三元配注系统各节点含氧量及二次曝氧作用分析

王天宇

西南油气田公司基建工程处

某油田三元配注系统采用“污配污稀”运行模式，而污水中含有大量微生物，其中SRB 及其代谢产物会使聚合物分子发生降解，严重影响溶液黏度。此外，污水中的还原性离子如Fe2+、S2-等，在配制时易发生氧化还原反应，导致聚合物分子链断裂，大幅降低溶液黏度。对污水进行曝氧处理可有效抑制SRB 等厌氧菌的繁殖，从而减少聚合物溶液的生物降解[1]，还能使还原性离子提前氧化，从而减少聚合物分子的氧化降解[2]。通过对曝氧工艺的前期调研，污水经射流器曝氧后氧含质量浓度可达5 mg/L 左右，但由于工艺流程较长，污水到达配制、注入端时含氧浓度仅剩1.5 mg/L 左右。基于黏损较高的现状，保持污水中含氧量对降低黏损有着重要的作用，因此通过开展模拟压气曝氧以及高压曝氧现场试验，分别在低压端和高压端对污水进行二次曝氧，在观察二次曝氧对三元配注系统的影响的同时分析能否有效降低黏损。

1 三元配注系统各节点含氧量概况

截至2019 年，第三开发区共有A、B、C 三个工业区块采用三元复合驱开发方式，均采用“污配污稀”的运行方式，配制及稀释用水为深度曝氧水，曝氧方式均为射流曝氧。

第三开发区三元系统曝氧站共4 座，分别为1#曝氧站、2#曝氧站、3#曝氧站、4#曝氧站，对各曝氧站及其后续配注工艺各个节点含氧量进行检测，以A 区块东块数据为例进行分析（图1、图2）。

图1 A 区块东块低压流程各节点含氧浓度趋势图Fig.1 Oxygen concentration trend of each node in the low pressure process of East A Block

图2 A 区块东块高压流程各节点含氧浓度趋势图Fig.2 Oxygen concentration trend of each node in the high pressure process of East A Block

由图1 和图2 可知：全区三元配注系统高压端与低压端含氧量整体均呈现下降趋势，污水经过射流器后，含氧浓度可达5 mg/L 左右，但经过储水罐缓存后，外输时含氧量急剧下降，再通过长距离运输达到下游站时，氧含浓度稳定在1.5 mg/L 左右，且输送距离越长，污水中含氧量越低。但在经过低压端配制站后，部分数据出现反弹，含氧量略有上升。这是由于储罐内部构造表面以及污水中含有的大量有机物、好氧微生物以及还原性离子等成分消耗了大量氧气，导致储水罐出口含氧量急剧下降。同时，在密闭长距离输送管道中，曝氧污水经过沿程不断消耗氧气且没有氧气补充，因此到达下游站时含浓度仅剩1.5 mg/L 左右。但由于配制工艺并非密闭流程，期间与会空气接触，因此在后面流程中溶液含氧量略有提升。

基于以上检测结果可知：配注工艺复杂而且管线输送距离长，使氧气大量消耗，导致末端氧含量不足；从原理上来说，射流曝氧工艺通过内部结构产生负压被动吸氧，曝氧浓度最高不超过7 mg/L，通过更换射流器在源头提升曝氧量难以实现。因此，结合实际情况采取如下方案：在末端工艺增加二次曝氧，规避长距离管线流程对氧气的损耗；用压气曝氧工艺代替射流曝氧，压气曝氧在原理上属于主动打氧，可大幅提升曝氧量，并且可以控制调整曝氧值。

2 模拟压气曝氧试验

通过了解压气曝氧原理并结合某设计院类似试验，利用气泵等设备向水中打氧来模拟压气曝氧的工作方式。本实验拟在配制站低压一元来液处进行二次曝氧，模拟配制流程，研究在低压端进行二次曝氧是否对配制黏度有影响。

2.1 试验一

在1～5 配制站低压一元来液（罐前）进行压气曝氧模拟试验。取二次曝氧前水样和二次曝氧后水样，分别测试含氧量、SRB 含量，并室内用干粉配制成浓度为5 000 mg/L 的聚合物母液测试其黏度，结果见表1。

