作為增加油田可采儲量和延長油田開發期的有效措施,化學驅技術已展示出其廣闊的應用前景,其中堿.表面活性劑.聚合物驅、泡沫復合驅、堿.聚合物驅和表面活性劑.聚合物驅已經進入礦藏試驗階段,而聚合物驅和膠態分散凝膠(CDG)驅已經投入工業應用。在顯著增加原油產量和提高原油采收率的同時,化學驅替液中的驅油化學劑和其與油藏礦物及油藏水的作用產物也給油田地面設施帶來了采出液油水分離和采出水處理困難的問題,能否經濟有效地克服實施化學驅給地面采出液處理造成的困難,已成為制約化學驅推廣應用的一個關鍵問題。為使油田地面設施能夠有效接納和處理化學驅采出液,從20世紀70年代初就開始進行了化學驅采出液性質、處理工藝、化學藥劑及設備的研究和試驗,至今在聚合物驅采出液處理方面已經取得了長足進展,但在堿.表面活性劑.聚合物驅等其他化學驅采出液處理方面還需要開展大量的研究和試驗工作。
1化學驅采出液處理中存在的主要問題
化學驅采出液游離水脫除和乳化原油脫水中存在的問題主要表現為:①油水乳化程度高,油水乳狀液穩定性強,三相分離器、游離水脫除器和脫水器處理能力下降,造成脫水后原油含水率超標和分離采出水含油量高[1-8];②破乳劑用量顯著增大[l,2,5,8,9];③采出液攜砂量增大,造成分離設備積砂量增大,流道淤積,有效停留時間縮短,電脫水器內電場強度降低,油水過渡層加厚[10]:④乳化原油導電性增強,電脫水器運行電流大幅度上升,發生擊穿放電和電場破壞的頻率加大[ll-13];⑤堿.表面活性劑.聚合物驅采出液分離設備和加熱設備結垢嚴重,造成游離水脫除器聚結填料流道淤積和電脫水器脫水電極間短路[l3]。
表1部分化學驅礦藏試驗和工業化應用過程中采出液處理出現的新問題
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序號 |
化學驅類型 |
時間 |
地點 |
地面設施中出現的問題 |
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1 |
膠束-聚合物驅 |
1976 |
美國 |
采出液油水分離困難,油水之間出現富含表面活性劑的中間相,電脫水器處理后原油水含量超標。脫出采出水含油量增大 |
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2 |
膠束-聚合物驅 |
1981 |
美國 |
采出液為高磺酸鹽含量的Q/W型原油乳液狀。油水分離困難,油水相之間出現富含表面活性劑的中間相 |
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3 |
聚合物驅 |
1989 |
大慶油田中區西部區塊 |
破乳劑用量增大,游離水脫除器和電脫水器處理能力下降50%,出現油水過渡層;分離采出水含油量大,乳化嚴重 |
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4 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
1992 |
勝利油田孤東區塊 |
電脫水器電場周期性破壞;外輸油含水上升,破乳劑用量成倍量大,乳化嚴重 |
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5 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
1993 |
美國 |
油水乳狀液穩定性增強,脫水器內出現含油水過渡層,脫后凈化油含水量超標 |
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6 |
堿-聚合物驅 |
1995 |
遼河油田錦16塊和興28塊 |
采出液乳化程度高,分離采出水含油量高大2000mg/L;乳化原油導電性增強,電脫水器頻繁垮電場 |
