二元復合驅采出水處理工藝小型試驗

陶小平 李海濤 蔣程彬 郭鋒

1新疆油田公司基本建設工程處

2華北油田公司第五采油廠

3塔里木油田塔西南實驗檢測中心

“十三五”期間，克拉瑪依油田將在七中區克下、七區八道灣等礫巖油藏開展聚合物/表面活性劑二元復合驅開發[1]。根據先導試驗區的經驗，二元復合驅采出液中含有大量的表面活性劑和聚合物[2]。表面活性劑使油滴表面由憎水性變為親水性；聚合物使采出水的黏度增大，油滴的界面張力增強，油水乳化嚴重，污水中含油量高，采出水處理比常規水驅和聚驅處理難度大[3-4]。為實現二元復合驅采出水處理后達標復配，篩選技術可靠、經濟可行的處理工藝，開展了二元復合驅采出水處理工藝小型試驗研究。

1 試驗條件

試驗用水是采用72#三采處理站調儲罐來水，經檢測來水是NaHCO3水型，鈣鎂離子質量濃度為124.2 mg/L，含油質量濃度≤400 mg/L，SS質量濃度≤300 mg/L，含有聚合物和表面活性劑（表1）。來水計量后通過人工添加聚合物（相對分子質量為300萬～500萬）和表面活性劑（50%KPS），經熟化罐熟化后提供給試驗。根據先導試驗區采出液中的聚合物、表面活性劑濃度及驅油劑配方，確定以下3種工況開展小型試驗研究（表2）。

表1 試驗來水檢測數據Tab.1 Inspection data of test water mg/L

表2 聚合物、表面活性劑試驗濃度Tab.2 Test concentration table for polymers and surface activat

2 試驗評價指標

經研究發現，產出水中影響二元驅油體系性能的主要因素有3類：①產出水礦化度、二價離子含量；②硫化物、鐵離子等快速降黏物質；③硫酸鹽還原菌、鐵細菌等影響體系長期穩定性物質[5]。根據以上影響因素制定了二元復合驅配液水水質指標（表3），同時要求水處理后殘余的水處理劑、殺菌劑等與二元驅油體系兼容，不影響油水界面張力，對聚合物沒有降解作用，對配方體系長期穩定性無影響。

表3 二元復合驅配液水水質指標Tab.3 Water quality index of binary compound flooding distribution water

油田水分析按照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》執行，注入水水質按照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》執行[6]，體系配伍性和長期穩定性按照Q/SY 1583—2013《二元復合驅用表面活性劑技術規范》執行，表面活性劑和聚合物濃度的檢測使用高效液相色譜法，黏度和界面張力均為用處理后水配制成的驅油體系的黏度和界面張力[7]。

3 試驗處理工藝

3.1 物理化學法

采用“預處理+凈化+除硬”主體工藝，主要包括預處理單元（曝氣為主，也可改為化學預處理）、凈化單元、除硬單元，以及加藥、排泥等輔助單元，投加藥劑為預處理劑、凈化藥劑（凈水劑、絮凝劑）、除硬劑，具體工藝流程見圖1。

3.2 生物化學法

圖1 物理化學法處理工藝流程Fig.1 Flow chart of physicochemical treatment process

采用“氣浮+生物+高級氧化+負壓表面過濾”主體工藝，來水進入氣浮裝置除去大部分浮油，出水進入生物化學處理裝置，該裝置安裝有掛件填料，上面生長著大量具有破乳和降解作用的微生物菌群，在微生物作用下將污水內的大部分乳化油進行破乳降解，有效地降低水中含油量。出水提升進入高級氧化裝置，在活性氣體作用下，污水中的殘余有機污染物進一步破乳降解，然后進入過濾裝置，經殺菌及除硬工藝后達到水質指標。具體工藝流程見圖2。

3.3 物理過濾法

物理過濾法處理工藝主要包括除油罐、物理處理、曝氣、過濾、樹脂軟化等五部分。污水進入除油罐初步油水分離，再進入物理界面除油裝置分離出水中乳化的微小油滴，然后進入曝氣裝置中除去硫、鐵等離子，再進入過濾裝置濾掉浮渣，最后快速通過樹脂進行適當除鈣，最終在盡量保留水中聚合物、表面活性劑的同時達到出水指標，具體工藝流程如圖3所示。

圖2 生物化學法處理工藝流程Fig.2 Flow of biochemical treatment process

圖3 物理過濾法處理工藝流程Fig.3 Flow of physical filtration process

4 試驗結果

4.1 水質檢測結果

（1）從表4可以看出，除第3階段物理過濾法外，其他階段3種處理工藝都可將含油、懸浮物兩項指標控制在小于20 mg/L內，但物理化學法、生物化學法2種處理工藝的凈水效果明顯較好，懸浮物、含油質量濃度均小于10 mg/L。第3階段物理化學法、生物化學法各工藝節點現場實測水質樣品詳見圖4和圖5。

圖4 物理化學法第3階段各工藝節點水質樣品Fig.4 Water quality sample of process nodes in phaseⅢof physicochemical method

表4 3種采出水處理工藝試驗指標檢測數據匯總Tab.4 Inspection data summary of test indicators for three produced water treatment technologies

圖5 生物化學法第3階段各工藝節點水質樣品Fig.5 Water quality samples of process nodes in phaseⅢof biochemical method

（2）物理化學法、物理過濾法2種處理工藝中水中的硫化物、總鐵均有不同程度的超標。

（3）生物化學法出水進入72#三采處理站生物化學池，為避免殺菌劑對現有系統產生不良影響，在第1、2階段試驗中未使用殺菌劑，導致細菌超標，但由于高級氧化的作用，細菌含量與來水相比，有大幅度的降低。在第3階段試驗中，投加殺菌劑后，SRB、TGB和鐵細菌等主要細菌指標滿足要求。

