遼河油田采出水處理現(xiàn)狀及新技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

中油遼河油田公司

遼河油田是全國(guó)最大的稠油、高凝油生產(chǎn)基地，開(kāi)發(fā)領(lǐng)域橫跨遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的13 個(gè)市。1970 年開(kāi)始大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)建設(shè)，已連續(xù)30年保持千萬(wàn)噸以上高產(chǎn)，配套建成了11 個(gè)油氣生產(chǎn)基地[1]。

在油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著原油和天然氣的采出，通常會(huì)產(chǎn)生大量的含油污水。根據(jù)油品性質(zhì)的不同，遼河油田含油污水分為稠油污水、稀油污水和高凝油污水，配套建成各類污水處理站31座，其中回注污水處理站21 座，回用注汽鍋爐污水處理站8 座，污水達(dá)標(biāo)排放站2 座。

1 含油污水處理工藝

遼河油田污水處理普遍采用斜板除油罐、浮選機(jī)、核桃殼過(guò)濾器和雙濾料過(guò)濾器等工藝。注水水質(zhì)滿足《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》（SY/T 5329—2012）。根據(jù)污水回注油藏不同，遼河油田含油污水處理工藝主要包括以下幾種。

（1）高滲透油藏。出口水質(zhì)：含油≤20 mg/L；懸浮物≤20 mg/L 。處理工藝：原油脫出水→調(diào)節(jié)水罐→斜板罐→調(diào)節(jié)水池→過(guò)濾罐→緩沖罐→注水。

（2）中滲透油藏。出口水質(zhì)：含油≤10 mg/L；懸浮物≤10 mg/L；粒徑≤3 μm 。處理工藝：原油脫出水→調(diào)節(jié)水罐→斜板罐→浮選機(jī)→調(diào)節(jié)水池→過(guò)濾罐→緩沖罐→注水。

（3）低滲透油藏。出口水質(zhì)：含油≤6 mg/L；懸浮物≤2 mg/L；粒徑≤1.5 μm 。處理工藝：中滲透水處理工藝出水→硅藻土過(guò)濾器→外輸水罐→注水。

（4）特低滲透油藏。出口水質(zhì)：含油≤5 mg/L；懸浮物≤1 mg/L；粒徑≤1 μm。處理工藝：浮選機(jī)出水→調(diào)節(jié)水池→過(guò)濾罐→膜過(guò)濾→外輸水罐→注水。

2 問(wèn)題分析

2.1 稠油污水處理

（1）稠油污水中油水密度差小，不利于油水重力分離，影響除油效果[2]。

（2）稠油污水黏度大，影響懸浮物重力沉降與去除。

（3）稠油污水溫度高（65～85 ℃），影響懸浮物絮體的沉降及水質(zhì)凈化效果。

（4）由于瀝青、泥砂和大量活性有機(jī)物的存在，稠油污水中油與水間易形成穩(wěn)定的水包油乳狀液或水包油、油包水多層乳狀液，增加稠油污水破乳除油的難度。

2.2 含聚污水處理

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，化學(xué)驅(qū)采油技術(shù)得到規(guī)?；瘧?yīng)用，伴隨著原油的采出也產(chǎn)生了大量含聚污水，處理難度較大。

（1）聚合物的存在增加了水相的黏度，污水處理所需的自然沉降時(shí)間增長(zhǎng)[3]。

（2）油水界面水膜強(qiáng)度增大，界面電荷增強(qiáng)，導(dǎo)致采出水中小油珠穩(wěn)定地存在于水體中，處理難度較高。

（3）由于陰離子型聚合物的存在，嚴(yán)重干擾了絮凝劑的使用效果，使絮凝作用變差，大大增加了藥劑的用量[4]。

（4）大量低礦化度的清水用來(lái)配制聚合物驅(qū)溶液，從而也使原注水-污水系統(tǒng)平衡被破壞。

2.3 斜板除油

勝利油田設(shè)計(jì)院曾經(jīng)采用粒子成像測(cè)速技術(shù)對(duì)1∶20 沉降罐試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)流場(chǎng)混亂，存在漩渦流和返混流，并有多處流動(dòng)“死區(qū)”，使沉降分離效率降低[5]。

斜板坍塌和不能及時(shí)有效排泥也會(huì)造成斜板罐處理效果差，導(dǎo)致后段過(guò)濾罐濾料板結(jié)，過(guò)濾效果變差，增大了過(guò)濾罐反洗頻率及反洗強(qiáng)度，增加了斜板維護(hù)和過(guò)濾系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

