二元復(fù)合驅(qū)采出水處理工藝小型試驗(yàn)

陶小平 李海濤 蔣程彬 郭鋒

1新疆油田公司基本建設(shè)工程處

2華北油田公司第五采油廠

3塔里木油田塔西南實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中心

“十三五”期間，克拉瑪依油田將在七中區(qū)克下、七區(qū)八道灣等礫巖油藏開(kāi)展聚合物/表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)開(kāi)發(fā)[1]。根據(jù)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，二元復(fù)合驅(qū)采出液中含有大量的表面活性劑和聚合物[2]。表面活性劑使油滴表面由憎水性變?yōu)橛H水性；聚合物使采出水的黏度增大，油滴的界面張力增強(qiáng)，油水乳化嚴(yán)重，污水中含油量高，采出水處理比常規(guī)水驅(qū)和聚驅(qū)處理難度大[3-4]。為實(shí)現(xiàn)二元復(fù)合驅(qū)采出水處理后達(dá)標(biāo)復(fù)配，篩選技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行的處理工藝，開(kāi)展了二元復(fù)合驅(qū)采出水處理工藝小型試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用水是采用72#三采處理站調(diào)儲(chǔ)罐來(lái)水，經(jīng)檢測(cè)來(lái)水是NaHCO3水型，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為124.2 mg/L，含油質(zhì)量濃度≤400 mg/L，SS質(zhì)量濃度≤300 mg/L，含有聚合物和表面活性劑（表1）。來(lái)水計(jì)量后通過(guò)人工添加聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量為300萬(wàn)～500萬(wàn)）和表面活性劑（50%KPS），經(jīng)熟化罐熟化后提供給試驗(yàn)。根據(jù)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)采出液中的聚合物、表面活性劑濃度及驅(qū)油劑配方，確定以下3種工況開(kāi)展小型試驗(yàn)研究（表2）。

表1 試驗(yàn)來(lái)水檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Inspection data of test water mg/L

表2 聚合物、表面活性劑試驗(yàn)濃度Tab.2 Test concentration table for polymers and surface activat

2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)出水中影響二元驅(qū)油體系性能的主要因素有3類(lèi)：①產(chǎn)出水礦化度、二價(jià)離子含量；②硫化物、鐵離子等快速降黏物質(zhì)；③硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌等影響體系長(zhǎng)期穩(wěn)定性物質(zhì)[5]。根據(jù)以上影響因素制定了二元復(fù)合驅(qū)配液水水質(zhì)指標(biāo)（表3），同時(shí)要求水處理后殘余的水處理劑、殺菌劑等與二元驅(qū)油體系兼容，不影響油水界面張力，對(duì)聚合物沒(méi)有降解作用，對(duì)配方體系長(zhǎng)期穩(wěn)定性無(wú)影響。

表3 二元復(fù)合驅(qū)配液水水質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Water quality index of binary compound flooding distribution water

油田水分析按照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》執(zhí)行，注入水水質(zhì)按照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》執(zhí)行[6]，體系配伍性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性按照Q/SY 1583—2013《二元復(fù)合驅(qū)用表面活性劑技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，表面活性劑和聚合物濃度的檢測(cè)使用高效液相色譜法，黏度和界面張力均為用處理后水配制成的驅(qū)油體系的黏度和界面張力[7]。

3 試驗(yàn)處理工藝

3.1 物理化學(xué)法

采用“預(yù)處理+凈化+除硬”主體工藝，主要包括預(yù)處理單元（曝氣為主，也可改為化學(xué)預(yù)處理）、凈化單元、除硬單元，以及加藥、排泥等輔助單元，投加藥劑為預(yù)處理劑、凈化藥劑（凈水劑、絮凝劑）、除硬劑，具體工藝流程見(jiàn)圖1。

3.2 生物化學(xué)法

圖1 物理化學(xué)法處理工藝流程Fig.1 Flow chart of physicochemical treatment process

采用“氣浮+生物+高級(jí)氧化+負(fù)壓表面過(guò)濾”主體工藝，來(lái)水進(jìn)入氣浮裝置除去大部分浮油，出水進(jìn)入生物化學(xué)處理裝置，該裝置安裝有掛件填料，上面生長(zhǎng)著大量具有破乳和降解作用的微生物菌群，在微生物作用下將污水內(nèi)的大部分乳化油進(jìn)行破乳降解，有效地降低水中含油量。出水提升進(jìn)入高級(jí)氧化裝置，在活性氣體作用下，污水中的殘余有機(jī)污染物進(jìn)一步破乳降解，然后進(jìn)入過(guò)濾裝置，經(jīng)殺菌及除硬工藝后達(dá)到水質(zhì)指標(biāo)。具體工藝流程見(jiàn)圖2。

