周鵬 沙力妮 夏福軍 雷娟

1大慶油田工程有限公司

2 大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心

3大慶油田第一采油廠基建工程管理中心

油田采用注水驅(qū)油的開(kāi)發(fā)方式有兩大難題：一是為了達(dá)到驅(qū)油目的，油田需要注入大量水，且要求回注的水既滿(mǎn)足驅(qū)油的目的，同時(shí)又不堵塞地層孔隙，達(dá)到油田回注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；二是油田在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的大量含油廢水需要尋找出路，外排產(chǎn)生環(huán)境污染和原油的浪費(fèi)。因此，油田在采用注水驅(qū)油的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可將油田開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的大量含油廢水經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理工藝處理，達(dá)到滿(mǎn)足油田回注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后全部回注地層，這樣既可達(dá)到油田開(kāi)發(fā)的需要，又能保證油田的穩(wěn)產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展，同時(shí)取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展，大慶油田已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)后期，油田開(kāi)發(fā)層位和開(kāi)發(fā)方式的變化，使得采出水處理問(wèn)題和回注水水質(zhì)的矛盾越來(lái)越突出。目前，大慶油田水處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題大致可分為兩個(gè)方面：水質(zhì)方面，油田開(kāi)發(fā)各環(huán)節(jié)投加的化學(xué)劑種類(lèi)和數(shù)量較多，因污水中細(xì)小油珠顆粒逐漸增多而導(dǎo)致乳化程度增加、油珠浮升速度降低、水膜強(qiáng)度增加，使得水質(zhì)特性發(fā)生了明顯的變化，致使污水處理難度增大；工藝方面，已有的重力沉降除油效果變差，使得濾前水質(zhì)超標(biāo)，造成過(guò)濾設(shè)備的出水不能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。因此，油田水處理的攻關(guān)方向應(yīng)為新技術(shù)[1]、新工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，選擇具有除油效率高且適合乳化油處理的氣浮選處理技術(shù)[1-3]，如采用“誘導(dǎo)射流氣浮選[4-10]+微動(dòng)力過(guò)濾”設(shè)備組成的新處理工藝技術(shù)，以適應(yīng)變化的水質(zhì)并解決現(xiàn)有水處理存在的問(wèn)題，改善、提高回注水水質(zhì)，確保注水后的驅(qū)油效果。

1 采出水沉降試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采出污水分別進(jìn)行污水黏度、聚合物濃度、含油量和懸浮固體含量等項(xiàng)目的分析化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

為了進(jìn)一步了解變化水質(zhì)的油水分離性質(zhì)，開(kāi)展了采出水沉降[1]試驗(yàn)。依次取現(xiàn)場(chǎng)采出污水水樣，注入容積為500 mL、高度為250 mm 的圓柱型分液漏斗中（試驗(yàn)中取10 組），然后置入溫度為40 ℃的恒溫箱內(nèi)，進(jìn)行靜置沉降分離。每組沉降時(shí)間分別為0、5、10、20、60、90、120、180、240、360 和480 min。當(dāng)每個(gè)圓柱型分液漏斗的沉降時(shí)間達(dá)到對(duì)應(yīng)要求的沉降時(shí)間時(shí)，取其對(duì)應(yīng)時(shí)間圓柱型分液漏斗下部水樣250 mL，進(jìn)行剩余含油量的分析化驗(yàn)，并繪制出不同沉降時(shí)間與污水中剩余含油濃度和懸浮固體濃度變化的關(guān)系曲線(xiàn)（圖1、圖2）。

表1 杏十二聯(lián)含油污水水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Water quality analysis results of Xing 12 oily sewage

圖1 不同沉降時(shí)間與污水中剩余含油濃度變化的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 Relationship curve between different settling time and change of residual oil concentration in sewage

從圖1 和圖2 可以看出：隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，污水中剩余的含油量呈下降趨勢(shì)，而懸浮固體剩余量盡管呈下降趨勢(shì)但變化不大；當(dāng)沉降時(shí)間達(dá)到6 h后，污水的含油濃度由270 mg/L降到49.77 mg/L，懸浮固體濃度由70.1 mg/L 降到43.1 mg/L，其去除率較小，說(shuō)明污水中的懸浮固體可能呈懸浮狀態(tài)，僅靠簡(jiǎn)單的延長(zhǎng)沉降時(shí)間，很難達(dá)到較高的去除率。

