三元復合驅采出水處理新技術應用及展望

伍永巴依 李兆強 宋晶晶

新疆油田公司風城油田作業區

三元復合驅是目前保證油田開發效果的重要支撐技術，但由于三元復合驅采出水中含有大量的聚合物、表面活性劑、堿等驅替劑，增強了采出水的穩定性，同時為了提高處理效果，從井口到污水站投加了大量的藥劑，造成污水成分復雜，油水乳化嚴重，處理難度增加，在見劑高峰期無法穩定處理并達標[1-4]。從三元污水處理工藝發展歷程看，最初的“高效除油+曝氣沉降+兩級壓力過濾”處理工藝，面臨投加大量藥劑，產生的大量浮渣無法處理的難題。在升級為“兩級連續流氣浮序批沉降+兩級壓力過濾”后，處理效果已經明顯改善，但由于不同區塊交替開發，采出水混摻處理配伍性較差，僅依靠物理處理工藝，見劑高峰期難以保證外輸水質完全達標[5-6]。油田多年來試驗過多種三元污水處理方法，包括優化現有處理工藝運行參數，采用微生物技術處理三元污水等，從試驗效果看，單一設備或藥劑對三元污水處理有一定作用，但無法解決系統性的問題[7-9]。另一方面，三元污水復雜的處理工藝，加大了地面建設投資及運行成本[10]，因此需要探索污水處理新技術，實現處理效果和經濟性的平衡。

1 三元復合驅采出水處理試驗

1.1 物化結合法深度處理技術

1.1.1 原理及工藝流程

該技術為物理、化學結合的方法，采用“物理分離器+氣浮殺菌分離器+抗污染平板陶瓷過濾器”處理工藝（圖1），投加3種處理藥劑，A為油水分離劑，質量濃度710 mg/L；B 為高效水質凈化劑，質量濃度250 mg/L；C 為水質凈化劑，質量濃度29 mg/L。物理分離器作用原理主要依靠投加油水分離劑，在藥劑的作用下通過15 min 左右的靜沉，將油和水進行分離。氣浮殺菌作用機理是依靠投加高效水質凈化劑及水質凈化劑，通過旋流氣浮作用進一步分離水中的雜質，并通過紫外線殺菌裝置進行殺菌[3-5]。采用抗污染平板陶瓷過濾器，使水流與陶瓷濾芯以45°夾角進入，通過表面的孔隙進行過濾，采用定期反沖洗的方式進行再生，每24 h反沖洗一次，在實際使用過程中根據水質變化調整反沖洗周期以提高再生效果，內部循環比約為15%，噸水加藥量為0.989 kg，產生渣量約為處理水量的80%（含水率40%～60%）。

圖1 物化結合法深度處理現場試驗工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of field test process for advanced treatment by physical-chemical combination method

1.1.2 處理效果

試驗時來水含聚濃度平均為835 mg/L，表面活性劑濃度平均為68.8 mg/L，黏度平均為9.1 mPa·s，pH 值平均為10.55，試驗設備處理量1 m3/h（圖2）。

圖2 處理現場及處理效果Fig.2 Treatment site and treatment effect photos

處理后含油濃度平均為1.98 mg/L、懸浮物濃度平均為5.09 mg/L，黏度由平均9.1 mPa·s降低為0.21 mPa·s（表1）。

表1 處理效果Tab.1 Treatment effect

1.1.3 可行性分析

從處理效果看，該技術可以滿足三元污水處理效果的需求，但由于處理過程中投加了大量的藥劑，因此需要配套完善后續含油污泥處理工藝[6]，同時通過藥劑優化進一步降低處理成本；否則在大規模工業化推廣過程中，由于加藥工作量大，后續處理難度大，處理成本高等問題，難以推廣。

1.1.4 處理成本分析

（1）電費。水處理耗電約為1.03 kWh/m3，按每千瓦時電0.638 1元計，折合噸水費用為0.66元。

（2）藥劑費。具體藥劑費如表2所示。

表2 加藥量及費用統計Tab.2 Statistics of dosage and cost

運行費用合計為4.59 元/m3，按噸水產渣量80%計算，將含水率通過離心機進一步脫水后，噸水產渣量應為20 kg，根據無害化油泥處理費用650 元/t 計算，油泥處理費用應為13 元。陶瓷過濾器更換費用為1 000元/根，折算陶瓷過濾器再生費用及清洗費用后，噸水過濾器成本約為0.11元/m3。因此合計處理三元污水費用約需要17.7元/m3。

1.2 三元污水膜處理技術

1.2.1 原理及工藝流程

該技術為物理、化學結合的方法，采用“截聚除油膜裝置+一級反應箱（調pH 值）+澄清裝置+二級反應箱+固液分離裝置+中間水箱+多功能過濾器+精密過濾器”工藝（圖3）處理三元原水，投加2種處理藥劑（pH值調節劑1 000 mg/L、自研凈水劑80 mg/L），噸水加藥量為1.08 kg，噸水產生渣量為120 kg（含水率98%）。膜處理裝置采用的除油膜的表面載能層與水膜間隙發生綜合反應，當含油的水要透過除油膜時，給水以適當壓力，來水一側的水分子即可與膜內水分子發生置換透過，而油被除油膜截聚在膜表面從而成功地實現了油水分離，這種效應定義為“截聚除油”[7]。被阻擋下來的油粒不能粘附到除油膜上，只能存留膜外表面，隨著油粒的不斷增加，油粒相互間發生碰撞凝聚而逐步形成大油粒，在浮力作用下浮升，從而實現油水分離。一級反應器、澄清器、固液分離器、二級反應器的作用原理均是通過投加藥劑，在化學及物理的共同作用下實現水中雜質快速分離。采用錳砂過濾器主要考慮濾料性能及處理成本，同時在原有三元污水常用的石英砂磁鐵礦、海綠石磁鐵礦濾料基礎上探索其他可行的過濾方式。