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7 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
1995 |
克拉瑪依油田二中區 |
采出液油水分離困難,脫水后原油含水率超標 |
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8 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
1997 |
大慶油田北-區斷西區塊 |
分離采出水含油量高 |
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9 |
堿-聚合物驅 |
1998 |
大港油田羊三木區塊 |
分離采出水含油量高 |
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10 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
1998 |
勝利油田孤島西區 |
采出液油水分離困難,分離采出水含油量高 |
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11 |
聚合物驅 |
2001 |
大港油田港西油田 |
分離采出水含油量高 |
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12 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
2004 |
大慶油杏二中區塊 |
采出液油水分離困難,分離采出水含油量高 |
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13 |
功能聚合物驅 |
2006 |
大慶油田北一PT區塊 |
采出液乳化程度高,油水分離困難,分離采出水含量高 |
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14 |
可動聚合物凝膠調驅 |
2006 |
華北油田澤70斷塊 |
采出液乳化程度高,油水分離困難。分離采出水含油量高達20% |
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15 |
堿-表面活性劑-聚合物驅 |
2006 |
大慶油田北一區斷東區塊 |
三相分離器和電脫水器淤積嚴重,電脫水器頻繁垮電場 |
表l中列出了國內外部分化學驅礦藏試驗和工業化應用過程中采出液處理出現的新問題[1-19]。到目前為止,油水分離難度最大的化學驅采出液是上世紀70年代和80年代美國開展的2個膠束.聚合物驅礦場試驗的采出液[1,2],其中采用石油磺酸鹽的馬拉松石油公司219-R項目膠束.聚合物驅礦場試驗,在表面活性劑返出高峰期的采出液由油水兩相增加為W/O型微乳液相、富含表面活性劑的中間相和水相共三個相態,電脫水器處理后原油水含量超標,脫出采出水含油量增大,原有的連續動態處理工藝被迫改為間歇靜置處理工藝[l]。
2化學驅采出液的性質和穩定機制
為解決化學驅采出液的油水分離問題,諸多研究人員從化學驅采出液微觀結構[20-23]、驅油劑對化學驅采出液體相性質(流變性和電導率)和乳狀液類型的影響[21,22,24-29]、采出液沉降分離特性[21-24,28-49]、采出液電脫水特性[50-53]、驅油劑和原油中的天然極性成分(膠質、瀝青質)對化學驅采出液油水界面性質(界面張力、表面壓、界面剪切黏度、界面剪切彈性模量、界面膨脹彈性模量、界面膨脹黏度、界面Zeta電位、界面膜強度、接觸角)的影響[
