一种CO２驱采出水的处理装置及处理方法与流程

本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种以变频电磁磁化和曝气作为co2驱采出水处理方式的处理装置，以及用该装置对co2驱采出水进行处理的方法。

背景技术：

油田开发时，会使用水驱、聚合物驱、三元复合驱等不同驱油方式进行驱油。驱油具体为：通过注入井向地下注入水和驱油剂等，由于驱油剂可提高原油的稠化能力、降低原油的界面张力，因而具有洗油等能力，从而将地层中的原油溶解、携带。这一过程中驱油剂与原油形成油水气混合液(即采出液)，由抽油机经采出井提升至地面，然后进行气与油、水的三相分离，分别得到天然气和原油及含油污水(即驱油采出水，简称采出水)。

以水进行驱油的过程称为水驱。常规水驱因渗透率低、可动流体饱和度低、启动压力梯度大等缺点难以有效开发油层的原油，使得原油采收率无法提高。为了进一步提高原油采收率，油田采用了二氧化碳驱油技术，即以二氧化碳作为气驱驱油，二氧化碳驱可克服常规水驱的缺点，提高原油采收率。然而由于注入气量大、浓度高，采出水中二氧化碳含量越来越高，致使co2驱采出水具有许多不同于常规水驱采出水的特性，如：采出水中二氧化碳含量高、酸度大，对管线和地面设备腐蚀严重；因二氧化碳溶解了地层中矿物质导致水中悬浮固体较多。

由于二氧化碳驱本身存在流度低、易气窜等特点，在二氧化碳驱油后会出现气油比大幅度上升，即出气不出油的现象，因此国内大多数油田目前并没有用二氧化碳驱完全替代水驱，而是采用“水气交替”的驱油方式，即水驱和二氧化碳驱交替进行的驱油方式来提高采收率。

然而，目前没有专门用于油田二氧化碳驱采出水的处理系统，二氧化碳驱采出水是与水驱采出水掺混后采用水驱采出水处理系统处理。这对于水驱采出水处理系统来说，相当于增加了水驱采出水中的二氧化碳含量，会导致处理设备时常结垢和垢下腐蚀现象的出现，进而造成大量管线和采出水的水处理设备腐蚀穿孔，无法正常使用。可见，原有的水驱设备在结垢和腐蚀等方面已不能适应二氧化碳驱采出水。此外，常规水驱采出水的处理系统占地面积大，处理工艺(自然沉降+混凝沉降+石英砂过滤等物理方法处理和/或配合阻垢剂、缓蚀剂等化学方法处理)灵活性差、控腐及除垢效果差，且药剂耗资高，使用后可能对周边环境形成二次污染，难以满足油田防垢、控腐、降低设备管线更换频率等正常生产和环保要求。

因此，针对以上co2驱采出水和交替驱油的特点，需要研究开发一套co2驱采出水的处理装置和处理方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，第一方面，提供一种操作简单灵活、无毒无污染的co2驱采出水的处理装置，包括试验装置主箱体，在所述试验装置主箱体内设有中空的若干通气试验柱，所述通气试验柱顶部设有进水口，底部设有污水取样口，外壁表面缠绕有电磁线圈，内部下方设有曝气头；

优选的，所述电磁线圈与变频电磁控制器电连接，变频电磁控制器独立控制每一个通气试验柱上的电磁线圈。

所述通气试验柱之一用于在变频电磁场下磁化处理二氧化碳驱采出水；所述通气试验柱之一用于曝气处理二氧化碳驱采出水；所述通气试验柱之一用于先在变频电磁场下磁化处理，然后曝气处理二氧化碳驱采出水；所述通气试验柱之一用于先曝气处理，然后在变频电磁场下磁化处理二氧化碳驱采出水。

