成套極化水處理技術在稠油油田的試驗應用

王玉江 王琛 董明 魏麗萍

1中石化勝利油田工程技術管理中心

2中石油國際勘探開發公司

3中石化勝利油田河口采油廠

4山東海吉雅環保設備有限公司

目前東部老油田逐步進入高含水開發期，增產措施的實施使油水性質發生了很大變化，傳統的油水分離技術已不太適應當前低油價的形勢[1]，亟需低耗高效、自動化和信息化程度高、成本低的處理技術。通過對國內主力油田的調研和多次的技術交流，成套極化水處理技術處理不含聚合物的采出水具有獨特優勢。該技術曾在長慶、大港等油田應用[2-3]，但在超稠油、含聚水處理方面的案例與經驗不多，為滿足勝利油田復雜多樣的水質要求，選擇陳南站進行超稠油污水處理的現場試驗。

1 勝利油田陳南區塊采出水現狀

陳南區塊由于注蒸汽高溫驅替，部分采出液開始出現硫化氫，采出水中的SRB含量超標，油井管柱、地面管線腐蝕加劇[4]。

該區塊原油密度1.009 g/cm3，黏度55 643 mm2/s，采出水礦化度17 100 mg/L，含有二氧化碳、硫化氫等腐蝕性氣體，采出水中S2-、Fe2-超標，是典型的高溫、含硫、含鐵、腐蝕性強、高礦化度的多變水質[5]。陳南站要求三級水質的水中含油濃度≤30 mg/L、懸浮物濃度≤10 mg/L，粒徑中值≤4 μm。目前由于水質不穩定，原油黏度大，油和懸浮固體黏附在管線內造成堵塞，加上細菌繁殖及采出水結垢，管線堵塞穿孔問題頻發[6]。

由于陳南站地處人口敏感區，如果采用常規水處理工藝技術進行改擴建需要再征地，而成套極化水處理技術既能夠解決超稠油高含硫采出水處理難題又不增加占地面積，因此開展超稠油采出水處理試驗非常必要。

2 成套極化水處理裝置

2.1 裝置特點

該裝置是集多種技術于一體、以物理法處理為主的多功能密閉裝置，不投加任何三防藥劑。分離設備集成了微渦旋吸附填料聚結、向心氣浮除油、極化殺菌除硫、濾料體外搓洗循環再生等技術，運行過程將緩沖組件、提升組件、反洗組件和精細過濾組件統一整合，系統聯動，整體布置（圖1）[7]，具有體積小、工藝簡單、耗能少、運行費用低等優勢[8-9]。

圖1 水處理裝置內部構成Fig.1 Internal composition of water treatment device

處理流程：采出水在進液管上溶氣后進入罐渦流器，渦流旋轉產生的離心力將油氣向內圓運移聚集，浮油和分散油上浮至罐頂，完成收油；水進微渦旋器后微渦旋可將90%以上的2 μm 以下顆粒聚結成大顆粒和大油珠，通過粗、細兩級核桃殼濾料介質，可以去除90%以上的顆粒和油珠；濾后水在電場極化作用下，水中電子進入菌類的細菌膜，改變細菌膜內的電子結構，抑制和殺滅SRB；極化的強陰極向水體釋放電子，電子與陽離子（主要是H+)結合，消除陽離子極性，強陰極與罐體及管網連接，消除鋼體陽極鐵離子并使其脫落，使鋼體不會腐蝕。極化形成的靜電場去除水中金屬陽離子的陽極性，不再與氫氧根和酸根結合生成堿和鹽，可有效防止鋼體結垢。

2.2 裝置組成

常規的極化水處理裝置由油泥水分離器、極化水處理、精細水處理三部分主體和反洗泵、加料池等輔助配套組成。為了驗證在流程簡化、不同水性、不同水量、不同水質情況下該裝置的適應性，取消油泥水分離器，裝置簡化為兩級布置，其處理能力為120 m3/d。

3 現場試驗

2019 年8 月開始對此裝置進行2 個月不間斷的試驗。為驗證其在異常生產情況的抗沖擊性，分常規、流程變更、水量異常、水質異常、系統恢復五種情況進行試驗。每種情況下都分別對含油量、懸浮物、硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧、SRB、粒徑中值等取樣化驗，驗證溶氣增氧脫硫除鐵、極化殺菌脫硫效果。由聯合站、集輸大隊、中石化節能環保公司（第三方）同時取樣進憲化驗，對數據進行分析，最終結果取平均值。站內分離器分離出的污水直接進處理器，不設緩沖設備。試驗工藝流程見圖2。

3.1 常規

常規試驗下采出水經過全部設備，試驗結果見表1～表3。

三方檢測數據表明，常規試驗來水平均含油207.21 mg/L，二級出水平均含油0.73 mg/L，平均去除率99.65%；來水平均含懸浮物49.29 mg/L，極化裝置出水平均含懸浮物2.51 mg/L，平均去除率94.90%。在來水多變情況下，二級出水水質穩定，粒徑中值由平均4.555 μm 下降為二級出水的0.673 μm，滿足現場水質處理要求。因此常規條件下，裝置對高溫、稠油等多變水質的含油及懸浮物處理相對穩定高效。

圖2 試驗工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of test process flow

表1 常規試驗下含油、懸浮物檢測數據Tab.1 Detection data of oil and suspended matter in conventional tests

