油田污水水處理技術(shù)及設(shè)備概述

李帥，伍遠(yuǎn)平，胡志強(qiáng)，劉凱文，康凱

（中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著油田開采進(jìn)入中后期，含水率逐漸升高，為了維持產(chǎn)能需要將采出水處理后進(jìn)行回注，回注操作的主要目的在于將水中阻礙注水、易引起注水系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢的油類、懸浮物等不利成分去除[1]。由于各個(gè)油田采油廢水的理化性質(zhì)差異較大，所要求的注水水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不同，各個(gè)油田采油廢水的處理工藝也有較大差異[3]。但是從實(shí)際生產(chǎn)中總結(jié)得出，大部分都采用三段式處理工藝，即除油、混凝沉淀（或氣?。?、過濾。同時(shí)隨著油田開發(fā)的逐步深入，各項(xiàng)先進(jìn)、成熟的污水處理技術(shù)逐漸引進(jìn)、應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，初步形成了5類比較成熟的污水處理技術(shù)[5]。本文主要總結(jié)概括了各類油田污水處理技術(shù)及設(shè)備，凝練各類技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)范圍，為現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用提供重要理論支撐，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 油田污水水處理技術(shù)

1.1 油水分離技術(shù)-重力/離心分離技術(shù)

由于油和水的相對(duì)密度不同，當(dāng)較輕的組分處于層流狀態(tài)時(shí)，較重組分的液滴按照斯托克斯公式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律沉降，沉降速度與油在水中的半徑的平方成正比，水和油的密度差與油的粘度成正比[6]。重力分離技術(shù)技術(shù)利用“淺池理論”[7]，一方面可擴(kuò)大沉降面積，另一方面也可提高水分沉降速度，從而誕生了一種由錯(cuò)流式組合波紋板形成的板式聚結(jié)器，在油、水分離方面得到廣泛應(yīng)用。

離心分離技術(shù)是利用油水密度的差異，對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的油水混合物產(chǎn)生不同的離心力，從而實(shí)現(xiàn)油水分離。由于離心設(shè)備可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速并產(chǎn)生數(shù)百倍重力加速度的離心力，因此離心設(shè)備可以更徹底地去除油和水，并且只需要很短的停留時(shí)間和很小的設(shè)備體積。其水力旋流器流場(chǎng)分析如圖1所示。

圖1 水力旋流器流場(chǎng)分析圖

1.2 油水分離技術(shù)-氣浮技術(shù)

氣浮技術(shù)[8]是指在水中形成高度分散的微小氣泡，附著在廢水中疏水基的固體或液體顆粒上，形成水-空氣-顆粒三相混合體系。顆粒附著在氣泡上后，形成表觀密度小于水的絮凝體并浮上來，在水面上刮除形成的浮渣層，實(shí)現(xiàn)固液或液液分離的過程。產(chǎn)生微氣泡的方法，常用的有電解法、曝氣氣浮法和溶氣氣浮法三種[9]。

1）電解法通過向污水中通入5～10 V直流電，使其產(chǎn)生小氣泡，從而排除雜質(zhì)，但由于耗電量大，極板極易結(jié)垢，因此主要用于中小型工業(yè)廢水處理；

2）曝氣浮選法又稱散氣法，是在氣浮槽底部安裝微孔擴(kuò)散板或擴(kuò)散管，壓縮空氣以微小氣泡的形式從水槽表面逸出，在水池底部通常還裝有葉輪，軸與水面垂直，壓縮空氣從葉輪下方通過，使得大氣泡在高速時(shí)通過葉輪的攪拌作用被切割成小氣泡。曝氣機(jī)如圖2所示；

圖2 曝氣機(jī)

3）溶氣氣浮是降低氣壓，讓氣體從水中逸出的方法。主要有兩種形式：①使氣浮池上的空間處于真空狀態(tài)，當(dāng)常壓水流入池中時(shí)，釋放微氣泡。稱為真空溶氣法；②空氣在壓力下溶解在水中達(dá)到飽和，溶解的氣流減壓進(jìn)入氣浮池釋放微氣泡，稱為加壓溶氣法。加壓溶氣中的水可以是待處理水的全部或部分，也可以是氣浮池出水的回水，回水占處理水的百分比稱為回流比，該值是影響氣浮效率的重要因素，必須通過實(shí)驗(yàn)確定，在實(shí)際生產(chǎn)中，加壓溶氣法更為常用。溶氣氣浮機(jī)如圖3所示。

圖3 溶氣氣浮機(jī)

三種氣浮法在適用性及優(yōu)缺點(diǎn)中各有不同[10]，其主要對(duì)比如表1所示。

表1 三種氣浮法性能比較

1.3 懸浮物分離技術(shù)-過濾技術(shù)

過濾是水處理最為常用的技術(shù)，以去除水中懸浮物（機(jī)雜）為主要目的，對(duì)油和細(xì)菌也有一定的去除效果[11]。根據(jù)所采用的過濾介質(zhì)不同，可將過濾分為下列幾類[12]：格篩過濾、微孔過濾、膜過濾、深層過濾，每種過濾的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）格篩過濾：濾速大、結(jié)構(gòu)簡單，但過濾精度低；