还包括二氧化碳钢瓶，用于向所述通气试验柱中的采出水补充二氧化碳。

所述二氧化碳钢瓶与试验装置主箱体中的曝气头通过进气管连接；优选的，进气管上设有减压阀和质量流量计，二氧化碳钢瓶顶部设有控制阀。

在所述减压阀和质量流量计之间还设有增氧泵，与试验装置主箱体中的曝气头通过进气管连接。

第二方面，本发明提供co2驱采出水的处理方法，使用上述处理装置对通气试验柱中的采出水进行四种处理方式中的任意一种或多种；四种所述处理方式为：磁化处理、曝气处理、先磁化处理后曝气处理、先曝气处理后磁化处理；

优选的，磁化处理、曝气处理、先磁化处理后曝气处理、先曝气处理后磁化处理在不同的通气试验柱中同时进行。

所述磁化处理具体为：开启通气试验柱中的变频电磁控制器，控制电磁线圈产生范围为1khz-20khz的变频电磁场，使采出水处于变频磁场下0.5h-4h。

所述曝气处理具体为：通过曝气头向第二通气试验柱中鼓入空气0.5h-4h；优选的，通气量为1-4l/min。

所述先磁化处理后曝气处理具体为：先开启通气试验柱中的变频电磁控制器，控制电磁线圈产生范围为1khz-20khz的变频电磁场，使采出水处于变频磁场下0.5h-4h；再通过曝气头向第二通气试验柱中鼓入空气0.5h-4h。

所述先曝气处理后磁化处理具体为：先通过曝气头向第二通气试验柱中鼓入空气0.5h-4h；再开启通气试验柱中的变频电磁控制器，控制电磁线圈产生范围为1khz-20khz的变频电磁场，使采出水处于变频磁场下0.5h-4h。。

本发明的co2驱采出水的处理装置基于以下防垢理论研发得到：变频电磁场下，成垢阴阳离子受外加电磁场影响在管壁或容器壁上附着力减小，碰撞结合机会增大，使得采出水中水分子和成垢阴阳离子活化性增强，离子会阻碍水垢生长、沉积，且使得易结合形成污垢的微粒随液流排除。同时该装置还结合了曝气除油、脱除水中co2控腐等原理，进一步对采出水进行处理。该装置灵活性高、占地面积小，除油、防垢、控腐处理效果好，确保满足油田co2驱采出水达标处理需求，为油田在co2驱采出水处理领域的发展和开辟新的途径和方法提供指导。

附图说明

图1所示为本发明co2驱采出水的处理装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明co2驱采出水的处理装置中采用变频电磁曝气法处理co2驱采出水，根据不同水样，可用纯曝气、纯磁化、先磁化后曝气、先曝气后磁化四种处理方式来处理采出水。此外，可对处理效果进行评价，以确定co2驱采出水的处理方式。

为了解决co2驱采出水的处理系统易结垢的问题，本发明的处理装置中采用变频电磁法处理co2驱采出水。目前变频电磁法主要用于热力电厂循环水等的处理，被处理水质特点及组成成分比较简单，与油田二氧化碳驱采出水(不仅存在各种细菌，还包括污油、悬浮固体和硫化物等多种成分)的水质相比，水质特点及组成成分的复杂程度相差甚远。本发明将变频电磁法用于油田二氧化碳驱采出水的处理尚属首次。

本发明co2驱采出水的处理装置只需在油田现有的采出水曝气处理装置的输水管线上配备变频电磁线圈和变频电磁控制器，即可实现co2驱采出水的变频电磁曝气处理，改造成本低，改造灵活性高，工业化应用前景广阔。

以下结合具体实施例，更具体地说明本发明的内容，并对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明进行限制。

本发明co2驱采出水的处理装置，结构见图1，包括二氧化碳钢瓶1和试验装置主箱体6。其中，

试验装置主箱体6内设有四组中空的通气试验柱7，分别为第一通气试验柱71、第二通气试验柱72、第三通气试验柱73、第四通气试验柱74，这四组通气试验柱7并列置于主箱体6中。通气试验柱7顶部设有进水口9，底部设有污水取样口14，外壁表面缠绕有电磁线圈11，内部下方设有曝气头10。试验装置主箱体6上设有四个变频电磁控制器12，一个变频电磁控制器12与一个通气试验柱7上的电磁线圈11对应电连接，以实现独立控制四组通气试验柱7上的电磁线圈11。试验装置主箱体6上还设有变频电磁指示灯13，用来表明整个评价装置与电源的连通情况。试验装置主箱体6底部还设有滑轮15，用于移动该试验装置主箱体6。

