渤海海上油田含聚污水處理技術(shù)分析與思考

鄭 路

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

聚合物驅(qū)是一種有效的提高采收率的3次采油技術(shù)，在為油田帶來增油效果的同時(shí)，也產(chǎn)生了含聚污水的處理難題。含聚污水是一種復(fù)雜的油水體系，污水中除了含有石油烴類、懸浮物顆粒、細(xì)菌、無機(jī)鹽等常規(guī)采油污水中含有的物質(zhì)外，還含有大量殘余聚合物，主要是HPAM(Hydrolyzed Polyacrylamide)，即陰離子型聚丙烯酰胺，相對(duì)分子量較高，是 2×106～5×106。由于其自身的黏稠性和吸附性，含聚污水具有黏度大、原油乳化程度較高、油水很難靠自然沉降分離等特點(diǎn)。處理難度大，采用傳統(tǒng)“老三段”式的污水處理工藝難以達(dá)到外排或回注指標(biāo)。

如果回注污水處理指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，將可能造成近井地帶滲流通道堵塞，油層滲透率降低，從而影響油藏開發(fā)效果。含聚污水的處理效果對(duì)注聚油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義，各油田都在積極探索和研究更加有效的含聚污水處理技術(shù)方案。

1 渤海海上油田含聚污水主要處理工藝

1.1 物理方法

物理方法主要包括重力除油技術(shù)、氣浮方法、吸附過濾技術(shù)等。

（1）重力除油技術(shù)。主要原理是利用油和水的不相溶性以及油水密度差進(jìn)行分離，重力除油技術(shù)可去除機(jī)械分散態(tài)和游離態(tài)油，處理效果穩(wěn)定，管理方便，運(yùn)行費(fèi)用低。斜板除油、水力旋流、機(jī)械分離等均是利用重力除油原理。其中，斜板除油器在渤海海上油田具有較廣泛的應(yīng)用，通常作為生產(chǎn)水系統(tǒng)第一級(jí)油水分離設(shè)備。它是在淺池理論基礎(chǔ)上發(fā)展出來的沉淀裝置，通過在容器內(nèi)部規(guī)律平行布置一定數(shù)量和角度的波紋板（也稱斜管、六角蜂窩斜管、斜管填料），減少沉淀時(shí)間，提高沉降效率。斜板除油技術(shù)具有濕周大、水力半徑小，層流狀態(tài)好、顆粒沉降不受紊流干擾等特點(diǎn)。

斜板除油器基本工作過程是：含油污水混合液進(jìn)入斜板除油器后，沿入口分配器散開向下流，進(jìn)入斜板除油器凝聚段，借助比重差和在聚結(jié)板上凝聚進(jìn)行油水分離。聚結(jié)板為交錯(cuò)排列的平行波紋板，可以提高油滴上升并聚集成較大油滴的速度，使其盡早形成穩(wěn)定油層，從而提高油水分離效率。預(yù)分離后的油水混合物進(jìn)入分離室，分離室設(shè)置有斜板，當(dāng)混合液通過斜板時(shí)，比重較輕的油滴上浮，較重的水下降，由此形成了明顯的油水界面，比重較輕的油層從油箱板頂部自然流入集油室，最后從油出口排出，水則從水出口排出。

（2）聚結(jié)氣浮技術(shù)。根據(jù)進(jìn)氣方式的不同，可將氣浮選機(jī)分為誘導(dǎo)式、射流式和溶氣式3種基本形式。3種形式的氣浮選機(jī)在我國(guó)海上平臺(tái)均有應(yīng)用。其中，誘導(dǎo)式氣浮在早期應(yīng)用較多，近20年來以溶氣式氣浮使用居多。溶氣式氣浮主體一般為微正壓，獨(dú)立設(shè)置帶壓溶氣罐，在溶氣罐內(nèi)浮選氣與生產(chǎn)水混合形成飽和液體，通過管道在浮選機(jī)底部迅速釋放形成大量微氣泡，通過氣泡在上升過程中的吸附和攜帶作用去除生產(chǎn)水中的油滴和懸浮物。

渤海海上油田廣泛采用將溶氣氣浮和聚結(jié)填料相結(jié)合的氣浮技術(shù)。經(jīng)預(yù)處理后的污水進(jìn)入氣浮選機(jī)箱體，在進(jìn)水室和氣水混合物中釋放的微小氣泡[氣泡直徑（30～50）μm]混合。這些微小氣泡粘附在污水中的絮體上，形成比重小于水的氣浮體。氣浮體上升至水面凝聚成浮渣，通過刮渣機(jī)刮至收油槽。在進(jìn)水室較重的固體顆粒在此沉淀，通過排渣閥排出，從而去除大量懸浮物和油。