化學驅采出液較水驅采出液的主要性質差異包括:(1)油水界面界面張力低,負電性強,界面,彈性模量和界面黏度大,界面膜強度高,油珠和水滴聚并困難;(2)油水乳化程度高,油珠和水滴粒徑小,油水分離速率低;(3)含聚合物采出液水相黏度大;(4)堿-聚合物驅和堿.表面活性劑.聚合物驅采出液水相pH和礦化度高,碳酸鹽、硅鋁酸鹽等無機礦物過飽和;(5)機械雜質含量高,造成部分油珠和水滴之間聚并困難,靜置沉降過程中在油水層之間出現W/O型或0/W型中間層:(6)乳化原油導電性強;(7)膠束.聚合物驅采出液相態復雜,除油相和水相外,還存中間相;(8)疏水締合聚合物驅采出液水相中存在聚合物的三維結構,不利于油珠的聚集和聚并。
W/O型化學驅采出液的穩定機制主要包括:(1)化學驅采出液中殘留的堿、表面活性劑和具有界面活性的聚合物導致采出液油水界面張力下降,低界面張力造成采出液乳化程度增高,水滴粒徑變小,聚并和沉降速率低;(2)堿與原油中天然物質反應形成的界面活性物質、表面活性劑和具有界面活性的聚合物吸附在油水界面上增大了界面彈性模量和黏度,阻礙了水滴之間的聚集和聚并;(3)部分堿和表面活性劑濃度區域內堿和表面活性劑對油水界面張力的降低作用使水滴珠聚并過程中兩水滴之間的平板液(油)膜面積增大,進而使油膜變薄和水滴聚并的速率下降;(4)高堿含量下,堿對油水擴散雙電層的壓縮作用使油水界面上吸附的原油中的天然界面活性物質、堿與原油中天然物質反應生成的界面活性物質及表面活性劑偏向油相一側,所產生的空間位阻使水滴聚并困難;(5)高黏度的化學驅采出液中含有大量從儲油層中攜帶出的礦物微粒、過飽和采出水中析出的新生礦物微粒以及驅替液中的聚合物和表面活性劑在高價陽離子和高溫的作用下形成的沉淀物,這些懸浮物吸附在油水界面上形成空間位阻,阻止水滴間的聚并,導致油水過渡層的產生。
0/W型化學驅采出液的穩定機制主要包括:(1)化學驅采出液中殘留的堿、表面活性劑和聚合物導致采出液油水界面張力下降和水相黏度增大,低界面張力和高水相黏度導致化學驅采出液油水乳化加重,油珠粒徑變小,聚并和上浮速率降低;(2)堿與原油中天然物質反應形成的界面活性物質、表面活性劑和具有界面活性的聚合物吸附在油珠上增大了油珠表面過剩的負電荷密度和油珠之間的遠程靜電排斥力,同時也導致油水界面彈性模量和黏度增大,阻礙了油珠之間的聚集和聚并:(3)聚合物對采出液水相的增粘作用使油珠上浮和水膜排液速率降低,使油珠之間的聚并速率下降;(4)部分堿和表面活性劑濃度區域內堿和表面活性劑對油水界面張力..的降低作用使油珠聚并過程中兩油珠之間的平板液(水)膜面積增大,進而使水膜變薄和油珠聚并的速率下降;(5)高堿含量下,堿對油水擴散雙電層的壓縮作用使油水界面上吸附的原油中的天然界面活性物質、堿與原油中天然物質反應生成的界面活性物質及表面活性劑偏向油相一側,所產生的空間位阻使0/W型采出液破乳后所形成的W/O型乳化原油中的水滴聚并困難:(6)高黏度的化學驅采出液中含有大量從儲油層中攜帶出的礦物微粒、過飽和采出水中析出的新生礦物微粒以及驅替液中的聚合物和表面活性劑在高價陽離子和高溫的作用下形成的沉淀物,這些懸浮物吸附在油水界面上形成空間位阻,阻止油珠和水滴間的聚并,導致油水過渡層的產生。
3化學驅采出液處理工藝和設備
針對化學驅采出液油水分離困難的問題,在處理設備和處理工藝方面開展了大量研究和試驗工作,在化學驅采出液處理中應用了超聲波破乳[66,67]、填料聚結/斜板三相分離器[7,68-70]、基于聚丙烯波紋板聚結填料、管式蜂窩再生型陶瓷填料的新型游離水脫除器[71-76]、豎掛電極直流電脫水器[11,77]、中頻電脈沖脫水器[13]、高頻電脈沖脫水器[78-80]、組合電極電脫水器[76]、大電流和恒流源電脫水器供電設備[10,13]、蝶片式離心機[78]等技術;在原油脫水工藝和設備運行參數和工藝優化方面采取了增加化學驅采出液預分離設備[5、9]、不同驅油劑含量采出液分開來處理[2]、將破乳劑加藥點提前到油井油套環形空間[5]、采用自動控制等手段保障脫水設備平穩運行[81,82]等措施,均在不同程度上改善了化學驅采出液的油水分離效果。
