橫向流聚結(jié)-氣浮工藝處理強(qiáng)堿三元采出水試驗(yàn)研究

李鐵軍

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

三元（alkaline/surfactant/polymer，ASP）復(fù)合驅(qū)油技術(shù)因其可以大幅度提高原油采收率而被廣泛研究[1]。三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)是聯(lián)合使用堿、表面活性劑和聚合物作為驅(qū)替劑驅(qū)替原油的技術(shù)，這三種化學(xué)試劑在提高原油采收率（EOR）過程中起著不同的作用[2-4]，且相互協(xié)同提高采收率。三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致采出水量明顯增大，且三元采出水的處理也是一個(gè)不可忽視的問題[5-6]。ASP采出水中殘留的堿、表面活性劑、聚合物等物質(zhì)增加

了采出水的穩(wěn)定性，導(dǎo)致油水界面的特性發(fā)生改變，使油滴更穩(wěn)定[7]。

現(xiàn)階段對(duì)ASP 采出水進(jìn)行處理的技術(shù)包括物理、化學(xué)和生物方法[8]。常規(guī)水驅(qū)采出水處理技術(shù)又包含沉降[9]、氣浮[10]、破乳[11]、膜分離[12]等多種處理工藝，但對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采出水處理的研究報(bào)道并不多。近年來，在斜板隔油池的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了橫流聚結(jié)式隔油池用于油田污水處理，取得了良好效果[13]。氣浮的作用在于去除工業(yè)和城市廢水中的油、膠體和懸浮固體。1998 年在克拉瑪依油田首次使用氣浮技術(shù)處理大規(guī)模的石油石化廢水，在運(yùn)行期間有效去除了乳化油和懸浮固體。因此，本研究開展了橫向流聚結(jié)-氣浮組合工藝對(duì)三元污水處理試驗(yàn)，分析該工藝對(duì)三元污水中的油和懸浮固體的去除情況，并評(píng)價(jià)處理效能，旨在為油田三元污水處理技術(shù)提供一個(gè)新的工藝組合。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為大慶油田南五處理站三元復(fù)合驅(qū)采出水，pH值為9.87，其他水質(zhì)特性見表1。試驗(yàn)用水中油和懸浮固體質(zhì)量濃度（以下簡稱濃度）分別為160～250 mg/L 和380～460 mg/L，堿、表面活性劑和聚合物濃度分別為3 200～4 000 mg/L，60～120 mg/L和600～900 mg/L，黏度為2～6 mPa·s。采出水中COD 和 BOD5濃度分別為 1878.20 mg/L 和310.45 mg/L，由于BOD5和COD 含量之比為0.165，所以具有較低的可生物降解性。采出水中氨氮（NH3-N）濃度高達(dá)38.24 mg/L，硫化物濃度為22.2 mg/L，硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細(xì)菌的濃度分別為3.20 mL-1、1.56 mL-1和2.25 mL-1，鹽度為6‰，為中等鹽度工業(yè)廢水。

表1 三元復(fù)合驅(qū)采出水水質(zhì)分析

1.2 檢測方法

含油量的測定參照SY/T 0530—2011《油田采出水中含油量測定方法分光光度法》，懸浮固體含量的測定參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》。

1.3 橫向流聚結(jié)-氣浮組合工藝示意圖

圖1為橫向流聚結(jié)-氣浮組合工藝的示意圖，所用系統(tǒng)主要由橫向流聚結(jié)（TFC）區(qū)、第一階段氣浮、第二階段氣浮組成。三元復(fù)合驅(qū)采出液經(jīng)管道進(jìn)入橫向流聚結(jié)（TFC）區(qū)，在該區(qū)域中進(jìn)行初步油水分離，分離后的污水進(jìn)入兩級(jí)氣浮裝置，進(jìn)一步完成油水分離，并對(duì)污水中懸浮固體進(jìn)行有效處理。

圖1 橫向流聚結(jié)-氣浮工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of transverse flow coalescence-air flotation process flow

1.3.1 橫向流聚結(jié)工藝參數(shù)

系統(tǒng)處理能力為100 L/h，沉降試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為24 h，每4 h測定一次含油量和懸浮固體含量。

1.3.2 氣浮試驗(yàn)參數(shù)

系統(tǒng)處理能力為2m3/h，容積負(fù)荷為3.75m3/m2·h，水力停留時(shí)間為1 h，其中一級(jí)氣浮水力停留時(shí)間（HRT）為0.5 h，二級(jí)氣浮水力停留時(shí)間為0.25～0.5 h。在對(duì)照試驗(yàn)中，在沒有輔助條件的情況下關(guān)閉氣浮裝置，同時(shí)評(píng)估油和懸浮固體的去除效率，該試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為48 h。

