海上油田含聚污水處理工藝優(yōu)化研究

陳文娟，靖　波，檀國榮，孟凡雪，張　健，尹先清（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100028；2.中海油研究總院，北京100028；.長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北荊州4402）

海上油田含聚污水處理工藝優(yōu)化研究

陳文娟1，2，靖波1，2，檀國榮1，2，孟凡雪1，2，張健1，2，尹先清3
（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100028；2.中海油研究總院，北京100028；3.長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北荊州434023）

對聚驅采出液黏度上升、穩(wěn)定性增強導致平臺污水處理系統(tǒng)運行效率下降的問題，在實驗室內模擬海上平臺污水處理流程，建立了污水連續(xù)處理模擬裝置，系統(tǒng)優(yōu)化各操作參數(shù)，以提高污水處理系統(tǒng)的整體運行效果。實驗結果表明，優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)：斜管除油罐斜管傾角為50°，污水停留時間為20～60m in；氣浮選器曝氣量為5.9 L/min，孔徑為30～60μm；過濾器濾料為核桃殼，粒徑1.6～2.0mm，填料高度為石英砂墊層的5倍。

海上油田；含聚污水；斜管除油；氣??；過濾

聚合物驅提高采收率技術是海上油田增儲上產和穩(wěn)油控水的重要技術之一，相關研究結果及礦場應用均證實了該技術的可靠性與經濟有效性〔1-5〕。但是，與水驅相比，聚合物注入地層后不可避免地隨流體產出，導致聚驅采出液的成分比常規(guī)水驅更為復雜，穩(wěn)定性更強，處理難度加大〔6-10〕。海上聚合物驅采出液處理流程短，空間有限，對設備的高效運行依賴性高。因此，如何提高現(xiàn)有設備的運行效率，以保證采出液被高效快速處理，是海上油田含聚采出液處理研究的重點和難點之一〔11〕。

目前，聚驅生產污水是經“斜管除油-氣浮-過濾”三步工藝處理后達標回注。由于產出液返聚現(xiàn)象，與水驅相比，聚驅產出液黏度上升，穩(wěn)定性增強，導致平臺污水處理系統(tǒng)運行效率下降，主要體現(xiàn)在：（1）沉積聚合物堵塞斜管除油罐，降低了分離效率；（2）浮選器除油功能下降；（3）核桃殼過濾器的濾料污染板結嚴重，無法正常運行，致使處理后污水油含量、懸浮物含量均超標；（4）處理流程中的單元設備內均不同程度地出現(xiàn)油泥及絮狀物，其沉積在設備出水口的底部，導致設備運行效果大大下降。

本研究針對海上油田含聚污水處理系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，參照平臺污水處理工藝流程建立了污水連續(xù)處理模擬裝置，開展了含聚污水處理的工藝優(yōu)化研究，以提高海上平臺含聚污水處理系統(tǒng)的整體運行效果。該項研究可為油田現(xiàn)場污水處理工藝的調整提供指導與借鑒。

1　材料與方法

1.1實驗用水

實驗采用模擬污水。配制方法：將一定量原油、懸浮物、聚合物溶液加入到模擬水中，在60℃下用FA30高速乳化機高效剪切乳化。模擬水按照某海上油田管匯污水成分配制，主要離子成分：Na+2140.85 mg/L、K+263.70mg/L、Ca2+98.93mg/L、Mg2+57.53mg/L、NH4+25.00mg/L、Cl-3 799.13mg/L、SO42-80.00 mg/L、HCO3-740.04mg/L、游離CO28.29mg/L、SiO232.00 mg/L，總礦化度為7 205.18mg/L。油樣為某海上油田現(xiàn)場原油；聚合物為油田現(xiàn)場所用聚合物；懸浮物使用標準鈉搬土。剪切速度為7 000 r/min，剪切時間為5～10min。實驗中所涉及的清水劑為現(xiàn)場用清水劑。

