油田污水絮體上浮的原因分析及處理對(duì)策

呂志鳳，胡以朋，張珂，周昕媛，戰(zhàn)風(fēng)濤

(中國(guó)石油大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

采出水處理達(dá)標(biāo)后回注是解決油田水驅(qū)水源和污水去向的重要途徑，也是油層保護(hù)和提高原油采收率的重要措施。油田污水組成復(fù)雜，具有含油量高、礦化度高、懸浮物含量高、含有細(xì)菌、水質(zhì)水量多變等特點(diǎn)［1］，沉降效果不好，而且經(jīng)常出現(xiàn)絮體上浮現(xiàn)象［2］，污水深度處理并達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)有一定難度，尤其是懸浮物達(dá)標(biāo)問(wèn)題［3］。目前油田污水處理技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法、生物法、膜過(guò)濾法等［4-7］，我國(guó)油田污水處理大多采用“化學(xué)絮凝+重力沉降+兩級(jí)過(guò)濾”的工藝，除加快新型水處理劑的研發(fā)和水處理工藝改造外［1-2］，解決回注水中的懸浮物達(dá)標(biāo)問(wèn)題更有針對(duì)性的措施是分析污水的組成，找出影響達(dá)標(biāo)的主要因素，合理使用藥劑，結(jié)合方便可行的工藝調(diào)整，有針對(duì)性的解決問(wèn)題。本研究針對(duì)塔里木油田某作業(yè)區(qū)污水處理中絮體上浮及懸浮的問(wèn)題，考察了污水組成對(duì)絮體沉降狀態(tài)的影響，分析了懸浮絮體的組成，提出了方便合理的解決對(duì)策。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

60 ～90 ℃石油醚、氯仿、無(wú)水乙醇、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純;高效聚鋁、有機(jī)高分子助凝劑均為工業(yè)品。

Nexus 型傅里葉變換紅外(FTIR)分析儀;X’Pert Pro MPD X-射線衍射儀;DZX-3 型真空干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污水水質(zhì)分析 實(shí)驗(yàn)用污水為油田處理站污水，水質(zhì)分析按SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》進(jìn)行。

1.2.2 懸浮絮體的組成分析 將濾罐中截留的懸浮絮體(即濾料吸附物)盡可能控干水分，并于90 ℃真空干燥脫水至恒重，記錄總質(zhì)量;脫水后的濾料吸附物依次用60 ～90 ℃石油醚、氯仿抽提，得到石油醚可溶組分和氯仿可溶組分;脫有機(jī)質(zhì)后剩余物用去離子水浸泡、洗滌至無(wú)氯離子，除去可溶性鹽;取0.2 g 脫鹽后剩余物用20 mL 鹽酸溶解、過(guò)濾、洗滌、干燥、稱重，即得鹽酸可溶物組分及不溶物組分。根據(jù)取樣量及各組分的質(zhì)量計(jì)算各組分的相對(duì)百分含量。

濾料吸附物中有機(jī)組分的FTIR 分析所用儀器是ThermoNicolet 公司的Nexus 型傅里葉變換紅外分析儀;無(wú)機(jī)組分的XRD 分析所用儀器是荷蘭Panaly tical 公司X’Pert Pro MPD X-射線衍射儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 污水組成分析

塔里木油田某作業(yè)區(qū)污水處理采用傳統(tǒng)工藝，即絮凝-沉降-兩級(jí)過(guò)濾，但由于三相分離器出口油含量及懸浮物含量都比較高，絮體沉降狀態(tài)不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)過(guò)濾裝置負(fù)荷較大，注水泵入口懸浮物波動(dòng)較大(該區(qū)塊注水懸浮物標(biāo)準(zhǔn)≤3 mg/L)。污水處理站進(jìn)站及出站污水的組成見(jiàn)表1。

表1 污水處理站水質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Water quality analysis in wastewater treatment station

2.2 絮體上浮的原因分析

文獻(xiàn)［2］認(rèn)為油田污水絮體上浮的原因是絮體與高含鹽的水密度差小，沉降效果差。并通過(guò)分離出部分殘余油后使絮體密度與污水密度差增大，增強(qiáng)了沉淀效果。筆者在水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上考察了污水組成及藥劑加量對(duì)絮體沉降效果的影響。