变频电磁控制器12和电磁线圈11可作为变频电磁器配套购买，购自洛阳轻雨环保科技有限公司qyct-19250系列。变频电磁器主要由两部分构成，一部分是缠绕式电磁线圈11，另一部分是变频电磁控制器12。变频电磁控制器12主要由能够产生频率不断变化的电磁波发生器芯片构成，频率变化范围一般1khz-20khz之间，使用时将电磁线圈绕在通气试验柱7外，再将变频电磁控制器12接通电源即可。电磁线圈内的正弦波电流在通气试验柱7内部产生变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场激发变化的电场，这样就会在通气试验柱7内的采出水中形成变频电磁场，从而达到除垢阻垢的目的。曝气头10可与增氧泵配套采购，购买松宝牌sb-988。

二氧化碳钢瓶1与试验装置主箱体6中的曝气头10通过进气管8连接，为曝气头10提供气源，即：每个曝气头10都并联在进气管8上。进气管8上设有减压阀2和质量流量计3。在减压阀2和质量流量计3之间还设有增氧泵4，用来为曝气头10提供空气气源。二氧化碳钢瓶1顶部设有控制阀5。

在此基础上，本发明提供了一种co2驱采出水的处理方法。本发明co2驱采出水的处理装置可同时对采出水样进行纯曝气、纯磁化、先磁化后曝气、先曝气后磁化四种处理方式；进一步地，可对四种处理方式处理后的水样进行评价，并分别与空白试验进行对比，确定出该批水样适合的处理方式，即处理该批水样的方式为纯曝气、纯磁化、先磁化后曝气、先曝气后磁化中的哪一种。

具体为：首先将相同水质特性的待处理采出水分别置入图1所示的四个通气试验柱7内，通过增氧泵、通气试验柱7中曝气头10和通气试验柱7外缠绕的电磁线圈11进行曝气处理和/或磁化处理。为了确定使用哪一种处理方式，可以先取样分析原水水质特性(腐蚀速率、结垢量、含油量和水中co2含量)后，根据水质特性数据判定待处理采出水中co2含量在25℃、1个大气压下是否达到饱和状态(1449ppm)，co2含量可用东西仪(北京)科技有限公司型号为wi-hd-co2-s的分析仪检测，如不满足可通过二氧化碳钢瓶1分别向四个通气试验柱7的污水中补充二氧化碳直至饱和；然后分别进行磁化处理、曝气处理、先磁化后曝气处理、先曝气后磁化处理；最后通过污水取样口14取样，检测水质特性参数，计算出处理效果数据(如除油率、控腐率和抑垢率)，筛选最优试验条件，以本发明装置出水水质除油率、控腐率和抑垢率均在90％以上的处理方式作为采出水的处理方式。

具体包括以下步骤：

(1)、取二氧化碳驱采出水分别置于本发明co2驱采出水的处理装置的四个通气试验柱7中；

(2)、按以下分组进行处理：

纯磁化组：开启第一通气试验柱71中的变频电磁控制器12，控制电磁线圈11产生范围为1khz-20khz的变频电磁进行磁化0.5-2h；

纯曝气组：开启增氧泵4通过曝气头10向第二通气试验柱72中鼓入(通气量为1-4l/min)空气进行曝氧0.5-4h；

先磁化后曝气组：先开启第三通气试验柱73中的变频电磁控制器12，控制电磁线圈11产生范围为1khz-20khz的变频电磁进行磁化0.5-4h；然后开启增氧泵4通过曝气头10向第三通气试验柱73中鼓入(通气量为1-4l/min)空气进行曝氧0.5-4h；

先曝气后磁化组：先开启增氧泵4通过曝气头10向第四通气试验柱74中鼓入(通气量为1-4l/min)空气进行曝氧0.5-4h；然后开启第四通气试验柱74中的变频电磁控制器12，控制电磁线圈11产生范围为1khz-20khz的变频电磁进行磁化0.5-2h；

