離心法處理三元采出水試驗(yàn)及工程應(yīng)用設(shè)想

夏福軍

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

大慶油田大規(guī)模應(yīng)用了在注入水中加入堿、表面活性劑和聚合物驅(qū)油劑的三元復(fù)合驅(qū)開發(fā)技術(shù)。由于注入三元驅(qū)油劑后的采出液經(jīng)油水分離及脫水處理后，采出水中仍然含有表面活性劑、堿和聚合物（聚丙烯酰胺），導(dǎo)致采出污水的性質(zhì)不同于水驅(qū)和單純的聚合物驅(qū)采出水，致使已經(jīng)應(yīng)用于水驅(qū)和聚合物驅(qū)采出水油水沉降分離處理技術(shù)難以適應(yīng)這種新形式驅(qū)油方式[1]產(chǎn)生的污水處理。

三元復(fù)合驅(qū)采出水水質(zhì)特性研究表明，其具有乳化程度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、懸浮固體難以去除的特點(diǎn)[2]，從目前已投產(chǎn)的三元復(fù)合驅(qū)采出水處理試驗(yàn)站運(yùn)行結(jié)果來看，為實(shí)現(xiàn)有效的油水分離，采用投加大量化學(xué)處理藥劑產(chǎn)生了較多的泥渣及投加藥劑成本居高，最終出水水質(zhì)難以達(dá)到油田回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求，“三元復(fù)合驅(qū)采出水處理”主要解決的瓶頸是油水分離除油技術(shù)。為此，尋求高效、低處理成本的油水分離新技術(shù)，對確保最終處理后的三元復(fù)合驅(qū)采出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、滿足油田開發(fā)生產(chǎn)的實(shí)際需要十分重要。本文選擇了采用高速碟片離心機(jī)進(jìn)行三元復(fù)合驅(qū)采出水高效油水分離的探索性試驗(yàn)研究，為三元復(fù)合驅(qū)采出水處理找到一種新方法。

1 油水分離探索性試驗(yàn)

1.1 油田采出水油水分離技術(shù)原理

油田含油采出水的油、水分離特性遵循Stokes定律，其方程式為

式中：u為某一粒徑顆粒分離速度，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；ρw為水的密度，kg/m3；ρo為顆粒密度，kg/m3；do為顆粒直徑，m；μ為污水的動力黏度，為溫度函數(shù)，Pa·s。

由上式定律可以得出：黏度降低、密度差的增大、油珠顆粒直徑的增大、分離加速度的增加，均有利于提高含油采出水的油水分離速度，縮短油水分離時間，從而提高分離效果。但從前期得到的三元復(fù)合驅(qū)采出水水質(zhì)分析結(jié)果（表1）看，由于三元驅(qū)油劑存在于采出水中，特別是聚合物的存在，使得采出水的黏度增加、油珠直徑[3-5]變小且小于10 μm 所占比例較大，利用油田常規(guī)的重力沉降油水分離技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)以降低采出水的黏度和增大油珠顆粒直徑來解決油水分離困難的問題，應(yīng)從提高離心分離加速度角度來解決油水分離速度并提高油、水的有效分離效果。

表1 三元217 試驗(yàn)站三元復(fù)合驅(qū)采出水現(xiàn)有水質(zhì)分析測試結(jié)果Tab.1 Existing water quality analysis and test results of ASP flooding produced water in ASP 217 Test Station

水力旋流器作為一種高速離心（2 000 g 重力加速度）油水分離技術(shù)已經(jīng)在含油廢水處理中取得成功的應(yīng)用。因此，針對三元復(fù)合驅(qū)采出水因黏度高和再乳化程度高[6-8]使得水中油珠顆粒直徑小，油水分離沉降分離速度明顯降低等特點(diǎn)，應(yīng)選擇更高的離心分離[9-11]加速度來實(shí)現(xiàn)高黏度三元復(fù)合驅(qū)采出水的油水分離處理。

1.2 高速碟片離心分離技術(shù)原理

高速碟片離心分離機(jī)主要應(yīng)用在礦物油、乳制品、淀粉及制藥等行業(yè)，而在國內(nèi)的油氣田采出水處理中尚沒有進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。其離心分離原理（圖1 和圖2）是立式離心機(jī)，轉(zhuǎn)鼓裝在立軸上端，通過傳動裝置由電動機(jī)驅(qū)動而高速旋轉(zhuǎn)。懸浮液（或乳濁液）由位于轉(zhuǎn)鼓中心的進(jìn)料管加入轉(zhuǎn)鼓。當(dāng)懸浮液（或乳濁液）流過碟片之間的間隙時，固體顆粒（或液滴）在離心機(jī)作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液層）。沉渣沿碟片表面滑動而脫離碟片，并積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑最大的部位，分離后的液體分別從出液口排出轉(zhuǎn)鼓；積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固體通過排渣機(jī)構(gòu)在不停機(jī)的情況下從轉(zhuǎn)鼓中排出。其沉降分離是將傾斜擋板容器旋轉(zhuǎn)90°并繞軸旋轉(zhuǎn)，形成一個連續(xù)分離固體顆粒的離心體。

