电场作用下水驱油田采出水稳定性研究*

杜欢，万蕾，尚可心，聂春红

(1. 东北石油大学化学化工学院，黑龙江大庆 163318；2. 中国石油大庆油田第七采油厂，黑龙江大庆 163517)

随着我国油气田开采进程发展至中后期，水驱采油使油田综合含水率达90%以上，大量油水混合液的产出，为后续处理带来了难题。油水混合液分为2 种类型：水包油悬浊液和水包油乳状液，这些混合液不仅产量大，而且矿化度和含油量均较高，回注容易堵塞地层，外排会造成污染。含水原油对产品的运输、精炼也较不利，因此采用破乳手段使油水分离是石油工业及环保的关注点之一[1]。物理破乳如重力分离、离心、超声等，可以很容易地分离油水悬浮液[2]。相对于油水悬浊液的处理，油水乳状液的处理难度更大。目前油水乳状液的处理方法主要分为化学破乳、物理破乳、生物破乳等。化学破乳中的电气技术是目前使用较广的方法之一，但是能耗较高。化学破乳中的化学剂破乳是比较有效的破乳方法，能增强乳液聚集和絮凝的能力。目前还开发了基于各种纳米粒子的破乳剂，以提高破乳效果[3]。但是破乳剂的使用，使乳状液的成分更加复杂，容易导致水质变差，污染环境。典型的物理处理技术包括微波辐照、超声波或离心等机械方法。物理破乳中的膜和过滤也是常用的方法[4]，该分离方法环保无污染，不引入新的杂质，但存在分离效率低，分离成本高等缺点[5]。用于油水乳状液破乳的微生物方法较少。

目前，电化学处理油田采出的方法主要有电絮凝法[6]、电气浮[7]、电渗析[8]、电化学氧化法[9]、电化学还原法[10]等。虽然电化学技术在油田采出水中的应用已较多，但针对电极材料对油田采出水稳定性影响的研究却较少。采用双铂电极，考察了不同电解时间、电解温度、电解电流及含油初始质量浓度对油田采出水含油量去除率的影响，为电场作用下处理油田采出水以及电极的选择提供了理论依据。

1 试验部分

1.1 主要试剂

NaCl：天津市四通化工厂；NaHCO3、Na2CO3、MgCl2·6H2O：北京化工厂；Na2SO4：哈尔滨市新达化工厂；CaCl2：辽宁沈阳医药股份有限公司；十二烷基苯磺酸钠(SDBS)：上海阿拉丁试剂有限公司；正己烷：天津市巴斯夫化工有限公司；以上试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器

213 型铂电极：上海精密科学仪器有限公司；FA25 型剪切乳化机：上海FLUKE 流体机械制造有限公司；SPECORD 50 PLUS 型紫外-可见分光光度计：德国耶拿分析仪器股份公司；石英比色皿：1 cm，上海第三分析仪器厂。

1.3 模拟油田采出水的配制

试验中使用的油样为油田某联合站外输净化原油，根据油井采出液游离水水质分析数据配制模拟水样：NaCl 1.995 g/L；NaHCO33.024 g/L；Na2CO30.171 g/L；Na2SO40.001 g/L；CaCl20.002 g/L；MgCl2·6H2O 0.007 g/L；SDBS 0.16 g/L。先配制1 000 mL的模拟水样，称取0.5 g 的标准油，用高剪切乳化机以3 000 r/s 的速率乳化30 min。乳化完成后静止，取其稳定部分备用。

1.4 试验方法

1.4.1 含油量-吸光度标准曲线

依据SY/T0530—2011《油田采出水中含油量测定方法 分光光度法》配制含油质量浓度分别为50，100，150，200 mg/L 的油田采出水试样。以正己烷为参比，经空白校正后，在225 nm 和254 nm处测定所配标准试样吸光度，绘制含油量-吸光度标准曲线见图1。

图1 含油量-吸光度标准曲线

1.4.2 紫外-可见分光光度法测定除油率

取待测试样用正己烷萃取后，采用紫外-可见分光光度计于225 nm 和254 nm 波长处测定正己烷萃取液的吸光度，并根据制作的标准曲线得出水样含油量，然后计算破乳后的除油率。

2 结果与讨论

2.1 电解时间对油田采出水稳定性的影响

在反应器中，两极均为20 mm×20 mm 的铂电极，电极间距13 mm。在温度为20 ℃，电流为50 mA 的条件下，测定电解时间分别为0.5，1，1.5，2，2.5 h 时，油田采出水含油量的变化情况，以评价电解时间对电解效率的影响，试验结果见图2。