为了确定使用哪组方式处理采出水，以及各组的处理参数，还可在步骤(2)前设置空白组，并按以下步骤(3)-(4)进行处理效果的确定；

(3)、空白组：在常温常压下从每个通气试验柱7底部的污水取样口14取样，用检测模块16分析检测采出水中co2含量，若co2含量不饱和(即25℃、1个大气压下浓度低于1449ppm)，开启二氧化碳钢瓶1的控制阀5和减压阀2，经由进气管8和曝气头10向四个通气试验柱7输送co2气体，通过质量流量计(3)调节进气量，直至采出水中co2含量达到饱和(即25℃、1个大气压下co2含量达到1449ppm)，每个通气试验柱7取样，用检测模块16分析检测采出水处理前的腐蚀速率、结垢量和含油量，作为空白组的数据；若co2含量饱和，直接从每个通气试验柱7取样，用检测模块16分析检测采出水处理前的腐蚀速率、结垢量和含油量，作为空白组的数据；

纯磁化组：开启第一通气试验柱71中的变频电磁控制器12，控制电磁线圈11产生范围为1khz-20khz的变频电磁进行磁化，分别于磁化0.5h、1h、2h、4h时从污水取样口14取样，用检测模块16进行腐蚀速率、结垢量和含油量的分析检测，记为纯磁化组的数据；

纯曝气组：开启增氧泵4通过曝气头10向第二通气试验柱72中鼓入(通气量为1-4l/min)空气进行曝氧，分别于曝氧0.5h、1h、2h、4h时从污水取样口14取样，用检测模块16进行腐蚀速率、结垢量和含油量的分析检测，记为纯曝气组的数据；

先磁化后曝气组：先开启第三通气试验柱73中的变频电磁控制器12，控制电磁线圈11产生范围为1khz-20khz的变频电磁进行磁化0.5-4h；然后开启增氧泵4通过曝气头10向第三通气试验柱73中鼓入(通气量为1-4l/min)空气进行曝氧，分别于曝氧0.5h、1h、2h、4h时从污水取样口14取样，用检测模块16进行腐蚀速率、结垢量和含油量的分析检测，记为先磁化后曝气组的数据；

先曝气后磁化组：先开启增氧泵4通过曝气头10向第四通气试验柱74中鼓入(通气量为1-4l/min)空气进行曝氧0.5-4h；然后开启第四通气试验柱74中的变频电磁控制器12，控制电磁线圈11产生范围为1khz-20khz的变频电磁进行磁化，分别于磁化0.5h、1h、2h、4h时从污水取样口14取样，用检测模块16进行腐蚀速率、结垢量和含油量的分析检测，记为先曝气后磁化组的数据。

(4)、将纯曝气组、纯磁化组、先磁化后曝气组、先曝气后磁化组的腐蚀速率、结垢量和含油量数据进行计算，分别得到控腐率、抑垢率和除油率作为处理结果，控腐率的计算公式为：控腐率＝(处理前腐蚀速率-处理后腐蚀速率)/处理前腐蚀速率×100％，抑垢率的计算公式为：抑垢率＝(处理前结垢量-处理后结垢量)/处理前结垢量×100％，除油率的计算公式为：除油率＝(处理前含油量-处理后含油量)/处理前含油量×100％；处理前腐蚀速率、结垢量、含油量均为空白组的数据，处理后腐蚀速率、结垢量、含油量分别为(3)涉及组别处理后的数据，以这三项数据均在90％以上的组作为该采出水的处理方式。

实验

在大庆油田有限责任公司第十一采油厂树16区块试验站取二氧化碳驱采出水，注入本发明co2驱采出水的处理装置中，按照上述处理方法进行处理效果的评价实验，曝气量均为4l/min，co2初始含量均为1449ppm，结果见表1。