目前化學驅采出液處理主要沿用原有的水驅采出液處理工藝,主要有:(1)三相分離器、游離水脫除器、電脫水器處理工藝;(2)游離水脫除器、熱化學脫水器、沉降罐處理工藝;(3)三相分離器、游離水脫除器、壓力沉降罐、電脫水器處理工藝;。大慶油田在聚合物驅采取出液處理中主要采用三相分離器、游離水脫除器、電脫水器處理工藝,其中多數聚驅脫水站采用的電脫水器為豎掛電極直流脫水器。2007年在新建三元復合驅采出液集輸和處理站設計中采用的處理工藝仍沿用三相分離器、游離水脫除器、電脫水器處理工藝,其中的游離水脫除器采用便于清理的三組管式蜂窩型可再生陶瓷填料,電脫水器采用平掛電極和豎掛電極相結合的組合電極結構[76]。
4化學驅采出液處理藥劑
針對化學驅采出液油水分離困難的問題,在采出液油水分離藥劑方面開展了大量研究和試驗工作,開發出適合不同種類化學驅采出液的諸多種類的化學藥劑,按化學藥劑的主要成分構成可分為嵌段聚醚類破乳劑(非離子型和陽離子型嵌段聚醚)[2,4-8,32,35,83-101]和嵌段聚醚類破乳劑+輔助劑[9,80,102-115]兩大類,其中的破乳輔助劑主要有pH調節劑(酸、非酸型酸性物質、氫氧化鈉)、叔胺、無機鹽(氯化鎂、氯化銨)、無機混凝/絮凝劑(氯化鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁)、陽離子有機反相破乳劑、陽離子有機絮凝劑(陽離子淀粉、陽離子芐基淀粉、二甲基二烯丙基氯化銨與丙烯酰胺的共聚物)和氧化劑。此外,還開發了具有雙子結構的高界面活性陽離子破乳劑[42]。
Dreher等[l]針對馬拉松石油公司219-R項目采用石油磺酸鹽表面活性劑的膠束.聚合物驅采出液篩選出一種由烷氧基化酚醛樹脂和胺復合而成的破乳劑。219-R項目膠束.聚合物驅采出液中投加該破乳劑并經過強烈攪拌后可在24h靜置沉降后實現油水分離,但油水相之間仍殘留有富含表面活性劑的中間相。根據破乳劑評價結果,對已有的連續游離水脫除電脫水工藝進行了改造,在游離水脫除罐和電脫水器前均增加了混合器,油井來液加入破乳劑后經過混合器進入游離水脫除罐進行靜置沉降,上層油相摻入10%~25%淡水和破乳劑后進入一臺電脫水器,加熱至
董化等[86]針對大慶油田聚合物驅采出液研制了一個水溶性復合破乳劑,用其處理大慶油田北十三聯合站的聚合物驅采出液(水相聚合物含量為9mg/L~130mg/L),解決了電脫水器電場頻繁破壞的問題,游離水脫除器放水含油量下降幅度為l00mg/L,日破乳劑用量減少200kg。
孫雙立等[l07]針對勝利油田坨一聯聚合物驅采出液研制了一個由l5%聚合氯化鋁,5%具有多環結構的陽離子生物高分子及l.5%未指明成分助劑復合而成的破乳助劑,將其與聚醚型破乳劑配合應用于坨一聯,使該站分離采出水的含油量和懸浮固體含量分別由210.4mg/t,和162mg/L降低到45.6mg/L和105mg/L,使該站一級沉降罐出油的水含量由20%~25%降低到l0%~15%。
張健等[l05,110,1ll]等針對采用疏水締合型聚合物和渤海某油田稠油配制的模擬采出液研制了經擴鏈改性的聚醚型破乳劑和具有叔胺官能團的破乳輔助劑,二者復合使用,不僅改善了模擬采出液的破乳效果,還顯著降低了脫出游離水的含油量和懸浮固體含量。
齊文章等[4,83,87]通過烷氧基化酚醛樹脂和以十八醇為起始劑的三嵌段聚醚的復合,研制出適合遼河油田興28區塊堿.聚合物驅采出液的破乳劑,使礦場采出液處理后的諍化原油水含量達到O.5%以下。
張群正等[104]針對室內制備的W/O型模擬遼河油田興28塊堿.聚合物驅采出液,合成出兩個甲苯二異氰酸酯擴鏈的酚起始劑雙嵌段聚醚破乳劑,并篩選出該類破乳劑與陽離子芐基淀粉和陽離子淀粉凈水劑的復合物作為興28塊堿.聚合物驅采出液的破乳劑。