2）微孔過濾：過濾精度較高（可達(dá)納米級(jí)）僅次于膜過濾、體積小、便于更換，但納污量低，易堵塞，需要頻繁反洗；

3）膜過濾：過濾精度最高，是目前最高精度級(jí)別的過濾方法，但造價(jià)及運(yùn)行成本高；

4）深層過濾：納污量大、過濾時(shí)間長、反洗時(shí)間短，但濾料需要定期補(bǔ)充或更換。

過濾是去除油田污水中懸浮物的主要手段，其去除率達(dá)90%以上；氣浮也能對(duì)懸浮物具有一定的去除作用（最高去除率可達(dá)80%），但氣浮只作為除油的主要手段，對(duì)懸浮物只是預(yù)處理，后續(xù)搭配過濾才能實(shí)現(xiàn)油和懸浮物的有效去除。

1.4 懸浮物分離技術(shù)-殺菌技術(shù)

回注污水中含有大量SRB（硫酸鹽還原）菌、各種懸浮物及乳化油[13]。 SRB菌喜歡生長在缺氧的地方（懸浮物內(nèi)部），用傳統(tǒng)方法無法殺死，給回注水系統(tǒng)帶來腐蝕設(shè)備和管道、使化學(xué)藥劑失效、惡化水質(zhì)、堵塞巖心、影響采收率等嚴(yán)重影響。目前可通過物理、化學(xué)殺菌兩種方法進(jìn)行解決。

物理殺菌的原理是將紫外線和光觸媒結(jié)合，紫外線不僅能殺死細(xì)菌，還能減少光源供給光觸媒[14]。兩者有機(jī)結(jié)合，相互作用后產(chǎn)生光催化作用，產(chǎn)生的羥基游離堿能殺滅SRB菌，使水質(zhì)達(dá)到回注要求。

化學(xué)殺菌可分為電解鹽水、二氧化氯和臭氧殺菌法[15]。

1）電解鹽水殺菌技術(shù)[16]：次氯酸鈉發(fā)生器用于電解過程中產(chǎn)生次氯酸鈉溶液和飽和大粗鹽，由于次氯酸鈉的不穩(wěn)定性，在水中能迅速分解，產(chǎn)生原子態(tài)的強(qiáng)氧化性細(xì)菌。氧化細(xì)菌的蛋白質(zhì)成分發(fā)生變性，失去了復(fù)制和存活的能力，也達(dá)到了殺滅細(xì)菌的目的。 電解鹽水對(duì)油田污水中的主要細(xì)菌，如硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細(xì)菌（IB）、腐生菌（TGB）等有很好的殺滅作用。

2）二氧化氯殺菌技術(shù)[17]：二氧化氯是國際公認(rèn)的高效消毒劑。 可殺滅所有微生物，包括細(xì)菌繁殖體、細(xì)菌孢子、真菌、分枝桿菌和病毒等，且這些細(xì)菌不會(huì)產(chǎn)生耐藥性。二氧化氯具有很強(qiáng)的吸附和穿透微生物細(xì)胞壁的能力，能有效氧化細(xì)胞內(nèi)含巰基的酶，能迅速抑制微生物蛋白質(zhì)的合成，從而破壞微生物，同時(shí)二氧化氯作為一種強(qiáng)氧化劑，還具有除藻、去泥、防腐、防霉、保鮮、除臭、氯化、漂白等作用，用途廣泛。

3）臭氧殺菌技術(shù)[18]：臭氧對(duì)細(xì)菌的滅活反應(yīng)總是非常迅速，與其他殺菌劑不同，臭氧能與細(xì)菌細(xì)胞壁脂質(zhì)發(fā)生雙鍵反應(yīng)，滲透到細(xì)菌內(nèi)部，作用于蛋白質(zhì)和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性功能，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。臭氧還作用于細(xì)胞內(nèi)的核物質(zhì)，如核酸中的嘌呤和嘧啶，破壞DNA。臭氧首先作用于細(xì)胞膜，對(duì)細(xì)胞膜的組成成分造成破壞，導(dǎo)致代謝障礙，而后繼續(xù)透過細(xì)胞膜，破壞細(xì)胞膜中的脂蛋白和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

2 油田污水水處理設(shè)備

2.1 一體化污水處理裝置

XQK-JXT系列一體化污水處理裝置是專門為油田污水處理開發(fā)，它將多種污水處理單元集成在一個(gè)裝置上，大大縮短了區(qū)塊的污水處理流程，具有處理精度高、流程短、占地面積小，易標(biāo)準(zhǔn)化、撬裝化的特點(diǎn)[19]。其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 XQK-JXT性能指標(biāo)

2.2 XL、YXL系列旋流器

旋流器主要是針對(duì)中高含水開采期采出液的預(yù)分離和含油污水的處理，也可用于環(huán)保等其它有一定密度差的兩相不互溶液體介質(zhì)的分離[20]。與其它油水分離設(shè)備相比，具有體積小、重量輕、除油效率高、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備進(jìn)水口含油質(zhì)量濃度≤2 000 mg·L-1，出水口含油質(zhì)量濃度≤50～100 mg·L-1，進(jìn)水口含水體積分?jǐn)?shù) 80%～95%，出水口含油質(zhì)量濃度≤2 000 mg·L-1，排油口含水體積分?jǐn)?shù)30%～60%。