氣浮單元通過(guò)投加大量化學(xué)藥劑除去含油污水中的浮油、部分溶解油和懸浮物，但相應(yīng)產(chǎn)生大量的含油浮渣。遼河油田每處理1×104m3稀油、高凝油含油污水，可產(chǎn)生含水率80%的浮渣油泥6 t，處理稠油含油污水產(chǎn)生浮渣油泥15 t。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)有效的浮渣處理工藝，大部分采用堆儲(chǔ)方式處理。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

遼河油田經(jīng)過(guò)近年的研究試驗(yàn)和工程實(shí)踐，形成了一系列可靠適用的含油污水處理技術(shù)，新技術(shù)的應(yīng)用提高了污水達(dá)標(biāo)率，污水處理成本與浮渣油泥產(chǎn)生量大幅降低。

3.1 懸浮污泥污水處理技術(shù)

處理過(guò)程為：

（1）藥劑混合：加藥后的污水由罐體底部進(jìn)入裝置，受內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響水流發(fā)生較強(qiáng)烈紊動(dòng)，藥劑充分混合。

（2）形成污泥層：絮凝成型的污泥顆粒在上升過(guò)程中密度變大，流速減小，當(dāng)污泥顆粒重力與向上的水沖擊力相等時(shí)，形成污泥層[6]（圖1）。

圖1 懸浮污泥過(guò)濾技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of suspended sludge filtration technology

（3）污泥層更新：隨著絮體向上運(yùn)動(dòng)，泥層不斷變厚。同時(shí)，隨著污泥濃縮室澄清水旁路流動(dòng)，引導(dǎo)著懸浮泥層的上表層不斷流入中心接泥桶，上表層不斷減少、變薄，懸浮泥層的厚度達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡[7]。

圖2 懸浮污泥過(guò)濾罐試驗(yàn)工藝流程Fig.2 Test process flow of suspended sludge filtering tank

（4）污泥層過(guò)濾：絮體濾層靠界面物理吸附、網(wǎng)捕作用和電化學(xué)特性及范德華力的作用，將污水中懸浮膠體顆粒、絮體、部分細(xì)菌菌體等雜質(zhì)全部攔截在此懸浮泥層上，使出水水質(zhì)達(dá)到處理要求。其工藝流程如圖2 所示。

2011 年4 月，某聯(lián)合站1 座懸浮污泥污水處理裝置改造完成并投入試運(yùn)，處理量5 000 m3/d。經(jīng)過(guò)1 年多的試運(yùn)和2 年多的正式運(yùn)行，某聯(lián)合站懸浮污泥污水處理裝置通過(guò)了一系列破壞性試驗(yàn)，摸索出了該裝置的污水介質(zhì)適用范圍、抗沖擊能力、處理污水能力等生產(chǎn)參數(shù)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為進(jìn)水水質(zhì)含油≤100 mg/L，懸浮物≤300 mg/L；出水水質(zhì)含油≤10 mg/L，懸浮物≤10 mg/L。污水處理成本由2.59 元/m3降至1.81 元/m3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.2 不加藥污水處理技術(shù)

不加藥污水處理系統(tǒng)主要包括曝氣物理破乳裝置、旋流凈化裝置和三合一凈化器。系統(tǒng)能夠有效降低污水處理成本，減少浮渣油泥產(chǎn)生量[8]。污水處理成本由0.5 元/m3降至0.3 元/m3，減少浮渣產(chǎn)生量85%。

表1 懸浮污泥過(guò)濾罐試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of test data for suspended sludge filtering tank

針對(duì)聯(lián)合站水包油型穩(wěn)定乳狀液特點(diǎn)，研發(fā)微小油滴聚結(jié)分離新方法，在不加藥情況下，通過(guò)曝氣物理破乳裝置和旋流凈化裝置的空化、旋流氣浮多力協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)高效除油，通過(guò)浮選、旋流、過(guò)濾三合一凈水器，實(shí)現(xiàn)懸浮物有效去除和濾料的對(duì)流搓洗，可有效延長(zhǎng)濾料反洗時(shí)間，防止濾料板結(jié)[9]。其工藝流程如圖3 所示。

在某聯(lián)合站開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并與某聯(lián)合站同期處理污水水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。主要設(shè)備包括曝氣物理破乳裝置、旋流凈化裝置和兩級(jí)三合一凈化器。該工藝流程設(shè)計(jì)處理能力為50 m3/h，來(lái)水水質(zhì)含油≤500 mg/L，懸浮物≤500 mg/L；出水水質(zhì)含油≤5 mg/L，懸浮物≤5 mg/L，處理成本0.4 元/m3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3.3 含聚污水微生物處理技術(shù)