表1本发明co2驱采出水的处理装置的实验结果

表1结果显示：

纯磁化组仅对水质抑垢率效果较为显著，相比之下对其余两项影响不大；且磁化频率在5khz以上对抑垢率影响变化极小，磁化2h与磁化4h数据上几乎无变化，因此从能耗经济性考虑确定磁化的最佳条件为：5khz磁化频率，磁化2h。

纯曝气组对抑垢率影响较小，但对控腐、除油效果显著；但曝气时间达到4h时，控腐率上升，说明此时水中游离态co2已基本脱除完毕，再鼓入空气对腐蚀速率的不利影响已经大于脱除co2对腐蚀速率的有利影响，因此选择曝气2h作为最佳曝气时间。

先磁化后曝气组和先曝气后磁化组在纯磁化组和纯曝气组的基础上确认其参数为：磁化频率5khz，磁化和曝气时间均为2h。

将四组进行比较，发现：纯磁化组对抑垢效果显著，但控腐和除油较差；纯曝气组控腐和除油效果显著，但抑垢效果差；先磁化后曝气组和先曝气后磁化组在抑垢率、控腐率、除油率方面则均可达到90％以上，但前者在曝气时间达到4h后结垢量容易出现反向变化趋势，因此确定处理此co2驱采出水样本最佳的处理方式为先曝气后磁化，且最佳的试验条件为磁化频率5khz，磁化和曝气时间均为2h。

经过上述处理装置和处理方法处理的二氧化碳驱采出水，再进一步依次经常规水驱采出水处理流程中的气浮、压力过滤、膜过滤处理后，出水水质能够满足中华人民共和国石油天然气行业标准-《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》(syt5329-2012)中特低渗透(渗透率≤0.01)注水水质指标“含油量≤5mg/l、悬浮固体≤1mg/l、粒径中值≤1μm”的要求，随后回注地下。常规水驱采出水处理流程中的气浮可采用无锡工源环境科技股份有限公司的gfa型溶气气浮，压力过滤可采用无锡伊诺特过滤系统有限公司的石英砂压力过滤罐，膜过滤可采用济南海德水处理设备有限公司的pvc(聚氯乙烯)中空纤维膜。

目前油田采出水水质要求达到特低渗透回注水水质指标要求，即含油量≤5mg/l、悬浮固体≤1mg/l、粒径中值≤1μm，辅助指标；腐蚀速率<0.076。虽然对结垢量没有硬性指标要求，但是长期积垢会影响悬浮固体含量，从而间接影响水质达标，因此根据油田现场水处理站需要，必须控制结垢量，即在研发采出水处理工艺时必须要考虑处理装置和方法的抑垢率。

表1数据表明本发明的处理装置能够实现油田二氧化碳驱采出水的有效处理，且可针对不同二氧化碳驱采出水进行不同的处理方式，同时可后续可与油田生产系统过滤等工艺进行对接，确保水质满足含油量≤5mg/l、悬浮固体≤1mg/l、粒径中值≤1μm，且腐蚀速率小于0.076mm/a的回注水水质指标。

此外，表1结果显示用先曝气后磁化的处理方式时，其处理效率受co2驱采出水水质特性、磁场频率等因素的影响，即：水质结垢趋势越大或水中co2含量越高，该处理方式的抑垢、控腐效果越好。在常温常压，采出水中co2含量饱和或水质结垢量最大，磁化频率5khz，磁化时间2h的条件下，抑垢率和控腐率可达90％。

可见，本发明co2驱采出水的处理装置和处理方法可用于处理co2驱采出水，并能够为油田地面工程co2驱采出水处理方式的推广应用提供理论上的指导。

综上，本发明提供的co2驱采出水的处理装置具有如下特点：

(1)首次将变频电磁法和曝气法联合用于油田co2驱采出水的处理，且结果显示“变频电磁-曝气”法除油、抑垢和控腐效果显著；本发明处理装置还能够根据采出水的水质特性筛选出最适合待处理水样的处理方式和工艺参数，使得处理后的油田co2驱采出水满足标准要求。

(2)该评价装置占地面积小，结构灵活简单，管理操作方便。

(3)该处理装置无需化学药剂辅助，运行费用较低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的内容。