1.2實驗裝置

實驗采用自制污水連續(xù)處理模擬裝置，詳見參考文獻〔12〕。

2　結果與分析

2.1斜管除油罐分離效率優(yōu)化

斜管除油提高油水分離效率的依據(jù)是“淺池沉淀理論”，其處理效果主要受斜管傾角、污水停留時間等工藝參數(shù)的影響。

2.1.1斜管傾角優(yōu)化

配制含聚200 mg/L、SS為100 mg/L的模擬污水，在清水劑投加量為200mg/L，污水停留時間為20min的條件下，研究了斜管傾角（傾角分別為45°、50°、60°，管徑均為15mm）對斜管除油罐處理污水效果的影響，結果見表1。

表1　斜管傾角對斜管除油罐處理污水效果的影響

斜管傾角的大小會直接影響到除油效率和油泥堵塞。實驗結果表明，斜管傾角為45°和50°的除油率相差無幾，當斜管傾角加大到60°時，除油率和懸浮物去除率均下降。由于含聚污水具有一定的黏性，為防止分離聚集的含聚油泥堵塞斜管下部，斜管傾角不宜太小。綜合考慮，斜管傾角以50°為宜。

2.1.2污水停留時間優(yōu)化

配制含聚200 mg/L、SS為100mg/L的模擬污水，在清水劑投加量為200mg/L，斜管除油罐斜管管徑為15mm，斜管傾角分別為50°及60°的條件下，研究了污水停留時間對斜管除油罐處理污水效果的影響，結果如圖1所示。

圖1　停留時間對斜管除油罐處理污水效果的影響

由圖1可以看出，當污水停留時間在15～40min范圍內時，隨著污水停留時間的增加，斜管除油罐的除油效率增大，污水停留時間到達30min時，便可取得較好的處理效果。另外，傾角為50°時的除油率和懸浮物去除率要優(yōu)于傾角為60°。

2.2氣浮選器分離效率優(yōu)化

氣浮選是利用高度分散的微小氣泡作為載體，吸附在欲去除的顆粒（油粒）上，使其浮力大于重力和阻力，利用浮力將其帶出水面，然后集中收集上浮物，實現(xiàn)分離目標的技術。因為微小氣泡能與疏水性的顆粒（油粒）結合在一起，帶其一起上升，上浮速度可提高近千倍，分離效率很高。該技術對于去除膠態(tài)油與乳化油具有較好的效果。氣浮選器的處理效果主要受曝氣量及浮選器孔徑等工藝參數(shù)的影響。

2.2.1曝氣量優(yōu)化

采用多孔材料布氣浮法原理制備氣體分布器，研究曝氣量對除油率的影響。配制含聚200mg/L的模擬污水，在氣浮池水深為30 cm，氣體分布器孔徑為80～100μm，溫度為55℃，氣浮處理污水時間為10min，清水劑投加量為200mg/L的條件下，研究了曝氣量與除油率的關系，結果如圖2所示。

圖2　氣浮選器氣體流量對除油率的影響

由圖2可以看出，當氣體流量在5.9～11.4 L/min范圍內時，浮選氣量越大，除油率越高；當氣體流量＞11.4 L/min后，除油率呈下降趨勢。在一定范圍內，氣體流量越大，污水中顆粒物質（絮體、油珠）被氣泡捕獲的幾率越大，除油率越高。但浮選氣量并不是越大越好，一方面，氣泡數(shù)密度太高，氣泡間碰撞與并聚的幾率增大，很多小氣泡結合成大氣泡，大氣泡和油滴在浮升的過程中很容易變形成為橢圓狀，浮升阻力增大；另一方面，大氣泡在浮升過程中因擺動強烈自動破碎的幾率較大，兩方面的作用將導致氣浮效率下降。根據(jù)實驗結果，綜合考慮運行成本等因素，確定適宜的氣體流量為5.9 L/min左右。

2.2.2氣體分布器孔徑大小優(yōu)化

采用多孔材料布氣浮法原理制備系列氣體分布器，孔徑分別控制為30～60、80～100、150～200、800～2 000μm。配制含聚200mg/L的模擬污水，在氣浮池水深為30 cm，溫度為55℃，氣浮處理污水時間為10min，清水劑投加量為200mg/L的條件下，研究了氣體分布器孔徑與除油率的關系，結果如表2所示。

