注入水淨化劑是指能有降低污水對環境的污染，同時具有緩蝕阻垢或殺菌阻垢、殺菌除氧等多種功能的水處理劑。
基本介紹
- 中文名：注入水淨化劑
- 外文名：Injection water purifying agent
- 必要性：防止腐蝕、保護環境等
- 常用藥劑：緩蝕劑、防垢劑等
- 學科：石油工程
- 目的：保證注水水質
水質淨化必要性,藥劑概述,緩蝕劑,殺菌劑,絮凝劑,除氧劑,
水質淨化必要性
現在我國陸上油田出油含水量已達80%~90%。隨著油田開發時間的增長，產出的污水也隨之增多。我國一些乾旱地區，水資源嚴重缺乏，如何將採油過程中產生的污水變廢為寶，處理後用於飲用或灌溉，具有十分重要的現實意義。如果將此水回注地層，補充地層壓力，這樣既避免環境污染，又實現了水資源的循環利用。但這種污水經過地層時攜帶了大量成分複雜的礦物質，其中主要成分包括二價鈣離子、二價鎂離子、三價鐵離子、碳酸氫根離子、碳酸根離子、硫酸根離子、少量原油、硫化氫以及為有害細菌提供了滋生環境的大量有機雜質等。這些物質的含量根據不同地區的地質特性略有不同。如將這種污水不經處理直接注人地層，它們經過一定的化學過程，將會引起注水管、抽油管的嚴重腐蝕或結垢，使地層空隙堵塞。腐蝕的結果是使注水管和抽油管洞蝕或破裂，結垢的結果是使抽油管、注水管逐漸堵塞，無法注水和採油，使造價昂貴的抽油井和注水井出現嚴重的事故發生在地層中的結垢，會破壞地層的滲透性，堵塞地層即垢堵，使原油產不出來，使整口井報廢。同時這種污水不合理的回注和排放還會使地面設備不能正常工作，會造成嚴重的環境污染。因此，對油田污水進行有效的處理，防止腐蝕、結垢和細菌的危害，具有巨大的經濟效益和社會效益。
石油行業注水開發油田，隨著開採時間的延長采出污水量不斷增加，將油田污水處理後代替地下水進行回注是循環利用水的一種方式。如果污水處理回注率為100%，即不管原油含水率多高，從油層采出的污水和地面處理、鑽井、作業過程排出的污水全部處理回注，那么注水量中只需要補充由於採油造成地層虧空的水量便可以了。這樣，不僅可以節省大量清水資源和取水設施的建設費用，而且使油田污水資源變廢為寶，實現可持續發展，提高油田注水開發的總體經濟效益。
藥劑概述
在油田污水處理過程中，為形成防治設備及管線腐蝕、結垢、降低膠體、懸浮顆粒含量和抑制有害細菌增生等的環境條件，所加入的化學藥劑統稱為污水處理劑。主要有殺菌劑、阻垢劑、緩蝕劑、混凝劑和除氧劑等。
從20世紀70年代起，我國將水處理劑套用於工業冷卻水系統。油田含油污水處理處於初級階段，除了從國外引進專門的藥劑外，多採用循環冷卻水系統的水處理藥劑。所投加的的處理藥劑多為簡單的無機化合物，如石灰、二氧化碳、硫酸鐵、氯氣、亞硫酸鈉和無機磷酸鹽等。隨著油田開發水平的不斷提高和科技進步，對水處理劑的要求也不斷提高，促進了油田污水處理劑的更新和發展。為更有效的達到緩蝕、阻垢、殺菌和淨化的目的，更好地降低污水對環境的污染，逐步開發研製了新型、高效的有機水處理劑，以及同時具有緩蝕阻垢或殺菌阻垢、殺菌除氧等多種功能的水處理劑。目前所使用的油田污水處理劑，以有機化合物為主，大都是幾種有機物化合的複合配方，從而彌補單一藥劑的局限性，提高油田污水處理效果。
緩蝕劑
1、腐蝕及其危害