針對(duì)二元驅(qū)采出污水，培養(yǎng)專性高效微生物，通過(guò)高效氣浮收油裝置、微生物反應(yīng)池、過(guò)濾罐組合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水中含油平均去除率96%，懸浮物平均去除率94%，達(dá)到油田回注標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行成本低，污泥量少，不添加化學(xué)藥劑，具有較高的推廣價(jià)值。

圖3 不加藥污水處理系統(tǒng)試驗(yàn)工藝流程Fig.3 Test process flow for drug-free sewage treatment system

表2 不加藥污水處理系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of test data for drug-free sewage treatment system

針對(duì)二元驅(qū)采出水高黏度、高聚合物濃度等特征，通過(guò)篩選、分離及有效配伍，獲得適合該油田污水水質(zhì)特點(diǎn)的特種聯(lián)合菌群。通過(guò)一次性投加該微生物菌群，提高污水處理系統(tǒng)去除有毒有害、難降解化學(xué)物的能力，利用微生物自身的新陳代新，把復(fù)雜的有機(jī)物降解為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，達(dá)到污水凈化的目的[10]。

與現(xiàn)有工藝流程（圖4）相比，微生物組合工藝（圖5）技術(shù)不需要添加任何化學(xué)藥劑，僅需一次性投加特種微生物菌群，即可實(shí)現(xiàn)高效、低成本污水凈化目的。

圖4 現(xiàn)有工藝流程Fig.4 Existing process flow

圖5 微生物組合技術(shù)工藝流程Fig.5 Microbial combination technology process flow

在某含聚污水處理站開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)，主要設(shè)備包括高效氣浮收油裝置、微生物反應(yīng)池、過(guò)濾罐（填裝石英砂濾料），處理能力為2.5 m3/h。

挑選適合含聚污水水質(zhì)的特種菌株，開(kāi)展污水中油類去除率對(duì)比試驗(yàn)（圖6），然后對(duì)效果較好的6 個(gè)菌株進(jìn)行隨機(jī)組合，開(kāi)展污水中污染物質(zhì)去除率對(duì)比試驗(yàn)（圖7），其中污染物質(zhì)綜合降解率最高的三組如圖8 所示，最終確定將組合15 列為最佳組合菌群，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

微生物組合處理工藝經(jīng)過(guò)2 個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行，于2015 年6 月10—14 日期間進(jìn)行中試試驗(yàn)標(biāo)定，出水水質(zhì)明顯優(yōu)于區(qū)塊注水水質(zhì)要求，運(yùn)行成本控制在1.2 元/m3。污水中含油、懸浮物處理效果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4。

圖6 不同菌群對(duì)油類去除率的對(duì)比Fig.6 Comparison of oil removal rate by different bacteria

圖7 不同組合菌群對(duì)污水中污染物質(zhì)去除率對(duì)比Fig.7 Comparison of pollutants removal rate by different combination of bacteria

圖8 最終優(yōu)選菌群組合對(duì)污水中主要污染物去除率對(duì)比Fig.8 Comparison of major pollutants removal rate by final optimum combination of bacteria

表3 污水中懸浮物處理效果統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of suspended solids treatment effect in sewage

表4 污水中含油處理效果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of oil removal effect in sewage

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）常規(guī)的含油污水處理普遍加入大量的化學(xué)藥劑，造成處理成本居高不下。同時(shí)，污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的浮渣油泥，需按照危險(xiǎn)廢物進(jìn)行管理，達(dá)標(biāo)要求嚴(yán)格，環(huán)保壓力大。上述試驗(yàn)技術(shù)在不加藥劑的前提下，可實(shí)現(xiàn)含油污水低成本達(dá)標(biāo)處理，浮渣產(chǎn)生量大幅降低，可為油田污水處理系統(tǒng)升級(jí)提供可靠借鑒。

（2）微生物處理技術(shù)對(duì)于低濃度含聚污水具有較好的處理效果，但隨著三次采油的發(fā)展，污水含聚濃度逐漸上升，污水性質(zhì)日趨復(fù)雜，因此高濃度含聚污水的低成本達(dá)標(biāo)處理仍然是今后重點(diǎn)研究的課題。

（3）遼河油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，油井采出液含水率逐年升高，但油藏回注能力有限，產(chǎn)生了大量的過(guò)剩污水。雖然現(xiàn)有的過(guò)剩污水已實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，但生化效率低、污水處理成本居高不下，需要在今后的實(shí)踐中不斷探索新工藝、實(shí)施新技術(shù)，進(jìn)一步降低污水處理成本。