（4）生物化學工藝中的氣浮具有一定的降硬作用，在第1、2階段鈣鎂離子質量濃度小于105 mg/L，低于來液中鈣鎂離子總量，但不能完全滿足配液水質指標要求。在第3階段，投加了脫鈣劑，鈣鎂離子質量濃度達到42.1 mg/L，滿足指標要求。物理化學法和物理過濾法對水中鈣鎂離子的去除效果較好，硬度明顯低于生物化學工藝。物理化學法采用加藥脫鈣，沉淀物以污泥形式排出，污泥浮渣量占比為10%～20%；物理過濾法采用樹脂脫鈣，經現場檢測樹脂再生過程中產生的高含鹽水約占總水量的20%，后期處理難度大。

（5）3種中試處理方法過濾器反沖洗水均未返回中試系統，物理化學處理裝置采用袋式過濾器，污染后更換，不需反洗。從表5可以看出，物理過濾法的反洗水量最大，達到27%以上；生物化學法反洗水量不到2%。

4.2 配液性能檢測結果

為進一步評價處理后水質對二元配方體系的影響，分別從界面張力和黏度保留率兩方面對處理后水進行評價（表6）。

（1）在配伍性能上，各階段3種處理工藝黏度保留率較好。生物化學法配伍性能穩定，2 h界面張力平均在0.7×10-2mN/m左右。物理過濾法界面張力不合格，物理化學法界面張力穩定性較差。

表5 3種采出水處理工藝中試運行數據Tab.5 Pilot operation data of three produced water treatment technologies

表6 配液體系穩定性數據匯總Tab.6 Summary of stability data for distribution system

（2）生物化學法處理后出水對所配二元體系黏度的長期穩定性影響不大，30 d后黏度保留率大于93%，30 d后界面張力值小于0.7×10-2mN/m，兩項指標均滿足預期要求。物理化學法處理工藝中二元體系配方評價中30 d后界面張力檢測結果達標，30 d后黏度保留率在3個階段數據波動較大，最低為69.8%。物理過濾法出水對所配二元體系的黏度長期穩定性影響較大，30 d后界面張力大于1×10-2mN/m，30 d黏度保留率最低為46.1%，兩項指標均未達標。

4.3 工藝技術對比

從處理成本看，物理化學法噸水處理成本最高（表7）；物理過濾法噸水處理成本較低，若考慮樹脂軟化再生工藝段產生的高含鹽水處理的工藝選擇及費用，物理過濾法噸水處理成本會有一定程度提高。從工藝運行穩定性而言，生物化學法明顯優于其他工藝，能滿足配液要求，更適用于二元復合驅污水處理工業化推廣與應用。

表7 試驗工藝對比Tab.Contrast of test process

5 試驗結論

（1）生物化學法處理工藝能夠實現二元采出水處理達標，出水配劑效果穩定，運行處理成本較低，可以作為聚合物/表面活性劑二元復合驅采出水處理的主體工藝技術；物理化學法雖能實現二元采出水穩定達標，但運行處理成本最高，且污泥浮渣量占比為10%～20%，后期污泥處理難度大；物理過濾法可以實現油、懸浮物含量達標，但硫、鐵含量未達標導致配劑效果不穩定。

（2）物理化學法氣浮工藝段含水浮渣量大，雖然經沉降可縮減70%的量，但污泥總量還是遠超生物化學法，脫水泥（80%含水）量約為5 kg/m3。

（3）物理過濾法的水質相對較差，產水比過低，反洗水量占總處理量的27%，而且反洗水中污染物富集無法回到系統前端，需要單獨處理，增加處理成本。采用樹脂脫鈣能夠降低污水中的鈣鎂離子含量，降低硬度，但是樹脂再生后產生的高含鹽水水量大（按現有來水鈣鎂離子含量計算，預計每處理5 t污水至少產生1 t高含鹽水），處理難度很大，成本較高。

（4）生物化學法的負壓表面過濾單元采用膜過濾技術，微米級膜孔截留的大量聚合物、表面活性劑會產生污泥、浮渣等問題，目前關于膜材料抗污染周期及再生效果因試驗時間短尚未得到驗證。另外臭氧氧化技術電耗大，在采出水處理工程中尚未大規模應用，在工業化推廣時要進一步完善。

6 建議

（1）生物處理單元在一定程度上受水質波動的影響，一旦微生物菌種出現問題，恢復周期長。為保證工藝技術的可靠穩定性，借鑒72#三采處理站聚驅的經驗，建議工業化推廣時在生物處理工藝段前增加曝氣預處理單元[8]，減少含油、懸浮物及硫、鐵對后端的影響。

（2）除垢工藝建議采用曝氣降垢，可以避免高含鹽水的產生[9]。為應對高礦化度對微生物處理效果的影響，目前72#三采處理站采用曝氣金屬網降垢，同時利用管式曝氣器增加溶解氧，強化水中壓力變化，增大水力擾流，密集的蜂箱式金屬網布局配合大量曝氣時產生的水力擾流，大幅度降低了水中的鈣鎂離子含量。經現場實測污水中Ca2+質量濃度由80.9 mg/L下降至54.4 mg/L，Mg2+質量濃度由18.1 mg/L下降至17.7 mg/L，此方法可以作為二元水處理除垢工藝的參考。

（3）生物化學法中采用膜過濾技術會攔截大量聚合物、表面活性劑，由此帶來濾料堵塞的問題。目前72#三采處理站采用傳統的雙濾料過濾器，但是二元復合驅采出水對過濾器要求更高，需對過濾形式和濾料進行優化選型[10]。