圖2 不同沉降時(shí)間與污水中剩余懸浮固體濃度變化的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship curve between different settling time and change of residual suspended solids concentration in sewage

結(jié)合表1 中水質(zhì)分析結(jié)果，該含油污水處理站的水質(zhì)為水驅(qū)見(jiàn)聚污水，其污水黏度比水驅(qū)采出水污水高，是影響沉降油水分離效果的主要因素。因此，需要采用新的處理技術(shù)來(lái)提高此種水質(zhì)的處理效果。

2 處理工藝技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)選擇在某采油廠某含油污水處理站，其中誘導(dǎo)射流氣浮選處理量為5 000 m3/d，微動(dòng)力過(guò)濾器處理量為1 000 m3/d。

試驗(yàn)裝置所組成的主要處理工藝流程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 新型高效含油污水處理工藝流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of a new type of high-efficiency oily wastewater treatment process flow

2.1 誘導(dǎo)射流氣浮選和微動(dòng)力過(guò)濾技術(shù)原理

誘導(dǎo)射流氣浮選技術(shù)原理：誘導(dǎo)射流氣浮選裝置采用誘導(dǎo)噴射方式產(chǎn)生微氣泡的微壓氣浮，即水流在流經(jīng)噴射器的同時(shí)吸入空氣，并使空氣破碎成20～40 μm 大小的微氣泡，經(jīng)誘導(dǎo)射流氣浮選[11-15]裝置中的氣體釋放頭釋放，微氣泡在上浮過(guò)程中吸附處理水中的細(xì)小油珠及懸浮固體顆粒上浮形成浮渣被分離去除，而較大的懸浮固體顆粒則沉到底部，依靠重力作用排出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)采出污水的油水分離。其原理結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 微壓射流誘導(dǎo)式氣浮選設(shè)備工作原理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of working principle and structure of micro-pressure jet induced air flotation equipment

微動(dòng)力過(guò)濾器技術(shù)原理：微動(dòng)力過(guò)濾器[15-16]由3 個(gè)壓力室分別組成初級(jí)室、緩沖室和反沖洗室。被處理的采出污水首先進(jìn)入初級(jí)室，通過(guò)過(guò)濾元件層過(guò)濾后再進(jìn)入緩沖室。旋轉(zhuǎn)式反沖洗室使可控比例的污水經(jīng)過(guò)濾部件進(jìn)入緩沖室，而不影響正常過(guò)濾的進(jìn)行。反沖洗是在緩沖室中將過(guò)濾后的凈化水在回壓的作用下，通過(guò)獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)的反沖洗室流入中空軸的低壓區(qū)完成的。瞬間局部反沖洗在反沖洗室的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，就構(gòu)成了連續(xù)對(duì)整個(gè)過(guò)濾膜的反沖洗。實(shí)物圖片見(jiàn)圖5。

圖5 微動(dòng)力過(guò)濾器外觀示意圖Fig.5 Schematic diagram of micro-power filter appearance

利用連續(xù)流的動(dòng)力可使過(guò)濾器在正常操作時(shí)就可以不間斷地進(jìn)行過(guò)濾和反沖洗，而不用停止過(guò)濾來(lái)清除過(guò)濾出的固體。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究方案

根據(jù)誘導(dǎo)射流氣浮選設(shè)備和微動(dòng)力過(guò)濾器的特點(diǎn)，采用正交法，首先進(jìn)行在額定設(shè)計(jì)規(guī)模條件下的最佳運(yùn)行操作參數(shù)的優(yōu)選試驗(yàn)。其中誘導(dǎo)射流氣浮選和微動(dòng)力過(guò)濾器的因素水平選擇見(jiàn)表2、表3；處理量、回流比、加藥量分別用A、B、C表示，下標(biāo)1、2、3 表示因素的不同水平，分別記為A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3。誘導(dǎo)射流氣浮選設(shè)備與微動(dòng)力過(guò)濾器的正交試驗(yàn)表相同，見(jiàn)表4。

表2 誘導(dǎo)射流氣浮選裝置的試驗(yàn)因素水平Tab.2 Level of test factors for induced jet gas flotation device