圖1 碟式離心機(jī)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of disc centrifuge

圖2 碟式離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of disc centrifuge

1.3 效果分析

為了確定高速碟片離心分離對三元復(fù)合驅(qū)采出水油水分離的處理效果，首先開展了由具有100 年生產(chǎn)離心分離機(jī)的國際品牌公司阿法拉伐供應(yīng)商提供的1 臺型號為LAPX202 的高速碟片離心試驗(yàn)樣機(jī)的現(xiàn)場探索性試驗(yàn)，其轉(zhuǎn)速最高為10 000 r/min，處理能力最大為500 L/h。

1.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了確保試驗(yàn)結(jié)果具有代表性和指導(dǎo)性，選擇在三元217 試驗(yàn)站采用現(xiàn)場實(shí)際介質(zhì)，進(jìn)行高速碟片三相離心機(jī)油水分離效果的探索試驗(yàn)，并分析、觀測離心機(jī)油水分離前及分離后的水相（輕相）出口含油濃度及懸浮固體濃度?，F(xiàn)場試驗(yàn)流程見圖3。

圖3 LAPX202 碟片式離心機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of field test flow of LAPX202 disc centrifuge

影響高速碟片三相離心機(jī)油水分離效果的主要因素包括比重環(huán)尺寸大小的選擇、開孔方式的選擇、離心分離因子（轉(zhuǎn)速）的選擇，以及處理量。

根據(jù)阿法拉伐公司已有的研究經(jīng)驗(yàn)和提供試驗(yàn)條件，主要開展以下試驗(yàn)研究：

（1）試驗(yàn)采取目視高速碟片三相離心機(jī)油水分離處理前及分離后水樣的變化，進(jìn)行開長孔和開圓孔兩組碟片的優(yōu)選試驗(yàn)。

（2）根據(jù)對比離心機(jī)油水分離后出水水中含油濃度，進(jìn)行兩種規(guī)格比重環(huán)Φ55 mm 和Φ53 mm 的優(yōu)選試驗(yàn)。

（3）在優(yōu)選出比重環(huán)和開孔方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行8 000、6 000 和5 000 r/min 不同轉(zhuǎn)速下離心油水分離效果的對比試驗(yàn)。

（4）進(jìn)行三元復(fù)合驅(qū)采出水離心分離前后驅(qū)油劑含量的變化測試。

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）比重環(huán)和開孔方式的優(yōu)選。試驗(yàn)是在固定高速碟片三相離心機(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r/min 和處理量200 L/h 的條件下進(jìn)行對比優(yōu)選試驗(yàn)。通過分別取離心機(jī)進(jìn)水和油水分離后出水的目測及分析數(shù)據(jù)比較，得出并確定采用比重環(huán)Φ53 mm 和開圓孔的碟片結(jié)構(gòu)油水分離處理效果最佳。處理前后水樣的外觀效果見圖4，分析數(shù)據(jù)見表2。

圖4 離心試驗(yàn)樣機(jī)油水分離前后水樣外觀照片F(xiàn)ig.4 Appearance photos of water samples before and after oilwater separation of centrifugal test prototype

（2）不同轉(zhuǎn)速的油水分離效果試驗(yàn)。在優(yōu)選出比重環(huán)Φ53 mm 和開圓孔的碟片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速為5 000、6 000 和8 000 r/min 的優(yōu)選篩選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3 中數(shù)據(jù)可以得出：在同等處理量條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min 時，經(jīng)離心機(jī)油水處理后出水中的含油濃度降到25 mg/L 左右（平均25.18 mg/L），去除率達(dá)到90%以上，相對低轉(zhuǎn)速提高2%～3%。說明離心分離轉(zhuǎn)速越高，其油、水分離處理效果越好。

表3 不同轉(zhuǎn)速條件下的離心機(jī)油水分離效果試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)Tab.3 Test analysis data of oil-water separation effect of centrifuges under different rotating speeds

高速碟片離心分離機(jī)對懸浮固體去除作用相對較低。分析其原因是采出水中聚合物濃度較高，黏度高，從而影響了懸浮固體的分離去除效果。比較不同轉(zhuǎn)速的油水分離效果，并考慮今后工業(yè)應(yīng)用能耗等經(jīng)濟(jì)性，選擇高速碟片離心機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min開展下一步試驗(yàn)。