金屬與周圍介質接觸，由於化學或電化學原因引起的破壞稱為腐蝕。油田污水因其具有較高的礦化度、含有腐蝕性氣體（H2S、CO2、O2）和微生物（SRB、TGB）等特點，所以一般具有較高的腐蝕性，造成污水集輸管線、水處理設備、油水井及井下工具的腐蝕破壞。油田污水系統管線設備的嚴重腐蝕會影響油田生產系統正常運行，還會引起火災，造成環境污染。個別油田污水腐蝕速度最高可達5mm/a以上，污水提升泵、管線和設備投產不到一年就因腐蝕更換或改造，既影響生成又污染環境，直接或間接影響到油田正常開發。因此，為減輕腐蝕，各油田都投入大量的人力物力，研究腐蝕及防腐問題，在生產時間中推廣套用先進防腐技術和措施。
2、緩蝕劑的類型及緩蝕機理
緩蝕劑種類很多一般pH值在6~8範圍內，屬於中性介質，可用中性介質緩蝕劑緩蝕。按作用機理，這類緩蝕劑可分成三類：
（1）氧化膜型緩蝕劑：這類緩蝕劑是通過氧化產生緻密的保護膜而起緩蝕作用的。重鉻酸鹽（如Na2Cr2O7、K2Cr2O7），亞硝酸鹽（如NaNO2、NH4NO2），鉬酸鹽（如Na2MoO4）等，屬於這類緩蝕劑；
（2）沉澱膜型緩蝕劑：這類緩蝕劑是通過在腐蝕電池的陽極和陰極表面上形成沉澱膜而起緩蝕作用。氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸三鈉三聚磷酸鈉等，屬於這類緩蝕劑。
（3）吸附膜型緩蝕劑：這類緩蝕劑是通過在腐蝕電池的陽極表面和陰極表面上行成吸附膜而起緩蝕作用的。烷基三甲基氯化銨、烷基氯化吡啶、聚氧乙烯烷基銨等，屬於這類緩蝕劑。
由於除氧劑可以通過出去水中溶解氧而起緩蝕作用，殺菌劑可通過抑制水中硫酸鹽還原菌的繁殖而起緩蝕作用，因此，在某種意義上，這些化學劑都可看做緩蝕劑。
3、緩蝕劑的選擇及套用
1）污水處理緩蝕劑的選擇
緩蝕劑的種類很多，用途各異，必須根據腐蝕介質的具體情況，查清腐蝕因素和機理，通過試驗找出具有針對性的緩蝕劑，才能找到較好的防腐效果。選擇緩蝕劑必須遵循一下幾點：
（1）確定腐蝕原因：對於油田生產系統，腐蝕的主要原因不外乎pH值、含鹽量、H2S、CO2、O2、細菌等。但必須找出腐蝕的主要原因，測定各氣體的溶解量，分析腐蝕介質的離子組成、腐蝕產物。對於抑制H2S腐蝕可選用吡啶類和脂肪胺類吸附性緩蝕劑；防治CO2腐蝕可用咪唑啉類緩蝕劑。
（2）進行室內評價：根據腐蝕原因準備幾種緩蝕劑，先在室內評選緩蝕率高的緩蝕劑及其用量，然後在現場套用。室內評價一般採用掛片試驗法。
（3）現場試驗確定緩蝕劑用量和加藥方式：設立緩蝕檢測點，隨時檢測緩蝕速度，以便調整、改進緩蝕劑品種、加藥量和加藥方式。
（4）進行經濟技術指標比較：對緩蝕劑的價格、用量、毒性及緩蝕率進行全面分析，選擇相對緩蝕率較高，成本較低，對環境污染輕的緩蝕劑品種。
2）油田污水處理系統常用緩蝕劑
油田污水處理系統的緩蝕劑品種繁多，來源複雜，緩蝕效果差異也較大。對於油田污水處理系統防腐效果較好的緩蝕劑有含氮的有機化合物，脂肪胺及其鹽類，醯胺及縻唑啉類等。如中原油田現用的緩蝕劑XHZ-1，為咪唑啉類和季銨鹽的復配產品，投加量50mg/L就能使緩蝕率達到80%以上。油田污水處注水系統常用的緩蝕劑有：伯胺類、仲胺類、二胺類、聚胺類、醯胺類、季銨鹽類和咪唑啉類等。
殺菌劑
1、污水處理中常見的細菌及其危害
