劉靜， 陳鵬， 王慶吉

（1.大慶油田呼倫貝爾分公司， 黑龍江 大慶 163712； 2.大慶油田建設設計研究院， 黑龍江 大慶 163712）

大慶油田已逐漸進入高含水開發(fā)后期， 開發(fā)方式多樣化， 目前老區(qū)采油一廠、 二廠、 三廠、 四廠和六廠多區(qū)塊水驅、 聚合物驅等開發(fā)方式并存。 聚合物驅污水處理后大部分回注聚驅層系， 但是仍有部分剩余回注了本區(qū)塊水驅層系， 當該水驅層系的采出液進入地面水驅系統(tǒng)時， 就導致了水驅污水中含有聚合物［1－2］。 隨著水驅污水中聚合物含量上升，污水粘度升高， 處理難度增加， 已建的43 座水驅污水站普遍采用兩級沉降油水分離→一級過濾的處理工藝， 為了利用已建設施處理能力， 仍繼續(xù)處理含聚合物污水（以下簡稱含聚污水）， 導致油水分離段需要更長的沉降停留時間［3-4］， 過濾段需要采用更低的過濾速度［5-6］。 目前水驅站原有的處理工藝參數(shù)已無法滿足含聚污水處理需要， 處理后水質(zhì)無法穩(wěn)定達標， 生產(chǎn)站只能采用局部技術優(yōu)化的方式嘗試改善水質(zhì)處理效果［7-8］， 包括強化收油和優(yōu)化濾罐反沖洗等； 另一方面若是按照聚驅處理工藝處理水驅含聚污水， 則會導致過度處理、 投資浪費［9］。因此， 若能從基礎層面確定水驅站達標處理含聚污水的運行參數(shù)， 對充分利用已建設施， 保障處理后水質(zhì)達標， 節(jié)省地面工程建設投資將具有重要意義。

為獲得水驅站達標處理不同濃度含聚污水的主要運行參數(shù)， 本試驗梯級選取來水含聚濃度不同的3 座水驅污水站作為典型處理站， 開展工業(yè)級別現(xiàn)場試驗研究。 根據(jù)Q／SY DQ0639—2015《大慶油田地面工程建設設計規(guī)定》， 選取的水驅污水站來水含聚質(zhì)量濃度范圍介于150 ～450 mg／L（低于150 mg／L 視為水驅處理難度， 高于450 mg／L 視為高濃度聚驅處理難度）， 通過調(diào)整生產(chǎn)站的負荷率， 即改變沉降停留時間和濾速運行參數(shù)， 監(jiān)測不同運行參數(shù)狀態(tài)下各段工藝水質(zhì)， 摸索達標處理參數(shù)， 填補水驅站達標處理含聚污水的技術空白。

1 材料與方法

1.1 水驅污水站及處理工藝

大慶油田已建的43 座水驅污水站中24 座采用了“自然沉降→混凝沉降→核桃殼過濾”的主體處理工藝， 該工藝占比最高， 所以確定為現(xiàn)場試驗的典型工藝。 該工藝采用了GB 50428—2015《油田采出水處理設計規(guī)范》中推薦的水驅污水設計參數(shù)， 即自然沉降4 h， 混凝沉降2 h， 核桃殼濾速為16 m／h， 處 理后水 質(zhì) 需達到Q／SY DQ0605—2006《大慶油田油藏水驅注水水質(zhì)指標及分析方法》中ρ（油）≤20 mg／L、 ρ（懸浮固體）≤20 mg／L、粒徑中值≤5 μm 的回注水水質(zhì)指標要求。

1.2 試驗方法

選取1#、 2# 和3# 典型水驅污水站為試驗現(xiàn)場， 考慮到： ①3 座典型站采用的處理工藝均為“自然沉降→混凝沉降→核桃殼過濾”， 具有代表性； ②3 座典型站全部位于油田老區(qū)， 來水中已經(jīng)含有聚合物， 且含聚濃度呈梯級分布并基本涵蓋150 ～450 mg／L 的范圍， 滿足試驗來水水質(zhì)需求；③3 座典型站運行平穩(wěn)、 設備正常， 且來水量方便調(diào)節(jié)， 便于調(diào)整工藝運行參數(shù)。