2.2.1 油含量的影響 在現(xiàn)場(chǎng)取三相分離器出口水樣25 L，每隔20 min 從取樣桶底部放出一定量水樣，測(cè)出油含量，并加凈水劑100 mg/L，自然沉降30 min，觀察絮體的狀態(tài)。不同油含量的污水加劑后30 min 絮體的狀態(tài)見(jiàn)表2。

表2 油含量對(duì)絮體狀態(tài)的影響Table 2 Effect of oil content on the floc state

由表2 可知，凈水劑加量100 mg/L，來(lái)水油含量超過(guò)50 mg/L 時(shí)，絮體基本呈現(xiàn)上浮狀態(tài)，油含量30 ～50 mg/L 時(shí)，絮體處于懸浮狀態(tài)，若增加凈水劑用量，可以下沉。

2.2.2 凈水劑加劑量的影響 取三相分離器出口水 樣，油 含 量385.60 mg/L，分 別 加 入100 ～1 000 mg/L凈水劑，30 min 后發(fā)現(xiàn)加劑量100 ～400 mg/L的污水，絮體基本全部上浮。加劑500 ～800 mg/L，絮體懸浮;加劑900 mg/L 以上絮體可以下沉，但中間仍還有懸浮絮體。因此，來(lái)水油含量較高時(shí)，通過(guò)增大凈水劑加劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)絮體下沉難度很大。

2.2.3 pH 值的影響 pH 值會(huì)影響凈水劑的作用效果，也會(huì)引起絮體上浮。在現(xiàn)場(chǎng)化驗(yàn)室取三相分離器水樣，含油為197.11 mg/L。調(diào)節(jié)pH 值分別為:5.97，6.24，6.27，6.30，6.34，加 入 凈 水 劑100 mg/L，沉降30 min 后，pH 值為6.34 的絮體部分下沉，其余均上浮。表明pH 值是導(dǎo)致絮體上浮的原因之一。來(lái)水含油在400 mg/L 左右時(shí)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，絮體不下沉，所以含油量仍是影響絮體沉降的重要原因。

2.2.4 污水密度的影響 高含鹽油田污水的密度較大，該作業(yè)區(qū)污水密度為1.130 g/cm3，通過(guò)摻入去離子水來(lái)調(diào)節(jié)水樣密度及油含量，考察污水密度對(duì)絮體狀態(tài)的影響。取三相分離器出口水樣，油含量405.20 mg/L，分別摻入體積百分?jǐn)?shù)為0%，10%，20%，30%，40%，50%的去離子水，混合后水樣密度及油含量都降低了。分別加凈水劑100 mg/L，沉降30 min 后絮體全部上浮，說(shuō)明污水密度不是導(dǎo)致絮體上浮的原因，油田污水絮體上浮的主要原因是油含量問(wèn)題。

2.3 懸浮絮體的組成分析

2.3.1 懸浮絮體各組分的含量及有機(jī)組分的酸值懸浮絮體較難富集，筆者利用懸浮絮體會(huì)被濾料截留這一特點(diǎn)，利用濾罐檢修時(shí)取得濾料吸附物，吸附物為黑色粘稠狀，加水振搖，明顯起泡，具有很強(qiáng)的表面活性。吸附物的組成分析(扣除水溶性鹽類(lèi))數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

圖1 濾料吸附物脫水后各組分的相對(duì)百分含量Fig.1 Relative content of each component in the dehydrated filter adsorption

由圖1 可知，濾料吸附物中含有大量的有機(jī)質(zhì)，占脫水吸附物質(zhì)量的63%。有機(jī)質(zhì)中石油醚可溶組分和氯仿可溶組分的酸值分別為6.05 mg KOH/g和13.76 mg KOH/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該作業(yè)區(qū)凈化油的酸值0.95 mg KOH/g，表明濾料吸附的懸浮物中含有較多有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)。

2.3.2 有機(jī)組分的IR 分析 為了進(jìn)一步確定濾料吸附物中有機(jī)質(zhì)的組成，對(duì)石油醚可溶組分和氯仿可溶組分進(jìn)行IR 分析，兩組分的IR 譜圖見(jiàn)圖2。對(duì)圖2 進(jìn)行解析，有機(jī)質(zhì)中主要存在的官能團(tuán)及可能的化合物類(lèi)型見(jiàn)表3。

