新疆油田稠油采出水電化學(xué)深度除油除硅現(xiàn)場試驗研究

單朝暉 孫森 金志娜 曹佳旭 李學(xué)軍 邱江源 馬大文 樊玉新

1新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

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3新疆油田公司工程技術(shù)研究院

近十幾年來，新疆油田風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)不斷引進(jìn)和開發(fā)新的油田采出水處理技術(shù)。2009 年起，超稠油采出水處理采用重力除油、混凝沉降、離子調(diào)整、旋流反應(yīng)、氣浮、壓力過濾、軟化處理、真空除氧等技術(shù)，實現(xiàn)凈化、軟化后回用鍋爐，以滿足蒸汽吞吐與SAGD 的稠油開采方式[1-3]。由于稠油采出水的硅含量較高，而早期工藝未考慮除硅工藝，回用污水硅含量高導(dǎo)致過熱鍋爐系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)鹽、結(jié)垢問題。通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗，2014年10 月，化學(xué)混凝除硅裝置在風(fēng)城油田開始工業(yè)化應(yīng)用，將SiO2濃度（質(zhì)量濃度）降至70 mg/L，一定程度緩解了過熱鍋爐結(jié)鹽、結(jié)垢問題[4]。

1 稠油采出水凈化技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)SY/T 0097—2000《稠油油田采出水用于蒸汽發(fā)生器給水處理設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，注汽鍋爐給水SiO2＜50 mg/L。目前的“重力除油+化學(xué)除硅+混凝沉降+壓力過濾”的除硅、凈化工藝雖在一定程度上節(jié)約了鍋爐運行成本，保障了鍋爐的安全運行，但仍存在結(jié)垢問題，無法滿足注汽鍋爐給水的指標(biāo)要求。

現(xiàn)有稠油采出水凈化工藝存在以下問題：除硅深度不滿足注汽鍋爐給水水質(zhì)要求；除硅凈化過程加藥種類多、用量大、成本高，且會惡化采出水的水質(zhì)；化學(xué)除硅產(chǎn)生泥量大[5-6]；化學(xué)除硅、凈化工藝流程長。為實現(xiàn)稠油采出水深度除硅，滿足過熱鍋爐給水要求，保障注采系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，確保新疆油田稠油穩(wěn)產(chǎn)，亟需開發(fā)一種綠色、經(jīng)濟(jì)的深度除硅工藝。而電化學(xué)方法深度除硅機理與效果已有相關(guān)研究和驗證[7-8]?；谏鲜銮闆r，2018年，風(fēng)城油田開始在稠油采出水深度除硅領(lǐng)域開展一系列電化學(xué)法和藥劑法深度除硅技術(shù)室內(nèi)研究實驗，確定了電化學(xué)深度除硅效果。并于2019 年開始進(jìn)行現(xiàn)場中試試驗研究?，F(xiàn)場中試試驗結(jié)果表明，電化學(xué)協(xié)同藥劑法可滿足深度除硅要求，且運行成本低、工藝流程短，產(chǎn)生污泥量少。

2 試驗及分析方法

2.1 現(xiàn)場試驗水源

試驗裝置水質(zhì)為調(diào)儲罐高溫超稠油采出水，水溫85 ℃。

2.2 調(diào)儲罐水質(zhì)

水一區(qū)調(diào)儲罐水質(zhì)如表1 所示。

表1 風(fēng)城油田水一區(qū)儲水罐水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality index of the water storage tank in Shui Yi Area of Fengcheng Oilfield

2.3 分析方法

（1）石油類。HJ637—2018 水質(zhì)石油類和動植物油的測定紅外分光光度法。

（2）SiO2。GB12149—2017 工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中硅的測定；GBT 12148—2006 鍋爐用水和冷卻水分析方法、全硅的測定、低含量硅氫氟酸轉(zhuǎn)換法。

