采出水處理機理與工藝研究

劉泰瑞，常麗娜，李青

(中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第二采油廠，甘肅 慶陽 745100)

1 油田采出水水質特性與處理機理

1.1 水質特性

在油田開采期間，所產生采出水中含有多種有機和無機物質，水體具有毒性與污染性，處理難度較大，主要含有溶解態與分散態油類、聚合物與表面活性劑等化學物質、懸浮雜質、溶解態礦物質等成分，可將油田采出水中的物質分為以下五類。

(1)油類物質。油田采出水中常見油類物質為分散態油類、溶解態油類與乳化態油類，針對不同種類的油類物質，所采取采出水處理工藝與處理機理存在差異。例如，在采出水中含有大量的乳化態油類物質時，可選擇采取聚結沉降法與膜技術進行去除。針對采出水中的溶解態油類物質，可采取生化法與吸附法進行降解去除。而針對采出水中的分散態油類物質，則采取重力法去除。

(2)懸浮雜質。由于多數石油均分布在具備較強滲透性的地層內，在油田采油期間，受到地下注水等活動的擾動，雖然可以將石油在地層間隙中洗脫，但所抽采油氣水三相混合物中含有大量的懸浮雜質，如微小巖石沙粒、石油中的瀝青石蠟成分、化學污垢、蒙脫石、石英等固體懸浮顆粒。

(3)堿/表面活性劑/聚合物。近年來，在我國部分油田開采項目中，采取了全新的三次采油技術，組合運用聚合驅采油技術、A/S/P驅采油技術與S/P驅采油技術，注水中含有聚合物、表面活性劑等化學物質，以此替代傳統采油工藝中注水所含的驅替液，明顯改變了油水界面張力，這對原油采收率的提升有著重要意義。然而，在運用三次采油技術的前提下，所產生聚合驅采廢水中含有大量化學物質，致使采出水具有高溫度、低生物降解性、含油量高、高礦化度等全新特性，對采出水處理工藝提出了更高的要求。

(3)總溶解態固體。根據油田實際開采情況來看，多數采出水均具有較高的礦化度，水體中溶解大量礦物質鹽類，其中，陽離子成分包括K+、Na+、Mg2+，陰離子成分包括SO42-、CO32-等，如果未有效去除采出水中的離子成分，水體在與管道設備接觸時，將加快管道設備老化速度，并出現管道結垢與腐蝕現象。

(5)溶解氣體。在油田生產期間，油井產物為油氣水三相混合物中，采出水中溶解大量氣體，常見溶解性氣體為H2S、O2和CO2，如果溶解性氣體未得到有效去除，將造成注水管道設備的腐蝕結垢。因此，對采出水中溶解氣體的去除，是采出水處理工藝體系的重要組成部分，在我國現行《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》SYT 5329—2012中明確規定，在使用清水與采出水作為回注水時，必須將硫化氫含量控制在0與2.0 mg/L內，將溶解氧質量濃度控制為0.5 mg/L與0.1 mg/L內，將侵蝕性二氧化碳濃度保持在-1.0-1.0 mg/L范圍內。

1.2 采出水處理機理

根據相關研究結果顯示，受到聚合物絮凝作用影響，聚合物濃度與采出水粘度及含油量有著密切聯系，在聚合物濃度達到一定標準后，采出水中的含油量會隨著聚合物濃度的增高而出現下滑趨勢，在聚合物濃度提升后，采出水含油量也將隨之上升，且聚合物濃度與采出水粘度二者保持正比關系，如果將聚合物濃度控制在合理范圍內，可以起到提高采出水含油量、保證乳化液穩定狀態、有助于油水分離等多重作用。與此同時，在采出水中含有表面活性劑時，如果有效控制表面活性劑濃度與堿濃度，將起到迅速降低界面張力與增強油水界面剛性的效果。例如，在表面活性劑濃度不超過400 m/L時，將起到快速降低界面張力的作用，且界面張力在之后的一段時間內不發生明顯變化。因此，油田采出水處理主要從Zeta電位、界面流變性、界面張力、界面剛度等方面著手，通過采取波紋板分離、離心法、氧化法、電化法等處理工藝，去除油田采出水中分布的雜質，將聚合物、表面活性劑等物質濃度控制在合理范圍內，確保處理后的水體滿足油田回注水使用標準。

2 油田采出水的處理工藝

2.1 物理法

(1)波紋板分離。波紋板分離技術是憑借波紋板裝置所產生的絮凝加強作用，以重力方式分離出油田采出水中含有的油類物質，并去除水體中的懸浮固態顆粒，完成采出水處理任務。與其他處理工藝相比，波紋板分離法具有操作簡單、處理成本低廉、處理速度快的優勢，但是，此項工藝難以有效去除采出水中含有的微油滴，容易在分離器底部沉淀懸浮顆粒泥漿，配套設備的維護成本較為高昂。因此，波紋板分離技術主要被用于處理油脂含量在1 000 m/L以上的高含油廢水。