圖3 三元污水膜處理技術現場試驗工藝流程示意圖Fig.3 Process flow diagram of field test of ternary sewage membrane treatment technology

1.2.2 處理效果

試驗期間來水含聚濃度平均為867 mg/L，表面活性劑濃度平均為55 mg/L，黏度平均為5.3 mPa·s，pH值平均為10.31，試驗設備處理量5 m3/h（圖4）。

圖4 處理現場及處理效果Fig.4 Treatment site and treatment effect

處理后含油濃度平均為4.7 mg/L、懸浮物濃度平均為13.4 mg/L，pH值為7.4（表3）。

表3 試驗效果統計Tab.3 Statistics of test effect

1.2.3 處理成本分析

（1）電費。具體設備耗電量情況如表4所示。

表4 耗電量統計Tab.4 Power consumption statistics

每天電耗52.48 kW，按每千瓦時電0.638 1 元計，則電費：52.48×0.638 1=33.49元/d，折合噸水費用為0.28元。

（2）藥劑費。具體藥劑費如表5所示。

表5 加藥量及費用統計Tab.5 Statistics of dosage and cost

運行費用合計為4.38 元/m3，脫水后噸水產渣量應為20 kg，根據無害化油泥處理費用650元/t計算，油泥處理費用應為13 元，因此合計處理三元污水費用約需要17.38元/m3。

1.3 原水微生物深度處理技術

1.3.1 原理及工藝流程

三元污水站原水采用基于以硫酸根/亞硫酸根為電子受體，以硫代謝為基礎，有機碳源的梯度降解為核心的“厭氧+缺氧+好氧”串聯的BESI（B代表生物，E 代表電子的傳遞，S 代表以硫離子為起點的代謝，I 代表工藝的整合）微生物工藝技術[8]（圖5），主體工藝流程為“自然沉降罐→BESI微生物一體化反應器→旋流氣浮裝置→一級石英砂單層過濾罐→二級石英砂磁鐵礦雙層過濾罐→三級海綠石磁鐵礦雙層過濾罐”，其中自然沉降罐停留時間8 h，微生物反應器停留時間24 h，旋流氣浮裝置停留時間20 min，一濾濾速為8 m/h，二濾濾速為6 m/h，三濾濾速4 m/h，反洗周期48 h，處理量120 m3/h。

圖5 強堿三元復合驅采出水原水微生物深度處理技術現場試驗工藝流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of field test process of microbial advanced treatment technology for produced water from strong alkali ASP flooding

1.3.2 處理效果

試驗期間來水含聚濃度平均為1 000 mg/L，表面活性劑濃度平均為60 mg/L，黏度平均為5.2 mPa·s，pH 值平均為11.3，試驗設備處理量5 m3/h（圖6）。

圖6 處理現場及處理效果Fig.6 Treatment site and treatment effect

處理后含油濃度平均為3.34 mg/L、懸浮物濃度平均為3.74 mg/L（圖7）。

圖7 處理效果曲線Fig.7 Treatment effect curve

1.3.3 處理成本分析

針對三元原水，采用上述處理工藝技術，處理后水質達到含聚污水低滲透層回注水水質指標要求（雙5），噸水成本1.956元（耗電0.596元+耗氣0.64元+營養劑0.32元+殺菌劑0.4元），由于全處理流程不需要投加大量凈水藥劑，因此不需要考慮大量油泥的處理問題。

2 應用可行性對比

2.1 技術可行性分析

針對三元原水，采用三種工藝均可以達到含油、懸浮物、粒徑中值“20、20、5”的處理指標[9]。但由于采用膜處理及物化結合法需投加大量藥劑，產生大量浮渣，在實際大規模應用中存在較大的難題，推廣難度大。采用微生物法可以避免大量投加藥劑，可操作性強，在實際應用中有大規模處理聚驅污水的成功先例，推廣性較強。

2.2 經濟可行性分析

由于膜處理法及物化結合法產生的大量浮渣需要處理，總處理成本較高，每噸超過17 元，而微生物法不需要處理大量浮渣，總體處理成本有絕對的優勢（表6）。

表6 各工藝對比Tab.6 Comparisonof each process

3 應用前景展望

通過對以上幾種三元復合驅采出水處理技術進行現場試驗，初步得出了以下幾點結論：

（1）三元復合驅采出水由于成分復雜，化學劑含量較高，見劑高峰期處理達標難度較大，有必要探索更有效的處理技術，通過物化結合法及膜處理法，雖然能夠將水中的復雜成分變成渣分離出來，改善水質，從而為后續物理處理工藝降低難度，實現達標處理，但產生的大量浮渣給大規模推廣帶來較大的難度，提高了處理成本，相比微生物法，推廣性較差。

（2）采用物化結合法及膜處理法處理污水，需要配套研究浮渣處理工藝，對析出的浮渣進行減量無害化處理，降低處理成本，提高可推廣性[10]。

（3）需要進一步研究有效、成本可控的化學處理藥劑，以進一步降低處理成本。