隨著油田的開發，原油含水不斷升高。為了保護環境和維持地層產能，多年來將污水處理後回注已成常規。回注污水必須投放殺菌劑進行處理。這是由於污水中含有多種有害成分如硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）、鐵細菌和其它有機物質。硫酸鹽還原菌屬厭氧菌，是一種普遍存在的細菌，在高礦化度、較高壓力和較高溫度下都能生存，最宜生長溫度為20~40℃，它繁殖時將污水中的硫酸鹽還原成硫化物和原子態氧。硫酸鹽還原菌常存在於水流不快處和死水區如流速低的管線、沖洗罐、原油存儲罐以及罐的結垢沉澱處或有機物殘渣下面。硫酸鹽還原菌在鋼鐵表面繁殖，將加速鋼鐵的局部腐蝕，引起地下、地面生產管線穿孔。硫酸鹽還原菌產生的黑色粘稠殘渣會堵塞地層孔道，降低注水量，對原油生產造成影響。污水中的有機物和硫酸鹽還原菌繁殖產物對喜氧細菌如腐生菌、鐵細菌的繁殖創造了有利條件。腐生菌是一種非單群菌落，它產生的緻密粘液常附著在管線和設備上，吸附水中的懸浮物、沉澱物，造成注水系統的過濾器堵塞和設備腐蝕，同樣降低注水量，影響原油生產。
2、殺菌劑的種類及殺菌機理
1）殺菌劑種類
按殺菌劑的化學成分可分為無機殺菌劑和有機殺菌劑兩大類。無機殺菌劑有：氯、臭氧、次氯酸鈉等。有機殺菌劑有：季銨鹽、有機氯類、而硫氰基甲烷、戊二醛等。按殺菌機理可分為氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑。氯、次氯酸鈉等屬於氧化性殺菌劑，季銨鹽、戊二醛屬於非氧化性殺菌劑。
2）殺菌機理
殺菌劑的殺菌機理可分為以下三種：
（1）滲透殺傷或分解菌體內電解質；
（2）抑制細菌的新陳代謝過程，如抑制蛋白質合成；
（3）氧化絡合細菌細胞內的生化過程。
氧化性殺菌劑。如氯、臭氧等均為強氧化劑，通過強氧化作用破壞細菌細胞結構，或氧化細胞結構中的一些活性基團而發揮殺菌作用。
非氧化性殺菌劑。如季銨鹽除能降低表面張力外，還能選擇性地吸附到菌體上，在細胞表面形成一層高濃度的離子團，直接影響細胞膜的正常功能。細胞膜是選擇透過性膜，調節著細胞內外的離子平衡，起到離子出入、能量轉換及輸送功能，細胞膜被殺菌劑破壞後，就使蛋白質變性，抑制酶的生物活性，從而抑制細菌的生長繁殖。
3、殺菌劑的選擇
（1）選擇殺菌劑要根據不同的水質及細菌的種類，特別是pH值。因為當pH值較高時，不宜用氯氣等氧化性殺菌劑，而季銨鹽類殺菌劑pH值越高越好。當水中含Fe2+和H2S時，不宜使用氧化性殺菌劑，因為不僅增加氧化性殺菌劑用量，而且影響污水處理的水質；
（2）殺菌劑要與其他水處理劑配伍，不能與其他水處理劑反應相互抵消其效果；
（3）殺菌劑要具有良好的溶解性，加入殺菌劑後不至於影響水質，即不能增加水中的膠體顆粒數，殺菌劑能均勻溶解於水中，且清澈透明；
（4）同一個污水處理系統應間隔選用不同種類的殺菌劑，以免細菌產生抗藥性，確保殺菌劑的效果；
（5）殺菌劑最好是高效低毒，易降解，無環境污染。
絮凝劑
絮凝劑是用來使溶液中的溶質、膠體或者懸浮物顆粒產生絮狀沉澱的物質，在固液分離和水處理過程中，用以提高微細固體物的沉降和過濾效果，被廣泛套用於化工、礦業、環保等領域。絮凝劑主要是有機非離子型和陰離子型的水溶性聚合物。如聚丙烯醯胺、聚乙二醇、羧甲基澱粉、羧乙基澱粉、羧乙基纖維素等。隨著工業的發展，水污染的情況日益嚴重，水的淨化處理顯得越來越重要。水的淨化處理方法有許多種，如生化、離子交換、吸附、化學氧化、電滲析等，但“絮凝沉澱法”被普遍認為是一種較為有效的預處理方法。隨著科學技術的發展，絮凝劑的種類也日益豐富，根據化學成分的不同，可分為無機、有機和微生物絮凝劑。
