裂的难度加大,从而降低油珠的碰撞效率:另外,HPAM可以吸附于油珠表面增强油珠的负电性,使油珠间静电排斥作用得到显著增强,从而降低油珠间的碰撞机率。油水乳状液形成初期大量的小油珠的聚结增长会受到上述两种作用的阻碍,直接结果就是水中油珠粒径的偏小,而粒径的偏小会造成油珠上浮速度变慢,最终导致油水分离的困难。 固体颗粒未能继续增加水中油珠的负电性,对于油水界面张力的影响也较弱。但是,固体颗粒与HPAM存在一定的协同作用,可以使界面扩张粘弹模量得到进一步的增长,导致水中油含量和原油含水率的大幅增加,还会在油水分界处产生中间混合乳化层。这种协同作用可以解释为:HPAM与固体颗粒通过吸附作用形成一定的网络结构,导致油水界面膜强度的大幅增强。 2.采用水溶液自由基胶束聚合方式,用复合引发剂引发聚合,得到了具备不同分子量、阳离子度和疏水度的系列有机高分子絮凝剂—二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺-丙烯酸丁酯三元共聚物[P(DMDAAC-AM-BA)],探讨了合成条件对聚合物的特性的影响,并对聚合物进行了相关的性状表征。 实验结果表明,聚合反应选用氧化还原体系(K_2S_2O_8-Na_2S_2O_3)与热分解引发剂AIBN组成的复合引发体系,可以获得较高的反应产率和聚合物特性粘度。引发体系中各物质的质量配比为Na_2S_2O_3:K_2S_2O_8:AIBN=1:2:1。制备P(DMDAAC-AM-BA)的最佳条件为:单体总浓度为30 wt%,引发剂、CTAB和尿素分别占单体总质量的0.15 wt%、2.0 wt%和2.0 wt%,引发温度为30℃,反应时间为6 h。随疏水单体BA含量的增加,聚合反应的产率呈微弱下降趋势,而聚合产物的特性粘度则先增大后减小。为保证产品的具有良好的水溶性,疏水单体含量一般不超过3 mol%;随着阳离子单体DMDAAC含量的增加,产品的阳离子度逐渐增加,特性粘度和产率则呈降低趋势。 IR、NMR谱图都证实了各单体单元的存在,证明DMDAAC、AM和BA三种单体已发生共聚。热重分析曲线结果表明产品具有较好的热稳定性。透射电镜结果表明,随着疏水单体含量的进一步增加,聚合物呈枝状结构,其空间体积也更大。动态光散射分析表明,浓度为100 mg/L的P(DMDAAC-AM-BA)在水溶液中表现出了明显的分子间疏水缔合现象,分子聚集体的聚集数为16-29。 3.分别筛选出合适的絮凝剂与破乳剂,然后将絮凝剂与破乳剂复配使用,结合两种药剂的优点,以提高聚驱采出液的油水分离速度和效果。并进一步从絮凝过程、界面性质变化、Zeta电位和粒径分布等方面对药剂的作用机理进行讨论。 P(DMDAAC-AM-BA)由于分子链上不仅带有阳离子基团,而且带有部分疏水基团,在处理聚驱采油污水时比常规有机絮凝剂更具优势,絮凝剂对水中疏水性油珠的吸引力更强,絮体大而密实、含水量更低、沉降更迅速。经过筛选优化后,确定阳离子单体含量为29.4 mol%,疏水单体含量为2.0 mol%的P(DMDAAC-AM-BA)作为复配时使用的絮凝剂,并将药剂命名为BES-32。 经过破乳剂的筛选复配实验,获得了效果较好的复配破乳剂SD-46。破乳剂SD-46的分子结构特点适合聚驱采油污水的处理,具有较高的扩散吸附性和润湿成膜性,可以将HPAM从油水界面膜上顶替下来,破坏油水界面膜,促进油珠之间的聚结,同时改变固体颗粒的润湿性,使之从界面进入到水相,从而破坏固体颗粒与HPAM的协同稳定作用。在BES-32和SD-46的基础上复配得到的复合药剂CHP-01和CHP-02结合了絮凝剂与破乳剂的优点,不仅可以加快絮体形成速度,增强絮体强度,而且可以提高原油脱水效果。复合药剂的稳定性良好。 复合药剂作用机理实验证明,复合药剂对于界面张力和界面扩张粘弹模量的影响明显表现出SD-46的特点,对于水中油珠Zeta电位的影响则主要表现出BES-32的特点。絮凝剂BES-32和破乳剂SD-46具有协同作用,在加药初期主要依靠BES-32的絮凝作用迅速将油珠聚集起来,然后利用SD-46破坏原有的油水界面,使聚集在一起的油珠聚结变大,从而提高絮体强度,促进絮凝的进行。因此投加复合药剂不仅可以获得较大的絮体,絮体的强度仍然能保持较高的水平,这对于水中除油将是十分有利的。 4.在圆满完成室内实验的基础上,分别对CHP-01和CHP-02进行了中试生产。对中试产品进行室内效果评估后,在胜利油田坨一联合站进行近三个月的现场试验,研究了两种药剂的实际效果。 