新疆油田超稠油凈水除硅一體化技術(shù)研究

袁鵬

新疆油田公司工程技術(shù)研究院

新疆油田A作業(yè)區(qū)超稠油采出水水型為NaHCO3，含油質(zhì)量濃度為 15 000～40 000 mg/L，礦化度為2 162～5 682 mg/L，SiO2質(zhì)量濃度為300 mg/L左右，溫度在65～90℃之間[1-3]，具有高含油、高礦化度、高含硅的水質(zhì)特點(diǎn)。目前，新疆油田A作業(yè)區(qū)已采用超稠油采出水深度凈化處理技術(shù)[4]，很大程度上改善了水質(zhì)，基本滿足了過熱注汽鍋爐給水的水質(zhì)要求，減少了廢水外排，節(jié)約了大量清水資源，實(shí)現(xiàn)了污水資源再利用的目的。

新疆油田A作業(yè)區(qū)某聯(lián)合站除硅工藝投運(yùn)以來，超稠油采出水化學(xué)除硅效果顯著，然而存在系統(tǒng)設(shè)備與工藝的適應(yīng)性問題[5]，反應(yīng)罐出水中SiO2濃度為90 mg/L左右，沒有滿足SY 5854—2012《油田專用濕蒸汽發(fā)生器安全規(guī)范》和SY 0027—1994《稠油集輸及注蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中鍋爐給水水質(zhì)指標(biāo)中SiO2≤50 mg/L的要求，從而導(dǎo)致注汽管網(wǎng)結(jié)垢[6-7]（圖1）；因此在水處理流程中開展凈水除硅一體化技術(shù)研究來降低SiO2的含量。

圖1 結(jié)垢管線除硅圖Fig.1 Desiliconization of scaling pipeline

1 油田除硅技術(shù)現(xiàn)狀

新疆油田A作業(yè)區(qū)某聯(lián)合站在超稠油采出水除硅方面建立了一套化學(xué)除硅系統(tǒng)，調(diào)儲(chǔ)罐出水（含油25 mg/L左右、懸浮物為30 mg/L、SiO2為300 mg/L左右）經(jīng)反應(yīng)提升泵提升至除硅反應(yīng)器（420 m3/h），與除硅藥劑（1#除硅劑和2#除硅劑的加藥質(zhì)量濃度分別為240 mg/L和220 mg/L）反應(yīng)后利用余壓進(jìn)入污水凈化系統(tǒng)（含油為5～6 mg/L、懸浮物為9～26 mg/L、SiO2為90～100 mg/L），除硅反應(yīng)器的排泥匯集至站區(qū)已建排泥管線，再輸至污泥沉降池處理。其除硅工藝流程見圖2。

圖2 超稠油采出水除硅-凈化工藝流程Fig.2 Silicon removal and purification process flow of super heavy oil produced water

該超稠油采出水除硅-凈化工藝只能將SiO2濃度從300 mg/L左右降到90 mg/L左右（圖3）。由于除硅效果不佳，導(dǎo)致注汽管線中結(jié)垢且堵塞管線，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)。

圖3 除硅系統(tǒng)進(jìn)出口SiO2含量Fig.3 SiO2content at the inlet and the outlet of silicon removal system

2 凈水除硅一體化

2.1 試驗(yàn)方案

新疆油田A作業(yè)區(qū)管線結(jié)垢成分分析見表1，由表1可知垢物主要成分為硅酸鈉（93.72%），需在水處理流程中對(duì)超稠油采出水除硅工藝進(jìn)行改進(jìn)。目前除硅工藝主要為物理法和化學(xué)法，物理法是利用電、磁、聲等物理場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)防垢和除垢，而化學(xué)法主要包括離子交換、化學(xué)加藥或階段性酸洗等[8]。由于污水凈化反應(yīng)罐pH值變化波動(dòng)大，導(dǎo)致凈水藥劑配方和加藥濃度調(diào)整頻繁。一方面使污水凈化單元污泥量較除硅工藝投產(chǎn)前有了大幅度增加，導(dǎo)致污泥處理系統(tǒng)回收水量增加，加大了污水凈化處理的難度；另一方面使鍋爐注汽管網(wǎng)產(chǎn)生結(jié)垢，影響注汽管網(wǎng)的安全性，導(dǎo)致管網(wǎng)使用壽命大幅降低。因此，在原有除硅工藝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了凈水除硅一體化技術(shù)，將除硅單元和凈化單元合二為一，可充分發(fā)揮除硅藥劑和凈水藥劑的作用效果；并探究新型的復(fù)配型凈水藥劑，從而降低污水除硅凈化處理成本，提高除硅率。

在化學(xué)除硅試驗(yàn)中提出了兩種方案，方案一是凈水除硅一體化技術(shù)，方案二是凈化-除硅技術(shù)。通過兩種化學(xué)除硅試驗(yàn)方案的結(jié)果對(duì)比，最終確定除硅方案。通過對(duì)新疆油田A作業(yè)區(qū)某聯(lián)合站調(diào)儲(chǔ)罐前期除硅工藝的研究，確定了試驗(yàn)藥劑：除硅劑CG-1、除硅劑CG-2、混凝劑SDJ-E1和助凝劑SDJ-E3，在采出水pH=5～6時(shí)，通過鋁鹽脫硅可實(shí)現(xiàn)混凝而除去懸浮物，也可有效降低水質(zhì)的硬度。