圖2 濾料吸附物中有機(jī)組分的IR 譜圖Fig.2 IR spectrum of the organic components in the filter adsorption

表3 有機(jī)組分的IR 譜圖解析Table 3 IR spectrum of the organic component

由圖2 和表3 可知，2 個(gè)有機(jī)組分的主要成分除了烴類(lèi)外，在1 020 ～1 190 cm－1處的較強(qiáng)吸收峰(峰中心位于1 112 cm－1)，表明有聚醚類(lèi)表面活性劑存在［8-9］，且1 112 cm－1處吸收峰的右側(cè)變形說(shuō)明有磺酸基存在［10］，即有磺酸鹽類(lèi)表面活性劑存在;3 468 cm－1和1 728 cm－1處出現(xiàn)羧酸的特征吸收峰，表明有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)的存在。氯仿可溶組分中表面活性劑和羧酸的特征吸收峰更強(qiáng)，說(shuō)明其中存在更多的表面活性劑和有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)，這與氯仿可溶組分的酸值更高、極性更強(qiáng)相一致。

濾料吸附物中的聚醚類(lèi)和烷基苯磺酸鈉類(lèi)表面活性劑主要來(lái)源于濾料再生用的反沖洗劑和污油攜帶的破乳劑。

2.3.3 無(wú)機(jī)組分的組成分析 濾料吸附物中水不溶解的無(wú)機(jī)質(zhì)占36.9%，XRD 分析結(jié)果表明，無(wú)機(jī)質(zhì)的主要成分為含鍶重晶石，占71%;石英，占20%;含鎂方解石，占5%;斜長(zhǎng)石，占4%。

2.4 絮體上浮的處理對(duì)策

懸浮絮體的組成分析說(shuō)明，絮體中含有大量高酸值、高表面活性的有機(jī)質(zhì)，無(wú)機(jī)質(zhì)的量相對(duì)較少，并被大量有機(jī)質(zhì)包夾，單純依靠油水分離很難降低污水中的油含量。因此，可以利用污油與無(wú)機(jī)顆粒之間相互作用較強(qiáng)的特點(diǎn)，在三相分離器出口投加復(fù)合凈水劑，從沉降罐頂部回收富含懸浮物的污油，并將此污油進(jìn)一步處理后回收。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果顯示，三相分離器出口水樣加80 ～100 mg/L 高效聚鋁和1 ～2 mg/L 的有機(jī)高分子助凝劑，15 min 內(nèi)絮體全部上浮，靜置1 h 后水相透過(guò)率為88% ～90%，污水中剩余懸浮物含量降為7.0 ～8.5 mg/L。考慮到使用高分子助凝劑易導(dǎo)致濾料堵塞，現(xiàn)場(chǎng)采用僅在三相分離器出口投加80 ～100 mg/L 的高效聚鋁，配合后續(xù)沉降、頂部回收富含懸浮物的污油及兩級(jí)過(guò)濾工藝，注水泵入口水樣懸浮物穩(wěn)定在1 ～3 mg/L之間，達(dá)到注水要求。

3 結(jié)論

(1)油田污水絮體上浮的主要原因是油含量，凈水劑加劑量100 mg/L，污水中油含量超過(guò)50 mg/L，絮體即呈現(xiàn)上浮狀態(tài)。

(2)懸浮絮體中有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)63%，有機(jī)質(zhì)酸值高，且含較多石油酸類(lèi)、聚醚類(lèi)和烷基苯磺酸鹽類(lèi)表面活性物質(zhì)。

(3)懸浮絮體中強(qiáng)極性有機(jī)組分含量較高，且與無(wú)機(jī)固體顆粒有很強(qiáng)的相互作用，可在三相分離器出口投加復(fù)合凈水劑(如80 ～100 mg/L 高效聚鋁和1 ～2 mg/L 的有機(jī)高分子助凝劑)，從沉降罐頂部回收富含懸浮物的污油，并將此污油進(jìn)一步處理后回收。

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