新疆油田稠油采出水電化學深度除油除硅現場試驗研究

單朝暉 孫森 金志娜 曹佳旭 李學軍 邱江源 馬大文 樊玉新

1新疆油田公司風城油田作業區

2北京京潤環保科技股份有限公司

3新疆油田公司工程技術研究院

近十幾年來，新疆油田風城油田作業區不斷引進和開發新的油田采出水處理技術。2009 年起，超稠油采出水處理采用重力除油、混凝沉降、離子調整、旋流反應、氣浮、壓力過濾、軟化處理、真空除氧等技術，實現凈化、軟化后回用鍋爐，以滿足蒸汽吞吐與SAGD 的稠油開采方式[1-3]。由于稠油采出水的硅含量較高，而早期工藝未考慮除硅工藝，回用污水硅含量高導致過熱鍋爐系統出現結鹽、結垢問題。通過室內研究和現場試驗，2014年10 月，化學混凝除硅裝置在風城油田開始工業化應用，將SiO2濃度（質量濃度）降至70 mg/L，一定程度緩解了過熱鍋爐結鹽、結垢問題[4]。

1 稠油采出水凈化技術現狀

根據SY/T 0097—2000《稠油油田采出水用于蒸汽發生器給水處理設計規范》標準要求，注汽鍋爐給水SiO2＜50 mg/L。目前的“重力除油+化學除硅+混凝沉降+壓力過濾”的除硅、凈化工藝雖在一定程度上節約了鍋爐運行成本，保障了鍋爐的安全運行，但仍存在結垢問題，無法滿足注汽鍋爐給水的指標要求。

現有稠油采出水凈化工藝存在以下問題：除硅深度不滿足注汽鍋爐給水水質要求；除硅凈化過程加藥種類多、用量大、成本高，且會惡化采出水的水質；化學除硅產生泥量大[5-6]；化學除硅、凈化工藝流程長。為實現稠油采出水深度除硅，滿足過熱鍋爐給水要求，保障注采系統安全穩定運行，確保新疆油田稠油穩產，亟需開發一種綠色、經濟的深度除硅工藝。而電化學方法深度除硅機理與效果已有相關研究和驗證[7-8]。基于上述情況，2018年，風城油田開始在稠油采出水深度除硅領域開展一系列電化學法和藥劑法深度除硅技術室內研究實驗，確定了電化學深度除硅效果。并于2019 年開始進行現場中試試驗研究。現場中試試驗結果表明，電化學協同藥劑法可滿足深度除硅要求，且運行成本低、工藝流程短，產生污泥量少。

2 試驗及分析方法

2.1 現場試驗水源

試驗裝置水質為調儲罐高溫超稠油采出水，水溫85 ℃。

2.2 調儲罐水質

水一區調儲罐水質如表1 所示。

表1 風城油田水一區儲水罐水質指標Tab.1 Water quality index of the water storage tank in Shui Yi Area of Fengcheng Oilfield

2.3 分析方法

（1）石油類。HJ637—2018 水質石油類和動植物油的測定紅外分光光度法。

（2）SiO2。GB12149—2017 工業循環冷卻水和鍋爐用水中硅的測定；GBT 12148—2006 鍋爐用水和冷卻水分析方法、全硅的測定、低含量硅氫氟酸轉換法。

2.4 現場試驗工藝的確定

風城油田稠油采出水的主要特點是油水密度差小、水溫高、黏度高、乳化程度高等[9]，水中的油在除硅過程中會吸附在硅泥表面，與SiO2同步沉淀去除，轉入到污泥中，從而導致硅泥的含油率增加。依據HJ607—2011《廢礦物油回收利用污染控制技術規范》，當含油污泥、油泥沙的含油率大于5%時，應進行再生利用。因此，現場試驗在除硅前先進行深度除油，避免對污泥造成二次污染[10]。

該現場試驗深度除油工藝選用電化學除油工藝，即采用具有聚結功能的三維電極電化學破乳除油技術，同時利用氮氣清洗電極表面聚結的油滴，從而實現經濟、綠色的深度除油目的。

該現場試驗深度除硅工藝選用電化學協同藥劑除硅技術，即利用電催化作用提高水中SiO2與活性物種的反應速度，從而實現經濟、綠色的深度除硅目的。

3 稠油采出水現場試驗

3.1 設計參數及工藝路線

設計處理量5 m3/h；設計出水水質：石油類≤20 mg/L，SiO2≤50 mg/L。

工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

稠油采出水經調儲罐隔油、均質后，經泵輸送至電化學深度除油除硅系統。該系統共分為三個橇塊，包括電化學除油橇塊、電化學協同藥劑除硅橇塊和沉淀分析橇塊。油田采出水先經電化學除油橇塊將水中大部分油脫除，自流進入電化學除硅橇塊，除硅過程中產生的高懸浮物污水進入沉淀分離橇塊，進一步分離凈化。系統產水去后續過濾工段去除懸浮物。除油橇塊產生的污油去浮渣池，各個裝置產生的污泥排至污泥濃縮池。