2.3 系列過濾器

1）SLW系列雙濾料過濾器

該裝置主要是為過濾油田含油污水而開發(fā)的過濾裝置。它是由多種不同密度的多層濾料組成的硬質(zhì)濾料，根據(jù)水質(zhì)要求，濾料采用不同級(jí)配比[21]。經(jīng)過多次沖洗后仍能保持上層輕粗濾料，下層重細(xì)濾料分層，形成濾料粒度由下至上，由小至上的階梯式過濾層，最大限度提高濾層在不同密度、不同級(jí)配指標(biāo)下的截污能力。其性能指標(biāo)如表3所示。

表3 雙濾料過濾器性能指標(biāo)

2）QLW系列纖維球過濾器

該裝置主要是為油田回注水精細(xì)過濾而開發(fā)的過濾裝置，可用于清水，也可用于污水。纖維球采用改性纖維絲編制而成，化學(xué)穩(wěn)定性好，采用上部壓緊方式，過濾時(shí)壓緊保證過濾精度[22]。反洗時(shí)壓緊裝置上行放松濾料，循環(huán)泵開啟水力環(huán)流振蕩反洗，反洗徹底。其性能指標(biāo)如表4所示。

表4 纖維球過濾器性能指標(biāo)

3）TCL（W）系列纖維束過濾器

該裝置克服了纖維球過濾器的缺點(diǎn)，在過濾精度、耐沖擊能力及反洗再生等方面有了較大的提高，并在油田的應(yīng)用中取得了良好的效果[23]。可用于清水，也可用于污水。其性能指標(biāo)如表5所示。

表5 纖維束過濾器性能指標(biāo)

4）KQLW系列污水精細(xì)過濾系統(tǒng)

該裝置主要針對(duì)油田含油污水精細(xì)過濾的需求而開發(fā)的，它將粗過濾器和精細(xì)過濾器有機(jī)地結(jié)合在一個(gè)裝置上，采用機(jī)械加水力攪拌反洗方式，使得各級(jí)濾料均可以得到有效再生[24]。該裝置具有濾速快、過濾精度高、反洗徹底等優(yōu)點(diǎn)，是用于油田污水精細(xì)過濾的一個(gè)典型短流程設(shè)備。其性能指標(biāo)如表6所示。

表6 污水精細(xì)過濾系統(tǒng)性能指標(biāo)

2.4 XJC系列洗井液處理車

XJC系列注水井洗井液處理車是油田注水井專用設(shè)備，共有三種規(guī)格，分別適用于3 000 m、4 000 m、5 000 m井深的注水井的洗井作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)洗井液就地凈化處理后連續(xù)循環(huán)洗井，保護(hù)環(huán)境[25]。該裝置由汽車底盤、洗井液處理裝置、洗井泵及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，可對(duì)注水井單獨(dú)進(jìn)行洗井作業(yè)。

三種類別處理車性能指標(biāo)如表7-9所示。

表7 XJC-1型注水井洗井車性能指標(biāo)[26]

表8 XJC-2型注水井洗井車組性能指標(biāo)[27]

表9 XJC-3型注水井洗井兩車組性能指標(biāo)[28]

3 油田污水水處理技術(shù)展望

水處理是兼具油田采收率和環(huán)保效益的朝陽行業(yè)，對(duì)從業(yè)人員的專業(yè)面和專注度都要求甚高?；诠に?、攻克難點(diǎn)、解決主要問題，是每個(gè)研發(fā)技術(shù)人員必須遵從的工作路線[29]。相比于物理、化學(xué)處理方式，生物技術(shù)具有更加獨(dú)特的效果（增加采收率、既可回注又可外排），在油田污水處理方面具有更好的前景。水處理人工智能將是大勢(shì)所趨，在此之前，應(yīng)做好單元設(shè)備的模塊化、集成化工作。在水處理控制技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制下的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)水處理過程的自動(dòng)控制，是目前水處理發(fā)展的一個(gè)“興奮點(diǎn)”[30]。這樣既可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)儲(chǔ)存、越線自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)和管理報(bào)表等監(jiān)測(cè)功能，也可以實(shí)現(xiàn)水處理工況的自動(dòng)調(diào)節(jié)、在線進(jìn)行事故分析與推斷等人工智能控制和診斷的功能，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程傳遞[31]。從而為運(yùn)行工況的調(diào)整和歷史趨勢(shì)分析以及生產(chǎn)過程中事件和故障追蹤分析等提供可靠的科學(xué)依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)水處理的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和準(zhǔn)確可靠性的必然要求和迫切需要；同時(shí)，還從根本上避免了報(bào)表數(shù)據(jù)、事件處理受人為因素的影響，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和水處理工況調(diào)節(jié)的有效性，而且也減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，是當(dāng)今水處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[32]。