2.4 現(xiàn)場試驗工藝的確定

風(fēng)城油田稠油采出水的主要特點是油水密度差小、水溫高、黏度高、乳化程度高等[9]，水中的油在除硅過程中會吸附在硅泥表面，與SiO2同步沉淀去除，轉(zhuǎn)入到污泥中，從而導(dǎo)致硅泥的含油率增加。依據(jù)HJ607—2011《廢礦物油回收利用污染控制技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)含油污泥、油泥沙的含油率大于5%時，應(yīng)進(jìn)行再生利用。因此，現(xiàn)場試驗在除硅前先進(jìn)行深度除油，避免對污泥造成二次污染[10]。

該現(xiàn)場試驗深度除油工藝選用電化學(xué)除油工藝，即采用具有聚結(jié)功能的三維電極電化學(xué)破乳除油技術(shù)，同時利用氮氣清洗電極表面聚結(jié)的油滴，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、綠色的深度除油目的。

該現(xiàn)場試驗深度除硅工藝選用電化學(xué)協(xié)同藥劑除硅技術(shù)，即利用電催化作用提高水中SiO2與活性物種的反應(yīng)速度，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、綠色的深度除硅目的。

3 稠油采出水現(xiàn)場試驗

3.1 設(shè)計參數(shù)及工藝路線

設(shè)計處理量5 m3/h；設(shè)計出水水質(zhì)：石油類≤20 mg/L，SiO2≤50 mg/L。

工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

稠油采出水經(jīng)調(diào)儲罐隔油、均質(zhì)后，經(jīng)泵輸送至電化學(xué)深度除油除硅系統(tǒng)。該系統(tǒng)共分為三個橇塊，包括電化學(xué)除油橇塊、電化學(xué)協(xié)同藥劑除硅橇塊和沉淀分析橇塊。油田采出水先經(jīng)電化學(xué)除油橇塊將水中大部分油脫除，自流進(jìn)入電化學(xué)除硅橇塊，除硅過程中產(chǎn)生的高懸浮物污水進(jìn)入沉淀分離橇塊，進(jìn)一步分離凈化。系統(tǒng)產(chǎn)水去后續(xù)過濾工段去除懸浮物。除油橇塊產(chǎn)生的污油去浮渣池，各個裝置產(chǎn)生的污泥排至污泥濃縮池。

3.2 工藝原理

（1）電化學(xué)深度除油機理。電化學(xué)破乳是電場破乳與電化學(xué)破乳劑破乳的協(xié)同技術(shù)。O/W 破乳是利用“連續(xù)相”水中的電流，在“乳化油滴雙電層”界面上直接作用形成電場，壓縮并破壞其雙電層結(jié)構(gòu)，達(dá)到破乳的目的。

稠油采出水中經(jīng)過破乳、失穩(wěn)后的油滴經(jīng)過相互碰撞聚結(jié)，因而要求其必須充分混合。混合的方式可以采用機械攪拌或曝氣攪拌方式。由于在電極反應(yīng)室中電化學(xué)破乳的同時進(jìn)行曝氣，攪拌過程中應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)臄嚢鑿姸?，避免聚結(jié)的油滴再度分散乳化。

（2）電化學(xué)深度除硅機理。電化學(xué)不僅可以通過電極反應(yīng)產(chǎn)生金屬水合物凝聚劑，更主要的作用是專門設(shè)計的電極陣列及內(nèi)部電場可大大增加電極室內(nèi)部局部水中膠體及離子的濃度，增加了膠體及離子相互碰撞的機會，增加了其“反應(yīng)”速度，起到了“催化劑”作用。從宏觀角度看達(dá)到了降低硅酸鹽“溶度積”的效果，適用于水的深度除硅。

陽極產(chǎn)生鋁離子或鐵離子，與水中的硅酸生成難溶的硅酸鹽，在電極陣列內(nèi)部電場作用下硅酸鹽從廢水中析出，達(dá)到深度脫硅的效果。當(dāng)進(jìn)水含硅較高，所需除硅量較高時，輔助一定量除硅劑是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。

3.3 試驗裝置

電化學(xué)深度除硅現(xiàn)場試驗裝置如圖2所示。

圖2 電化學(xué)深度除油除硅現(xiàn)場試驗裝置Fig.2 Field test device for electrochemical deep oil and silicon removal

試驗裝置規(guī)格參數(shù)如表2 所示。

表2 現(xiàn)場試驗裝置規(guī)格參數(shù)Tab.2 Specification and parameter of field test device

3.4 試驗進(jìn)度安排

設(shè)計加工階段：2019 年7 月—2019 年10 月.