中试生产中成功的进行15批次的生产,共生产CHP-02产品15t,CHP-01产品5t。室内效果评估表明,中试产品质量稳定,性能指标达到小试产品的水平。坨一站现场实验表明复合处理药剂CHP-01和CHP-02不仅降低了原有破乳剂和絮凝剂的用量,而且提高了原油脱水效果,大幅度降低污水中油和固体颗粒的含量,具有脱水迅速、彻底、有效降低中间层等特点,各项指标均完全达到了方案设计的预期要求,适合现在油田联合站对聚驱采出液破乳净水的要求,能够有效缓解污水过滤设备的压力,减少滤罐的清洗次数以及滤料的更换周期。由于改善了沉降罐油水界面状况,减少了因污水水质不达标带来的经济损失。同时,使污水进行深度处理达到外排标准要求成为可能。处理费用约为0.50元/m~3,由于出水含油量降低,仅坨一站每天即可多回收原油2.0t,新增产值近0.8万元。 5.针对聚驱采油污水的水质特点,提出“絮凝-水解-动态膜生物反应器”组合处理工艺。首先使用CHP-01复合药剂对原水进行絮凝沉降处理,以显著降低水中的油含量和有机物浓度,然后对絮凝出水进行水解酸化处理以提高污水的可生化性,最后采用生物动态膜反应器进行好氧生物处理,进一步去除水中的有机物及其他污染物,使处理后出水水质能够达到污水综合排放标准。 实验结果表明,经过运行参数优化之后,整套工艺可以平稳运行。在进水COD平均612.2 mg/L时,经过絮凝处理,COD可降为178.9 mg/L,降幅为70.77%;经过水解酸化处理后,COD下降至147.1 mg/L,降幅为17.8%,出水COD的波动幅度明显减小,BOD/COD由0.26增加为0.42,污水可生化性得到改善;好氧生物处理阶段,COD进一步降到89.7 mg/L,降幅为49.86%,出水COD稳定,可以达到我国《污水综合排放标准(GB8978-1996)》1998年以前建设单位的一级排放标准,以及1998年以后建设单位的二级排放标准。其他污染物指标均可以满足1998年以后建设单位的一级排放标准。因此,该套组合处理工艺适合于聚驱采油污水的的外排处理,达到了设计预期要求,为该类污水的达标外排处理提供了一种新的方法和技术。 【关键词】：油田生产 聚合物驱 采油污水处理 疏水改性絮凝剂 复合药剂 动态膜生物反应器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要12-16
• ABSTRACT16-20
• 第一章 引言20-23
• 1.1 问题的提出20-21
• 1.2 研究的目的与主要内容21-23
• 第二章 文献综述23-53
• 2.1 三次采油概述23
• 2.2 聚合物驱油技术23-25
• 2.3 聚驱采油污水25-34
• 2.3.1 采油污水的来源及组成25-26
• 2.3.2 聚驱采油污水特点26-28
• 2.3.3 HPAM对油水乳状液的稳定机理28-33
• 2.3.4 油水乳状液稳定性的破坏33-34
• 2.4 聚驱采油污水处理技术及工艺34-51
• 2.4.1 采油污水处理后出路及水质要求34
• 2.4.2 采油污水处理方法及工艺34-36
• 2.4.3 采油污水处理药剂研究36-41
• 2.4.4 疏水改性絮凝剂41-44
• 2.4.5 采油污水生化处理研究44-45
• 2.4.6 动态膜生物反应器原理及应用45-48
• 2.4.7 化学絮凝-生化综合处理工艺研究48-49
• 2.4.8 聚驱采油污水处理问题及对策49-51
• 2.5 胜利油田聚驱现状51-53
• 第三章 实验材料与方法53-61
• 3.1 实验材料53-56
• 3.1.1 现场水样及油样53
• 3.1.2 模拟含聚盐水配制53
• 3.1.3 模拟油样的配制53-56
• 3.1.4 实验药品56
• 3.2 实验方法56-61
• 3.2.1 水中含油量测定56-57
• 3.2.2 油中含水量测定57
• 3.2.3 HPAM浓度及粘度测定57-58
• 3.2.4 COD和BOD的测定58
• 3.2.5 颗粒物粒径分布测定58-59
• 3.2.6 胶体粒径及Zeta电位测定59
• 3.2.7 絮凝实验59
• 3.2.8 絮凝过程动态研究59-60
• 3.2.9 界面张力及界面扩张粘弹模量测定60-61
• 第四章 聚驱采油污水稳定机理研究61-77
• 4.1 引言61
• 4.2 材料与方法61-63