通過調(diào)整工藝按照不同參數(shù)運行， 同時監(jiān)測各段進出口水質(zhì)， 明確了工藝按照不同參數(shù)運行時的處理效果， 最終得出了達標處理的參數(shù)界限。 在開展現(xiàn)場試驗的過程中， 以調(diào)整污水站負荷率的方式調(diào)整運行參數(shù)， 負荷率見式（1）， 運行沉降停留時間和過濾濾速見式（2）和式（3）。

1.3 分析方法

水質(zhì)檢測項目為聚合物濃度、 含油量、 懸浮固體含量和粒徑中值。 其中聚合物濃度檢測依據(jù)Q／SY DQ0928—2011《聚合物采出液化驗方法》， 含油量、 懸浮固體含量和粒徑中值檢測依據(jù)SY／T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》。

2 結果與討論

2.1 不同負荷率下的處理效果

1# 典型站設計規(guī)模為3.0 × 104m3／d， 污水中含聚平均質(zhì)量濃度為253 mg／L， 試驗期間負荷率介于57% ～89%； 2# 典型站設計規(guī)模為4.0 × 104m3／d， 污水中含聚平均質(zhì)量濃度為301 mg／L， 試驗期間負荷率介于52%～74%； 3# 典型站設計規(guī)模為2.0 ×104m3／d， 污水中含聚平均質(zhì)量濃度為403 mg／L， 試驗期間負荷率介于42%～67%。

3 座典型站污水處理工藝流程中各段水質(zhì)處理效果分別見圖1 ～圖3。

圖1 1# 典型站負荷率為57% ～89% 時各段水質(zhì)處理效果Fig.1 Water quality of each section of sewage station 1# with load rate between 57% - 89%

圖2 2# 典型站負荷率為52% ～74% 時各段水質(zhì)處理效果Fig.2 Water quality of each section of sewage station 2# with load rate between 52% - 74%

圖3 3# 典型站負荷率為42% ～67% 時各段水質(zhì)處理效果Fig.3 Water quality of each section of sewage station 3# with load rate between 42% - 67%

1#典型站在較高的負荷率（71%～89%）條件下運行時， 處理后出水中油平均質(zhì)量濃度為35 mg／L， 懸浮固體平均質(zhì)量濃度為14 mg／L， 粒徑中值平均值為1.9 μm， 含油量未達到ρ（油）≤20 mg／L的指標要求； 當負荷率降至57%～69% 時， 處理后出水中油平均質(zhì)量濃度為17 mg／L， 懸浮固體平均質(zhì)量濃度為17 mg／L， 粒徑中值平均值為1.8 μm， 達到了Q／SY DQ0605—2006 中“20、 20、 5”指標要求。 該站在運行時隨著負荷率升高濾后水中含油量超標， 因此極限達標負荷率為69%。

2#典型站在較高的負荷率（63%～74%）條件下運行時， 處理后出水中油平均質(zhì)量濃度為36 mg／L， 懸浮固體平均質(zhì)量濃度為20 mg／L， 粒徑中值平均值為1.9 μm， 含油量未達到ρ（油） ≤20mg／L的指標要求； 當負荷率降至52%～60% 時， 處理后出水中油平均質(zhì)量濃度為12 mg／L， 懸浮固體平均質(zhì)量濃度為15 mg／L， 粒徑中值平均值為1.7 μm， 達到了Q／SY DQ0605—2006 中“20、 20、 5”指標要求。 該站運行時隨著負荷率升高濾后水中含油量首先超標， 因此極限達標負荷率為60%。