表1 管線結(jié)垢成分分析Tab.1 Analysis of pipeline scaling components 質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

方案一：在原有新疆油田A作業(yè)區(qū)凈化-除硅的除硅工藝基礎(chǔ)上，將凈化和除硅單元合二為一，除硅反應(yīng)器（直徑3.0 m，高13.5 m）利用重力和混凝沉降工藝可以充分發(fā)揮除硅藥劑和凈水藥劑的作用效果，縮短反應(yīng)時(shí)間至27 min，實(shí)現(xiàn)凈水除硅一體化，其工藝流程見圖4。試驗(yàn)藥劑為除硅劑CG-1、除硅劑CG-2和助凝劑SDJ-E3。

圖4 凈水除硅一體化工藝流程Fig.4 Integrated process flow chart of water purification and silicon removal

方案二：凈化-除硅工藝需在新疆油田A作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的除硅系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造管線和新建混凝沉降罐，其工藝流程見圖5。試驗(yàn)藥劑為：混凝劑SDJE1、助凝劑SDJ-E3、除硅劑CG-1和除硅劑CG-2。

圖5 凈化-除硅工藝流程Fig.5 Purification-desilication process

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

每一組試驗(yàn)除硅時(shí)間均為60 min。方案一凈水除硅一體化工藝的試驗(yàn)結(jié)果見表2，方案二凈化-除硅工藝的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

通過加入不同濃度的除硅劑CG-1和CG-2，可知其加藥濃度均≥400 mg/L時(shí)，60 min后除硅效果顯著，均滿足標(biāo)準(zhǔn)SY 5854—2012和SY 0027—1994的要求（SiO2≤50 mg/L）。

表2 凈水除硅一體化試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Integrated experimental results of water purification and silicon removal mg/L

表3 凈化-除硅試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of water purification and silicon removal mg/L

試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案一凈水除硅一體化工藝具有極好的除硅凈化效果，除硅時(shí)間為60 min，除硅率為87.9%（除硅劑加藥濃度為400 mg/L，SiO2＜50 mg/L），在除硅過程中形成的絮體密實(shí)，大幅度增加了污泥的排量，不僅達(dá)到了除硅的效果還吸附了大量的固體顆粒，藥劑成本為3.73元/m3；方案二凈化-除硅工藝也具有極好的除硅凈化效果，除硅時(shí)間為60 min，除硅率為89.3%（除硅劑加藥濃度為400 mg/L，SiO2＜50 mg/L），但其工藝相對(duì)凈水除硅一體化工藝流程長(zhǎng)、改造成本大，藥劑成本為5.17元/m3，藥劑成本高出方案一凈水除硅一體化1.44元/m3。綜上所述，在保證除硅效果滿足注汽鍋爐水質(zhì)SiO2≤50 mg/L的要求下，方案一凈水除硅一體化工程投資小且藥劑成本底。

2.3 優(yōu)化措施

根據(jù)新疆油田A作業(yè)區(qū)除硅現(xiàn)狀，可采取凈水除硅一體化工藝。為了使除硅藥劑進(jìn)一步充分地反應(yīng)并延長(zhǎng)除硅時(shí)間，可將除硅劑加藥點(diǎn)前移至調(diào)儲(chǔ)罐進(jìn)口或在除硅反應(yīng)器出口建造一個(gè)緩沖單元。為了精細(xì)化控制硅含量，還可對(duì)凈水除硅一體化系統(tǒng)進(jìn)行分段加藥，其分段加藥試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 凈水除硅一體化分段加藥試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results of integrated water purification and silicon removal with stage agent addition mg/L

試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過分段除硅，除硅劑CG-1和CG-2的總加藥濃度分別為400 mg/L時(shí)，其除硅效果顯著，60 min時(shí)的除硅率為88.2%，其除硅效果見圖6。因此針對(duì)不同水質(zhì)或不同處理標(biāo)準(zhǔn)來控制除硅劑的加藥濃度可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的除硅目的。

圖6 除硅凈化效果Fig.6 Purification effect of silicon removal

試驗(yàn)結(jié)果顯示，凈水除硅一體化分段加藥除硅凈化效果良好，水質(zhì)透徹，形成的絮體密實(shí)，在污泥排量方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可避免出現(xiàn)注汽管線結(jié)垢問題。

3 結(jié)論

（1）采用凈水除硅一體化工藝并選用除硅劑CG-1、除硅劑CG-2和助凝劑SDJ-E3處理新疆油田A作業(yè)區(qū)稠油污水，在60 min時(shí)除硅效果最佳，可滿足標(biāo)準(zhǔn)SY 5854—2012和SY 0027—2014的要求（SiO2≤50 mg/L）。

（2）在凈水除硅一體化工藝中通過分段調(diào)整加藥濃度可有效除硅并凈化水質(zhì)，產(chǎn)出水pH值約為8，除硅劑CG-1可加在大罐或池子內(nèi)，解決了管線結(jié)垢問題。