含聚采出水純物理除油技術(shù)研究與應(yīng)用

丁 慧

（勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東東營(yíng) 257026）

含聚采出水純物理除油技術(shù)研究與應(yīng)用

丁 慧

（勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東東營(yíng) 257026）

文章重點(diǎn)介紹了含聚采出水純物理處理技術(shù)——高梯度聚結(jié)氣浮技術(shù)的提出及研究方向，并有針對(duì)性地進(jìn)行了高梯度 （旋流）聚結(jié)、高梯度聚結(jié)氣浮的研究，開發(fā)了 “材料聚結(jié)＋旋流聚結(jié)＋溶氣氣浮”的純物理工藝技術(shù)，研制的高梯度聚結(jié)氣浮一體化除油設(shè)備、高效微氣泡溶氣裝置和管式溶氣釋放器成功應(yīng)用于1萬m3/d的采出水處理工程中，在不投加任何處理藥劑、來水含聚合物60 mg/L、含油高度乳化、粒徑0～6 μm的油珠占98%、含油≤500 mg/L的條件下，出水含油保持在50 mg/L以下，達(dá)到回注水混凝沉降進(jìn)水含油指標(biāo)，且不產(chǎn)生老化油，污泥量少。

含聚污水；純物理工藝；高梯度聚結(jié)；高梯度聚結(jié)氣浮

0 引言

隨著勝利油田進(jìn)入開發(fā)后期， “三次”采油手段不斷豐富、規(guī)模不斷擴(kuò)大，在開發(fā)水平持續(xù)提高的同時(shí)，含聚采出水回注處理已成為地面工程建設(shè)的技術(shù)瓶頸之一。

勝利油田目前含聚采出水量占總水量的46%，含聚采出水站來水含油量最高達(dá)到6 000 mg/L，聚合物質(zhì)量濃度最高達(dá)180 mg/L。含聚采出水很難靠傳統(tǒng)常規(guī)工藝處理達(dá)到回注指標(biāo)。這主要是因?yàn)楹鄄沙鏊泻罅康木酆衔锖褪突撬猁}等驅(qū)油劑，使其乳化性質(zhì)與水驅(qū)采出水有本質(zhì)的不同，如油珠表面ξ電位高、油水界面膜強(qiáng)度大、油珠呈現(xiàn)W/O和O/W多重乳化和不規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu)，這些特性最終導(dǎo)致油水分散體系穩(wěn)定、分散相粒徑細(xì)小，阻礙了油水的自然分離。

近年來為解決含聚采出水的達(dá)標(biāo)回注問題，勝利油田采用了化學(xué)氣浮工藝，水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，卻因?yàn)樵谒型度氪罅康年栯x子型除油劑和無機(jī)鹽混凝劑，產(chǎn)生了嚴(yán)重的老化油和含油污泥問題，不僅造成原油流失、處理成本增加，更嚴(yán)重的是極大地增加了環(huán)保壓力，同時(shí)也因?yàn)樵椭杏兴巹埩羰瓜掠螣捇艿揭欢ǔ潭鹊挠绊憽?/p>

因此，研發(fā)一種新型的純物理含聚采出水除油技術(shù)、不投加化學(xué)藥劑、不產(chǎn)生老化油和含油污泥、出水含油達(dá)到混凝沉降進(jìn)水指標(biāo)100 mg/L（在進(jìn)站污水含油達(dá)到1 000 mg/L以下的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)），已經(jīng)成為勝利油田可持續(xù)發(fā)展形勢(shì)的需要。

1 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)指標(biāo)

1.1 研究?jī)?nèi)容

按照室內(nèi)小試、現(xiàn)場(chǎng)中試、工業(yè)化應(yīng)用三步走的總路線，完成項(xiàng)目的研究及應(yīng)用。

（1）高梯度聚結(jié)研究。對(duì)大口徑中速旋流管進(jìn)行研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

（2）高梯度物理聚結(jié)技術(shù)研究。將材料聚結(jié)與高梯度聚結(jié)有機(jī)整合，開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

（3）高梯度聚結(jié)氣浮技術(shù)研究。有機(jī)融合 “材料聚結(jié)＋高梯度聚結(jié)＋氣浮”技術(shù)，開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

（4）示范工程。針對(duì)1萬m3/d的采出水處理示范工程，開發(fā)高梯度聚結(jié)氣浮裝置、壓力溶氣裝置、溶氣釋放裝置以及配套的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程整體的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

（1）污油去除率：當(dāng)污水含油1 000 mg/L以上時(shí)，污油去除率達(dá)90%；當(dāng)污水含油1 000 mg/L以下時(shí)，處理后污水含油在100 mg/L以下。