表1 第一次模拟压气曝氧试验数据Tab.1 Test data of first simulated pressured oxygen aeration

由表1 可知，经曝氧处理后，母液的细菌含量明显下降（但仍未达标），说明二次曝氧对硫酸盐还原菌的繁殖有一定抑制作用[3]；二次曝氧水样配制的母液黏度低于未曝氧水样，二次曝氧没有起到控制黏损的作用，反而影响了母液黏度。

2.2 试验二

通过查阅相关文献资料，理论上最佳曝氧效果的氧含浓度应为5 mg/L 左右，氧含浓度过高会对聚合物起到氧化降解作用[4]，因此对试验进行调整，增加含氧量阶梯，进行第二次测试，结果如表2所示。

表2 模拟压气曝氧第二次试验数据Tab.2 Test data of second simulated pressured oxygen aeration

由表2 可知，各阶梯黏度值相差不大，氧含浓度6 mg/L 所对应黏度值最高，但衰减幅度最大；经过2 h 静置后，氧含浓度3 mg/L 所对应的黏度值反而最高。

2.3 试验三

本次试验数据由1～5 化验室和中心化验室同时检测对比，将溶液浓度稀释至1 000 mg/L 后，中心化验室化验黏度分别为23.1、22.0 mPa·s，静置2 h 后黏度分别为23.5、22.4 mPa·s；1～5 化验室化验黏度分别为23.5、22.4 mPa·s，静置2 h 后黏度分别为22.4、21.3 mPa·s。由数据可看出，稀释到1 000 mg/L 后所配制母液黏度差值很小，不足以进行对比区分；含氧量浓度1.5 mg/L（未进行二次曝氧处理）时，溶液黏度最高。

表3为1～5化验室一周内实测现场配制母液黏度值，对比二次曝氧后实验室所测母液黏度，未见明显差异，说明二次曝氧对配制母液黏度影响不大。

表3 1～5 化验室高分黏度值Tab.3 High viscosity value in 1～5 laboratories

2.4 试验结论

通过上述试验结果可以看出，用二次曝氧后的污水配制母液黏度不佳，分析原因如下：

（1）氧含量值从1～6 二元调配站到1～5 配制站基本没有变化，说明此过程中氧气的消耗量已经很小，试验过程中用1～5配制站来液（含氧量1.5 mg/L）进行二次曝氧，该处污水中含有的Fe2+、S2-等还原性离子可能在长距离运输过程基本氧化耗尽[5]，若再进行二次曝氧，不但不能起到去除还原性离子的作用，多余的氧气反而形成氧化降解，影响母液黏度；

（2）污水中含有的一部分Fe2+和S2-以FeS（不溶于水）悬浮物形式存在，不会影响到溶液黏度，曝氧后二价铁氧化为三价铁在水中以离子形式存在，可溶于水，反而会影响黏度。

综合上述低压配制端三次模拟压气曝氧的试验结果，说明二次曝氧有一定的抑菌作用，但对聚合物溶液黏度没有明显影响，同时过高的曝氧量反而会影响母液黏度。

3 高压端曝氧现场试验

在对低压端配制污水进行二次曝氧的研究基础上，B 区三元配注站开展了高压曝氧试验，对高压稀释水进行二次曝氧，并观测试验效果。工艺上使注入站高压二元来液先经过高压曝氧设备后，再进入注入阀组与母液混合注入单井，研究高压端曝氧对三元配注系统母液黏度的影响[6]。本次试验选取曝氧设备前后以及距离不同单井进行跟踪检测，数据见表4、表5。

表4 第一次检测工艺节点含氧量数据Tab.4 Oxygen content data of process nodes for the first test

表5 第二次检测工艺节点含氧量数据Tab.5 Oxygen content data of process nodes for the second test

3.1 高压曝氧工艺流程各节点含氧量

从现场试验数据可知，高压二元液含氧浓度从调配站到达配注站基本保持在1.5 mg/L 左右，经过高压曝氧装置后含氧浓度显著提升，可达14～18 mg/L，但达到注入井口时含氧量急剧减少，且随距离增加降幅增大，井口含氧浓度值保持在4 mg/L 左右。