• 4.2.1 实验材料61-62
• 4.2.2 HPAM溶液剪切时间的确定62-63
• 4.2.3 模拟乳状液的配制63
• 4.3 结果与讨论63-76
• 4.3.1 HPAM对水中含油量的影响63-65
• 4.3.2 HPAM对油中含水率的影响65-66
• 4.3.3 HPAM对油水界面张力和界面粘弹模量的影响66-67
• 4.3.4 HPAM对水中油珠Zeta电位及粒径分布的影响67-69
• 4.3.5 HPAM与固体颗粒的协同作用69-76
• 4.4 小结76-77
• 第五章 疏水改性絮凝剂合成及表征77-97
• 5.1 引言77
• 5.2 材料与方法77-81
• 5.2.1 实验材料77-78
• 5.2.2 P(DMDAAC-AM-BA)的合成78-79
• 5.2.3 产品提纯及产率测定79
• 5.2.4 特性粘度测定79
• 5.2.5 阳离子度测定79-80
• 5.2.6 溶解速度测定80
• 5.2.7 FT-IR分析80
• 5.2.8 动态光散射分析80
• 5.2.9 核磁共振氢谱分析80
• 5.2.10 透射电镜分析80-81
• 5.2.11 差示扫描量热和热重分析81
• 5.3 结果与讨论81-96
• 5.3.1 引发体系的选择81-83
• 5.3.2 引发剂用量对产品性质的影响83-84
• 5.3.3 引发温度对产品性质的影响84-85
• 5.3.4 聚合反应时间对产率的影响85-86
• 5.3.5 单体总浓度对产品性质的影响86-87
• 5.3.6 阳离子单体含量对产品性质的影响87-88
• 5.3.7 疏水单体含量对产品性质的影响88-89
• 5.3.8 表面活性剂用量对产品性质的影响89-90
• 5.3.9 尿素添加量对产品溶解速度的影响90
• 5.3.10 聚合物的红外图谱分析90-92
• 5.3.11 动态光散射分析92-93
• 5.3.12 核磁共振氢谱分析93-94
• 5.3.13 透射电镜分析94-95
• 5.3.14 差示扫描量热和热重分析95-96
• 5.4 小结96-97
• 第六章 聚驱采油污水复合处理药剂研制及作用机理研究97-119
• 6.1 引言97
• 6.2 材料与方法97-99
• 6.2.1 絮凝实验97-98
• 6.2.2 破乳实验98-99
• 6.3 结果与讨论99-118
• 6.3.1 絮凝剂的筛选实验99-105
• 6.3.2 破乳剂的筛选复配实验105-109
• 6.3.3 絮凝剂与破乳剂的复配实验109-111
• 6.3.4 复合药剂作用机理研究111-118
• 6.4 小结118-119
• 第七章 聚驱采油污水综合处理药剂中试生产及应用119-129
• 7.1 引言119
• 7.2 中试生产119-121
• 7.2.1 主要生产原料及设备工艺119
• 7.2.2 产品技术指标119-120
• 7.2.3 中试产品性能室内评估120-121
• 7.2.4 环境保护121
• 7.3 现场应用试验121-128
• 7.3.1 坨一联合站概况121-122
• 7.3.2 现场试验方案122-123
• 7.3.3 现场应用试验效果123-127
• 7.3.4 经济及环保效益分析127-128
• 7.4 小结128-129
• 第八章 "絮凝-水解-动态膜生物反应器"组合处理工艺129-146
• 8.1 引言129-130
• 8.2 材料与方法130-133
• 8.2.1 聚驱采油污水组合处理工艺130
• 8.2.2 水解酸化池及沉淀池设计130-131
• 8.2.3 动态膜生物反应器设计131-133
• 8.2.4 数据采集与测定133
• 8.3 结果与讨论133-145
• 8.3.1 污泥驯化培养133-134
• 8.3.2 水解酸化池运行效果134-136
• 8.3.3 动态膜生物反应器的运行周期136-141
• 8.3.4 动态膜生物反应器的处理效果141-144
• 8.3.5 絮凝-水解-动态膜生物反应器运行效果144-145
• 8.4 小结145-146
• 第九章 结论与展望146-150
• 9.1 结论146-149
• 9.2 展望149-150
• 参考文献150-165
• 攻读博士学位期间已发表及在投的论文和专利165-167
• 致谢167-169
• 附录169-193
• 学位论文评阅及答辩情况表193

