雙濾料過(guò)濾技術(shù)在微粒徑采出水處理中的研究與應(yīng)用

高 蕊 朱凱峰 鄭賽男

(1.中國(guó)石油大港油田公司采油工藝研究院；2.中國(guó)石油遼河油田公司質(zhì)量安全環(huán)保部)

0 引 言

采出水處理工藝是聯(lián)合站處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，采出水處理工藝的適應(yīng)性，直接影響處理后的水質(zhì)及注水開(kāi)發(fā)的效果。

BQ聯(lián)合站位于天津市濱海新區(qū)上古林村以南、津歧公路以東，隸屬大港油田，擔(dān)負(fù)著板橋、塘沽、長(zhǎng)蘆等油田的油氣水以及冬季板橋儲(chǔ)氣庫(kù)群來(lái)液的處理、儲(chǔ)存和外輸任務(wù)[1-3]。

文章基于BQ聯(lián)合站微粒徑采出水處理工藝現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選確定“石英砂+金剛砂”雙濾料集成采出水處理工藝的改造思路，旨在解決微粒徑采出水難處理的問(wèn)題，從而滿足油田回注水的要求。

1 采出水處理工藝現(xiàn)狀

BQ聯(lián)合站采出水處理系統(tǒng)主體采用“重力沉降+核桃殼過(guò)濾器+纖維球過(guò)濾器”處理工藝，設(shè)計(jì)處理能力12 000 m3/d，目前實(shí)際處理量6 000 m3/d(冬季大張沱來(lái)液高峰時(shí)達(dá)到7 500～9 000 m3/d)。

BQ聯(lián)合站油站來(lái)水，大于4 μm顆粒體積分布75%，小于4 μm的顆粒物占比為25%。小顆粒物占比高，造成了濾料難以截留，處理難度較大，懸浮物處理未達(dá)到SY/T 5329—2012《 碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》標(biāo)準(zhǔn)。

BQ聯(lián)合站采出水處理工藝，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)來(lái)液進(jìn)4#5 000 m3沉降罐破乳沉降后，含油采出水通過(guò)2#5 000 m3沉降罐進(jìn)一步沉降，經(jīng)提升泵至一級(jí)核桃殼過(guò)濾器6具(包括5具核桃殼過(guò)濾器，1具高效過(guò)濾器)，再進(jìn)入二級(jí)纖維球過(guò)濾器6具(包括5具纖維球過(guò)濾器，1具雙功能過(guò)濾器)，+濾后采出水進(jìn)入2具500 m3濾后水罐，由外輸泵輸送至各注水站。

圖1 BQ聯(lián)合站采出水處理工藝流程示意

2 采出水處理工藝存在問(wèn)題

2.1 工藝流程長(zhǎng)、適應(yīng)性差

現(xiàn)有采出水處理設(shè)備及工藝適應(yīng)性日趨弱化，不適應(yīng)性日益凸顯。一級(jí)核桃殼過(guò)濾器、二級(jí)纖維球過(guò)濾器共計(jì)12具，設(shè)備數(shù)量多、工藝?yán)匣酱?jí)。過(guò)濾器內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)落后，葉輪與濾料間距過(guò)大，影響反洗、攪拌效果，導(dǎo)致水質(zhì)未達(dá)到SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》標(biāo)準(zhǔn)。纖維球過(guò)濾工藝存在纖維球抗沖擊能力弱、懸浮物處理效果不佳等問(wèn)題[4-5]。

2.2 部分設(shè)備故障頻出、維修困難

過(guò)濾器運(yùn)行至今已達(dá)10年，故障頻出、維修頻繁，僅2018年就因攪拌器機(jī)械密封不嚴(yán)維修10次，且因技術(shù)升級(jí)、設(shè)備更新等因素，零件匹配困難，運(yùn)行成本攀升。

2.3 運(yùn)行成本較高

采出水處理系統(tǒng)反沖洗水溫較低，約為40℃，冬季僅為35℃，長(zhǎng)塘地區(qū)原油凝固點(diǎn)較高，為31～36℃，不易有效清洗纖維球上附著的油污，反洗效果不佳。

鑒于反沖洗濾料效果較差的實(shí)際，為保證水質(zhì)達(dá)到要求，加密反沖洗頻率，周期間隔僅為12 h，耗電量增大；同時(shí)，將月清洗劑量由7.5 kg/具提高至12.5 kg/具，運(yùn)行成本攀升，出口水質(zhì)未達(dá)到SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》標(biāo)準(zhǔn)；加之設(shè)備故障頻發(fā)，維修成本急劇攀升。采出水處理系統(tǒng)運(yùn)行成本情況，見(jiàn)表1。

