二氧化氯治理过渡层技术实验研究朱兆阁

试验研究朱兆阁：二氧化氯治理过渡层技术实验研究油气田地面工程摘要：过渡层是油水分离过程中产生的一种有害物质，对原油脱水系统和污水处理系统具有很大影响，能够导致电脱水器电流升高、跨电场等严重后果。为了保障原油脱水系统平稳运行，开展了过渡层治理技术研究。通过对过渡层物性和成因分析可知，沥青质及胶质的乳化作用、FeS等固体颗粒的促进作用、聚合物的强化作用是形成过渡层的重要原因，其中FeS等固体颗粒是形成稳定过渡层的主要原因。利用FeS的不稳定性，采用氧化剂二氧化氯对过渡层进行处理，通过单因素实验和正交实验，确定了浓度、温度及反应时间等运行参数。在二氧化氯加药质量浓度190mg/L、反应温度55℃、反应时间5h条件下，能够对过渡层进行有效处理，脱水率达到99.45%。关键词：油水分离；过渡层；二氧化氯；硫化亚铁；脱水率Doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2018.05.005ExperimentalStudyonTransitionLayerTreatmentwithChlorineDioxideZHUZhaogeAbstract：Transitionlayerisakindofharmfulsubstanceproducedduringtheprocessofoil-waterseparation，whichcangreatlyinfluencethecrudeoildehydrationsystemandthesewagetreatmentsys-tem，resultinginseriousconsequencessuchaselectricityincreasingandelectricfieldcrossing.Tosecurethesmoothrunningofcrudedehydrationsystem，thestudyofthetransitionlayertreatmenttechnologyiscarriedout.Throughanalyzingthephysicalpropertyandcausesofthetransitionlayer，itisknownthattheemulsificationofasphalteneandcolloid，theaccelerationofsolidparticleslikeFeS，andthere-inforcementofpolymer，andamongthemsolidparticleslikeFeSarethemainreasonsfortheformationofthestabletransitionlayer.UsingtheinstabilityofFeS，theoxidizingagentchlorinedioxideisusedtodealwithtransitionlayer.Bythesinglefactorexperimentandtheorthogonalexperiment，operationpa-rameterssuchasconcentration，temperatureandreactiontimeareconfirmed.Whenthedrugmasscon-centrationofchlorinedioxideis190mg/L，reactiontemperatureis55℃，andreactiontimeis5hours，thetechnologycaneffectivelydealwiththetransitionallayer，anditsdehydrationreaches99.45%.Keywords：oil-waterseparation；transitionlayer；chlorinedioxide；ironsulfide；dehydrationrate过渡层产生于原油脱水和污水沉降过程中，通常分布在游离水脱除器、电脱水器及沉降罐的油水界面间，是一种组分复杂、性质稳定的油水乳状物。过渡层对原油脱水系统和污水处理系统均有较大影响[1]：过渡层达到一定厚度时，成为油、水上下流动分离的屏蔽，使油不能迅速上浮至油相，水不能迅速下沉至水相，对油水分离具有较大的影响[2]；过渡层中含有硫酸盐还原菌（SRB）和腐生菌（TGB），生成的硫化氢具有强腐蚀性及导电性，不仅造成设备腐蚀，而且在进入原油脱水系统时，会导致脱水设备不能正常运行，出现破乳剂耗量增大、油水界面不清、电脱水器跨电场、脱水后净化油含水超标等问题[3]；过渡层易聚集在沉降罐油水界面间，减少有效容积，影响沉降效果，加重后续过滤工艺负担，导致注水水质不合格。针对过渡层开展了氧化法处理技术研究。通过分析过渡层的组分及成因，研究采用二氧化氯处理过渡层的具体措施，消除过渡层在系统内的恶性循环，可提高沉降罐的有效容积，增加油水分离效果，减少电脱水器垮电场现象，改善水质，保障外1大庆油田有限责任公司第六采油厂规划设计研究所16第37卷第05期（2018.05）油气田地面工程试验研究输油达标[4]。1过渡层组分分析过渡层通常由水、油及固体悬浮物组成，由于过渡层组分和成因对其处理方法影响较大，因此需要对过渡层进行组分分析，确定形成原因，为过渡层治理奠定基础[5]。1.1水组分对过渡层的水组分进行离子含量、聚合物含量及pH值分析。水中的Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+采用原子吸收分光法测定，Cl-、HCO3-、CO32-采用滴定法测定。由测试数据得出各站过渡层水组分中聚合物含量较高，水质呈弱碱性，Na+、Cl-和HCO3-含量偏高，是导致过渡层水矿化度高的主要原因，表1为过渡层水组分构成及物理特性。1.2油组分过渡层油组分中饱和烃含量较高，胶质和沥青质含量较低；油品密度和运动黏度不大，说明过渡层不是稠油。