利用盤式曝氧技術提高注入污水含氧量試驗

韓蓓

大慶油田有限責任公司第五采油廠

隨著油田的深入開發，大慶油田已全面進入三次采油階段。聚合物驅油過程中由于大量采用清水配制和稀釋聚合物溶液，致使油田采出污水無法完全回注到地下，造成了污水大量外排及環境污染。與清水相比，油田采出水礦化度較高，應用油田采出污水配制和稀釋聚合物溶液，會使配制聚合物溶液的黏度損失顯著增大，另外其含有的各類還原性物質、有機質和滋生的各類微生物等均會促進黏度損失的增大［1］，因此需要對污水進行曝氧處理以提高注入的聚合物溶液黏度。大量試驗分析表明，污水溶液中含有Fe2+、S2-等二價離子可以使聚丙烯酰胺（HPAM）分子催化氧化產生自由基，對降低HPAM溶液的黏性有直接影響。因此通過增加溶液中氧含量（即曝氧），對Fe2+、S2-等離子進行氧化去除，可顯著提高HPAM溶液黏性。

目前大慶油田主要采用射流曝氧工藝提高溶液中含氧量，但是在生產過程中發現，部分聚丙烯酰胺溶液曝氧后溶氧量僅為1.5 mg/L，對Fe2+、S2-等二價離子去除率未能達到預期，并且工藝設備也存在安全隱患。針對射流曝氧污水溶氧量不足的問題，大慶油田采油五廠應用了注水罐盤式曝氧技術，并在A和B兩座配注站開展了盤式曝氧技術現場試驗，內容包括：研究不同曝氧值下HPAM溶液黏性變化，以及不同氣水比對溶液中Fe2+、S2-等二價離子去除率的影響；通過調整氣水比，測量曝氧后溶液中含氧量數值；分析溶氧量提高后對管道等地面設施的影響，從而確定合理的新型曝氧殺菌工藝。

1 盤式曝氧工藝

盤式曝氧技術不同于射流曝氧，無需增壓泵和射流器，其采用供氣增氧微氧化裝置，在罐內增加曝氣器構成增氧系統。由設置在罐外的增壓供氣系統（鼓風機）提供氣源，空氣經微增壓后進入清水罐，并通過增氧系統的曝氣器以小氣泡的形式釋放在水體中，從而對水質好氧物質進行微氧化，減少配注水中的好氧物質，降低其稀釋聚合物母液時的黏度損失，從而提高開發效果。

盤式工藝不改變原有注水流程，空氣經微增壓后進入注水儲罐，再通過空氣管線從罐底進入水罐，并沿罐壁升至罐頂，在罐外做環形運動后，分4～6 根支管重新進罐（圖1）。經此流程，氣體速度減慢，壓力增強，再通過罐底盤式曝氧器，氣體被分割成細小氣泡釋放在水體中，達到與射流曝氧工藝相同效果。此時小氣泡表面增大，與罐體內溶液接觸面積增大，空氣中的氧氣更易溶解于溶液中。由于氣泡直徑小，上升速度變得緩慢，從而延長了氣泡中氧氣溶解于溶液中的時間，促使污水與氧氣的結合更為充分，氧化污水中的還原性物質，殺滅大部分硫酸鹽還原菌和其他一些厭氧菌，從而達到處理污水的目的[2]。

圖1 盤式曝氧工藝流程Fig.1 Disk aeration process flow

2 盤式曝氧技術試驗

當曝氧量達到一定值后，污水中氧氣飽和率趨于飽和狀態，溶氧量增加幅度變緩，并且殺滅SRB后還有剩余氧，聚合物分子鏈會受到氧分子作用而發生斷裂，導致聚合物溶液黏度降低[3]。為使污水稀釋聚合物溶液黏度達到注入標準，應優化污水最佳曝氧量，最大程度利用污水，增加所配聚合物溶液的黏度穩定性[4]。通過實驗，研究標準狀況下曝氧后聚丙烯酰胺溶液黏度隨氧溶解量增加的變化規律。同時為進一步研究盤式曝氧工藝實際應用效果，選取A和B兩座配注站進行試驗，改變不同氣水比，分析溶液中Fe2+、S2-二價離子量以及對溶液氧濃度的影響。兩座配注站現采用射流曝氧工藝進行曝氧（表1），曝氧效果不佳，取樣化驗測得曝氧后溶氧量為1.5 mg/L，溶液中Fe2+、S2-濃度分別為0.52 mg/L和2.33 mg/L。

表1 射流曝氧情況Tab.1 Status of jet aeration

2.1 不同曝氧量對聚合物黏度影響

標準大氣壓下，室內溫度20 ℃，采用“5.5.2”深度處理曝氧污水（表2）調配母液質量濃度（下同）為1 000、1 200、1 400 和1 600 mg/L四種HPAM溶液，測試不同曝氧量下黏度變化。

