雙濾料過濾技術在微粒徑采出水處理中的研究與應用

高 蕊 朱凱峰 鄭賽男

(1.中國石油大港油田公司采油工藝研究院；2.中國石油遼河油田公司質量安全環保部)

0 引 言

采出水處理工藝是聯合站處理工藝中的重要環節，采出水處理工藝的適應性，直接影響處理后的水質及注水開發的效果。

BQ聯合站位于天津市濱海新區上古林村以南、津歧公路以東，隸屬大港油田，擔負著板橋、塘沽、長蘆等油田的油氣水以及冬季板橋儲氣庫群來液的處理、儲存和外輸任務[1-3]。

文章基于BQ聯合站微粒徑采出水處理工藝現狀及存在問題，經室內試驗優選確定“石英砂+金剛砂”雙濾料集成采出水處理工藝的改造思路，旨在解決微粒徑采出水難處理的問題，從而滿足油田回注水的要求。

1 采出水處理工藝現狀

BQ聯合站采出水處理系統主體采用“重力沉降+核桃殼過濾器+纖維球過濾器”處理工藝，設計處理能力12 000 m3/d，目前實際處理量6 000 m3/d(冬季大張沱來液高峰時達到7 500～9 000 m3/d)。

BQ聯合站油站來水，大于4 μm顆粒體積分布75%，小于4 μm的顆粒物占比為25%。小顆粒物占比高，造成了濾料難以截留，處理難度較大，懸浮物處理未達到SY/T 5329—2012《 碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》標準。

BQ聯合站采出水處理工藝，見圖1。系統來液進4#5 000 m3沉降罐破乳沉降后，含油采出水通過2#5 000 m3沉降罐進一步沉降，經提升泵至一級核桃殼過濾器6具(包括5具核桃殼過濾器，1具高效過濾器)，再進入二級纖維球過濾器6具(包括5具纖維球過濾器，1具雙功能過濾器)，+濾后采出水進入2具500 m3濾后水罐，由外輸泵輸送至各注水站。

圖1 BQ聯合站采出水處理工藝流程示意

2 采出水處理工藝存在問題

2.1 工藝流程長、適應性差

現有采出水處理設備及工藝適應性日趨弱化，不適應性日益凸顯。一級核桃殼過濾器、二級纖維球過濾器共計12具，設備數量多、工藝老化，亟待升級。過濾器內部工藝結構落后，葉輪與濾料間距過大，影響反洗、攪拌效果，導致水質未達到SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》標準。纖維球過濾工藝存在纖維球抗沖擊能力弱、懸浮物處理效果不佳等問題[4-5]。

2.2 部分設備故障頻出、維修困難

過濾器運行至今已達10年，故障頻出、維修頻繁，僅2018年就因攪拌器機械密封不嚴維修10次，且因技術升級、設備更新等因素，零件匹配困難，運行成本攀升。

2.3 運行成本較高

采出水處理系統反沖洗水溫較低，約為40℃，冬季僅為35℃，長塘地區原油凝固點較高，為31～36℃，不易有效清洗纖維球上附著的油污，反洗效果不佳。

鑒于反沖洗濾料效果較差的實際，為保證水質達到要求，加密反沖洗頻率，周期間隔僅為12 h，耗電量增大；同時，將月清洗劑量由7.5 kg/具提高至12.5 kg/具，運行成本攀升，出口水質未達到SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》標準；加之設備故障頻發，維修成本急劇攀升。采出水處理系統運行成本情況，見表1。

表1 采出水處理系統運行成本情況

因此，有必要對BQ聯合站采出水處理系統進行工藝優化研究。

3 微粒徑采出水處理工藝研究

綜合油田采出水處理工藝現狀、技術特點，結合BQ油田微粒徑水質、水性情況及注水指標，同時基于BQ聯合站在用采出水處理技術的應用效果，優選3種濾料進行室內試驗。

3.1 室內試驗

3.1.1 濾料優選試驗

1)試驗設備

室內試驗初選三種濾料(粗濾+精濾)組合模式，即：1#為“石英砂+石英砂”濾料、2#為“核桃殼+石英砂”濾料、3#為“石英砂+金剛砂”濾料；其中粗濾粒徑范圍0.8～1.2 mm、精濾粒徑范圍0.5～0.8 mm。

取3個玻璃容器，按照一定體積比例進行粗濾粒徑濾料+精濾粒徑濾料的分層填裝，開展模擬試驗并進行對比分析。

2)試驗步驟

原水取自BQ聯合站2#沉降罐出水(即現有過濾器進口)，將原水水樣通過空氣加壓壓入模擬濾料試驗設備，通過內部的結構和濾床過濾，觀察處理后水樣，并對3種濾料處理后的水樣分別進行含油及懸浮物分析。室內試驗結果如表2所示。由表2可知，試驗一，原水水質含油46 mg/L，懸浮物96 mg/L，石英砂濾料含油去除率90.9%，懸浮物去除率90.8%。試驗二、試驗三原水水質含油96 mg/L，懸浮物281 mg/L，色度為黃色，表面肉眼觀察到油。通過2#、3#模擬裝置處理后水樣均為白色，表面肉眼無法觀察到油，其中2#水樣(核桃殼+石英砂濾料)稍微渾濁，3#水樣(石英砂+金剛砂濾料)較為清澈。

綜合對比上述三項試驗結果，試驗一石英砂濾料含油、懸浮物去除率最低，效果最差；在同等來水水質條件下，試驗二“核桃殼+石英砂”濾料處理效果較好，含油去除率95.6%，懸浮物去除率96.5%；試驗三“石英砂+金剛砂”濾料模擬裝置處理效果最佳，含油去除率97.4%，懸浮物去除率97.8%，即“石英砂+金剛砂”濾料處理效果優于“核桃殼+石英砂”濾料。