現(xiàn)場安裝階段：2019 年11 月中旬進(jìn)廠—2019年12 月下旬安裝結(jié)束。

現(xiàn)場調(diào)試階段：2020 年1 月—2020 年5 月，因疫情影響，試驗調(diào)試試運行進(jìn)展緩慢。

連續(xù)運行階段：2020 年6 月—2020 年10 月。

4 現(xiàn)場試驗結(jié)果與討論

新疆油田風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)電化學(xué)深度除油除硅裝置進(jìn)水即調(diào)儲罐出水的含油濃度4.85～127.81 mg/L，平均含油濃度38.72 mg/L；調(diào)儲罐出水SiO2濃度186.9～269.68 mg/L，SiO2平均濃度為236.38 mg/L。

4.1 電化學(xué)除油橇塊運行情況

電化學(xué)除油橇塊三維電化學(xué)除油反應(yīng)器工作電流70～85 A，工作電壓4～5 V，未投加任何藥劑。電化學(xué)除油橇塊出水石油類濃度1.52～11.44 mg/L，平均值石油類濃度為5.58 mg/L，滿足原設(shè)計出水指標(biāo)要求。電化學(xué)除油橇塊進(jìn)出水含油濃度如圖3所示。

圖3 電化學(xué)除油橇塊進(jìn)出水油含濃度曲線Fig.3 Oil concentration curve of inlet and outlet water of electrochemical deoiling skid

4.2 電化學(xué)除硅橇塊運行情況

電化學(xué)除硅橇塊的電化學(xué)除硅反應(yīng)器采用鋁極板，工作電流100～120 A，工作電壓4～5 V，同時輔助專用高效除硅劑，除硅劑投加量為300 mg/L。經(jīng)電化學(xué)除硅橇塊處理后，出水SiO2濃度2.07～35.76 mg/L，SiO2平均濃度為12.94 mg/L，滿足原設(shè)計出水指標(biāo)要求。電化學(xué)除硅模塊進(jìn)出水SiO2濃度如圖4 所示。

圖4 電化學(xué)除硅模塊進(jìn)出水SiO2濃度曲線Fig.4 Silicon dioxide concentration curve of inlet and outlet water of electrochemical desilication module

4.3 運行消耗情況

本次現(xiàn)場試驗每噸水直接運行成本約2.20 元，包括電耗和藥劑消耗，具體消耗量見表3。

表3 除油除硅經(jīng)濟(jì)分析Tab.3 Economic analysis of oil and silicon removal

5 結(jié)論

本次電化學(xué)深度除油除硅現(xiàn)場試驗研究為稠油采出水工程應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)及工程設(shè)計依據(jù)?，F(xiàn)場試驗結(jié)果能夠滿足工程需要，具有良好的廣泛推廣價值。從以上運行參數(shù)和進(jìn)出水水質(zhì)分析，得出如下結(jié)論：

（1）電化學(xué)除油裝置出水油含量低，可實現(xiàn)深度除油，無需投加任何除油藥劑，出水含油濃度可降至2 mg/L 以下，去除率可達(dá)到95.9%。

（2）采用電化學(xué)協(xié)同一定量除硅劑，可實現(xiàn)深度除硅，出水SiO2濃度可降至2.07 mg/L，去除率可達(dá)到99%；與常規(guī)的化學(xué)藥劑法除硅比，藥劑投加量少，產(chǎn)生的污泥量少，綜合運行成本低。

（3）電化學(xué)深度除油除硅工藝，首次在稠油采出水領(lǐng)域應(yīng)用，開辟了電化學(xué)應(yīng)用發(fā)展新領(lǐng)域，同時驗證了電化學(xué)除油除硅的顯著效果，較已有除油除硅技術(shù)可大大改善水質(zhì)，節(jié)約處理成本，在國內(nèi)其他稠油區(qū)塊稠油采出水深度除油除硅領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價值。