表2 “5.5.2”深度處理污水水質分析報告Tab.2 Quality analysis report of“5.5.2”advanced treatment sewage

由圖2 可以看出：隨著稀釋污水溶氧量的增加，聚合物溶液黏度呈現先增加、后上下波動趨勢，聚合物溶液的黏度變化不大。聚合物溶液的黏度保留率隨溶氧量的增加先增加、后上下波動，當溶氧量大于5.0 mg/L 時，聚合物溶液的黏度保留率增幅變緩，趨于穩定[5]，HPAM 黏度值增速變緩。因此初步判定溶液內溶氧量達到5.0 mg/L時最適宜（相同條件下，飽和溶解氧質量濃度為8.9 mg/L）。

圖2 不同曝氧量下聚合物黏度值Fig.2 Viscosity value of polymer under different aeration rates

2.2 不同氣水比對污水中Fe2+、S2-去除率影響

理論研究證明，含聚污水中所含的Fe2+、S2-等還原性物質和細菌對聚合物溶液有降解作用，直接用含聚污水配制聚合物溶液影響其驅油效果[6]。Fe2+、S2-在HPAM 溶液中具有催化劑作用，少量即可引發聚合物劇烈的降解作用，是導致溶液黏度降低的主要因素[7-9]。Fe2+、S2-降解聚合物機理見以下反應式：

Fe2+、S2-在與水中的氧發生反應時，生成“·OH”，它是活潑的活性分子，含有負電荷，易和所有無機物和生物大分子有機物發生化學反應，具有非常高的反應速率。聚合物在·OH 和過氧化物存在的情況下，產生了過氧化聚合物（POOH），過氧化聚合物繼續分解生成初級自由基，同時引發連鎖的自動氧化反應。當溫度升高或者具有微量的還原性物質時促進了聚合物中分子鏈的自由基（P·和PO·）繼續發生連鎖氧化反應；接著聚合物分解形成的自由基通過引發α裂解反應或α裂解反應使主鏈斷裂。

曝氧作用能夠有效降低水溶液中亞鐵離子和硫離子的含量，從而使聚合物溶液的黏損大幅度減小[10]。合理的氣水比以及曝氧時間，直接影響污水中兩種離子的去除效果。選擇氣水比范圍1∶1～8∶1分別進行試驗，曝氧時間設定為20 min。化驗離子濃度發現：隨著氣水比提高，Fe2+含量明顯降低，當氣水比在5∶1 及以上時未檢測出亞鐵離子；硫化物在曝氧前后雖然沒有規律性變化，但硫酸鹽還原菌（SRB）是厭氧異氧菌，氧含量增加可以明顯降低菌群數量，提高HPAM溶液黏性。某作業區井采出液不同氣水比條件下溶液中Fe2+、S2-含量變化情況見表3。

表3 某作業區不同氣水比情況下曝氧前后Fe2+、S2-含量Tab.3 Contents of Fe2+and S2-before and after aeration under different gas-water ratios in a certain operation area

2.3 不同氣水比下曝氧前后HPAM溶液中氧含量分析

試驗采用相對分子質量為2 500 萬的部分水解聚丙烯酰胺，配制質量濃度為5 000 mg/L的聚合物母液，實驗溫度為20 ℃，通過試驗分析1∶1～8∶1氣水比范圍內HPAM溶液中氧濃度變化情況。發現曝氧前后，溶液中氧質量濃度從0.5 mg/L 左右升至6.6 mg/L左右；并且隨著氣水比升高，溶液中氧濃度數值增大（圖3）。曝氧處理的污水稀釋聚合物溶液黏度下降率為10%，低于未處理污水稀釋聚合物溶液黏度下降率（19.97%），隨著溶解氧濃度的增大，聚合物黏度呈現先增大后減小的趨勢，溶解氧含量在6.2 mg/L左右時，稀釋聚合物母液后溶液黏度最大。

圖3 不同氣水比下曝氧前后數據分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of data analysis before and after aeration under different gas-water ratios

2.4 溶氧值提高后對管道等地面設施的影響

在A和B兩座注入站開展了氣水比1∶1～8∶1條件下的腐蝕速率監測，通過數據分析可知，總體上隨著氣水比提高，溶氧值隨著升高，腐蝕速率變大。當氣水比高于5∶1 以后，腐蝕速率增速明顯加快；氣水比小于6∶1 時，可以滿足腐蝕速率小于等于0.076 mm/a的標準要求（表4）。

表4 不同氣水比下腐蝕速率對比Tab.4 Comparison of corrosion rates under different gas-water ratios