1、絮凝劑的作用機理
（1）使膠體凝聚的方法
① 加入帶相反電荷的膠體，此時水中原有膠體和加入膠體發生電中和，使兩種膠體的負電位都減少。
② 添加和膠粒電荷符號相反的高價離子，從而降低膠粒的負電位，因為高價反離子較易由擴散層進入到吸附層。
（2）水質在淨化過程中的三種反應機理
① 凝結作用。微細粒子的表面電荷經中和後，利用粒子與粒子之間彼此微弱的吸引力而形成凝集作用，這種力量非常薄弱，容易受到機械力的破壞。凝結作用可藉助化學藥劑的加入而完成，現在所使用的聚合鋁型淨水劑就是依靠中和粒子上的電荷而凝聚的。
② 架橋作用。在兩個或多個固體細微粒子間，利用絮凝劑起架橋作用，使細微粒子聚集較大的顆粒的絮體，有機絮凝劑則主要依靠架橋作用使粒子沉降。
③ 沉降作用。絮體一旦形成，便需在靜止狀態下借重力而沉降，由絮體沉降的快慢可測知形成絮體的大小。如果絮體具有足夠的沉降速度，能於較短時間在沉降區完全沉澱下來，則可得非常清澈的水質。
2、無機絮凝劑分類
無機絮凝劑是最早使用的第一代絮凝劑，它套用範圍非常廣泛。按金屬鹽可分為鋁鹽系及鐵鹽系兩類；按陰離子成分又可分為鹽酸鹽系和硫酸鹽系兩類；按分子量的大小可分為低分子系和高分子系兩類。
無機高分子絮凝劑的研製與開發已經由單純的聚合鋁、聚合鐵發展到在聚合鋁、聚合鐵中引入矽酸離子，或者在聚合鋁、聚合鐵或聚矽酸中引入單種金屬離子Al、Fe，或同時引入這兩種金屬離子或多種金屬離子Al、Fe、Ca等。現在開發的產品已經發展到與有機高分子複合。
（1）聚鋁類無機高分子絮凝劑
一般認為聚鋁是一種高效的無機高分子，是指Al3+鹽到Al（OH）3間的一系列準穩態物質，即二鋁到十三鋁的羥基絡合物。它的研究開發對整個無機高分子絮凝劑的發展產生著極大的影響。聚鋁是一系列的準穩態物，環境條件的變化會使它發生脫穩現象，脫穩即絮凝。通常，聚合鋁的鹽基度越高，絮凝效果越強，但過高時將失去穩定而生成難溶解的氫氧化鋁沉澱，導致絮凝效果降低。鹽基度以75%~85%為最佳。
（2）聚鐵類無機高分子絮凝劑
我國聚合鐵研製始於20世紀80年代初，首先研製出聚合硫酸鐵（PFS）。PFS是在硫酸鐵分子族的網狀結構中插入羥基後所形成的一種無機高分子絮凝劑，可有效去處水中的懸浮物、有機物、硫化物、亞硝酸鹽、膠體及金屬離子，具有除臭、破乳及污泥脫水等功能，對浮游微生物也有較好的去除效果。PFS處理含油污水效果遠比硫酸亞鐵顯著，且對金屬設備的腐蝕性也大大降低，其不足之處是產生的污泥量較多、出水帶色。
（3）矽酸鹽類無機高分子絮凝劑
聚合矽酸和活化矽酸屬陰離子型絮凝劑，其作用機理是靠分子鏈上的陰離子活性基團與膠體微粒表面間的范得華力、氫鍵作用而引起的吸附架橋作用，而不具有電中和作用。聚矽酸絮凝劑是一種套用較早的絮凝劑。聚矽酸是用中和法即由矽酸鈉在加酸條件下水解、聚合反應到一定程度的中間產物。由於矽酸溶膠具有強烈的縮聚作用，隨縮聚反應的進行，分子量不斷增大，最終轉化為高分子凝膠，失去其混凝活性。因而活性矽酸不能長期存放，必須現場配置使用，從而降低其實用性。不穩定性和陰離子性等特性在一定程度上制約了活性矽酸在廢水處理中的套用。於是，人們研製出聚矽酸鹽絮凝劑，聚矽酸鹽是一類新型無機高分子絮凝劑，是在聚矽酸（即活化矽酸）和傳統的鋁鹽、鐵鹽等絮凝劑的基本上發展起來的聚矽鋁酸與金屬鋁鐵鹽的複合產物。
3、有機絮凝劑