3#典型站在較高的負荷率（54%～67%）條件下運行時， 處理后出水中油平均質(zhì)量濃度為27 mg／L， 懸浮固體平均質(zhì)量濃度為19 mg／L， 粒徑中值平均值為1.8 μm， 含油量未達到ρ（油）≤20 mg／L的指標要求； 當負荷率降至42%～52% 時， 處理后出水中油的平均質(zhì)量濃度為13 mg／L， 懸浮固體平均質(zhì)量濃度為11 mg／L， 粒徑中值平均值為1.7 μm， 達到了Q／SY DQ0605—2006 中“20、 20、 5”指標要求。 該站運行時隨著負荷率升高濾后水中含油量首先超標， 因此極限達標負荷率為52%。

2.2 回歸分析和吻合性校核驗證

根據(jù)油田設計規(guī)定， 當污水中含聚質(zhì)量濃度低于150 mg／L 時視為水驅處理難度， 即水驅站負荷率為100% 時處理含聚質(zhì)量濃度為150 mg／L 的污水， 濾后水質(zhì)可以達標； 但是當污水中含聚濃度繼續(xù)逐漸升高時， 需要相應不斷降低運行負荷率， 即放寬運行參數(shù)到一定程度時， 濾后水質(zhì)才可達標，說明污水中含聚濃度和達標負荷率呈負相關。

以3 座典型站現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為研究對象， 水驅污水站處理不同濃度含聚污水達標趨勢回歸分析如圖4 所示。 其中橫坐標為負荷率， 同時對應將負荷率轉化為沉降停留時間（自然+混凝）和核桃殼過濾濾速2 個附屬橫坐標， 便于將含聚濃度直接與運行參數(shù)對應， 縱坐標為污水含聚濃度， 能夠發(fā)現(xiàn)含聚濃度與達標負荷率之間呈曲線關系。

圖4 水驅污水站處理不同濃度含聚污水達標趨勢回歸分析Fig.4 Regression analysis on the trend of reaching the standard for the treatment of different concentration polycontaining sewage in water flooding sewage stations

對含聚濃度與達標負荷率進行回歸分析， 采用曲線擬合即選擇適當?shù)那€類型來擬合觀測數(shù)據(jù)的方法。 通過對達標界限的3 個點和超標界限的3 個點分別進行曲線擬合， 通過對比指數(shù)逼近、 對數(shù)逼近、 多項式逼近和冪逼近擬合類型， 結果顯示采用冪函數(shù)的R2最高， 達到0.976， 說明其最符合試驗數(shù)據(jù)。 回歸分析得出的細實曲線表示污水含聚濃度不同時， 出水若要達標所對應的負荷率， 即極限處理參數(shù)， 包括沉降停留時間和過濾濾速， 這條曲線即是水驅污水站達標處理不同濃度含聚污水的運行參數(shù)臨界線。

為了檢驗這條臨界線的適用性， 在該圖的基礎上， 補充了大量其他生產(chǎn)站（除3 座試驗站以外的其他水驅污水站）處理不同濃度含聚污水的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進行吻合性校核， 以點狀圖案作散點圖， 其中菱形點代表某座生產(chǎn)站以該點對應運行參數(shù)處理該點對應含聚濃度的污水時濾后水達標， 圓形點代表超標， 用以顯示采用不同運行參數(shù)處理不同濃度含聚污水是否達標， 詳細情況見圖4。 同時為了便于觀察典型站（即試驗站）的試驗結果， 圖中以粗橫實線代表典型站濾后水達標區(qū)， 粗橫虛線代表超標區(qū)。

由圖4 可見， 出現(xiàn)在臨界線左邊區(qū)域的生產(chǎn)站數(shù)據(jù)大部分為菱形達標點（僅出現(xiàn)1 個圓形超標點）， 出現(xiàn)在臨界線右邊區(qū)域的數(shù)據(jù)大部分為圓形超標點（僅出現(xiàn)1 個菱形達標點）， 可見曲線將圖形分為了左側達標區(qū)和右側超標區(qū)， 生產(chǎn)站數(shù)據(jù)對臨界曲線的校核吻合率達到了95%。