3.2 工藝原理

（1）電化學深度除油機理。電化學破乳是電場破乳與電化學破乳劑破乳的協同技術。O/W 破乳是利用“連續相”水中的電流，在“乳化油滴雙電層”界面上直接作用形成電場，壓縮并破壞其雙電層結構，達到破乳的目的。

稠油采出水中經過破乳、失穩后的油滴經過相互碰撞聚結，因而要求其必須充分混合。混合的方式可以采用機械攪拌或曝氣攪拌方式。由于在電極反應室中電化學破乳的同時進行曝氣，攪拌過程中應選擇恰當的攪拌強度，避免聚結的油滴再度分散乳化。

（2）電化學深度除硅機理。電化學不僅可以通過電極反應產生金屬水合物凝聚劑，更主要的作用是專門設計的電極陣列及內部電場可大大增加電極室內部局部水中膠體及離子的濃度，增加了膠體及離子相互碰撞的機會，增加了其“反應”速度，起到了“催化劑”作用。從宏觀角度看達到了降低硅酸鹽“溶度積”的效果，適用于水的深度除硅。

陽極產生鋁離子或鐵離子，與水中的硅酸生成難溶的硅酸鹽，在電極陣列內部電場作用下硅酸鹽從廢水中析出，達到深度脫硅的效果。當進水含硅較高，所需除硅量較高時，輔助一定量除硅劑是比較經濟的選擇。

3.3 試驗裝置

電化學深度除硅現場試驗裝置如圖2所示。

圖2 電化學深度除油除硅現場試驗裝置Fig.2 Field test device for electrochemical deep oil and silicon removal

試驗裝置規格參數如表2 所示。

表2 現場試驗裝置規格參數Tab.2 Specification and parameter of field test device

3.4 試驗進度安排

設計加工階段：2019 年7 月—2019 年10 月.

現場安裝階段：2019 年11 月中旬進廠—2019年12 月下旬安裝結束。

現場調試階段：2020 年1 月—2020 年5 月，因疫情影響，試驗調試試運行進展緩慢。

連續運行階段：2020 年6 月—2020 年10 月。

4 現場試驗結果與討論

新疆油田風城油田作業區電化學深度除油除硅裝置進水即調儲罐出水的含油濃度4.85～127.81 mg/L，平均含油濃度38.72 mg/L；調儲罐出水SiO2濃度186.9～269.68 mg/L，SiO2平均濃度為236.38 mg/L。

4.1 電化學除油橇塊運行情況

電化學除油橇塊三維電化學除油反應器工作電流70～85 A，工作電壓4～5 V，未投加任何藥劑。電化學除油橇塊出水石油類濃度1.52～11.44 mg/L，平均值石油類濃度為5.58 mg/L，滿足原設計出水指標要求。電化學除油橇塊進出水含油濃度如圖3所示。

圖3 電化學除油橇塊進出水油含濃度曲線Fig.3 Oil concentration curve of inlet and outlet water of electrochemical deoiling skid

4.2 電化學除硅橇塊運行情況

電化學除硅橇塊的電化學除硅反應器采用鋁極板，工作電流100～120 A，工作電壓4～5 V，同時輔助專用高效除硅劑，除硅劑投加量為300 mg/L。經電化學除硅橇塊處理后，出水SiO2濃度2.07～35.76 mg/L，SiO2平均濃度為12.94 mg/L，滿足原設計出水指標要求。電化學除硅模塊進出水SiO2濃度如圖4 所示。

圖4 電化學除硅模塊進出水SiO2濃度曲線Fig.4 Silicon dioxide concentration curve of inlet and outlet water of electrochemical desilication module

4.3 運行消耗情況

本次現場試驗每噸水直接運行成本約2.20 元，包括電耗和藥劑消耗，具體消耗量見表3。

表3 除油除硅經濟分析Tab.3 Economic analysis of oil and silicon removal

5 結論

本次電化學深度除油除硅現場試驗研究為稠油采出水工程應用提供了可靠的數據、工藝參數及工程設計依據。現場試驗結果能夠滿足工程需要，具有良好的廣泛推廣價值。從以上運行參數和進出水水質分析，得出如下結論：

（1）電化學除油裝置出水油含量低，可實現深度除油，無需投加任何除油藥劑，出水含油濃度可降至2 mg/L 以下，去除率可達到95.9%。

（2）采用電化學協同一定量除硅劑，可實現深度除硅，出水SiO2濃度可降至2.07 mg/L，去除率可達到99%；與常規的化學藥劑法除硅比，藥劑投加量少，產生的污泥量少，綜合運行成本低。

（3）電化學深度除油除硅工藝，首次在稠油采出水領域應用，開辟了電化學應用發展新領域，同時驗證了電化學除油除硅的顯著效果，較已有除油除硅技術可大大改善水質，節約處理成本，在國內其他稠油區塊稠油采出水深度除油除硅領域具有較高的推廣應用價值。