表1 采出水處理系統(tǒng)運(yùn)行成本情況

因此，有必要對(duì)BQ聯(lián)合站采出水處理系統(tǒng)進(jìn)行工藝優(yōu)化研究。

3 微粒徑采出水處理工藝研究

綜合油田采出水處理工藝現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合BQ油田微粒徑水質(zhì)、水性情況及注水指標(biāo)，同時(shí)基于BQ聯(lián)合站在用采出水處理技術(shù)的應(yīng)用效果，優(yōu)選3種濾料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1.1 濾料優(yōu)選試驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)試驗(yàn)初選三種濾料(粗濾+精濾)組合模式，即：1#為“石英砂+石英砂”濾料、2#為“核桃殼+石英砂”濾料、3#為“石英砂+金剛砂”濾料；其中粗濾粒徑范圍0.8～1.2 mm、精濾粒徑范圍0.5～0.8 mm。

取3個(gè)玻璃容器，按照一定體積比例進(jìn)行粗濾粒徑濾料+精濾粒徑濾料的分層填裝，開(kāi)展模擬試驗(yàn)并進(jìn)行對(duì)比分析。

2)試驗(yàn)步驟

原水取自BQ聯(lián)合站2#沉降罐出水(即現(xiàn)有過(guò)濾器進(jìn)口)，將原水水樣通過(guò)空氣加壓壓入模擬濾料試驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和濾床過(guò)濾，觀察處理后水樣，并對(duì)3種濾料處理后的水樣分別進(jìn)行含油及懸浮物分析。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，試驗(yàn)一，原水水質(zhì)含油46 mg/L，懸浮物96 mg/L，石英砂濾料含油去除率90.9%，懸浮物去除率90.8%。試驗(yàn)二、試驗(yàn)三原水水質(zhì)含油96 mg/L，懸浮物281 mg/L，色度為黃色，表面肉眼觀察到油。通過(guò)2#、3#模擬裝置處理后水樣均為白色，表面肉眼無(wú)法觀察到油，其中2#水樣(核桃殼+石英砂濾料)稍微渾濁，3#水樣(石英砂+金剛砂濾料)較為清澈。

綜合對(duì)比上述三項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)一石英砂濾料含油、懸浮物去除率最低，效果最差；在同等來(lái)水水質(zhì)條件下，試驗(yàn)二“核桃殼+石英砂”濾料處理效果較好，含油去除率95.6%，懸浮物去除率96.5%；試驗(yàn)三“石英砂+金剛砂”濾料模擬裝置處理效果最佳，含油去除率97.4%，懸浮物去除率97.8%，即“石英砂+金剛砂”濾料處理效果優(yōu)于“核桃殼+石英砂”濾料。

3.1.2 模擬設(shè)備試驗(yàn)

通過(guò)“石英砂+金剛砂”雙濾料試驗(yàn)設(shè)備，每10 min取水樣并化驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，經(jīng)過(guò)處理后水樣干凈透徹，水質(zhì)較好，含油、懸浮物均在10 mg/L以下，去除率均在90%以上，確定改造工藝采用雙濾料水處理集成技術(shù)。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表3 雙濾料試驗(yàn)設(shè)備含油、懸浮物去除情況表

3.2 技術(shù)原理

雙濾料水處理集成技術(shù)主體采用石英砂、金剛砂濾料，將微浮選、碰撞聚結(jié)和吸附過(guò)濾三個(gè)單元集成在一個(gè)過(guò)濾器，可有效去除污油和懸浮物，具有高效除油、過(guò)濾功能，采用氣、水混合氣墊床反洗技術(shù)，利用特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)排污。含油污水實(shí)現(xiàn)碰撞聚結(jié)(產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)渦旋流)，油滴間的液膜界面由于激烈碰撞破裂，多個(gè)油滴合并成一個(gè)大油滴裹著微細(xì)懸浮物借助于未釋放完的溶解氣體一并向上經(jīng)微浮選去除[3]；微細(xì)懸浮物通過(guò)表層的潤(rùn)濕聚結(jié)作用，形成絮狀的骨架層攔截，再經(jīng)吸附過(guò)濾層精細(xì)過(guò)濾；通過(guò)獨(dú)特的反洗排污技術(shù)定期對(duì)吸附過(guò)濾層進(jìn)行反洗、排污、再生[6-10]。

3.3 應(yīng)用情況

大港油田羊三木采出水處理站于2012年對(duì)回注水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造后采用雙濾料水處理集成工藝，設(shè)計(jì)處理能力9 600 m3/d，目前實(shí)際處理量約9 600 m3/d。

2018年，羊三木采出水處理站處理后水質(zhì)平均含油11.4 mg/L，懸浮物9.5 mg/L，粒徑中值3.4 μm，應(yīng)用效果良好，能夠滿足回注要求。

3.4 規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.4.1 規(guī)劃方案

在BQ聯(lián)合站采出水處理區(qū)應(yīng)用雙濾料水處理集成工藝，采用“重力沉降+雙濾料水處理集成工藝”。經(jīng)論證，設(shè)計(jì)處理能力由12 000 m3/d減至9 600 m3/d，可以滿足地質(zhì)10年開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)指標(biāo)要求。新建雙濾料水處理集成裝置4具，設(shè)備配套含有自動(dòng)氣水反沖洗功能。