3.3 物理過(guò)濾法

物理過(guò)濾法處理工藝主要包括除油罐、物理處理、曝氣、過(guò)濾、樹(shù)脂軟化等五部分。污水進(jìn)入除油罐初步油水分離，再進(jìn)入物理界面除油裝置分離出水中乳化的微小油滴，然后進(jìn)入曝氣裝置中除去硫、鐵等離子，再進(jìn)入過(guò)濾裝置濾掉浮渣，最后快速通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)行適當(dāng)除鈣，最終在盡量保留水中聚合物、表面活性劑的同時(shí)達(dá)到出水指標(biāo)，具體工藝流程如圖3所示。

圖2 生物化學(xué)法處理工藝流程Fig.2 Flow of biochemical treatment process

圖3 物理過(guò)濾法處理工藝流程Fig.3 Flow of physical filtration process

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

（1）從表4可以看出，除第3階段物理過(guò)濾法外，其他階段3種處理工藝都可將含油、懸浮物兩項(xiàng)指標(biāo)控制在小于20 mg/L內(nèi)，但物理化學(xué)法、生物化學(xué)法2種處理工藝的凈水效果明顯較好，懸浮物、含油質(zhì)量濃度均小于10 mg/L。第3階段物理化學(xué)法、生物化學(xué)法各工藝節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水質(zhì)樣品詳見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 物理化學(xué)法第3階段各工藝節(jié)點(diǎn)水質(zhì)樣品Fig.4 Water quality sample of process nodes in phaseⅢof physicochemical method

表4 3種采出水處理工藝試驗(yàn)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總Tab.4 Inspection data summary of test indicators for three produced water treatment technologies

圖5 生物化學(xué)法第3階段各工藝節(jié)點(diǎn)水質(zhì)樣品Fig.5 Water quality samples of process nodes in phaseⅢof biochemical method

（2）物理化學(xué)法、物理過(guò)濾法2種處理工藝中水中的硫化物、總鐵均有不同程度的超標(biāo)。

（3）生物化學(xué)法出水進(jìn)入72#三采處理站生物化學(xué)池，為避免殺菌劑對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，在第1、2階段試驗(yàn)中未使用殺菌劑，導(dǎo)致細(xì)菌超標(biāo)，但由于高級(jí)氧化的作用，細(xì)菌含量與來(lái)水相比，有大幅度的降低。在第3階段試驗(yàn)中，投加殺菌劑后，SRB、TGB和鐵細(xì)菌等主要細(xì)菌指標(biāo)滿足要求。

（4）生物化學(xué)工藝中的氣浮具有一定的降硬作用，在第1、2階段鈣鎂離子質(zhì)量濃度小于105 mg/L，低于來(lái)液中鈣鎂離子總量，但不能完全滿足配液水質(zhì)指標(biāo)要求。在第3階段，投加了脫鈣劑，鈣鎂離子質(zhì)量濃度達(dá)到42.1 mg/L，滿足指標(biāo)要求。物理化學(xué)法和物理過(guò)濾法對(duì)水中鈣鎂離子的去除效果較好，硬度明顯低于生物化學(xué)工藝。物理化學(xué)法采用加藥脫鈣，沉淀物以污泥形式排出，污泥浮渣量占比為10%～20%；物理過(guò)濾法采用樹(shù)脂脫鈣，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)樹(shù)脂再生過(guò)程中產(chǎn)生的高含鹽水約占總水量的20%，后期處理難度大。

（5）3種中試處理方法過(guò)濾器反沖洗水均未返回中試系統(tǒng)，物理化學(xué)處理裝置采用袋式過(guò)濾器，污染后更換，不需反洗。從表5可以看出，物理過(guò)濾法的反洗水量最大，達(dá)到27%以上；生物化學(xué)法反洗水量不到2%。

4.2 配液性能檢測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)處理后水質(zhì)對(duì)二元配方體系的影響，分別從界面張力和黏度保留率兩方面對(duì)處理后水進(jìn)行評(píng)價(jià)（表6）。

（1）在配伍性能上，各階段3種處理工藝黏度保留率較好。生物化學(xué)法配伍性能穩(wěn)定，2 h界面張力平均在0.7×10-2mN/m左右。物理過(guò)濾法界面張力不合格，物理化學(xué)法界面張力穩(wěn)定性較差。

表5 3種采出水處理工藝中試運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.5 Pilot operation data of three produced water treatment technologies

表6 配液體系穩(wěn)定性數(shù)據(jù)匯總Tab.6 Summary of stability data for distribution system

（2）生物化學(xué)法處理后出水對(duì)所配二元體系黏度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響不大，30 d后黏度保留率大于93%，30 d后界面張力值小于0.7×10-2mN/m，兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足預(yù)期要求。物理化學(xué)法處理工藝中二元體系配方評(píng)價(jià)中30 d后界面張力檢測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)，30 d后黏度保留率在3個(gè)階段數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，最低為69.8%。物理過(guò)濾法出水對(duì)所配二元體系的黏度長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響較大，30 d后界面張力大于1×10-2mN/m，30 d黏度保留率最低為46.1%，兩項(xiàng)指標(biāo)均未達(dá)標(biāo)。

