王清嶺,王增建,黃雪松,蘇三寶,衛(wèi)擁軍,唐祖友

(1.中石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院,河南濮陽 457001 2.中石化中原石油勘探局有限公司水務(wù)分公司,河南濮陽 457001 3.中石化中原油田分公司濮東采油廠,河南濮陽 457001)

0 前言

某油田老區(qū)產(chǎn)出水具有礦化度高、含油高、總鐵高、懸浮物高和pH值低的特點,主要采用“除油-沉降-過濾”三段式水處理工藝,配套相應(yīng)藥劑體系,滿足腐蝕和除鐵控制,工藝穩(wěn)定性和出水水質(zhì)相對較好。但是處理過程中污泥產(chǎn)量大、藥劑費用高,且隨著濕泥回注壓力升高,處置難度和成本加大,安全環(huán)保風險凸顯。因此,需研究開發(fā)一種新的控油降泥工藝技術(shù),在保證處理后水質(zhì)全面穩(wěn)定達標的前提下,提高系統(tǒng)單元設(shè)施的除油凈化效果,減少無機類絮凝劑的投加量,降低污泥產(chǎn)率,緩解處理成本與環(huán)保壓力。

1 兩級氣浮控油降泥技術(shù)

1.1 污泥來源分析

某油田老區(qū)全年水處理過程中,產(chǎn)生污泥約4×104t(含水約50%),每處理1 000 m3采出水可產(chǎn)生干污泥約0.6 t,其中CaCO3占比95%以上,同時含有少量NaCl、SiO2和鐵氧化物。結(jié)合采出水的處理過程,分析污泥主要來源于4個方面[1,2]:①含油污水中的原油裹攜在污泥中,原油對水處理藥劑有一定吸附作用,造成投加藥劑偏多,增加污泥產(chǎn)量;②生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),污泥產(chǎn)量與來水中懸浮固體含量呈正相關(guān);③投加藥劑及其副反應(yīng)產(chǎn)生的污泥,Fe2+等存在嚴重影響水質(zhì)穩(wěn)定,需氧化轉(zhuǎn)化并投加絮凝藥劑去除,額外增加了污泥量;④來水呈弱酸性,需投加石灰等水質(zhì)改性劑,生成碳酸鈣、氫氧化鎂等沉淀物,使污泥量增多。

1.2 控油降泥技術(shù)工藝比選

基于SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》的采出水回注指標要求和污泥來源分析,從3方面確定控油降泥技術(shù)思路。

a) 來水控油。選擇合適的除油工藝[3-5]進行深度除油。一是盡可能回收原油,使污水含油控制在10 mg/L以內(nèi);二是降低低含油采出水處理難度,減少藥劑投加量,間接減少殘渣量。從表1除油工藝比選結(jié)果來看,氣浮除油具有占用空間小、效率高、效果好等優(yōu)點。

表1 除油工藝比選

b) 高效氧化。篩選科學合理、經(jīng)濟高效的預氧化方式,將影響水體穩(wěn)定性的離子進行氧化,將部分金屬離子氧化成具有絮凝作用的高價金屬離子,直接減少凈水藥劑投加量,間接減少殘渣產(chǎn)量[6,7]。

c) 高效凈化。選擇合適的凈化工藝[8,9],充分提升有限藥劑的凈水效果,減少藥劑特別是無機類絮凝劑的投加量,在確保水質(zhì)全面達標的前提下,最大限度減藥降泥。

氣浮處理工藝通過向水中釋放大量微小氣泡,與水中雜質(zhì)和絮體裹挾在一起,加快雜質(zhì)和絮體的上浮速度,提高水體凈化效率。污水在氣浮池中的停留時間短,只需10～20 min;氣浮裝置的容積及占地面積較少,可節(jié)省基建投資;氣浮工藝產(chǎn)生的浮渣含水率一般在95%左右,污泥體積僅為沉淀工藝的1/6～1/3,表面刮渣比池底排泥更方便,所需藥劑加量也比重力沉降法更加節(jié)省。凈化效率的提升和藥劑加量的減少,均為殘渣量的減少做出貢獻。從表2可以看出,氣浮凈化工藝具有很大的技術(shù)優(yōu)越性。