表2 常規試驗下含硫、鐵、溶解氧、SRB檢測數據Tab.2 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen，and SRB content in conventional tests

表3 常規試驗下粒徑中值檢測數據Tab.3 Detection data of particle size median in conventional tests

3.2 流程變更

處理流程跨越油泥水分離器，只經過極化水處理、精細水處理器，驗證水處理器獨自處理復雜水質的可行性，試驗結果見表4、表5。

表4 流程變更試驗下含油、懸浮物檢測數據Tab.4 Detection data of oil and suspended matter in process change tests

表5 流程變更試驗下含硫、鐵、溶解氧、SRB檢測數據Tab.5 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen，and SRB content in process change tests

跨越油泥水分離器后，平均含油由171.67 mg/L降至0.80 mg/L，去除率達到99.53%；平均懸浮物由38.49 mg/L 降 至1.56 mg/L，去 除 率 達 到95.94%；粒徑中值由4.607 μm 降至1.075 μm，出水水質相對穩定；總鐵、亞鐵、溶解氧、硫化物、SRB 去除率分別達到79.67%、82.46%、95.03%、81.87%、90.00%，結果穩定，簡化工藝流程完全可行。

3.3 水量異常

將來水量增加1～2倍，觀察水質變化情況，驗證水處理器的抗沖擊能力，試驗結果見表6、表7。

水量異常增大，影響來水水質的穩定性，來水含油、懸浮物波動劇烈，流程同樣跨越油泥水分離器。平均含油由6 253.16 mg/L降至0.89 mg/L，去除率為99.99%；平均懸浮物由81.52 mg/L 降至2.23 mg/L，去除率達到97.27%；硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧去除率達到76.57%、77.81%、69.84%，極化功能有效，脫硫除鐵技術成熟，設備抗沖擊性較強。

表6 水量增加后含油、懸浮物檢測數據Tab.6 Detection data of oil content and suspended matter after water volume increase

表7 水量增加后含硫、鐵、溶解氧檢測數據Tab.7 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen after water content increase

3.4 水質異常

將來水指標較常規水增加至少2倍，現場試驗時直接將來水管線連接到分離器進油管線，水質各項指標大大超出設備設計值，水質檢測結果見表8、表9。

來水含油最高20 184.5 mg/L，水質突發具有破壞性且不穩定，來水含油、懸浮物波動劇烈，流程同樣跨越油泥水分離器。平均含油由14 033.07 mg/L降至1.11 mg/L，去除率達到99.99%；平均懸浮物由120.58mg/L 降 至2.64mg/L，去 除 率 達 到97.81%；硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧的處理效果明顯。突發破壞性水質沖擊下，設備超負荷運行，極化處理仍然有效，脫硫除鐵功能強大，對破壞性水質體現出良好的抗沖擊性和適應能力。

表8 水質變化后含油、懸浮物檢測數據Tab.8 Detection data of oil and suspended matter after water quality change

表9 水質變化后含硫、鐵、溶解氧檢測數據Tab.9 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen after water quality change

3.5 系統恢復

觀察各種異常情況發生后恢復常規試驗流程的時間及水質指標變化情況，驗證水處理器在工作過程中的還原能力。對系統設備進行反沖洗后恢復常規流程，觀察處理后達到正常生產指標的時間，驗證設備經受一系列超負荷、破壞性水質沖擊后，系統自我修改、恢復及還原能力，改變以往僅僅室內模擬仿真方式。水質檢測結果見表10、表11。

表10 恢復常規流程后含油、懸浮物檢測數據Tab.10 Detection data of oil and suspended matter after resuming the normal process

表11 恢復常規流程后含硫、鐵、溶解氧檢測數據Tab.11 Detection data of sulfur，iron，and dissovled oxygen content after resuming the normal process

8月29日12:30恢復正常試驗流程，到17:00逐步恢復到初始試驗值，系統經4.5 h 即完全恢復到正常工作狀態，呈現較強的自我修復能力。

3.6 腐蝕檢測

通過主管線上安裝的直通型腐蝕掛片器檢測數據，在進水平均腐蝕率0.234 3 mm/a 情況下，出水平均腐蝕率降為0.006 mm/a，緩釋效果顯著。

4 結論

應用成套極化水處理裝置，在常規、流程變更、水量異常、水質異常及系統恢復這五種異常生產情況下進行試驗，均達到了預期效果，可適應不同工作工況。

（1）流程變更條件下表現出很好的適應性，水量及水質異常環境下，來水含油在1 497.5～20 184.5 mg/L、懸浮物在60～197 mg/L 之間波動，出水含油基本穩定在在0.5～4.3 mg/L、懸浮物在1.2～3.02 mg/L之間，效果穩定且處理效率高，抗沖擊性強，自我恢復能力強。

（2）從現場試驗看，裝置功能高度集成，設備結構緊湊，全自動密閉運行，占地面積僅為傳統重力沉降工藝的五分之一。

（3）由于采用極化、氣浮等物理法除油技術，不投（加水處理藥劑，體外循環搓洗技術濾料原位再生[10]，裝置反洗間隔長（3～5 天），反沖洗時間短，生產時效高，有效減少了濾料更換及處理，可以實現污泥源頭減量。同時此技術為邊緣、斷塊等小區塊采出液“就地分水、就地處理、就地回注”提供了流程變革及借鑒指導。