表2　氣體分布器孔徑對處理效率的影響

由表2可以看出，當氣體分布器孔徑為30～60μm時，除油率最高，表明合適的氣泡粒徑有利于顆粒物與氣泡的碰撞黏附。氣泡的大小直接影響氣浮效果，大直徑的氣泡在上升過程中易破乳，使油珠和絮體不易黏附，甚至打散氣浮層，使氣浮出水濁度升高，降低氣浮效率。適宜的氣體分布器孔徑為30～60μm。

2.3過濾器分離效率優(yōu)化

過濾器通過孔徑篩分機理實現(xiàn)對油及懸浮物的截留。過濾器運行到一定程度后，需進行濾料清洗，將截留吸附在濾料床層中的油污和懸浮物去除，恢復濾床的過濾能力。工業(yè)上含聚污水核桃殼過濾器的最佳濾速為16～20 m/h，要求進水含油質量濃度≤80mg/L，懸浮物質量濃度≤30mg/L，出水可達到含油質量濃度≤20mg/L，懸浮物質量濃度≤8mg/L的過濾效果。對影響過濾器過濾效率的填充濾料種類、粒徑以及填料高度等主要因素開展了優(yōu)化實驗研究。

2.3.1濾料種類優(yōu)選

選取石英砂、核桃殼、無煙煤3種濾料，將其清洗干凈。在3個過濾器中先分別填充150mm厚粒徑為2.0mm的石英砂作為墊層，再填裝150mm高粒徑為2.0mm的不同濾料，用清水自上而下流動自然填充待用。配制3L含聚200mg/L、含油196.0mg/L、含懸浮物200mg/L的模擬污水，首先對其進行斜管分離及氣浮處理，然后采用裝填不同濾料的過濾器對氣浮出水進行處理，結果見表3。

表3　不同濾料過濾效果分析

實驗結果表明，裝填核桃殼濾料的過濾器對污水中油及SS的去除率最高，其次是裝填無煙煤濾料的過濾器。綜合考慮除油率、SS去除率及濾后水的顆粒粒徑范圍，尤其是過濾速度，確定采用核桃殼作為過濾器的濾料。

2.3.2核桃殼濾料粒徑優(yōu)選

將石英砂、核桃殼濾料清洗干凈。在3個過濾器中先分別填充150mm厚粒徑為2.0mm的石英砂作為墊層，再填裝150mm高粒徑分別為1.6～2.0、0.9～1.2、0.5～0.8mm的核桃殼，用清水自上而下流動自然填充待用。配制3 L含聚200mg/L、含油196.0 mg/L、含懸浮物200mg/L的模擬污水，首先對其進行斜管分離及氣浮處理，然后采用裝填不同粒徑核桃殼的過濾器對氣浮出水進行處理，結果見表4。

表4　濾料粒徑對過濾效果的影響

實驗結果表明，裝填粒徑0.5～0.8mm核桃殼濾料的過濾器對污水中油及SS的去除率最高，但其過濾阻力相應較大，使得單位過濾能力下降。綜合考慮除油率、SS去除率及濾后水的顆粒粒徑范圍，尤其是過濾阻力及過濾能力等因素，確定選用粒徑為1.6～2.0mm的核桃殼濾料。

2.3.3濾料填充高度優(yōu)化

將石英砂、核桃殼濾料清洗干凈。在3個過濾器中先分別填充一定厚度粒徑為2.0mm的石英砂作為墊層，再填裝高度分別為250、200、150mm粒徑為0.9～1.2mm的核桃殼，石英砂和核桃殼的總填充高度保持300mm不變，用清水自上而下流動自然填充待用。配制3L含聚200mg/L、含油196.0mg/L、含懸浮物200mg/L的模擬污水，首先對其進行斜管分離及氣浮處理，然后采用裝填不同高度核桃殼的過濾器對氣浮出水進行處理，結果見表5。