表2 凈化工藝比選

1.3 “兩級氣浮+電化學氧化”控油降泥技術(shù)

依據(jù)控油降泥的技術(shù)思路和工藝比選,在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,確定采用“氣浮除油+電化學氧化+氣浮凈化”組合處理工藝(圖1),即通過氣浮除油工藝降低含油污泥產(chǎn)出量,通過電化學氧化和氣浮凈化工藝提高水中有害離子的轉(zhuǎn)化和懸浮固體雜質(zhì)的去除凈化效率,減少配套藥劑特別是無機絮凝藥劑的加量,進而間接降低污泥產(chǎn)出量。

圖1 “兩級氣浮+電化學氧化”控油降泥工藝流程

a) 一級氣浮除油:氣浮產(chǎn)生的大量微米級氣泡,加大了水中原油顆粒的有效碰撞概率,粒徑不斷變大,降低了油粒密度,提升油粒上浮速度,提高原油收率,減少污泥含油量,同時減少因原油吸附而導致的水處理藥劑的無效投加。

b) 電化學預氧化:電化學預氧化是充分利用油田采出水富含NaCl等可溶性無機鹽的特點,通過電化學裝置使水中發(fā)生電化學反應(yīng),產(chǎn)生的中間態(tài)強氧化性物質(zhì)(如:·OH、O、ClO-等)不僅能夠?qū)Σ沙鏊械倪€原性離子(如S2-、Fe2+等)進行快速高效無選擇性氧化,還可以將水中難降解的有機物、生物毒性污染物轉(zhuǎn)化為可生物降解的物質(zhì),降低后續(xù)污泥處置難度。同時電化學預氧化還具有良好的氣浮、絮凝和殺菌作用,能夠有效消除化學預氧化藥劑大量使用及藥劑運輸、貯存和投加過程中潛在的安全隱患,節(jié)約了資源和成本,符合“綠色化學工藝”的發(fā)展要求[10-12]。

c) 二級氣浮凈化:二級氣浮向水中釋放的大量微小氣泡與水中的雜質(zhì)和絮體裹挾在一起,在氣泡的吸附與頂托作用下快速上浮,提高了水體的凈化效率。此外,二級氣浮需要投加少量絮凝劑和助凝劑,強化藥劑/氣體/水的混合效果,提高藥劑的凈水效率,減少無機類藥劑用量,降低污泥產(chǎn)出量。

2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

2.1 污水站概況

該油田老區(qū)污水站設(shè)計處理量2 500 m3/d,實際處理量約1 500 m3/d,改造前采用“重力收油+絮凝沉降+壓力過濾”的三段式污水處理工藝(圖2),水處理產(chǎn)生濕泥900 t/a(約含水60%)。處理來水水質(zhì):pH為6.3,懸浮固體39.5 mg/L,含油量309 mg/L,總鐵20.5 mg/L,硫化物0.66 mg/L,礦化度63 400 mg/L。

圖2 污水站原處理工藝流程

2.2 兩級氣浮+電化學工藝技術(shù)改造

2019年3月,該污水站開展了油田采出水“兩級氣浮+電化學”控油降泥環(huán)保處理技術(shù)工藝先導試驗。2022年10月11日正式現(xiàn)場投入、連續(xù)運行,改造后具體流程見圖3。新建系統(tǒng)主要包括“兩級氣浮+電化學”撬裝裝置,輔助系統(tǒng)增加了制氮裝置,更新了加藥裝置。其中二級氣浮混合器配套連續(xù)加注少量絮凝劑與助凝劑,濾后管道加注水質(zhì)穩(wěn)定劑。

