成套極化水處理技術(shù)在稠油油田的試驗(yàn)應(yīng)用

王玉江 王琛 董明 魏麗萍

1中石化勝利油田工程技術(shù)管理中心

2中石油國(guó)際勘探開發(fā)公司

3中石化勝利油田河口采油廠

4山東海吉雅環(huán)保設(shè)備有限公司

目前東部老油田逐步進(jìn)入高含水開發(fā)期，增產(chǎn)措施的實(shí)施使油水性質(zhì)發(fā)生了很大變化，傳統(tǒng)的油水分離技術(shù)已不太適應(yīng)當(dāng)前低油價(jià)的形勢(shì)[1]，亟需低耗高效、自動(dòng)化和信息化程度高、成本低的處理技術(shù)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)主力油田的調(diào)研和多次的技術(shù)交流，成套極化水處理技術(shù)處理不含聚合物的采出水具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)曾在長(zhǎng)慶、大港等油田應(yīng)用[2-3]，但在超稠油、含聚水處理方面的案例與經(jīng)驗(yàn)不多，為滿足勝利油田復(fù)雜多樣的水質(zhì)要求，選擇陳南站進(jìn)行超稠油污水處理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 勝利油田陳南區(qū)塊采出水現(xiàn)狀

陳南區(qū)塊由于注蒸汽高溫驅(qū)替，部分采出液開始出現(xiàn)硫化氫，采出水中的SRB含量超標(biāo)，油井管柱、地面管線腐蝕加劇[4]。

該區(qū)塊原油密度1.009 g/cm3，黏度55 643 mm2/s，采出水礦化度17 100 mg/L，含有二氧化碳、硫化氫等腐蝕性氣體，采出水中S2-、Fe2-超標(biāo)，是典型的高溫、含硫、含鐵、腐蝕性強(qiáng)、高礦化度的多變水質(zhì)[5]。陳南站要求三級(jí)水質(zhì)的水中含油濃度≤30 mg/L、懸浮物濃度≤10 mg/L，粒徑中值≤4 μm。目前由于水質(zhì)不穩(wěn)定，原油黏度大，油和懸浮固體黏附在管線內(nèi)造成堵塞，加上細(xì)菌繁殖及采出水結(jié)垢，管線堵塞穿孔問題頻發(fā)[6]。

由于陳南站地處人口敏感區(qū)，如果采用常規(guī)水處理工藝技術(shù)進(jìn)行改擴(kuò)建需要再征地，而成套極化水處理技術(shù)既能夠解決超稠油高含硫采出水處理難題又不增加占地面積，因此開展超稠油采出水處理試驗(yàn)非常必要。

2 成套極化水處理裝置

2.1 裝置特點(diǎn)

該裝置是集多種技術(shù)于一體、以物理法處理為主的多功能密閉裝置，不投加任何三防藥劑。分離設(shè)備集成了微渦旋吸附填料聚結(jié)、向心氣浮除油、極化殺菌除硫、濾料體外搓洗循環(huán)再生等技術(shù)，運(yùn)行過程將緩沖組件、提升組件、反洗組件和精細(xì)過濾組件統(tǒng)一整合，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，整體布置（圖1）[7]，具有體積小、工藝簡(jiǎn)單、耗能少、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)[8-9]。

圖1 水處理裝置內(nèi)部構(gòu)成Fig.1 Internal composition of water treatment device

處理流程：采出水在進(jìn)液管上溶氣后進(jìn)入罐渦流器，渦流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將油氣向內(nèi)圓運(yùn)移聚集，浮油和分散油上浮至罐頂，完成收油；水進(jìn)微渦旋器后微渦旋可將90%以上的2 μm 以下顆粒聚結(jié)成大顆粒和大油珠，通過粗、細(xì)兩級(jí)核桃殼濾料介質(zhì)，可以去除90%以上的顆粒和油珠；濾后水在電場(chǎng)極化作用下，水中電子進(jìn)入菌類的細(xì)菌膜，改變細(xì)菌膜內(nèi)的電子結(jié)構(gòu)，抑制和殺滅SRB；極化的強(qiáng)陰極向水體釋放電子，電子與陽離子（主要是H+)結(jié)合，消除陽離子極性，強(qiáng)陰極與罐體及管網(wǎng)連接，消除鋼體陽極鐵離子并使其脫落，使鋼體不會(huì)腐蝕。極化形成的靜電場(chǎng)去除水中金屬陽離子的陽極性，不再與氫氧根和酸根結(jié)合生成堿和鹽，可有效防止鋼體結(jié)垢。