(2)離心法。離心法是憑借離圓筒離心作用來實現油水分離目標的一項處理工藝，與其他處理技術相比，其具有水力停留時間短、產水量高、小油滴與懸浮顆粒去除效率高等優勢，但配套設備運行能耗較高。同時，可將離心法細分為多項處理技術，以常用的水力旋流技術為例，將所處理油田采出水在高壓狀態下切入圓筒器壁內，水體將在圓筒內以高速狀態開展旋轉運動，由于油體與水體密度不一致，采出水在旋轉狀態下，所含油類物質將聚集在旋流中心區域，水體分布在旋流外圈區域，以此實現油水分離目的。在美國德州Permian Bassin油田項目中，企業選擇采取水力旋流技術，將油田采出水切入水利旋流器內，采出水經過一級過濾后流入氣提塔進行脫硫軟化處理。隨后，將采出水進行石灰軟化與二級過濾處理，交換水體中的陽離子，處理后的采出水被作為蒸汽鍋爐用水。

(3)射流氣浮法。射流氣浮法也被稱作為噴射氣浮法，憑借射流泵與射流器來營造負壓環境，在吸氣后產生大量微氣泡，微氣泡粘附在油田采出水中油類物質表面，吸附水體中含有的懸浮固體顆粒與油滴，隨后，微氣泡上浮至水面，分離氣泡與水體，即可完成采出水處理任務。與其他處理工藝相比，射流氣浮法具有設備結構穩定、操作簡單、油滴聚結效果顯著的優勢，但處理效率較低，且采出水處理效果受到氣泡分布狀況、微氣泡直徑等因素的影響，處理效果不穩定。根據實際處理情況來看，在應用射流氣浮法時，可以將油田采出水的除油效率保持在80%以上，將固態懸浮物去除率保持在75%左右[1]。

(4)冷凍-解凍蒸發法。冷凍-解凍蒸發法是將所處理采出水置于低溫環境，在低溫條件下水中污染物質產生結晶反應，隨后，提高環境溫度，在采出水解凍后即可分離水體中的難溶解有機物與各類雜質，獲取凈化水。根據實際應用情況來看，此項工藝具有操作簡單、運行成本低廉的優勢，但采出水換熱效率低下，處理周期較長。

2.2 物化法

(1)氧化法。在應用氧化法時，向所處理采出水中加入適當種類的強氧化劑，如此，將在水體中產生羥基自由基，使得采出水中含有的污染物質產生氧化降解反應，將溶解物質沉淀，從水體中分離出固體沉淀泥漿與二氧化碳等副產物，可以取得良好的溶解態污染物沉淀效果，消除油水界面附著的表面活性劑，使油滴發生重排、聚集、分離等一系列反應[2]。

(2)電化法。在應用電化法時，在所處理油田采出水中插入正負相同的若干組電極，隨后將電極接通直流電，如此，將產生電解、氧化還原、顆粒極化等一系列化學反應，去除采出水中含有的COD等污染物質與分離油體。與其他處理工藝相比，電化學法具有處理成本低廉、不產生二次污染物、處理效率高等優勢，可以取得氣浮、殺菌、絮凝等多重處理效果，是油田開采項目中應用最為常見的處理工藝。此外，在使用不同種類材料來制作陽極時，可以取得不同的處理效果。例如，在使用鐵作為陽極材料時，在電極通電后，采出水將產生電凝聚氣浮反應，選擇性去除水體中分布的COD物質，將COD去除率保持在95%以上。

(3)水質改性法。水質改性法主要被用于處理具有含油與鹽度高、狀態不穩定、成分較為復雜的采出水，根據水質成分，向采出水中加入適當種類與數量的水質調整劑，調整劑與水體接觸后產生一系列化學反應，起到改變水體中部分離子濃度、形成穩定分布狀態、改變懸浮顆粒表面電位的作用，使得采出水中含有的固體懸浮物、油體等物質快速從水中沉降分離[3]。我國勝利油田在引進水質改性技術后，有效解決了注入水水質問題，明顯降低了注水管道設備腐蝕、結垢問題的出現概率，經過改性處理后的水體水質達到《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》SYT 5329—2012中的B3類標準。

2.3 生物法

生物法是憑借微生物在生產繁殖期間所發揮代謝作用來溶解油田采出水中難溶解有機污染物的一項處理工藝，可以將有機污染物轉換為無害物質，不會造成二次污染，具有操作簡單、運行費用低、適用范圍廣的優勢，但生物法處理工藝體系較為復雜，處理效果受到設備設施、環境溫度、pH值等多方面因素影響。目前來看，在油田采出水處理領域中，常用生物處理技術為活性污泥法與濕地處理法兩類。其中，活性污泥法是在采出水中繁殖油類降解微生物，微生物在有氧條件下去除水體中分布的重金屬、懸浮固體等物質，并產生污泥。而濕地處理法是憑借動植物群天然氧化分解采出水中的懸浮態與溶解態雜質，處理后的采出水被分離為微生物、溶解性氣體與沉淀固體[4]。

3 結語

綜上所述，在我國油田開采行業發展期間，針對復雜水質特性的油田采出水，企業必須提高對采出水處理工藝的研究力度，深入了解采出水處理機理，明確工藝研發重點，積極引進國內外先進處理工藝，及早構建起多元化的采出水處理工藝體系，實現采出水無害化處理目標。