1.4 優(yōu)化氣浮部分的回流比

在優(yōu)化試驗(yàn)中設(shè)定了30%（回流流量0.6 m3/h，泵出口壓力0.5 MPa）、40%（回流流量0.8 m3/h，泵出口壓力0.75 MPa）和50%（回流流量1.0 m3/h，泵出口壓力1.0 MPa）三種不同的回流比，試驗(yàn)時(shí)間為48 h。

2 采出水油水分離特性分析

圖2a 為連續(xù)沉降試驗(yàn)中三元復(fù)合驅(qū)采出水中油的去除情況。經(jīng)過24 h沉降，采出水中的含油濃度從208.82 mg/L 降至83.28 mg/L，總?cè)コ蕿?0.12%。在前4 h，含油濃度明顯下降，去除率為32.33%；在接下來的20 h，含油濃度的降低速度變得緩慢。研究表明，隨著含油濃度降低到100 mg/L以下，三元采出水在沉淀池中的沉淀時(shí)間需要長達(dá)26 h，而在注水系統(tǒng)中需要4 h。這是由于三元復(fù)合驅(qū)體系中使用了堿、表面活性劑和聚合物，采出水中殘留的大量化學(xué)劑改變了油水界面的特性，形成穩(wěn)定的乳化狀態(tài)，因此三元復(fù)合驅(qū)采出水的處理比水驅(qū)采出水的處理更加困難。

圖2b 為連續(xù)沉降試驗(yàn)中三元復(fù)合驅(qū)采出水中懸浮固體的去除情況。采出水中懸浮固體濃度為424.68 mg/L，經(jīng)過24 h連續(xù)沉降，懸浮固體濃度降至182.96 mg/L，總?cè)コ蕿?6.92%。在試驗(yàn)的前4 h，懸浮固體濃度降至335.38 mg/L，去除率為21.03%；在接下來的20 h，懸浮固體含量降低速度變得緩慢。與水驅(qū)系統(tǒng)相比，三元復(fù)合驅(qū)采出水中懸浮固體含量更高，粒徑更大，處理難度更大。近年來，大慶油田現(xiàn)有的水驅(qū)采出水的自然沉降和混凝沉降系統(tǒng)已不能滿足處理三元復(fù)合驅(qū)采出水的要求，應(yīng)開展技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新以滿足三元復(fù)合驅(qū)采出水的處理要求。

圖2 連續(xù)沉降實(shí)驗(yàn)中三元復(fù)合驅(qū)采出水中油和懸浮固體的去除情況Fig.2 Removal rates of oil and suspended solids in the ASP produced water during the continuous sedimentation experiment

3 組合工藝處理效能分析

3.1 除油效能分析

3.1.1 油水分離試驗(yàn)

首先進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，關(guān)閉氣浮裝置，并對(duì)油的去除率進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3a 為關(guān)閉氣浮裝置下含油量和懸浮固體的去除情況。在運(yùn)行的第一個(gè)24 h，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的平均除油率分別為2.60%和20.41%，平均總除油率為23.01%；在隨后的24 h運(yùn)行中，裝置進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的平均除油率分別為4.18%和29.20%，平均總?cè)コ蕿?3.38%。圖3b 為氣浮試驗(yàn)，在開啟氣浮裝置條件下油和懸浮固體的去除情況。在運(yùn)行的第一個(gè)24 h，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的平均除油率分別為2.40%和42.61%，平均總除油率為45.01%；在隨后的24 h運(yùn)行中，裝置進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的平均除油率分別為2.53%和48.64%，平均總?cè)コ蕿?1.17%。結(jié)果表明，在未開啟氣浮裝置條件下，工藝穩(wěn)定階段，油去除率為33.38%；在開啟氣浮裝置條件下，工藝穩(wěn)定階段，油去除率為51.17%，較未開啟時(shí)提高20%左右，說明氣浮可顯著提高三元復(fù)合采出水油水的分離效率。

圖3 橫向流聚結(jié)-氣浮工藝對(duì)三元采出水含油去除情況Fig.3 Removal rates of oil content in the ASP produced water by transverse flow coalescence-air flotation process