圖3 污水站改造后工藝流程

a) 一級氣浮:采用氮氣加壓溶氣氣浮回流方式,回流比30%,溶氣壓力0.4 MPa左右。隨著溶氣壓力升高,小尺寸氣泡增多,更易進入絮體,停留時間更長,與絮體碰撞、粘附機率增大,提高氣浮效果。0.50 MPa條件下,含油及懸浮物去除率均大于95%。考慮節(jié)能方面因素,確定最優(yōu)溶氣壓力在0.40 MPa左右[13]。隨著回流比的增加,氣泡的濃度隨之增大,30%的回流比最利于氣浮反應(yīng)進行,出水含油可控制在10 mg/L以內(nèi)。

b) 電化學氧化:在優(yōu)化電極材料結(jié)構(gòu)和改進除垢材料的基礎(chǔ)上,增加氣浮除油系統(tǒng)和油氣分離功能,以降低原油對極板運行效率和壽命的影響。運行電流和電壓等參數(shù)隨著出水Fe2+濃度變化適時調(diào)整,出水Fe2+含量小于1 mg/L。

c) 二級氣浮凈化:投加少量絮凝劑和助凝劑,配套3個加藥口,同時配置了高效管道渦旋混合器,確保所加藥劑和氣體能與水中原油/懸浮固體充分混合,形成良好結(jié)合體與水分離,出水絮體分離時間為10～20 min。

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 水質(zhì)處理效果

“一級氣浮除油+電化學氧化+二級氣浮凈化”工藝在現(xiàn)場平穩(wěn)運行后,分別取各節(jié)點水樣對主要指標進行檢測,結(jié)果見表4?？梢钥闯?來水含油54～69 mg/L,懸浮物含量39.3～43.7 mg/L,二價鐵含量15 mg/L左右;一級氣浮后出水含油下降至6.2～7.3 mg/L,效果顯著;電化學出水二價鐵含量下降至1 mg/L左右,氧化效果顯著;二級氣浮出水懸浮物降至6.8～8.1 mg/L,總鐵含量降至2.6～3.1 mg/L,懸浮物與總鐵去除凈化作用明顯;末級過濾出水水質(zhì)滿足油藏回注水標準要求。

2.3.2 控油降泥效果

一級氣浮裝置進口含油53～76 mg/L,出水平均含油為6.98 mg/L,原油回收率85.2%,如表5所示。改造后,污泥率由13 m3/d降至2.4 m3/d,降泥率達到80%以上,降泥效果顯著。

表5 一級氣浮裝置進出口含油 mg/L

2.3.3 經(jīng)濟效益及成本分析

該污水站新建工藝與原三段式沉降工藝對比,藥劑費用由0.85元/m3下降至0.68元/m3,污泥處置費由2.14元/m3下降至0.4元/m3。考慮原油回收效益和管網(wǎng)清洗效益,每年可實現(xiàn)綜合效益150萬元左右。

3 結(jié)論

a) “兩級氣浮+電化學氧化”控油降泥工藝運行平穩(wěn)、可靠、安全、高效,降泥率達到80%以上,污水處理成本降低0.17元/m3,污泥處置費下降1.74元/m3,整體效益顯著。

b) “兩級氣浮+電化學氧化”工藝充分利用電化學裝置的強氧化殺菌功能及氣浮裝置高效除油、凈化技術(shù),采出水凈化時間縮短90%以上,適用并滿足污水站采出水處理系統(tǒng)優(yōu)化改造,以及邊遠區(qū)塊、計量站“短流程”集輸處理技術(shù)工藝的要求。

c) 采出水控油降泥技術(shù)工藝集成度高、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、功能完備高效,綜合運行成本低、產(chǎn)泥少、占地面積小,能有效解決高含水油田地面集輸系統(tǒng)及采出水處理系統(tǒng)面臨的諸多問題,具有較高推廣應(yīng)用價值和廣泛的借鑒意義。