（3）不同處理量分離效果試驗(yàn)。選定高速碟片離心機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，分別開展處理量小于200 L/h 和300 L/h 的油水分離效果對比試驗(yàn)（水溫為23 ℃，三元復(fù)合驅(qū)采出水中聚合物596～634 mg/L，表面活性劑39.3～41.2 mg/L，總堿度4 197～4 237 mg/L，黏度4.61～4.58 mPa·s），其測試分析結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 離心機(jī)處理量為170 L/h 的油水分離前后水質(zhì)變化曲線Fig.5 Change curve of water quality before and after oil-water separation with centrifuge capacity of 170 L/h

圖6 離心機(jī)處理量為271 L/h 的油水分離前后水質(zhì)變化曲線Fig.6 Change curve of water quality before and after oil-water separation with centrifuge capacity of 271 L/h

由圖5 和圖6 中的數(shù)據(jù)分析可以得出：采出水含油濃度200～400 mg/L 時經(jīng)離心機(jī)油水分離處理后出水含油濃度大都在20 mg/L 左右，去除率在91%以上，達(dá)到油田設(shè)計(jì)規(guī)定后續(xù)過濾設(shè)備要求的進(jìn)水水質(zhì)含油濃度≤50 mg/L；當(dāng)離心機(jī)進(jìn)水中懸浮固體濃度較高時，其懸浮固體去除率平均為50%。從油水分離除油效果來看，該轉(zhuǎn)速條件下離心機(jī)處理量的變化對含油濃度和懸浮固體油水分離效果影響不大。

（4）三元驅(qū)油劑的變化測試試驗(yàn)。試驗(yàn)還分別取離心機(jī)進(jìn)水和經(jīng)高速碟片離心機(jī)油水分離后出水，測試水中三元驅(qū)油劑的含量，結(jié)果見表4。

表4 高速碟片離心機(jī)油水分離前后三元驅(qū)油劑變化測試分析數(shù)據(jù)Tab.4 Test and analysis data of ASP oil displacement agent changes before and after oil-water separation in high-speed disc centrifuge

由表4 中數(shù)據(jù)分析可以得出：離心機(jī)分離對三元復(fù)合驅(qū)采出水中的三元驅(qū)油劑基本沒有去除作用。

1.3.3 中試設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證高速碟片離心機(jī)對三元復(fù)合驅(qū)采出水的油水分離處理效果，進(jìn)行了放大處理量的中試試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場三元217 試驗(yàn)站的污水介質(zhì)總堿度為4 200 mg/L，表面活性劑為76 mg/L，聚合物濃度為753 mg/L，被處理水溫23 ℃左右。中試試驗(yàn)設(shè)備為1臺LAPX404，處理能力達(dá)到1 m3/h，最高轉(zhuǎn)速為9 350 r/min。試驗(yàn)樣機(jī)見圖7。

圖7 LAPX404 碟式離心機(jī)試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.7 Photo of LAPX404 disc centrifuge test device

（1）不同處理量的離心分離試驗(yàn)。本項(xiàng)試驗(yàn)仍然是在不投加任何化學(xué)藥劑的前提下，將三元217試驗(yàn)站處理的污水通過管線引入高速碟片離心機(jī)，選擇在同一轉(zhuǎn)速下分別開展了4 種處理量的油水分離效果試驗(yàn)。試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)結(jié)果見圖8。

圖8 同一轉(zhuǎn)速不處理量條件下離心分離含油量和懸浮固體含量去除油水分離效果對比曲線Fig.8 Comparative curve of oil-water separation effect of centrifugal separation with oil content and suspended solids content under the same rotating speed and different treatment capacity

由圖8 中數(shù)據(jù)可以看出：在相同轉(zhuǎn)速條件下，處理量越小油水分離效果越好，懸浮固體去除率也越大；當(dāng)處理量達(dá)到0.5 m3/h 時，離心機(jī)出水含油濃度小于30 mg/L，滿足了油田后續(xù)過濾要求的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)（設(shè)計(jì)規(guī)范通常為≤50 mg/L）?？紤]其在油田三元復(fù)合驅(qū)采出水處理中應(yīng)用的可行性和降低其工程投資，選擇處理量為0.5 m3/h 做進(jìn)一步的穩(wěn)定試驗(yàn)。

（2）離心分離穩(wěn)定試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇高速碟片離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 左右，開展三元復(fù)合驅(qū)采出水油水分離穩(wěn)定運(yùn)行處理試驗(yàn)，當(dāng)進(jìn)水含油濃度平均為560.19 mg/L 時，經(jīng)離心機(jī)油水分離處理后出水含油濃度平均小于13.81 mg/L，含油平均去除率達(dá)到97.5%，出水中的懸浮固體濃度平均去除率達(dá)到45.5%，油水分離效果較好。由此確認(rèn)采用提高油水分離加速度（離心分離技術(shù)）這個途徑，可以有效實(shí)現(xiàn)三元復(fù)合驅(qū)采出水油、水分離的目的。