3.2 高压曝氧对黏度影响

在室内，取曝氧前后污水分别配制、稀释成等浓度三元液，检测黏度变化（表6），经高压曝氧后黏度值平均提升11%。

表6 曝氧前后污水室内配制黏度对比数据Tab.6 Comparison data of indoor preparation viscosity of sewage before and after oxygen aeration

对井口黏度进行跟踪，数据如图3 所示，黏度未见明显变化趋势。

图3 单井黏度变化趋势Fig.3 Variation trend of single well viscosity

高压曝氧试验室内配制试验黏度有所提升，而实际井口取样黏度无明显变化趋势。

原因分析：井口取样数据受影响因素较多，每天来水矿化度不同，导致黏度偏差较大，需后续长期取样观测总体变化趋势来论证试验结论；室内配制试验所用污水含氧浓度为18 mg/L，而井口对应含氧量为4 mg/L，含氧浓度差值较大，导致结果不同。

3.3 高压曝氧对细菌的影响

取同一时段内曝氧前（2-7 二元调配站外输）和曝氧后（B 区高压曝氧装置后）污水进行细菌含量化验，结果见表7。

表7 曝氧前后细菌含量数据Tab.7 Bacterial content data before and after oxygen aeration

其中SRB 为厌氧菌，TGB、FB 为好氧菌。从表中数据可以看出，曝氧后SRB 合格率为100%，而TGB 和FB 含量变化不稳定，存在超标情况。由于曝氧前后污水取样点距离较远，因此干扰成分较多，但由表中数据总体趋势可以看出，曝氧前后污水细菌含量合格率由56.3%上升至73.3%，总体说明曝氧对厌氧菌有一定的抑制作，可以通过曝氧来减少聚合物的生物降解[7]。

3.4 试验结论

综合高压曝氧现场试验数据可知：室内用含氧浓度18mg/L 的高压二次曝氧后污水稀释母液得到的三元液黏度同比提高11%；在实际生产注入井口污水含氧量急剧下降，且一个月内黏度未见明显变化趋势；高压曝氧对细菌繁殖有一定抑制作用[8]。

4 试验结果分析及认识

综合全部实验内容可得到以下初步结论：

（1）两次实验均证明二次曝氧对厌氧菌的繁殖一定有抑制作用。

（2）在低压端，用二次曝氧污水配制母液不能起到降低黏损的作用。

（3）在高压端，用二次曝氧污水稀释母液（室内配制）有一定的降低黏损效果，但在实际井口作用不明显。

二次曝氧对第三开发区三元配注系统的作用尚需进一步研究论证，通过对现有数据及结论的分析，主要问题包括以下几点：实验数据基本可以论证曝氧确实可以有效抑制厌氧菌繁殖，减少聚合物分子的生物降解，但对于污水中二价铁、二价硫等还原性离子的变化尚未研究论证，后续试验计划测定各工艺节点及曝氧前后还原性离子含量变化，进一步论证二次曝氧的作用。高压曝氧装置距离最远注入井仅600 m，但含氧浓度由18 mg/L 降至4 mg/L，降幅较大，后续实验计划增加注入站静混后检测点，进一步研究注入站达到井口时含氧量大幅下降的原因。理论上，含氧浓度在5 mg/L 时所对应的聚合物溶液黏度最高[9]，过高或过低的含氧量均会对黏度造成影响，实验中5 mg/L 所对应的黏度较低（低于未曝氧黏度），而18 mg/L 所对应的黏度反而较高（同比提升11%），试验与理论最佳曝氧值相差较大，这是由于压气曝氧试验在进行配制搅拌过程中与空气接触，含氧量会相应变化，可能影响试验结果；而且压气曝氧试验配制成的是低压二元液，高压曝氧试验配制成的是三元液，介质成分不同可能也会对试验结果造成影响；同时，三元配注系统及污水成分具有特殊性[10]，最佳含氧量范围取值可能比传统理论值更高。

后续实验计划增加曝氧量阶梯范围，统一研究介质，研究适应萨北开发区三元系统的最佳曝氧量。