表2为过渡层油组分构成及物理特性。表1过渡层水组分构成及物性分析地点喇Ⅰ联喇Ⅱ联560站400站Na2+质量浓度/(mg·L-1)576.84615.57639.14629.91Ca2+质量浓度/(mg/L)19.5313.9617.918.06Mg2+质量浓度/(mg·L-1)9.978.6710.0111.52Fe2+质量浓度/(mg·L-1)1.071.280.513.88CO32-质量浓度/(mg·L-1)71.4271.4271.420HCO3-质量浓度/(mg·L-1)2468.892505.202541.502621.38Cl-质量浓度/(mg·L-1)1051.211106.541051.21959.00pH值7.947.847.917.71矿化度/(mg·L-1)4209.554337.364348.624265.46聚合物质量浓度/(mg·L-1)110.23124.56125.23185.94表2过渡层油组分构成及物性分析地点喇Ⅰ联喇Ⅱ联560站400站饱和烃质量分数/%66.3967.8063.6966.03芳香烃质量分数/%18.5817.1620.3318.26胶质质量分数/%13.1511.4413.1111.68沥青质质量分数/%1.883.602.984.03密度/(kg·L-1)0.85710.85820.93100.8761运动黏度/(mm2·s-1)33.526733.922264.963732.94681.3固体悬浮物组分将过渡层除水后，采用焙烧—酸溶—再焙烧法分析测定其有机物含量和固体悬浮物组分。由测量数据得出过渡层中硫化亚铁（FeS）含量较高，悬浮在油水界面间，使沉降罐内容易形成油水乳状液。表3为固体悬浮物组分构成。表3过渡层固体悬浮物组分构成分析地点喇Ⅰ联喇Ⅱ联400站有机物质量分数/%87.8795.9486.54酸不溶物质量分数/%6.160.947.57K2O质量分数/%0.100.040.13Na2O质量分数/%2.540.450.85CaCO3质量分数/%0.230.040.23MgCO3质量分数/%0.690.110.80FeS质量分数/%2.422.483.882过渡层形成机理过渡层是水、油、固体悬浮物掺杂各种乳化颗粒共同形成的油水乳状液，沥青质和胶质的乳化作用、FeS等固体颗粒的促进作用、聚合物的强化作用是形成过渡层的重要原因[6]。2.1沥青质和胶质的乳化作用沥青质、胶质等天然乳化物对脱水率和脱水速度的影响较大。沥青质、胶质的界面活性较低，但乳化能力较强，与采出液中的油水颗粒混合在一起，形成界面膜和双电层。其中沥青质分子以芳香稠环薄片存在，分子间保持缔合状态，芳环均匀附着在界面上，其侧链伸入油相产生空间阻力，增加了界面膜的强度和稳定性，这些乳状液在油水界面间形成初始的不稳定的过渡层。2.2固体颗粒乳化物的促进作用固体颗粒乳化作用主要表现为以下两方面：①固体颗粒吸附于油水两相界面，表面改性的固体颗粒间的静电斥力有效阻止了液滴之间的碰撞、聚集；②颗粒间的相互斥力使固体颗粒在体系中形成一个颗粒与颗粒、颗粒与液滴的三维网络状结构，使过渡层乳化结构更加稳定。过渡层中普遍含有FeS、CaCO3、MCO3及酸不溶物等固体颗粒，且FeS和酸不溶物含量较高。FeS等固体颗粒表面具有两亲性和吸附性，乳化性能较强，形成FeS胶态颗粒悬浮在油水界面间，包裹、镶嵌、掺杂在乳化的油水颗粒中，在油水颗粒表面形成紧密排列的刚性界面膜，阻止液滴间的聚并，使过渡层更加稳定。2.3聚合物的强化作用油田采出液中存在大量聚合物，聚丙烯酰胺虽具有絮凝作用，有利于油珠聚并，但是聚合物也增加了污水黏度，降低了油珠上浮速度，延长了油珠聚并时间，聚合物包围在过渡层周围，增加了油水界面膜强度，进一步强化了过渡层的稳定性。通过上述分析可以得出，沥青质、胶质等乳化17试验研究朱兆阁：二氧化氯治理过渡层技术实验研究油气田地面工程物是过渡层形成的初始因素，但该阶段过渡层并不稳定，FeS等固体颗粒是形成稳定过渡层的主要原因。3过渡层治理技术研究3.1过渡层治理技术原理由于过渡层是通过天然乳化物、FeS胶态颗粒、聚合物及污泥杂质等吸附作用形成的，且FeS是形成稳定过渡层的主要原因。因此可利用FeS的不稳定性，在过渡层治理中采用氧化剂二氧化氯与FeS等物质反应，生成稳定物经沉降去除，实现过渡层的有效治理[7]。反应原理：8ClO2+5S2-+4H2O􀰗5SO42-+8Cl-+8H+2ClO2+5Mn2++6H2O􀰗5MnO2+2Cl-+12H+ClO2+5Fe2++13H2O􀰗5Fe(OH)3+Cl-+11H+利用二氧化氯的氧化性，将二价铁离子氧化成稳定的三价铁离子经沉降去除，硫离子氧化成硫酸根，FeS胶态颗粒结构被破坏；同时二氧化氯具有很强的杀菌性，可以有效去除硫酸盐还原菌及腐生菌。3.2二氧化氯溶液治理过渡层参数优选3.2.1单因素实验通过单因素实验，研究二氧化氯溶液浓度、反应温度、反应时间、搅拌时间等参数对过渡层处理效果的影响，确定最优运行参数。（1）最佳浓度确定。分别配制二氧化氯加药质量浓度为20、50、100、150、200、250、300mg/L的过渡层混合液，机械搅拌5min，置于55℃温度下反应4h。从实验结果发现，二氧化氯质量浓度低于50mg/L时，脱水率几乎为零；二氧化氯质量浓度接近200mg/L时，脱水率达到最高；二氧化氯质量浓度达到250mg/L时，脱水率略有降低。说明二氧化氯质量浓度在200mg/L左右对过渡层的处理效果最佳。图1为不同二氧化氯浓度对过渡层的处理效果。（2）最佳温度确定。配制二氧化氯质量浓度为200mg/L的过渡层混合液，机械搅拌5min，置于不同温度（30、45、55、65、75℃）下反应4h。从实验结果发现，过渡层的脱水率随温度的升高呈非线性增长，温度从30℃升高至75℃过程中，脱水率先随温度升高而增大，达到55℃后趋于平稳。图2为不同