表3 微動(dòng)力過(guò)濾器裝置的試驗(yàn)因素水平Tab.3 Level of test factors for micropower filter devices

表4 試驗(yàn)正交表L9（34）Tab.4 Orthogonal table L9(34)for test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 誘導(dǎo)射流氣浮選運(yùn)行操作參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)表2 和表4 制定的正交試驗(yàn)研究方案開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)誘導(dǎo)射流氣浮選裝置運(yùn)行處理量為4 000 m3/d（設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%）、對(duì)應(yīng)的有效停留時(shí)間15 min 時(shí)，在回流比40%和加藥量為20 mg/L 的條件下，用出水的剩余含油量和懸浮固體含量來(lái)比較誘導(dǎo)射流氣浮選的處理效果，得出此條件下誘導(dǎo)射流氣浮選出口的含油量和懸浮固體含量最低，平均值分別為29.53 和26.81 mg/L，去除效率較高。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 誘導(dǎo)射流氣浮選設(shè)備進(jìn)、出水含油濃度和懸浮固體濃度變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of oil and suspended solids concentration in influent and effluent water of induced jet air flotation

3.2 微動(dòng)力過(guò)濾器運(yùn)行操作參數(shù)優(yōu)化篩選

根據(jù)表3 和表4 制定的正交試驗(yàn)研究方案開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)微動(dòng)力過(guò)濾器的處理量為800 m3/d（設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%）時(shí)，在排水壓力為0.3～0.5 MPa 的條件下，投加絮凝劑20 mg/L，其出水含油量、懸浮固體含量及顆粒粒徑中值均達(dá)到了中滲透率油層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求，即含油濃度≤10 mg/L，懸浮固體含濃度≤5 mg/L，顆粒粒徑中值≤3 μm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

3.3 誘導(dǎo)射流氣浮選與微動(dòng)力過(guò)濾器組合處理工藝

分別選擇誘導(dǎo)射流氣浮選與微動(dòng)力過(guò)濾器上述優(yōu)化出的最佳操作運(yùn)行參數(shù)，開(kāi)展兩個(gè)高效處理設(shè)備組合處理工藝的處理試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得聚合物濃度為35.7 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 新型高效處理工藝試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.5 Data of test results of new high efficiency treatment process

圖7 微動(dòng)力過(guò)濾器進(jìn)、出水含油濃度和懸浮固體濃度變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curves of oil and suspended solids concentration in influent and effluent water of the micropower filter

續(xù)表5

從表5 可以看出：采用誘導(dǎo)射流氣浮選與微動(dòng)力過(guò)濾器組成的新型高效處理工藝，在最佳運(yùn)行操作條件下，當(dāng)進(jìn)水含油濃度平均179.2 mg/L、懸浮固體濃度平均42.6 mg/L 時(shí)，最終過(guò)濾出水含油濃度平均5.95 mg/L，懸浮固體濃度平均4.26 mg/L，顆粒粒徑中值2.534 μm，三項(xiàng)主要指標(biāo)均達(dá)到了中滲透率油層回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

（1）采用誘導(dǎo)射流氣浮選進(jìn)行油水分離處理去除水中的含油和懸浮固體，以及采用微動(dòng)力過(guò)濾器去除剩余水中的含油和懸浮固體技術(shù)上可行。由兩個(gè)設(shè)備組成的新型高效處理工藝技術(shù)，當(dāng)誘導(dǎo)射流氣浮選和微動(dòng)力過(guò)濾器處理量分別為設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%，回流比40%、加藥量20 mg/L、污水有效停留時(shí)間15 min，以及微動(dòng)力過(guò)濾器排水壓力為0.3 MPa、投加聚合氯化鋁絮凝劑20 mg/L 的條件下，最終處理后的水中含油量、懸浮固體含量及顆粒粒徑中值，均達(dá)到了中滲透率油層回注水水質(zhì)指標(biāo)（含油濃度≤15 mg/L，懸浮固體濃度≤5 mg/L，粒徑中值≤3 μm）。

（2）建議含油污水采用沉降罐→緩沖罐→誘導(dǎo)射流氣浮選→緩沖罐→微動(dòng)力過(guò)濾器→凈化水的處理工藝。

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