图2 电解时间对除油率的影响

由图2 可见：随着电解时间的增长，除油率先上升后基本不变，1.5 h 时存在一个拐点。分析其原因有3 点：①试验初始时油田采出水含油量较高，水中乳化油被氧化的机率较大，因此含油量变化速率较快，但电解1.5 h 后，体系中只剩下一些不易被降解的物质，即使增加电解时间也无法使含油量继续大量降低。②由于水样中含有一些可溶性无机盐、有机物等导电物质，电阻小，因此产生的电流较大，带电离子也较多，可以快速地中和水包油表面的电荷。随着反应的进行，导电物质被氧化还原成一些不能导电的物质，也阻碍了反应的进行。③生成的一些物质也会附着在电极表面，阻碍后续反应进行，因此在1.5 h 之后，随着电解时间的增长，除油率保持稳定。考虑能耗因素，电解时间优选1.5 h。

2.2 电解温度对油田采出水稳定性的影响

在电流为50 mA，电解时间为1.5 h 的条件下，考察电解温度分别为20，30，50，70，80 ℃时，电解温度对除油率的影响，试验结果见图3。

图3 电解温度对除油率的影响

由图3 可见：随着电解温度的升高，除油率不断增大，且没有趋于平缓的趋势，说明电解温度越高越有利于油田采出水的破乳。一般的氧化还原反应速率都受温度的影响，反应温度越高，反应速率越快，石油烃的氧化降解也一样，温度升高也使活化分子数目增多，反应物分子的无规则运动加剧，同时降低了反应的活化能，使电极反应容易发生。同时温度升高，油田采出水中油滴的布朗运动速度加快，加速了油滴的絮凝聚结效率，使油珠粒径增大，油田采出水的稳定性降低，利于破乳。

2.3 电解电流对油田采出水稳定性的影响

试验温度设为20 ℃，电解时间为1.5 h，考察了电解电流分别为40，50，60，70，80 mA 时，电解电流对油田采出水除油率的影响，结果见图4。

图4 电解电流对除油率的影响

由图4 可见：随着电流的增大，除油率逐步增大，并且没有趋于平缓的趋势。在电化学反应里，电解电流的大小代表着氧化还原反应得失电子速率的大小，而得失电子的速率就是反应的速率，因此电解电流的大小决定反应的快慢。单位时间内，当电解电流增大时，反应加快，除油率增大。同样的电极表面，电流越大，电流效率也越高，阳极氧化油田采出水中油就越多，除油率增大。

2.4 初始浓度对油田采出水稳定性的影响

在温度为20 ℃，电流为50 mA，电解时间为1.5 h 的条件下，考察了初始含油质量浓度分别为70，100，220，300 mg/L 时，初始含油质量浓度对除油率的影响，结果见图5。

图5 初始含油质量浓度对除油率的影响

由图5 可见：除油率随着油田采出水初始含油质量浓度的增大而变大，这是由于反应的速率与反应物浓度是成正比关系，浓度越高，反应速率越快，油田采出水的除油率也越大。

2.5 电场破乳的机理分析

传统的破乳过程均包含絮凝和聚结的过程[11-12]，如图6 所示。

图6 乳状液失稳过程

表面活性剂在2 种不混相液体界面间的定向吸附引起的界面张力明显低于该2 种液体的表面张力。吸附在油水界面的表面活性剂分子、油分子和水分子之间的相互作用看作统一的平衡关系。由于表面活性剂分子的吸附，油水界面处增加了一层具有一定厚度的表面活性剂层[13-14]，增加了油水界面膜的强度。

破乳试验采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为阴离子型的表面活性剂，表面活性剂上带有大量的负电荷。在电场的作用下，吸附在油水界面膜上SDBS 会减少，使油水界面膜强度降低，利于油滴的絮凝和聚结。同时在电场的作用下，带电的小油滴加速运动，增强了碰撞的机率，更促进了油滴的絮凝和聚结过程，当小油滴聚结成大油滴时，由于密度差的原因，会开始上浮，进而实现油水分离，完成破乳。

3 结论

采用铂电极，考察了电解时间、电解温度、电解电流、初始含油质量浓度对油田采出水稳定性的影响，得到以下结论。

1)电解时间在1.5 h 前，油田采出水的除油率随着电解时间的延长而不断增大，当电解时间超过1.5 h 后，除油率变化较小。温度为20～80 ℃时，随着电解温度的升高，油田采出水的除油率不断增大。电流强度为40～80 mA 时，除油率随电流强度的增大而增大。随着油田采出水的初始含油质量浓度的增大，除油率也随之增大。

2)电场作用下水驱油田采出水的失稳机理为：在电场作用下，油水界面的SDBS 吸附量减少，使油水界面膜的强度和紧密程度减弱，同时带电小油滴在电场作用下运动加快，增加了油滴之间碰撞的机率，油滴之间更容易絮凝聚结，使油田采出水稳定性降低。