污水進(jìn)入氣浮裝置布水區(qū)，布水區(qū)設(shè)置有斜板，斜板組件保證在較短時(shí)間內(nèi)水流處于完全的層流狀態(tài)，固液分離徹底，效果穩(wěn)定，受原水波動(dòng)影響較小。并可使絮體在斜板內(nèi)部上浮的過程中發(fā)生二次的絮凝反應(yīng)，增大顆粒的尺寸，提高分離效率，從而進(jìn)一步除油。聚結(jié)氣浮可有效去除污水中的油和懸浮物，去處率>90%。

（3）吸附過濾技術(shù)。雙介質(zhì)過濾器屬于吸附過濾，主要用于從污水中除去較小粒徑的懸浮物和油，生產(chǎn)水由過濾器上部進(jìn)入，在一定壓力下通過濾料層。過濾器內(nèi)裝填2種粒狀濾料，依據(jù)來水水質(zhì)進(jìn)行濾料級(jí)配，上層布以親油粒狀濾料進(jìn)行除油以及粗過濾；下層設(shè)置較細(xì)濾料，進(jìn)一步截留較細(xì)粒徑的懸浮物，使濾料的深層過濾作用得到充分發(fā)揮；在過濾器進(jìn)水管道上預(yù)留了助濾劑加藥口，如有必要，可通過加注藥劑實(shí)現(xiàn)微絮凝過濾，提高過濾器的去除效率，以滿足不同注水水質(zhì)要求。

由于生產(chǎn)水中的油滴和懸浮物被吸附在濾料表面微孔內(nèi)，雙介質(zhì)過濾器運(yùn)行一段時(shí)間后需要進(jìn)行反沖洗操作，雙介質(zhì)濾器采用氣液2段反洗，以達(dá)到防止濾料板結(jié)，清理濾料所吸附的油滴和雜質(zhì)的目的。當(dāng)油品性質(zhì)較差時(shí)，過濾器的反沖洗頻率會(huì)逐漸增加，反沖洗不能將濾料中的油滴和懸浮物清理完全，在反沖洗過程中，濾料會(huì)逐步缺失，過濾器的處理效果會(huì)變差，需要停機(jī)開罐，補(bǔ)充或更換濾料。因此，過濾器一般會(huì)設(shè)置備用。

1.2 化學(xué)方法

化學(xué)方法通過篩選藥劑，在水處理流程中加注，從而提高污水處理效果。渤海海上油田污水處理工藝流程常用化學(xué)藥劑有破乳劑、絮凝劑等。

（1）破乳劑。一種能破壞乳狀液的表面活性劑，通過降低油水界面膜強(qiáng)度達(dá)到破乳效果，實(shí)現(xiàn)油水分離。破乳劑分為水溶性和油溶性2大類，污水處理流程加注的是水溶性破乳劑。

（2）絮凝劑。其主要作用機(jī)理是“聚并”理論，通過電荷中和作用使得污水中難以分離的粒子或顆粒相互靠近，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過吸附橋架作用使粒子或顆粒產(chǎn)生凝聚，然后通過重力沉降和過濾去除。絮凝劑主要分為3大類：有機(jī)絮凝劑，如PAM，即聚丙烯酰胺(Polyacrylamide)；無機(jī)絮凝劑，如PAC，即聚合氯化鋁(Polyaluminium Chloride)；復(fù)合絮凝劑，如PAC+PAM。

2 綏中36-1油田二期調(diào)整項(xiàng)目的含聚污水處理方案

綏中36-1油田位于渤海海域，儲(chǔ)層發(fā)育較好，平均孔隙度為31%，平均滲透率為2000 mD，原油密度大、黏度高、膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高、凝固點(diǎn)低，屬重質(zhì)稠油。油田采取“油田開發(fā)早期注聚”的開發(fā)理念，在水驅(qū)效果尚未結(jié)束前即實(shí)施注聚，以提高采收率。2003年9月開始試驗(yàn)使用部分水解聚丙烯酰胺疏水締合型聚合物進(jìn)行驅(qū)油，目前已全面注聚。

綏中36-1油田二期調(diào)整項(xiàng)目新建4座平臺(tái)，包括1座生產(chǎn)水處理中心平臺(tái)CEPO（Central Platform O），生產(chǎn)水系統(tǒng)日處理能力為84 000 m3，水處理流程分為7個(gè)系列，每個(gè)系列的處理能力為500 m3/h，經(jīng)處理之后的生產(chǎn)污水全部回注地層，主要注水水質(zhì)指標(biāo)：水中含油＜15×10-6，懸浮物含量＜ 5×10-6，懸浮物粒徑中值＜3 μm。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，針對(duì)含聚污水特性，對(duì)污水處理流程做了一系列優(yōu)化調(diào)整。