3.1.2 模擬設備試驗

通過“石英砂+金剛砂”雙濾料試驗設備，每10 min取水樣并化驗，結果見表3。

由表3可知，經過處理后水樣干凈透徹，水質較好，含油、懸浮物均在10 mg/L以下，去除率均在90%以上，確定改造工藝采用雙濾料水處理集成技術。

表2 室內試驗結果

表3 雙濾料試驗設備含油、懸浮物去除情況表

3.2 技術原理

雙濾料水處理集成技術主體采用石英砂、金剛砂濾料，將微浮選、碰撞聚結和吸附過濾三個單元集成在一個過濾器，可有效去除污油和懸浮物，具有高效除油、過濾功能，采用氣、水混合氣墊床反洗技術，利用特殊結構實現連續排污。含油污水實現碰撞聚結(產生無數個渦旋流)，油滴間的液膜界面由于激烈碰撞破裂，多個油滴合并成一個大油滴裹著微細懸浮物借助于未釋放完的溶解氣體一并向上經微浮選去除[3]；微細懸浮物通過表層的潤濕聚結作用，形成絮狀的骨架層攔截，再經吸附過濾層精細過濾；通過獨特的反洗排污技術定期對吸附過濾層進行反洗、排污、再生[6-10]。

3.3 應用情況

大港油田羊三木采出水處理站于2012年對回注水處理系統進行改造，改造后采用雙濾料水處理集成工藝，設計處理能力9 600 m3/d，目前實際處理量約9 600 m3/d。

2018年，羊三木采出水處理站處理后水質平均含油11.4 mg/L，懸浮物9.5 mg/L，粒徑中值3.4 μm，應用效果良好，能夠滿足回注要求。

3.4 規劃設計

3.4.1 規劃方案

在BQ聯合站采出水處理區應用雙濾料水處理集成工藝，采用“重力沉降+雙濾料水處理集成工藝”。經論證，設計處理能力由12 000 m3/d減至9 600 m3/d，可以滿足地質10年開發預測指標要求。新建雙濾料水處理集成裝置4具，設備配套含有自動氣水反沖洗功能。

1)設備要求

設計進水水質：含油量≤200 mg/L，懸浮固體含量≤200 mg/L；設計出水水質：含油量≤20 mg/L，懸浮固體含量≤10 mg/L，懸浮顆粒直徑中值≤4 μm。優化后采出水處理工藝流程示意見圖2。

2)主體流程

4#沉降罐來水→2#沉降罐→提升泵→雙濾料水處理集成裝置(4具)→500 m3濾后水罐→外輸水泵→注水站。

圖2 優化后采出水處理工藝流程

3)反沖洗流程

濾后水罐→反沖洗泵→雙濾料水處理集成裝置→油泥水濃縮處理裝置→(處理的水進入)2#沉降罐/(處理后的污泥進入)油泥箱。

4)工藝參數

工藝參數情況如表4所示。

表4 工藝參數

3.4.2 投資及運行費用

工藝方案預計投資544.95萬元，實施后成本費用分析如下。

1)維護修理費：按新增固定資產原值2.5%計取，計算得出年維護修理費約為13.62萬元。

2)藥劑費：采出水中需加入清洗劑，罐總加入量120 kg/月，清洗劑單價按2萬元/t計算，全年清洗劑費用2.88萬元。

3)動力費：雙濾料水處理集成裝置：按照運行3具雙濾料水處理集成裝置，24 h運轉；4臺45 kW采出水提升泵(2運2備)，24 h運轉；2臺37 kW空壓機(1運1備)及2臺22 kW反沖洗泵(1運1備)，24～72 h運行1次。取 48 h反洗1次，即空壓機及反沖洗泵平均每天運行0.75 h。通過計算得出，年耗電量58.01萬kW·h，用電單價按0.70元/kW·h考慮，全年動力費40.61萬元。

4)設備濾料費用：4具雙濾料水處理集成裝置每年需補充石英砂濾料4.8 t，單價0.4萬元/t，補充金剛砂濾料4 t，單價0.4萬元/t，共計補充濾料費用3.52萬元。

4 結論及認識

4.1 優化處理能力，提高設備負載率

技術優化后，BQ聯合站采出水處理系統能力由12 000 m3/d調整至9 600 m3/d，設計處理能力優化縮減20%，可以滿足地質10年開發預測指標要求，設備負載率提高13.5%。

4.2 工藝優化升級，設備優化減量

通過室內試驗，優選確定“金剛砂+石英砂”雙濾料處理技術，對微粒徑采出水處理針對性更強。優化后，采出水處理工藝由“重力沉降+核桃殼過濾+纖維球過濾”三級工藝簡化為“重力沉降+雙濾料過濾”兩級工藝；過濾器數量由12具減少至4具，設備減少67%，設備集成度更高，現場管理更加便利，工藝適應度更強，可進一步保證水質處理效果。

4.3 升級反洗工藝

優化升級反洗方式，提高了過濾器工作效率。反洗方式由水洗升級為氣洗、水洗、氣水混合洗模式，有效避免了濾料污染、堵塞，減少了反洗時間，增強了濾料再生性；反洗周期由12 h延長至48～72 h，降低了反洗能耗；反沖洗水量，由435 m3/d降至120 m3/d，減少72.4%，并減少后端反洗水的處理負荷，增加了沉淀池的沉降時間。