1)設(shè)備要求

設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)：含油量≤200 mg/L，懸浮固體含量≤200 mg/L；設(shè)計(jì)出水水質(zhì)：含油量≤20 mg/L，懸浮固體含量≤10 mg/L，懸浮顆粒直徑中值≤4 μm。優(yōu)化后采出水處理工藝流程示意見(jiàn)圖2。

2)主體流程

4#沉降罐來(lái)水→2#沉降罐→提升泵→雙濾料水處理集成裝置(4具)→500 m3濾后水罐→外輸水泵→注水站。

圖2 優(yōu)化后采出水處理工藝流程

3)反沖洗流程

濾后水罐→反沖洗泵→雙濾料水處理集成裝置→油泥水濃縮處理裝置→(處理的水進(jìn)入)2#沉降罐/(處理后的污泥進(jìn)入)油泥箱。

4)工藝參數(shù)

工藝參數(shù)情況如表4所示。

表4 工藝參數(shù)

3.4.2 投資及運(yùn)行費(fèi)用

工藝方案預(yù)計(jì)投資544.95萬(wàn)元，實(shí)施后成本費(fèi)用分析如下。

1)維護(hù)修理費(fèi)：按新增固定資產(chǎn)原值2.5%計(jì)取，計(jì)算得出年維護(hù)修理費(fèi)約為13.62萬(wàn)元。

2)藥劑費(fèi)：采出水中需加入清洗劑，罐總加入量120 kg/月，清洗劑單價(jià)按2萬(wàn)元/t計(jì)算，全年清洗劑費(fèi)用2.88萬(wàn)元。

3)動(dòng)力費(fèi)：雙濾料水處理集成裝置：按照運(yùn)行3具雙濾料水處理集成裝置，24 h運(yùn)轉(zhuǎn)；4臺(tái)45 kW采出水提升泵(2運(yùn)2備)，24 h運(yùn)轉(zhuǎn)；2臺(tái)37 kW空壓機(jī)(1運(yùn)1備)及2臺(tái)22 kW反沖洗泵(1運(yùn)1備)，24～72 h運(yùn)行1次。取 48 h反洗1次，即空壓機(jī)及反沖洗泵平均每天運(yùn)行0.75 h。通過(guò)計(jì)算得出，年耗電量58.01萬(wàn)kW·h，用電單價(jià)按0.70元/kW·h考慮，全年動(dòng)力費(fèi)40.61萬(wàn)元。

4)設(shè)備濾料費(fèi)用：4具雙濾料水處理集成裝置每年需補(bǔ)充石英砂濾料4.8 t，單價(jià)0.4萬(wàn)元/t，補(bǔ)充金剛砂濾料4 t，單價(jià)0.4萬(wàn)元/t，共計(jì)補(bǔ)充濾料費(fèi)用3.52萬(wàn)元。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

4.1 優(yōu)化處理能力，提高設(shè)備負(fù)載率

技術(shù)優(yōu)化后，BQ聯(lián)合站采出水處理系統(tǒng)能力由12 000 m3/d調(diào)整至9 600 m3/d，設(shè)計(jì)處理能力優(yōu)化縮減20%，可以滿足地質(zhì)10年開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)指標(biāo)要求，設(shè)備負(fù)載率提高13.5%。

4.2 工藝優(yōu)化升級(jí)，設(shè)備優(yōu)化減量

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，優(yōu)選確定“金剛砂+石英砂”雙濾料處理技術(shù)，對(duì)微粒徑采出水處理針對(duì)性更強(qiáng)。優(yōu)化后，采出水處理工藝由“重力沉降+核桃殼過(guò)濾+纖維球過(guò)濾”三級(jí)工藝簡(jiǎn)化為“重力沉降+雙濾料過(guò)濾”兩級(jí)工藝；過(guò)濾器數(shù)量由12具減少至4具，設(shè)備減少67%，設(shè)備集成度更高，現(xiàn)場(chǎng)管理更加便利，工藝適應(yīng)度更強(qiáng)，可進(jìn)一步保證水質(zhì)處理效果。

4.3 升級(jí)反洗工藝

優(yōu)化升級(jí)反洗方式，提高了過(guò)濾器工作效率。反洗方式由水洗升級(jí)為氣洗、水洗、氣水混合洗模式，有效避免了濾料污染、堵塞，減少了反洗時(shí)間，增強(qiáng)了濾料再生性；反洗周期由12 h延長(zhǎng)至48～72 h，降低了反洗能耗；反沖洗水量，由435 m3/d降至120 m3/d，減少72.4%，并減少后端反洗水的處理負(fù)荷，增加了沉淀池的沉降時(shí)間。