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油气开采用疏水缔合聚合物的研究    韩利娟

复合高铁酸盐处理焦化废水的研究    马英歌

化学堵水剂在油田生产中的应用    王丽;卜祥福;陈耀星;杨公渠;冯杰;

聚合物驱相对渗透率曲线及影响因素试验研究    雷光伦,许震芳,张铁林,刘尉宁

关于中国的EOR现状    赵银

聚合物驱油之后剩余油分布规律研究    卢祥国，高振环，赵小京，闫文华，王为民

大庆油田聚合物驱经济评价方法通过局级认定验收    张昌兴

聚合物驱油层损害机理    刘立支

大庆油田特高含水井区聚合物驱潜力分析及布井方案优选    陈鹏,陈福明,李伟

聚合物驱能否提高驱油效率的几点认识    赵永胜,魏国章,陆会民,钟玲

聚合物驱产量和含水率变化规律的预测    宋考平,陈锐,邓庆军,闫亚茹,康少冬

聚合物驱综合调整优化系统的设计与实现    袁文翠,赵建民,倪红梅,肖勇军

聚合物驱最优注入问题的一种分区优化方法    李树荣;张强;雷阳;张晓东;

聚合物驱采出液油水分离特性研究    连鹏;李明远;林梅钦;吴肇亮;

聚合物驱微观渗流机理的三维孔隙网络模拟    孙传宗;姜汉桥;侯健;

测定与计算聚合物驱相对渗透率的新方法    孙文杰;陈欢;余彦敏;李克文;

简析自动化仪表在数字化油田生产中的维护与故障处理    夏立明;

安全生产——油田科学发展的题中应有之义    李国祥;

石油套管损坏机理的研究    刘晓迪;隋允康;

用于提高低渗透油层石油采收率的功能聚合物    黄丽;李勃;潘峰;

聚合物驱数值模拟应用方法研究    常晓平;马玉霞;熊英;

水中含盐量对聚合物溶液膨胀界面粘弹度影响    李道山;张景春;

庆城县大力盘活油田闲置资产    记者 先朝阳

大庆物流园优势凸显    陶文忠 邓志刚

荡涤浊恶气象新    王哲

大庆油田生产原油987万吨    记者 范迎春

克拉玛依要建智能油田    记者 何军

涓涓细流奔涌入海    记者　郭影　特约记者 于万明

高油价下的紧日子    本报记者 王喜春赵士振

吉林油田生产治安专项整治有力推进    高文华

新疆油田5亿投资扮靓“绿色”油气田    记者 宋鹏

长庆油田生产上台阶    

油田聚合物驱采油污水处理药剂及工艺研究    卢磊

聚合物驱动态预测及其评价研究    冯玉良

聚合物驱动态指标的预测与控制    高丙坤

聚合物驱提高原油采收率的动态规划方法研究    郭兰磊

好氧颗粒污泥及颗粒化动态膜生物反应器的研究    刘宏波

高温油藏聚合物驱及复合驱技术研究    韩杰

高含水油藏注聚合物后油藏精细描述与潜力评价    谢俊

陇东地区侏罗系油藏聚合物驱提高采收率研究    高静乐

三采用表面活性剂和聚合物的动态界面张力研究    李伟

聚合物驱含油污水乳状液稳定性及破乳絮凝研究    吕志凤

聚驱采出乳化液稳定机理及SCL-1药剂作用机理研究    丁正功

聚合物驱抽油机井杆柱计算机仿真及试验研究    张红瑛

二类油层提高采收率实验研究    张涛

三类油层聚合物驱现场试验研究    李霞

聚驱后剩余油分布规律及挖潜措施    刘丽

改善聚合物驱油效果配套技术研究及应用    龚山峻

二类油层聚驱方案优化设计技术研究    张向宇

聚合物驱抽油机井参数优化设计研究    王永强

真武油田真35断块聚合物驱优化方案设计    葛永涛

驱油聚合物水溶液黏度稳定性研究    李兆爱