2.3 公式和應用

基于水驅污水處理工藝的設計參數(shù)， 根據(jù)試驗結果結合曲線擬合得出冪函數(shù)公式， 公式實現(xiàn)了對水驅站處理含聚污水運行參數(shù)的修正， 推導得出水驅站達標處理不同濃度含聚污水的運行參數(shù)公式，見式（4）～式（6）。 該公式適用于采用“自然沉降→混凝沉降→核桃殼過濾”工藝的水驅污水處理站，處理含聚質(zhì)量濃度介于150 ～450 mg／L 的含聚污水。

自然沉降停留時間：

凝沉降停留時間：

核桃殼過濾濾速：

式中： 自然沉降停留時間t達為水驅污水站達標處理含聚污水的自然沉降停留時間， h； 混凝沉降停留時間t達為水驅污水站達標處理含聚污水的混凝沉降停留時間， h； 核桃殼過濾濾速S達為水驅污水站達標處理含聚污水的核桃殼過濾濾速， m／h；污水含聚濃度為污水中聚合物的質(zhì)量濃度， mg／L。

通過該公式可計算水驅污水站達標處理不同濃度含聚污水的運行參數(shù)， 例如達標處理含聚質(zhì)量濃度為200 mg／L 的污水， 計算得出自然沉降停留沉降時間約需5.0 h， 混凝沉降停留時間約需2.5 h，核桃殼過濾濾速約需12.7 m／h。 對照杏Ⅱ－1 污某次水質(zhì)普查數(shù)據(jù)， 污水中含聚質(zhì)量濃度為196 mg／L，自然沉降停留時間為5.2 h， 混凝沉降停留時間為2.6 h， 核桃殼過濾濾速為12.3 m／h， 該站處理后出水中油的質(zhì)量濃度為16 mg／L， 懸浮固體質(zhì)量濃度為17 mg／L， 達到了回注指標要求， 與公式預測結果吻合。

該研究成果已應用于2018 年大慶杏南油田某產(chǎn)能建設地面工程設計， 在規(guī)劃方案階段通過核定區(qū)塊內(nèi)2 座已建水驅站有效處理含聚污水的能力（即達標處理含聚污水的運行參數(shù)）， 相當于節(jié)約建設了1 座10 000 m3／d 的聚驅污水處理站， 并且這2 座站按照公式計算得出的參數(shù)運行后， 處理含聚污水穩(wěn)定達標。

3 結論和建議

（1） 大慶油田開發(fā)初期長垣老區(qū)建設的水驅站大多采用了“自然沉降-混凝沉降-核桃殼過濾”常規(guī)工藝， 目前由于聚驅開發(fā)的不斷深入， 污水中普遍含聚， 增加了水處理難度， 導致老工藝和設計參數(shù)不適應含聚污水處理， 可以通過降低運行負荷率即放寬運行參數(shù)的方法滿足含聚污水處理需求， 實現(xiàn)老站新用， 充分利用已建設施處理能力。

（2） 依據(jù)典型水驅污水處理工藝“自然沉降-混凝沉降-核桃殼過濾”處理不同濃度含聚污水的現(xiàn)場試驗研究， 首先得出各站達標處理的臨界參數(shù)， 然后通過回歸分析得出計算公式。 利用該公式可計算得出水驅污水站達標處理不同濃度含聚污水的運行參數(shù)， 包括沉降停留時間和過濾速度， 為水驅污水站處理含聚污水的規(guī)劃設計和生產(chǎn)運行提供技術依據(jù)， 保障處理后水質(zhì)穩(wěn)定達標， 實現(xiàn)老油田降本增效。

（3） 污水站處理后水質(zhì)是否達標與許多因素有關， 除了最主要的運行參數(shù)和污水含聚濃度以外，還包括各處理站的運行方式、 來水水質(zhì)和加藥等情況， 因此本結論有待于更多現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進一步補充和修正。