羅偉福等[91]通過對以多乙烯多胺為起始劑的三嵌段聚醚型破乳劑的結構改進,合成了兩個對含聚合物采出液兼有清水和脫水雙重功能的水溶性破乳劑。將其中的一個破乳劑應用于大港油田羊三木中心站堿.聚合物驅采出液和采出水(C032-和聚合物含量分別為400mg/L~500mg/L和15mg/L~20mg/L)的處理中,在采用游離水脫除器一熱化學脫水器沉降罐采出液處理工藝和壓力除油罐一沉降罐采出水處理工藝,破乳劑加藥量為25mg/L及采出水處理不投加藥劑的情況下,外輸原油水含量控制在2%以下,處理后外排采出水含油量由更換破乳劑前的300mg/L~800mg/L降低到50mg/L以下;將另一破乳劑用于大港油田西二聯水相聚合物含量為l7mg/L的采出液和采出水處理中,在采用游離水脫除器_沉降罐采出液處理工藝和水力旋流器葉過濾器采出水處理工藝,破乳劑加藥量為50medL及采出水處理不投加藥劑的情況下,處理后回注采出水含油量由破乳劑更換前的200mg/L降低到20mg/L~30 mg/L。
周建成等[92]以木質素磺酸鹽為起始劑,與環氧乙烷、環氧丙烷和環氧乙烷嵌段聚合,合成了一種對勝利油田孤二聯合站聚合物驅采出液具有良好清水作用的木質素磺酸鹽改性物,將其與常規聚醚型破乳劑聯合使用,不僅具有良好的脫水效果,還可顯著降低脫后采出水的處理難度。
何恕等[98]本身具有陽離子基團的起始劑與環氧乙烷和環氧丙烷進行嵌段共聚合成了一種陽離子型破乳劑,該破乳劑對大慶油田聚北聯合站高含水率的聚合物驅采出液具有良好的清水效果,在采出液油水分離效果相近的情況下,破乳劑用量降低了50%。
吳迪等[96]通過油溶性和水溶性聚醚型破乳劑的復合,研制出對大慶油田聚合物驅采出液兼有清水和破乳雙重作用的微乳液型破乳劑。將其應用于大慶油田喇Il-1聯合站含聚合物采出液(水相聚合物含量為72.8mg/L)的處理中,在原有的一段游離水脫除二段電脫水原油脫水工藝和一級沉降加一級纖維球過濾采出水處理工藝不變和采出水處理中不投加藥劑的情況下,在采出液中投加15mg/L微乳液型破乳劑,外輸原油水含量控制在0.3%以下,游離水脫除器放水的平均含油量由更換破乳劑前的2004mg/L降低到443mg/L,處理后采出水的平均含油量由更換破壞乳劑前的31.2mg/L降低到4.1mg/L。
盧磊等[
付亞榮等[100]研制了由三種聚醚型破乳劑與氯化鎂、氯化銨、氯化鐵和氯化鋁復配而成的復合破乳劑,將其應用于華北油田趙州橋區塊流動凝膠驅采出液的破乳脫水,在復合破乳劑加量為l40mg/L的條件下,脫水后原油水含量小于O.2%,脫出采出水含油量由應用復合破壞乳劑前的5500mg/L降低到50mg/L以下。
Vargo[78]等針對美國Cambridge Mirmelusa油田堿-表面活性劑-聚合物驅產出的含有聚合物和表面活性劑的采出液研制了高效專用破乳劑,通過將破乳劑加藥點提前油井油套環形空間,顯著降低了破乳劑用量和原油脫水溫度。
宋乃忍等[9]針對勝利油田孤東小井距堿-表面活性劑-聚合物驅試驗區的采出液研制了由無機酸與叔胺陽離子聚醚,以及叔胺陽離子聚醚與二烯丙基二甲基氯化銨.丙烯酰胺共聚物復合的預處理破壞乳劑,將其投加到進入孤東小井距試驗站的堿-表面活性劑-聚合物驅采出液中,消除了因孤東小井距試驗站的堿-表面活性劑.聚合物驅采出液進入孤東一號聯合站導致的脫水器電場周期性破壞現象,電脫水設備運行正常,破乳劑用量大幅度降低,小井距試驗站分離采出水含油量由10000~30000mg/L降低到100mg/L以下。
方洪波和李勝華等[82,102]針對勝利油田孤島東區小井距弱堿體系堿-表面活性劑-聚合物驅采出液采用“主劑+能改善油水界面、抑制pH的復合型非酸輔助劑”的思路研制了系列破乳劑配方,孤島油田稠油堿.表面活性劑.聚合物驅采出液經該系列破乳劑處理后的油相水含量和水相含油量分別降低到30%和l000mg/L以下。
侯國新和王雨等[49,85]對克拉瑪依油田二中區8
孫東方和孫福祥等[75]針對大慶油田北一區斷西堿-表面活性劑-聚合物驅試驗區采出液研制了一個復合型破乳劑,在采用游離水脫除一電脫水采出液處理工藝和破乳劑加藥量為10mg/L~15mg/L的情況下,處理水相C032-、表面活性劑和聚合物含量分別為935mg/L,62mg/L和289mg/L的堿-表面活性劑-聚合物驅采出液,電脫水器出油水含量低于O.3%,游離水脫除器放水含油量小于1700mg/L,電脫水器放水含油量小于3000mg/L。