（2）對(duì)小油珠去除率：高度乳化的含油污水對(duì)于粒徑在6 μm以下的油珠去除率達(dá)85%以上。

（3）運(yùn)行成本：電耗為 0.1元/m3，藥耗為0 元/m3。

2 高梯度聚結(jié)研究

2.1 大口徑旋流元件研究

（1）大口徑旋流元件的提出。為滿足大規(guī)模工程需要，并適應(yīng)重力流程低能耗的工況，提出開發(fā)150 mm的大口徑旋流元件進(jìn)行試驗(yàn) （如圖1所示）。經(jīng)理論分析，通過采用中速旋流，不僅可使內(nèi)外圈油滴產(chǎn)生較高的線速度梯度，實(shí)現(xiàn)碰撞聚并，同時(shí)可有效避免高速旋流產(chǎn)生的高剪切力對(duì)大油珠造成的二次乳化。

圖1 高梯度聚結(jié)元件

（2）高梯度流場(chǎng)數(shù)值模擬?？刂菩鞴苓M(jìn)水流量為5 m3/h，對(duì)旋流元件進(jìn)口提供5 m/s的流速，采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得知旋流管內(nèi)產(chǎn)生中速旋流，形成高速度梯度流場(chǎng)，油珠碰撞次數(shù)達(dá)到104次。

2.2 高梯度聚結(jié)室內(nèi)試驗(yàn)

（1）室內(nèi)試驗(yàn)裝置。根據(jù)流場(chǎng)模擬研究成果，在試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)、構(gòu)建高梯度聚結(jié)室內(nèi)試驗(yàn)裝置并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。試驗(yàn)條件：進(jìn)水流量控制在5 m3/h，由試驗(yàn)室內(nèi)水罐供水，試驗(yàn)時(shí)間為2009年3月至6月，處理工藝采用高梯度聚結(jié)工藝。

圖2 高梯度聚結(jié)室內(nèi)試驗(yàn)裝置

（2）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與分析。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 高梯度聚結(jié)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果分析：由室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用高梯度聚結(jié)處理含油污水是有效的，平均除油率為43.5%。但僅采用高梯度聚結(jié)工藝除油率很有限。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本裝置及工藝對(duì)來水含油具有一定的抗沖擊能力，進(jìn)水含油變化在1 300 mg/L至100 mg/L之間時(shí)，污油平均去除率能夠保持在40%左右。另外，在進(jìn)水含油量增大時(shí)，污油去除率出現(xiàn)提高的趨勢(shì)。

3 高梯度物理聚結(jié)技術(shù)研究

為達(dá)到較高的除油率，在高梯度聚結(jié)研究的基礎(chǔ)上，將其與材料聚結(jié)有機(jī)集成，開發(fā)了高梯度物理聚結(jié)技術(shù)。其中，聚結(jié)材料采用蛋托型式，水流為側(cè)向流。

3.1 高梯度物理聚結(jié)試驗(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置見圖3。試驗(yàn)地點(diǎn)選在勝利油田勝利采油廠坨一聯(lián)合站。試驗(yàn)用水采用坨一污水站來水；來水流量為3～5 m3/h；試驗(yàn)時(shí)間為2009年7月至9月。

圖3 高梯度物理聚結(jié)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

結(jié)果分析：由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)水含油在13 000 mg/L至1 000 mg/L之間、含聚150 mg/L以內(nèi)的條件下，出水平均含油為591.28 mg/L，工藝裝置平均去除率由單一高梯度聚結(jié)的43.5%增長(zhǎng)至77.72%。試驗(yàn)結(jié)果說明高梯度物理聚結(jié)裝置能夠適應(yīng)高含油污水的沖擊，并驗(yàn)證了隨含油量增加除油率提高的規(guī)律。

4 高梯度聚結(jié)氣浮技術(shù)研究

根據(jù)高梯度聚結(jié)技術(shù)研究、試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)結(jié)果，含聚污水含油去除率沒有達(dá)到理想水平，綜合國(guó)內(nèi)外油田水處理工藝調(diào)研結(jié)果，氣浮是一種可控性較強(qiáng)的水處理工藝。為進(jìn)一步提高含聚污水處理效果，結(jié)合氣浮工藝開發(fā)了高梯度物理聚結(jié)氣浮試驗(yàn)裝置，開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。

4.1 高梯度聚結(jié)氣浮試驗(yàn)裝置

裝置原理為 “材料聚結(jié)+旋流+氣浮除油”。一級(jí)采用正弦波折流聚結(jié)板，去除大部分浮油和分散油，強(qiáng)化3μm以下小油滴的碰撞聚結(jié)；二級(jí)采用中速旋流，建立高梯度使油滴進(jìn)一步聚并，同時(shí)實(shí)施溶氣氣浮，使氣泡攜帶油滴上浮?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置見圖4。