表5　濾料填充高度對過濾效果的影響

實驗結果表明，當過濾器中核桃殼填充高度為250mm、石英砂填充高度為50mm（核桃殼與石英砂填充高度比為5∶1）時，油及SS去除率最佳。

3　結論

采用污水連續(xù)處理模擬裝置對海上油田含聚污水處理系統(tǒng)進行了工藝參數(shù)優(yōu)化。結果表明，最佳工藝參數(shù)：斜管除油罐的斜管傾角為50°，污水停留時間為30min；氣浮選器的曝氣量為5.9 L/min，孔徑為30～60μm；過濾器的濾料為核桃殼，粒徑為1.6～2.0mm，填料高度為石英砂墊層的5倍。在上述最佳條件下，系統(tǒng)對污水中油及懸浮物的處理效果最佳。

［1］張鳳久，姜偉，孫福街.海上稠油聚合物驅關鍵技術研究與礦場試驗［J］.中國工程科學，2011，13（5）：28-34.

［2］周守為.海上油田高效開發(fā)技術探索與實踐［J］.中國工程科學，2009，11（10）：59-60.

［3］周守為，韓明，向問陶.渤海油田聚合物驅提高采收率技術研究及應用［J］.中國海上油氣，2006，18（6）：386-389.

［4］周守為，韓明，張健.用于海上油田化學驅的聚合物研究［J］.中國海上油氣，2007，19（1）：25-29.

［5］孫晨.提高海上稠油油藏早期注聚效果研究［D］.成都：西南石油大學，2012.

［6］孫江波.飛雁灘油田聚合物驅采出液處理技術［J］.油氣地質與采收率，2004，11（4）：56-58.

［7］何煥杰，王中華，王永紅，等.國內油田三次采油聚合物驅采出液處理技術研究進展［J］.石油煉制與化工，2002，33（9）：29-32.

［8］劉小東，謝陳鑫.油田含聚污水的處理現(xiàn)狀與研究進展［J］.科技創(chuàng)新導報，2009（10）：136-137.

［9］羅偉福，楊忠，周東月，等.冀東油田高含水含聚合物采出液處理技術［J］.油田化學，2009（1）：136-137.

［10］馬占林，陳興原，李天德.聚合物驅采出污水深度處理的實驗研究［J］.海洋石油，2010，30（1）：81-84.

［11］方健.旅大10-1油田聚驅采出液化學處理技術進展［J］.天津化工，2014，28（6）：44-46.

［12］尹先清，靖波，張健，等.微型多功能含油污水處理裝置：中國，10554801.3［P］.2014-03-05.

Research on the optim ization of polym er-bearing wastewater treatmentprocess in offshore oilfields

ChenWenjuan1，2，Jing Bo1，2，Tan Guorong1，2，Meng Fanxue1，2，Zhang Jian1，2，Yin Xianqing3
（1.State Key Laboratory ofOffshoreOilExploitation，Beijing100028，China；2.CNOOCResearch Institute，Beijing100028，China；3.CollegeofChemicaland Environmental Engineering，Yangtze River University，Jingzhou 434023，China）

Aiming at the problems that the viscosity of polymer-flooding produced liquid increases，and the stability enhancement leads to the operation efficiency decrease of the platform wastewater treatment system，and，in the laboratory，the offshore wastewater treatment process has been simulated，the simulated equipment for continuous wastewater treatmentestablished，and all of the operation parameters optimized systematically，in order to improve the integrated operation effects of the wastewater treatment system.The experimental results show that after the optimization，the best process parameters are as follows：the inclined tube angle of the inclined tube oil-removing tank is 50°，wastewater residence time 20-60min，aeration rate ofair flotation device 5.9 L/min，and pore size 30-60μm.The filtermaterialsaremade ofwalnutshells，particle diameter1.6-2.0mm，and theheightof filtermaterials is5 timesofquartzsand thickness.

offshoreoilfield；polymer-bearingwastewater；inclined tubeoil removal；air flotation；filtration

X703

A

1005-829X（2016）10-0080-04

“十二五”國家科技重大專項項目24課題4“海上稠油化學驅油技術”（2011ZX05024-004）

陳文娟（1988—），博士。E-mail：chenwj4@cnooc.com.cn。

2016-07-22（修改稿）