吳迪等[93]針對大慶油田聚北-1聯合站處理的聚合物驅、膠態分散凝膠驅和堿-表面活性劑-聚合物驅混合采出液(水相烷基苯磺酸鹽表面活性劑、聚合物和C032-。含量分別為52.8mg/L,347.5mg/L和294.5mg/L),采用油溶性聚醚型破乳劑與水溶性非離子型藥劑復合的方法,研制出對聚北-1聯合站含表面活性劑、堿和聚合物的采出液兼有清水和脫水雙重功能的乳液型破乳劑。在采用游離水脫除器_電脫水器采出液處理工藝和沉降罐過濾器采出水處理工藝,破乳劑加藥量為60mg/L及采出水處理中不投加藥劑的情況下,使聚北-l聯合站外輸原油水含量控制在0.3%以下,游離水脫除器放水的平均含油量由更換破乳劑前的1056mg/L降低到179mg/L,處理后回注采出水含油量由更換破乳劑前的99mg/L降低到9.9mg/L。
吳迪等[97]研制出適用于了大慶油田查二中試驗區堿-表面活性劑-聚合物驅采出液的嵌段聚醚型破乳劑,將其應用于杏二中試驗區低驅油劑含量綜合采出液(水相烷基苯磺酸鹽表面活性劑、聚合物和 C032-玉含量分別為25mg/L,125mg/L和1320mg/L)的處理中,在采用游離水脫除→電脫水采出液處理工藝和破乳劑加藥量為30mg/L的條件下,游離水脫除器放水和水處理設施進水含油量分別由試驗前的平均40030mg/L和1547mg/L降低到858mg/L和197mg/L,電脫水器處理后原油水含量平均為0.27%。
在研究和開發化學驅采出液處理藥劑的同時,一些研究人員還初步研究了化學驅采出液的破乳機理,通過測試破乳劑對聚合物驅和堿.表面活性劑.聚合物驅采出液的油水界面性質(油水界面張力、油水界面剪切黏度、油水界面剪切彈性模量、油水界面Zeta電位、油水界面膜強度)的影響[35,42,56,57,89,116-121],發現破乳劑可顯著降低聚合物驅采出液的界面張力,增大部分堿.表面活性劑.聚合物驅采出液的油水界面張力,降低聚合物驅和堿.表面活性劑-聚合物驅采出液油水界面的負電性和界面剪切黏度,表明破乳劑對聚合物驅和堿-表面活性劑.聚合物驅采出液的主要作用機制為破乳劑分子吸附在油水界面上頂替全部或部分驅油表面活性、天然界面活性物質和堿與原油中天然物質反應生成的新生界面活性物質,降低油水界面的負電性,改善油水界面的流變性,減弱了油珠和水滴之間聚并的障礙。
5結束語
目前化學驅采出液處理中的難點一是分離采出水含油量和懸浮固體含量高,造成后續采出水處理難度加大;二是采出水處理過程中產生的高機械雜質含量污油回收到采出液處理設施中常造成采出液油水分離效果的惡化和采出液處理設施運行波動,嚴重時甚至會造成電脫水器垮電場和脫水后原油的含水率超標;三是具有界面活性的聚合物等新型驅油劑的應用使采出液的性質更加復雜,油水分離難度加大。針對上述問題,下一步應該重點開展以下幾個方面的研究和開發工作:(1)強化現場各工藝階段采出液成分、結構和油水乳狀液穩定機制的研究,為采取有效的預防和應對措施提供依據;(2)加強集輸和采出水處理中應用的防垢劑、破乳劑和清水劑等各類藥劑的整體優化,在采出液處理藥劑的研制和選型中充分照顧到后續的采出水處理,盡可能降低分離采出水的含油量和處理難度,減少采出水處理過程中的藥劑用量和污油產生量;(3)研制針對采出水處理過程中產生的污油的高效凈化處理藥劑,減輕水處理設施回收污油對采出液處理的影響;(4)探索采用高界面活性非嵌段聚醚型破乳劑處理化學驅采出液的可行性。如果能通過高效采出液處理藥荊的研制和應用使化學驅采出液和采出水的分離難度與水驅采出液和采出水相近,使現有采出液和采出水處理設施可以接納化學驅采出液和采出水,則可節約大量新建化學驅采出液和采出水處理設施的費用,顯著改善化學驅的經濟性。
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