表2 高梯度物理聚結(jié)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 高梯度聚結(jié)氣浮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在勝利油田勝利采油廠坨一聯(lián)合站。試驗(yàn)流程見圖5。

圖5 高梯度聚結(jié)氣浮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程

試驗(yàn)時(shí)間為2009年11月至12月，進(jìn)水設(shè)計(jì)流量為0.6 m3/h。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 高梯度聚結(jié)氣浮試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，裝置除油效果明顯，除油率較高。在額定0.6 m3/h設(shè)計(jì)流量下、回流比為100%時(shí)，除油率最高，為85%以上，平均94.09%；當(dāng)回流比降低和流量升高時(shí)，除油率有所降低，因此，工程上的回流比采用100%。

5 高梯度聚結(jié)氣浮示范工程

基于前期的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，2010年在勝利油田勝利采油廠坨一聯(lián)合站實(shí)施了1萬m3/d示范工程。

5.1 工程概況

（1）工程主體為高梯度聚結(jié)氣浮裝置，利用該站3 000 m3事故罐改造而成，油站分出的污水直接進(jìn)該裝置。工程配套了氮?dú)馊軞庀到y(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：來水聚合物含量60 mg/L，原油相對(duì)密度0.917 4，水溫≤40℃。

（3）設(shè)計(jì)規(guī)模：1萬m3/d。

5.2 工程效果

示范工程于2010年11月10日正式運(yùn)行，工程現(xiàn)場(chǎng)照片見圖6。

5.3 數(shù)據(jù)分析

（1） 除油率。示范工程穩(wěn)定運(yùn)行期間，分階段對(duì)高梯度聚結(jié)氣浮裝置進(jìn)出口進(jìn)行取樣分析，見圖7和表4。

圖7 高梯度聚結(jié)氣浮裝置進(jìn)出水含油指標(biāo)

表4 高梯度聚結(jié)氣浮裝置水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

由上述檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，裝置進(jìn)水平均含油量為237.88 mg/L，出水平均含油量為32.93 mg/L，平均去除率為85.88%，出水含油達(dá)到了混凝沉降構(gòu)筑物進(jìn)水指標(biāo)100 mg/L的要求。

（2） 油珠粒徑。裝置進(jìn)出口油珠粒徑分析見表5。由表5數(shù)據(jù)可見，坨一站裝置進(jìn)出口油珠粒徑分布范圍較窄，主要介于0～6.0 μm。其中來水油珠粒徑 ＜6.0 μm的占98%。該類型污水油滴小，油水分散體系穩(wěn)定，處理難度大，不適宜采用常規(guī)污水處理工藝。經(jīng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出水中≤ 2 μm油珠所占比例增加，＞2 μm油珠所占比例減小，表明裝置已經(jīng)有效去除了較

表5 高梯度聚結(jié)氣浮裝置進(jìn)出水油珠粒徑分析

大粒徑油珠，污水中殘留污油基本是極難處理的微小粒徑油珠。

（3）氣浮回收原油物性。為驗(yàn)證氣浮回收原油物性有無變化，將裝置回收原油與坨一站外輸凈化油在同等條件下進(jìn)行黏度分析，見表6。

表6 氣浮回收原油與凈化油黏度對(duì)比/mPa·s

由表6可知，除油裝置回收的原油含水率37.75%，隨溫度升高黏度降低，無老化現(xiàn)象。與同等條件下凈化油對(duì)比黏度升高不明顯，可以得出不影響油站原油沉降脫水的結(jié)論。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

該項(xiàng)研究成果將用于勝利油田含聚污水處理，為經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行化學(xué)驅(qū)開發(fā)提供技術(shù)支持。

該技術(shù)為純物理不加藥處理，運(yùn)行成本僅為電耗，約0.1元/m3，較目前在用的化學(xué)氣浮工藝可節(jié)省藥劑費(fèi)0.4元/m3水，節(jié)省老化油和污泥處置費(fèi)0.3元/m3水，合計(jì)節(jié)省處理費(fèi)0.7元/m3水。

7 結(jié)論與下一步工作

7.1 結(jié)論

（1）系統(tǒng)研究了油田含聚采出水的特征，明確了純物理除油方法的技術(shù)方向。

（2）對(duì)高梯度聚結(jié)進(jìn)行了機(jī)理研究和室內(nèi)小試，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了 “材料聚結(jié)＋高梯度聚結(jié)”的純物理聚結(jié)裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，高梯度物理聚結(jié)裝置除油效果明顯，達(dá)到77.72%。