有機高分子絮凝劑與無機絮凝劑相比，具有用量少，絮凝速度快，受共存鹽類、介質pH及環境溫度的影響小，生成污泥量少，脫色性好等優點。但缺點是有些有機高分子絮凝劑的水解、降解產物有毒，生產成本較高。所以，現多以有機高分子絮凝劑與無機高分子絮凝劑配合使用，或者添加無機鹽與污染物電荷中和，來促進有機高分子絮凝劑的作用。依據化學成分，有機絮凝劑可分為合成有機高分子絮凝劑和天然有機高分子絮凝劑兩大類。
（1）合成有機高分子絮凝劑
合成有機高分子絮凝劑多為水溶性的聚合物，具有相對分子質量大、分子鏈官能團多的結構特點，按其所帶的電荷不同，可分為陽離子型、陰離子型、非離子型和兩性絮凝劑，在水處理中，使用較多的是陽離子、陰離子和非離子型聚合物；主要有聚丙烯醯胺、磺化聚乙烯苯、聚乙烯醚等系列，其中以聚丙烯醯胺系列套用最為廣泛，在市場上占有絕對優勢。
（2）天然有機高分子絮凝劑
天然有機高分子絮凝劑有純天然的，但大多數還是經化學改性而成。此類絮凝劑原料來源廣泛，價格便宜，無毒，易於降解和再生，具有巨大的開發潛能。在20世紀80年代以來，國外學者就開始了對天然有機高分子改性絮凝劑的研發。目前，此類絮凝劑的產量約占高分子絮凝劑產量的20%。他們的研究開發為天然資源的利用以及生產無毒絮凝劑開闢了新途徑。按其原料來源不同，一般可分為澱粉衍生物、纖維素衍生物、植物膠改性產物、多聚糖類及蛋白質類改性產物等，其中最具發展潛力的是水溶性澱粉衍生物和多聚糖改性絮凝劑。
除氧劑
1、除氧劑的除氧機理
在污水處理過程中，由於隔氧措施不徹底，或清污水混合處理，都有可能使系統中含有不同程度的溶解氧。由於溶解氧是加劇腐蝕的主要因素之一，尤其在高礦化度的油田污水處理系統中，即使很低的溶解氧含量（0.5mg/L），也會引起嚴重的腐蝕。當系統中同時存在二氧化碳和硫化氫時，二者互相作用使腐蝕更加嚴重。因此，防止氧進入系統或把已進入系統的溶解氧出除去，降低系統腐蝕已成為污水處理過程的重要部分。
油田污水處理系統中採用的除氧劑多為亞硫酸鹽（Na2SO3、NH4HSO3、SO2）。這些除氧劑的除氧機理是利用水中的溶解氧，把SO32-氧化成SO42-從而把溶解氧除去。除氧反應受水的pH值和催化劑的影響很大，一般情況下，pH值越高反應越快；催化劑（鎳鹽、鈷鹽）能加快除氧劑與溶解氧的反應速度。
2、常用除氧劑
1）二氧化硫
二氧化硫通常是在具有壓力的鋼瓶里，以液化氣形式提供給現場。催化劑加到除氧劑的上游，理論上1份溶解氧需要4份二氧化硫。二氧化硫的主要特點是價格低，缺點是需要特殊的處理設備，需分別加入催化劑。
2）亞硫酸鈉
亞硫酸鈉一般製成含催化劑的固體粉末，到現場用清水溶解後使用。理論上每1份溶解氧需消耗8份亞硫酸鈉。亞硫酸鈉的優點是價格低，運輸方便；缺點是溶液不防凍，液體和蒸汽有毒性、腐蝕性，與空氣中氧反應降低除氧效率。
3）亞硫酸氫鈉
亞硫酸氫鈉可製成含催化劑的粉末，也可製成含催化劑的濃縮液（35%）。理論上每1份溶解氧需消耗6.5份亞硫酸氫鈉。亞硫酸氫鈉的優點是可製成濃縮液，在高礦化度的鹽水中反應速率快，缺點是具有毒性和腐蝕性。
4）亞硫酸氫銨
亞硫酸氫銨可製成粉末或濃縮液（70%），理論上每1份溶解氧需消耗6.2份亞硫酸氫銨。亞硫酸氫銨的優點是價格低，可製成高濃縮液。缺點是具有毒性和腐蝕性。
5）聯氨
在常溫下，聯氨與氧的反應較緩慢，但在90℃以上則反應迅速，因此聯氨主要用於高溫除氧。聯氨作為除氧劑的優點是除氧效率高，不影響水質，缺點是價格昂貴。