3.1.2 不同氣浮回流比下除油效能分析

圖4a、圖4b 和圖4c 分別為氣浮裝置回流比為30%、40%和50%情況下的除油情況。當(dāng)回流比為30%時(shí)，整個(gè)工藝中油的平均總?cè)コ蕿?9.09%，去除率的提高主要集中在氣浮段，在運(yùn)行初始24 h內(nèi)油去除率從42.61%提高到62.66%；穩(wěn)定運(yùn)行階段（24～48 h），平均總?cè)コ?1.11%，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的去除率也分別提高到6.30%和64.81%?；亓鞅葹?0%時(shí)，平均總除油率提高到76.79%，這是由于TFC 工藝區(qū)的油去除率升高到14.52%，整個(gè)工藝中油的去除率顯著升高。當(dāng)回流比為50%時(shí)，整個(gè)工藝的油去除率呈現(xiàn)下降趨勢，整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)油的平均去除率為41.90%。因此，不同回流比對(duì)整個(gè)工藝油的去除率有明顯影響，當(dāng)氣浮裝置回流比為40%時(shí)，橫向流聚結(jié)-氣浮組合工藝對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采出水的油去除效果最佳。

圖4 不同回流比下橫向流聚結(jié)-氣浮組合工藝對(duì)三元采出水油的去除情況Fig.4 RemovalratesofoilcontentintheASPproducedwaterbytransverseflowcoalescence-airflotationprocessunderdifferentreflux atios

3.2 懸浮固體的去除特性分析

3.2.1 懸浮固體去除效能分析

圖5a 為對(duì)照試驗(yàn)，關(guān)閉了氣浮裝置。在對(duì)照試驗(yàn)中，調(diào)試運(yùn)行階段內(nèi)24 h的橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別為22.26%和18.60%，平均總?cè)コ蕿?0.86%；在穩(wěn)定運(yùn)行階段的24 h內(nèi)，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體去除效率分別為20.88%和17.96%，平均總?cè)コ蕿?8.84%。如圖5b 所示，在氣浮試驗(yàn)中，初始運(yùn)行24 h內(nèi)，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別為19.06%和19.67%，平均總?cè)コ蕿?8.73%；在穩(wěn)定運(yùn)行的24 h內(nèi)，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體去除率分別為18.16%和20.45%，平均總?cè)コ蕿?8.61%。

圖5 橫向流聚結(jié)-氣浮組合工藝對(duì)三元采出水懸浮固體去除情況Fig.5 Removal rates of suspended solids in the ASP produced water by transverse flow coalescence-air flotation group process

3.2.2 不同氣浮回流比條件下懸浮固體去除效能分析

圖6a、圖6b 和圖6c 分別為氣浮裝置回流比在30%、40%和50%條件下懸浮固體的去除情況。當(dāng)回流比為30%時(shí)，初始運(yùn)行的24 h內(nèi)，懸浮固體的平均總?cè)コ侍岣叩?8.44%，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的去除率也分別提高到26.93%和31.51%；在穩(wěn)定運(yùn)行的運(yùn)行24 h，平均總?cè)コ试黾拥?9.32%，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的去除效率分別為26.93%和32.39%。回流比為40%時(shí)，在運(yùn)行第一個(gè)24 h 內(nèi)，懸浮固體的平均總?cè)コ试黾拥?9.15%，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別增加到32.37%和36.78%；在隨后的24 h運(yùn)行中，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的平均懸浮固體去除率分別為32.97%和38.13%，平均總?cè)コ蕿?1.10%。當(dāng)回流比固定在50%時(shí)，初始運(yùn)行24 h內(nèi)的橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別下降到19.24%和23.05%，懸浮固體平均總?cè)コ蕿?2.29%；隨后穩(wěn)定運(yùn)行24 h，橫向流聚結(jié)區(qū)和氣浮段的懸浮固體去除率分別為19.64%和24.18%，平均總?cè)コ蕿?3.83%。

圖6 不同回流比下橫向流聚結(jié)-氣浮工藝對(duì)三元采出水懸浮固體去除情況Fig.6 Removal rates of suspended solids in the ASP produced water by transverse flow coalescence-air flotation process under different reflux ratios

4 結(jié)論

三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)是一項(xiàng)重要的三次采油技術(shù)，但由于化學(xué)品的使用，使得三元采出水更難處理。油和懸浮固體含量對(duì)于評(píng)價(jià)采出水的處理效果非常重要。

橫向流聚結(jié)-氣浮工藝對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采出水中油的去除效能顯著。不同氣浮回流比能夠影響工藝處理效能，在回流比為40%時(shí)除油效果最佳，整個(gè)工藝穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)污水中油和懸浮固體的平均總?cè)コ史謩e為78.36%和71.10%。

橫向流聚結(jié)-氣浮工藝對(duì)采出水中油的去除主要集中在氣浮裝置段，橫向流聚結(jié)區(qū)除油效果不明顯。整個(gè)工藝中，氣浮段對(duì)懸浮固體的去除效果與橫向流聚結(jié)區(qū)基本一致。

橫向流聚結(jié)-氣浮組合技術(shù)可以節(jié)省大量時(shí)間，對(duì)三元采出水處理效果好，可以作為一種替代傳統(tǒng)沉降工藝的采出水處理方法。