綜合之前試驗數據分析，當溶液內氧溶量大于5 mg/L時即可滿足曝氧要求，因此設定盤式曝氧工藝氣水比為5∶1 進行曝氧，可以滿足使用需要。此時溶液內Fe2+可以完全去除，硫酸鹽還原菌群數量降低，溶液黏度增加80%左右，現場實際使用效果較好。

3 兩種曝氧工藝對比分析

（1）在相同氣水比的情況下盤式曝氧設備造價及能耗更低。A配注站原采用射流曝氧，曝氧泵為3臺（22 kW），運二備一，采用盤式曝氧后，使用鼓風機替換曝氧泵，運行功率為15 kW，減少運行功率29 kW；B 配注站原曝氧泵功率為15 kW，采用盤式曝氧后，運行功率為4 kW，降低運行功率11 kW。兩座站降低運行功率40 kW，降幅67.8%，年節電35×104kWh，節約電費22.3 萬元。現場試驗所用鼓風機價格為原有注入泵的三分之一。新建曝氧站采用盤式曝氧工藝工程投資為226.5 萬元，采用射流曝氧工藝工程投資為298.5 萬元，采用盤式曝氧工藝比射流曝氧工藝工程投資降低72萬元。

（2）在相同氣水比的情況下盤式工藝曝氧值更高。在相同氣水比的情況下在盤式曝氧器氧傳遞效率高，對水中溶氧量提升幅度大。經現場試驗，使用供氣增壓設備后，出水溶氧量由1.5 mg/L提高到6.6 mg/L，配制聚合物黏度平均提高7.6%。按照A配注站年用干粉300 t、B 配注站年用干粉240 t 計算，年可節約干粉用量41t，年節約費用135.3萬元。

（3）射流曝氧設備故障率高，運行時率低，維修周期長。射流曝氧設備故障主要有三種：①由于維護保養不及時，導致壓縮機磨損過大，故障停機，占總故障的60%；②進口的氣動加壓設備故障，由于設備內部比較精密，國內不能修理，出現故障只能運至國外，維修周期達到60 天，占故障停運行天數的30%；③氣動管線內部凝水，冬季間歇運行時出現凍堵，占故障停運行天數的10%。而盤式曝氧使用的鼓風機、盤式保養器等設備均為國內生產，容易更換和維修。

（4）射流曝氧技術實際應用有不足。射流曝氧設備使用時存在不足，污水經過射流器后，含氧質量濃度可達5 mg/L左右，但經過儲水罐緩存后，外輸時含氧量急劇下降，再通過長距離運輸達到下游站時，含氧濃度穩定在1.5 mg/L左右，且輸送距離越長，污水中含氧量越低[11]。污水處理量波動較大時，會造成水射器過水流量偏離正常工作條件，達不到曝氣要求，因此需要根據實際情況進行適當的射流器規格組合，在不同生產條件下及時調整，才可確保污水處理的效果，而且在生產運行中必須保證射流器的入口壓力及額定排量等符合工藝要求[12]，不利于標準化設計；另外，根據現場數據測試的結果，將污水在射流器后接相同口徑（或小口徑）的管線進緩沖罐方式，由于進入擴散段的氣液混合體系流動受到限制，混合效果受到影響，反應速度慢，處理效果不穩定。

4 結論

盤式曝氧技術在A及B配注站應用取得了較好效果，該技術具有非常好的推廣應用前景。尤其是部分配注站采用射流曝氧工藝后不能滿足黏度指標時，可以采用盤式曝氧工藝技術，且該技術在節能以及節約藥劑用量上均有優勢。

（1）溶液中溶氧量增大可以增加水解聚丙烯酰胺溶液黏度值，在大于5 mg/L 后，黏度值雖然變大，但上升速率明顯變緩。因此從節能角度考慮，設定溶液中曝氧量達到5 mg/L為最經濟曝氧量。

（2）選擇不同氣水比進行曝氧試驗，當氣水比大于5∶1以后，溶液中檢測不到Fe2+。

（3）通過分析不同氣水比下曝氧前后的HPAM溶液，發現曝氧后溶氧量明顯升高，且隨著氣水比升高，溶氧量隨之增大，當氣水比為5∶1 以上時，溶氧量達到5 mg/L以上。

（4）隨著溶液中氧含量增高，輸送管道的腐蝕速率也不斷增加，并且在氣水比高于5∶1 以后，腐蝕速率增速加快。

綜合實驗數據，可以確定盤式曝氧工藝現場應用相關參數。當氣壓比設定為5∶1 時滿足實際生產需求。盤式曝氧工藝未來還應完善相應的測量儀表與控制系統，將裝置主要環節的壓力、水流量和吸氣量等參數在值班室主控設備上直接顯示、自動調節，方便生產管理[10]。