試驗(yàn)采用高速碟片三相離心機(jī)進(jìn)行油、水、固體雜質(zhì)的分離，現(xiàn)場測試了油相出口的油中含水率在50%以下，可以直接回用，而排出的渣相含水率相對較高，需要作進(jìn)一步的液—固分離處理。

2 工程應(yīng)用的對比分析

已建的三元217 試驗(yàn)站設(shè)計(jì)采用的處理工藝流程為：曝氣沉降罐→氣浮沉降罐→一級石英砂磁鐵礦過濾罐→二級海綠石磁鐵礦雙層濾料過濾罐的四段處理工藝（圖9）。其特點(diǎn)是沉降時間較長、沉降罐設(shè)備占地面積較大，其處理效率和處理效果決定著投加藥劑量，且投加藥劑產(chǎn)生的絮體渣相占整個處理體積的約15%，造成處理成本相對較高。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，針對三元復(fù)合驅(qū)采出水的水質(zhì)特性，如果選擇高速碟片離心機(jī)替代圖9 中的混凝沉降罐處理三元復(fù)合驅(qū)采出水，并將曝氣沉降罐改為自然沉降罐，其設(shè)計(jì)方案流程見圖10。即：聯(lián)合站油崗油水分離之后的來水，首先進(jìn)入自然沉降罐去除浮油和分散油，然后再進(jìn)入高速碟片離心分離機(jī)進(jìn)一步去除污水中的乳化油和懸浮固體，經(jīng)高速碟片離心機(jī)油水分離處理后的出水進(jìn)入濾前緩沖罐，然后再經(jīng)過濾提升泵加壓后進(jìn)入一級海綠—石磁鐵礦雙層濾料過濾罐進(jìn)行過濾處理，濾后水達(dá)標(biāo)進(jìn)入外輸及反沖洗水罐，由外輸泵加壓送至注水站回注。濾后最終出水水質(zhì)達(dá)到油田含聚回注水水質(zhì)指標(biāo)含油濃度和懸浮固體濃度≤20 mg/L的指標(biāo)要求。

圖9 三元217 試驗(yàn)站三元采出水處理工藝流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of ASP produced water treatment process in ASP 217 test station

圖10 離心法處理三元復(fù)合驅(qū)采出水工藝流程示意圖Fig.10 Schematic diagram of process flow for treating produced water of ASP flooding by centrifugal method

由圖9 和圖10 可以看出：

（1）從處理工藝主體流程上相比，圖10 中減少了一級過濾設(shè)備，從而減少工程投資。因試驗(yàn)結(jié)果得出：經(jīng)高速碟片離心機(jī)分離后出水含油濃度小于30 mg/L，技術(shù)上采用一級雙層過濾就可以將含油濃度降低，達(dá)到小于20 mg/L 回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求。

（2）如果工程建設(shè)同等規(guī)模的污水處理站，因高速碟片離心分離機(jī)處理污水的有效停留時間為幾秒，油水分離處理效率和效果好。一方面可以考慮縮短其前端自然沉降罐（起去除浮油和緩沖的作用），有效停留時間由20 h 降到4 h，從而縮小沉降罐的外形尺寸并減少占地面積及工程投資；另一方面采用高速碟片離心機(jī)替代混凝沉降罐，也可以減少占地面積在50%左右并減少工程投資。

（3）目前生產(chǎn)的高速碟片離心分離機(jī)最大單臺處理量為60 m3/h，單臺設(shè)備造價650 萬元左右，一次性工程投資相對較高，但相比圖9 的處理工藝技術(shù)方案，該設(shè)計(jì)方案總的工程投資以及后續(xù)的運(yùn)行費(fèi)用（電費(fèi)為0.6 元/m3）相比已建三元217 污水處理站低，工程投資可以節(jié)省20%以上，效益顯著，而且處理效率和效果可以大大提升。

3 結(jié)論

（1）采用高速碟片離心機(jī)處理三元復(fù)合驅(qū)采出水是行之有效的油、水、雜質(zhì)三相分離方法，技術(shù)上可行。當(dāng)污水中的含油濃度≤700 mg/L，在離心機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000～6 000 r/min 左右及不加藥的條件下，經(jīng)油水分離后污水中的含油濃度≤30 mg/L，同時也可以達(dá)到去除懸浮固體的目的。

（2）采用高速碟片離心機(jī)為主的處理工藝技術(shù)，相比已建三元217 污水處理站處理工藝技術(shù)，可以縮短主體處理工藝流程、縮短污水油水分離的停留時間而減少占地面積，具有處理效率高和處理效果好的特點(diǎn)，估算可達(dá)到降低工程投資20%以上，同時還可降低生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用，是三元復(fù)合驅(qū)采出水前景較好的處理技術(shù)。