4.3 工藝技術(shù)對(duì)比

從處理成本看，物理化學(xué)法噸水處理成本最高（表7）；物理過(guò)濾法噸水處理成本較低，若考慮樹(shù)脂軟化再生工藝段產(chǎn)生的高含鹽水處理的工藝選擇及費(fèi)用，物理過(guò)濾法噸水處理成本會(huì)有一定程度提高。從工藝運(yùn)行穩(wěn)定性而言，生物化學(xué)法明顯優(yōu)于其他工藝，能滿足配液要求，更適用于二元復(fù)合驅(qū)污水處理工業(yè)化推廣與應(yīng)用。

表7 試驗(yàn)工藝對(duì)比Tab.Contrast of test process

5 試驗(yàn)結(jié)論

（1）生物化學(xué)法處理工藝能夠?qū)崿F(xiàn)二元采出水處理達(dá)標(biāo)，出水配劑效果穩(wěn)定，運(yùn)行處理成本較低，可以作為聚合物/表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)采出水處理的主體工藝技術(shù)；物理化學(xué)法雖能實(shí)現(xiàn)二元采出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但運(yùn)行處理成本最高，且污泥浮渣量占比為10%～20%，后期污泥處理難度大；物理過(guò)濾法可以實(shí)現(xiàn)油、懸浮物含量達(dá)標(biāo)，但硫、鐵含量未達(dá)標(biāo)導(dǎo)致配劑效果不穩(wěn)定。

（2）物理化學(xué)法氣浮工藝段含水浮渣量大，雖然經(jīng)沉降可縮減70%的量，但污泥總量還是遠(yuǎn)超生物化學(xué)法，脫水泥（80%含水）量約為5 kg/m3。

（3）物理過(guò)濾法的水質(zhì)相對(duì)較差，產(chǎn)水比過(guò)低，反洗水量占總處理量的27%，而且反洗水中污染物富集無(wú)法回到系統(tǒng)前端，需要單獨(dú)處理，增加處理成本。采用樹(shù)脂脫鈣能夠降低污水中的鈣鎂離子含量，降低硬度，但是樹(shù)脂再生后產(chǎn)生的高含鹽水水量大（按現(xiàn)有來(lái)水鈣鎂離子含量計(jì)算，預(yù)計(jì)每處理5 t污水至少產(chǎn)生1 t高含鹽水），處理難度很大，成本較高。

（4）生物化學(xué)法的負(fù)壓表面過(guò)濾單元采用膜過(guò)濾技術(shù)，微米級(jí)膜孔截留的大量聚合物、表面活性劑會(huì)產(chǎn)生污泥、浮渣等問(wèn)題，目前關(guān)于膜材料抗污染周期及再生效果因試驗(yàn)時(shí)間短尚未得到驗(yàn)證。另外臭氧氧化技術(shù)電耗大，在采出水處理工程中尚未大規(guī)模應(yīng)用，在工業(yè)化推廣時(shí)要進(jìn)一步完善。

6 建議

（1）生物處理單元在一定程度上受水質(zhì)波動(dòng)的影響，一旦微生物菌種出現(xiàn)問(wèn)題，恢復(fù)周期長(zhǎng)。為保證工藝技術(shù)的可靠穩(wěn)定性，借鑒72#三采處理站聚驅(qū)的經(jīng)驗(yàn)，建議工業(yè)化推廣時(shí)在生物處理工藝段前增加曝氣預(yù)處理單元[8]，減少含油、懸浮物及硫、鐵對(duì)后端的影響。

（2）除垢工藝建議采用曝氣降垢，可以避免高含鹽水的產(chǎn)生[9]。為應(yīng)對(duì)高礦化度對(duì)微生物處理效果的影響，目前72#三采處理站采用曝氣金屬網(wǎng)降垢，同時(shí)利用管式曝氣器增加溶解氧，強(qiáng)化水中壓力變化，增大水力擾流，密集的蜂箱式金屬網(wǎng)布局配合大量曝氣時(shí)產(chǎn)生的水力擾流，大幅度降低了水中的鈣鎂離子含量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)污水中Ca2+質(zhì)量濃度由80.9 mg/L下降至54.4 mg/L，Mg2+質(zhì)量濃度由18.1 mg/L下降至17.7 mg/L，此方法可以作為二元水處理除垢工藝的參考。

（3）生物化學(xué)法中采用膜過(guò)濾技術(shù)會(huì)攔截大量聚合物、表面活性劑，由此帶來(lái)濾料堵塞的問(wèn)題。目前72#三采處理站采用傳統(tǒng)的雙濾料過(guò)濾器，但是二元復(fù)合驅(qū)采出水對(duì)過(guò)濾器要求更高，需對(duì)過(guò)濾形式和濾料進(jìn)行優(yōu)化選型[10]。