2.2 裝置組成

常規(guī)的極化水處理裝置由油泥水分離器、極化水處理、精細(xì)水處理三部分主體和反洗泵、加料池等輔助配套組成。為了驗(yàn)證在流程簡(jiǎn)化、不同水性、不同水量、不同水質(zhì)情況下該裝置的適應(yīng)性，取消油泥水分離器，裝置簡(jiǎn)化為兩級(jí)布置，其處理能力為120 m3/d。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2019 年8 月開始對(duì)此裝置進(jìn)行2 個(gè)月不間斷的試驗(yàn)。為驗(yàn)證其在異常生產(chǎn)情況的抗沖擊性，分常規(guī)、流程變更、水量異常、水質(zhì)異常、系統(tǒng)恢復(fù)五種情況進(jìn)行試驗(yàn)。每種情況下都分別對(duì)含油量、懸浮物、硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧、SRB、粒徑中值等取樣化驗(yàn)，驗(yàn)證溶氣增氧脫硫除鐵、極化殺菌脫硫效果。由聯(lián)合站、集輸大隊(duì)、中石化節(jié)能環(huán)保公司（第三方）同時(shí)取樣進(jìn)憲化驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終結(jié)果取平均值。站內(nèi)分離器分離出的污水直接進(jìn)處理器，不設(shè)緩沖設(shè)備。試驗(yàn)工藝流程見圖2。

3.1 常規(guī)

常規(guī)試驗(yàn)下采出水經(jīng)過全部設(shè)備，試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。

三方檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，常規(guī)試驗(yàn)來水平均含油207.21 mg/L，二級(jí)出水平均含油0.73 mg/L，平均去除率99.65%；來水平均含懸浮物49.29 mg/L，極化裝置出水平均含懸浮物2.51 mg/L，平均去除率94.90%。在來水多變情況下，二級(jí)出水水質(zhì)穩(wěn)定，粒徑中值由平均4.555 μm 下降為二級(jí)出水的0.673 μm，滿足現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)處理要求。因此常規(guī)條件下，裝置對(duì)高溫、稠油等多變水質(zhì)的含油及懸浮物處理相對(duì)穩(wěn)定高效。

圖2 試驗(yàn)工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of test process flow

表1 常規(guī)試驗(yàn)下含油、懸浮物檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Detection data of oil and suspended matter in conventional tests

表2 常規(guī)試驗(yàn)下含硫、鐵、溶解氧、SRB檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen，and SRB content in conventional tests

表3 常規(guī)試驗(yàn)下粒徑中值檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Detection data of particle size median in conventional tests

3.2 流程變更

處理流程跨越油泥水分離器，只經(jīng)過極化水處理、精細(xì)水處理器，驗(yàn)證水處理器獨(dú)自處理復(fù)雜水質(zhì)的可行性，試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

表4 流程變更試驗(yàn)下含油、懸浮物檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.4 Detection data of oil and suspended matter in process change tests

表5 流程變更試驗(yàn)下含硫、鐵、溶解氧、SRB檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen，and SRB content in process change tests

跨越油泥水分離器后，平均含油由171.67 mg/L降至0.80 mg/L，去除率達(dá)到99.53%；平均懸浮物由38.49 mg/L 降 至1.56 mg/L，去 除 率 達(dá) 到95.94%；粒徑中值由4.607 μm 降至1.075 μm，出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；總鐵、亞鐵、溶解氧、硫化物、SRB 去除率分別達(dá)到79.67%、82.46%、95.03%、81.87%、90.00%，結(jié)果穩(wěn)定，簡(jiǎn)化工藝流程完全可行。

3.3 水量異常

將來水量增加1～2倍，觀察水質(zhì)變化情況，驗(yàn)證水處理器的抗沖擊能力，試驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。

水量異常增大，影響來水水質(zhì)的穩(wěn)定性，來水含油、懸浮物波動(dòng)劇烈，流程同樣跨越油泥水分離器。平均含油由6 253.16 mg/L降至0.89 mg/L，去除率為99.99%；平均懸浮物由81.52 mg/L 降至2.23 mg/L，去除率達(dá)到97.27%；硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧去除率達(dá)到76.57%、77.81%、69.84%，極化功能有效，脫硫除鐵技術(shù)成熟，設(shè)備抗沖擊性較強(qiáng)。