2.1 串聯(lián)氣浮工藝

氣浮串聯(lián)工藝在陸地油田含聚污水的處理中已有成功應(yīng)用，例如，孤島油田，結(jié)合化學(xué)藥劑的使用，過濾后的水質(zhì)可達(dá)到一級(jí)出水指標(biāo)。綏中36-1二期調(diào)整項(xiàng)目首次在渤海海上平臺(tái)應(yīng)用二級(jí)氣浮串聯(lián)污水處理工藝，其處理流程如圖1所示。一級(jí)氣浮的主要作用是對(duì)含聚污水進(jìn)行脫油處理，以回收較高純度的原油；二級(jí)氣浮主要去除污水中的懸浮物，并進(jìn)一步降低水中含油量，以使出口指標(biāo)滿足后續(xù)工藝流程的要求。兩級(jí)氣浮均投加合適的化學(xué)藥劑，以便在除油、除懸浮物的同時(shí)抑制高黏固形物（即含聚污泥）的產(chǎn)出量。CEPO（Central Platform O）含聚污水處理流程的主要指標(biāo)，見表1。

圖1 CEPO平臺(tái)的含聚污水處理流程

表1 CEPO平臺(tái)污水處理流程主要指標(biāo)

2.2 藥劑篩選

CEPO平臺(tái)含聚污水中存在大量陰離子型的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。如果使用污水處理中常用的陽(yáng)離子型絮凝劑或混凝劑，則會(huì)與HPAM發(fā)生電性中和，使所需的加藥量增大，造成不必要的浪費(fèi)，而且會(huì)導(dǎo)致大量含聚污泥的析出，加重水處理系統(tǒng)的除泥負(fù)擔(dān)。

為避免上述問題，二期調(diào)整項(xiàng)目在一級(jí)、二級(jí)氣浮入口均投加破乳性絮凝劑，避免使用陽(yáng)離子型藥劑，以達(dá)到除油、除懸浮物的同時(shí)控制聚合物析出量的目的。根據(jù)兩級(jí)串聯(lián)氣浮化學(xué)藥劑投加試驗(yàn)，一級(jí)氣浮絮凝劑投加量分別按照1，3，5，7 mg/L進(jìn)行試驗(yàn)，二級(jí)氣浮絮凝劑投加量分別按照3，5，7 mg/L進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)比對(duì)各水樣石油烴、懸浮物去除率，兩級(jí)氣浮在各自投加3 mg/L藥劑的情況下，總?cè)コ首罡撸源怂巹舛茸鳛橐患?jí)氣浮和二級(jí)氣浮的指導(dǎo)注入濃度。

2.3 運(yùn)行結(jié)果分析

CEPO平臺(tái)采用2級(jí)氣浮串聯(lián)工藝，結(jié)合絮凝劑的篩選，項(xiàng)目投產(chǎn)后污水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，出泥量較小，污水處理指標(biāo)達(dá)標(biāo)。項(xiàng)目投產(chǎn)1 a后，跟蹤C(jī)EPO生產(chǎn)水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況，由于投產(chǎn)初期油田產(chǎn)液量尚未達(dá)到設(shè)計(jì)峰值，生產(chǎn)水處理系統(tǒng)只有3個(gè)系列在運(yùn)行。雙介質(zhì)濾器出口水質(zhì)實(shí)測(cè)值見表2。

表2 雙介質(zhì)濾器進(jìn)出口實(shí)測(cè)水質(zhì)

從表2可知，雙介質(zhì)濾器出口懸浮物含量偏高。分析主要原因是其上游設(shè)備氣浮出口的懸浮物含量高于工藝指標(biāo)，從而造成雙介質(zhì)濾器出水懸浮物含量高于設(shè)計(jì)值。從氣浮的運(yùn)行情況來看，破乳型絮凝劑的處理效果弱于改性PAC+PAM復(fù)配型絮凝劑。

3 結(jié)論及建議

（1）鑒于海上平臺(tái)的環(huán)境限制，清理含聚污水析出污泥的代價(jià)較高，氣浮選機(jī)投加除油、除懸浮物，同時(shí)控制聚合物析出的絮凝劑的藥劑篩選思路具有其合理性，但破乳型絮凝劑的處理效果要弱于改性PAC+PAM復(fù)配型絮凝劑，針對(duì)懸浮物的脫穩(wěn)和聚合物的維穩(wěn)還需開展更多的研究工作。

（2）原油處理系統(tǒng)與污水處理系統(tǒng)關(guān)系緊密，互相影響。針對(duì)含聚采出液特性，建議全盤考慮原油處理系統(tǒng)與污水處理系統(tǒng)的流程優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化，以及藥劑篩選工作，采用系統(tǒng)性思維研究和解決含聚污水處理問題。

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