（3）為進(jìn)一步提高除油效果，將 “材料聚結(jié)＋高梯度聚結(jié)”與 “氣浮”工藝有機(jī)集成，開發(fā)了高梯度聚結(jié)氣浮試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，除油率有明顯提高，平均達(dá)到94.09%。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了溶氣水回流比等主要參數(shù)。

（4）提出了高梯度聚結(jié)氣浮技術(shù)，并成功應(yīng)用到處理規(guī)模1萬m3/d的實(shí)際工程中，自2010年11月穩(wěn)定運(yùn)行以來，不投加處理藥劑，在來水含油≤500 mg/L、聚合物含量60 mg/L、原油高度乳化、1～6 μm油珠占98%的條件下，出水含油穩(wěn)定達(dá)到40 mg/L以下，達(dá)到了混凝沉降進(jìn)水含油指標(biāo)，不產(chǎn)生老化油，污泥產(chǎn)量少。運(yùn)行成本僅為溶氣水回流電耗，約0.1元/m3。

7.2 技術(shù)創(chuàng)新

（1）開發(fā)的 “材料聚結(jié)＋高梯度聚結(jié)＋氣浮”三合一技術(shù)，適合勝利油田含聚處理，除油效率高，且具有不加藥、不產(chǎn)生老化油、污泥量少的特點(diǎn)。

（2）高梯度聚結(jié)氣浮裝置主體區(qū)集成 “高梯度聚結(jié)＋氣浮”的設(shè)計(jì)，使小油珠在與氣泡結(jié)合前先聚并成大油珠，與傳統(tǒng)單一的氣浮方式相比較，氣浮接觸率效果更好，提高了小油珠的去除率。

（3）開發(fā)的316 L不銹鋼微孔管式釋放器，具有溶氣釋放均勻、氣泡小、耐腐蝕、不易結(jié)垢、不易堵塞、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

（4）開發(fā)的 “混合罐＋高效溶氣罐”兩級(jí)壓力溶氣系統(tǒng)，提高了溶氣效率。

（5）開發(fā)的臥式高效溶氣罐，通過內(nèi)部設(shè)置高效溶氣罐微氣泡發(fā)生裝置和高效氣泡分割填料，在溶氣壓力0.4 MPa的條件下，溶氣量達(dá)到6%以上，較勝利油田在用技術(shù)提高溶氣量20%以上。

（6）保留傳統(tǒng)大罐運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)，自流出水，能耗省，成本低。

7.3 下一步工作

隨著勝利油田 “三次”采油工作的不斷深化，含聚采出水處理難度將進(jìn)一步增大。今后，擬在此研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展高梯度聚結(jié)氣浮技術(shù)對(duì)高含聚采出水和二元驅(qū)采出水的適應(yīng)性研究，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為勝利油田提高采收率提供技術(shù)支撐。

[1]馮永訓(xùn).油田采出水處理設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[2]孫成金.聚合物驅(qū)采出液和含油污水油水分離研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2007.

Research and Application of Purely Physical Deoiling Process for Polymer-flooding Produced Water

DING Hui（Shengli Engineering and Consulting Company,Ltd.,Dongying 257026,China）,

This article focuses on the proposition and research direction about the purely physical treatment technology which is high-velocity-gradient coalescence and flotation for polymer-flooding produced water.And it is targeted for the research about the high gradient（cyclone） coalescence and high-velocity-gradient coalescence and flotation,and the development of the purely physical process technology of“material coalescence+cyclone coalescence+dissolved nitrogen flotation”.As the main research results,the integral highvelocity-gradient coalescence and flotation oil removal equipment as well as the efficient micro-bubble dissolved device and tube dissolved gas release device have been successfully applied to a project of 10 000 m3/d productivity.In the conditions of without adding any process agent and water inflow having polymer of 60 mg/L,highly emulsified oil,98%of 0 ～ 6 μm oil droplet size and oil content not more than 500 mg/L,the outlet oil content remain less than 50mg/L which meet coagulation device inlet water quality.The device produces no aging oil and less sludge.

polymer-flooding produced water;purely physical process;high-velocity-gradient coalescence;high-velocity-gradient coalescence and flotation

TE357.61

A

1001－2206（2011）04－0062－05

丁 慧 （1969-），女，山東龍口人，高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于上海同濟(jì)大學(xué)給排水專業(yè)，現(xiàn)從事油田采出水處理與環(huán)保領(lǐng)域的科研設(shè)計(jì)工作。

2011-04-20；

2011-05-26