表6 水量增加后含油、懸浮物檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.6 Detection data of oil content and suspended matter after water volume increase

表7 水量增加后含硫、鐵、溶解氧檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.7 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen after water content increase

3.4 水質(zhì)異常

將來水指標(biāo)較常規(guī)水增加至少2倍，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)直接將來水管線連接到分離器進(jìn)油管線，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)大大超出設(shè)備設(shè)計(jì)值，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表8、表9。

來水含油最高20 184.5 mg/L，水質(zhì)突發(fā)具有破壞性且不穩(wěn)定，來水含油、懸浮物波動(dòng)劇烈，流程同樣跨越油泥水分離器。平均含油由14 033.07 mg/L降至1.11 mg/L，去除率達(dá)到99.99%；平均懸浮物由120.58mg/L 降 至2.64mg/L，去 除 率 達(dá) 到97.81%；硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧的處理效果明顯。突發(fā)破壞性水質(zhì)沖擊下，設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行，極化處理仍然有效，脫硫除鐵功能強(qiáng)大，對(duì)破壞性水質(zhì)體現(xiàn)出良好的抗沖擊性和適應(yīng)能力。

表8 水質(zhì)變化后含油、懸浮物檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.8 Detection data of oil and suspended matter after water quality change

表9 水質(zhì)變化后含硫、鐵、溶解氧檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.9 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen after water quality change

3.5 系統(tǒng)恢復(fù)

觀察各種異常情況發(fā)生后恢復(fù)常規(guī)試驗(yàn)流程的時(shí)間及水質(zhì)指標(biāo)變化情況，驗(yàn)證水處理器在工作過程中的還原能力。對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行反沖洗后恢復(fù)常規(guī)流程，觀察處理后達(dá)到正常生產(chǎn)指標(biāo)的時(shí)間，驗(yàn)證設(shè)備經(jīng)受一系列超負(fù)荷、破壞性水質(zhì)沖擊后，系統(tǒng)自我修改、恢復(fù)及還原能力，改變以往僅僅室內(nèi)模擬仿真方式。水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表10、表11。

表10 恢復(fù)常規(guī)流程后含油、懸浮物檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.10 Detection data of oil and suspended matter after resuming the normal process

表11 恢復(fù)常規(guī)流程后含硫、鐵、溶解氧檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.11 Detection data of sulfur，iron，and dissovled oxygen content after resuming the normal process

8月29日12:30恢復(fù)正常試驗(yàn)流程，到17:00逐步恢復(fù)到初始試驗(yàn)值，系統(tǒng)經(jīng)4.5 h 即完全恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，呈現(xiàn)較強(qiáng)的自我修復(fù)能力。

3.6 腐蝕檢測(cè)

通過主管線上安裝的直通型腐蝕掛片器檢測(cè)數(shù)據(jù)，在進(jìn)水平均腐蝕率0.234 3 mm/a 情況下，出水平均腐蝕率降為0.006 mm/a，緩釋效果顯著。

4 結(jié)論

應(yīng)用成套極化水處理裝置，在常規(guī)、流程變更、水量異常、水質(zhì)異常及系統(tǒng)恢復(fù)這五種異常生產(chǎn)情況下進(jìn)行試驗(yàn)，均達(dá)到了預(yù)期效果，可適應(yīng)不同工作工況。

（1）流程變更條件下表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，水量及水質(zhì)異常環(huán)境下，來水含油在1 497.5～20 184.5 mg/L、懸浮物在60～197 mg/L 之間波動(dòng)，出水含油基本穩(wěn)定在在0.5～4.3 mg/L、懸浮物在1.2～3.02 mg/L之間，效果穩(wěn)定且處理效率高，抗沖擊性強(qiáng)，自我恢復(fù)能力強(qiáng)。

（2）從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)看，裝置功能高度集成，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，全自動(dòng)密閉運(yùn)行，占地面積僅為傳統(tǒng)重力沉降工藝的五分之一。

（3）由于采用極化、氣浮等物理法除油技術(shù)，不投（加水處理藥劑，體外循環(huán)搓洗技術(shù)濾料原位再生[10]，裝置反洗間隔長(zhǎng)（3～5 天），反沖洗時(shí)間短，生產(chǎn)時(shí)效高，有效減少了濾料更換及處理，可以實(shí)現(xiàn)污泥源頭減量。同時(shí)此技術(shù)為邊緣、斷塊等小區(qū)塊采出液“就地分水、就地處理、就地回注”提供了流程變革及借鑒指導(dǎo)。