單紅曼

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

目前大慶油田已經(jīng)進(jìn)入高含水期后[1]，三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油技術(shù)較水驅(qū)可提高原油采收率20%以上[2]，是大慶油田穩(wěn)產(chǎn)的重大技術(shù)措施之一。三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油技術(shù)在大幅度提高原油采收率的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量難以治理的三元采出水[3-5]，化學(xué)驅(qū)采出水中乳化程度最高、處理難度最大的目前當(dāng)屬三元采出水。三元采出水處理難度大主要體現(xiàn)在：油珠初始粒徑小和污水黏度大；油珠碰撞后難以聚并；靜電斥力高和油水界面張力低；懸浮固體初始粒徑小，宜過飽和析出。三元采出水回注目前執(zhí)行大慶油田含聚合物注水水質(zhì)指標(biāo)[6]，常規(guī)處理指滿足含聚污水高滲透層（注入層滲透率＞0.6 μm2）回注水質(zhì)指標(biāo)，即處理后含油濃度≤20 mg/L、懸浮固體濃度≤20 mg/L，懸浮固體粒徑中值≤5 μm。深度處理指滿足含聚污水低滲透層（注入層滲透率＜0.1 μm2）回注水質(zhì)指標(biāo)，即處理后含油濃度≤5 mg/L、懸浮固體濃度≤5 mg/L，懸浮固體粒徑中值≤2 μm。

“十二五”初至“十三五”末，大慶油田已建三元污水處理站基本都采用“序批式沉降+兩級(jí)雙層濾料過濾”處理工藝[7-8]。在設(shè)計(jì)三元污水處理站時(shí)，濾前水水質(zhì)控制指標(biāo)一般執(zhí)行含油濃度≤100 mg/L、懸浮固體濃度≤50 mg/L，此水質(zhì)控制指標(biāo)主要為經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定比較寬泛且沒有實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，考察三元采出水濾前水水質(zhì)對(duì)于最終常規(guī)達(dá)標(biāo)處理效果的影響，可為今后新建三元污水處理站沉降段出水水質(zhì)控制指標(biāo)提供參考，且在三元污水處理站外輸水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)，對(duì)判斷工藝中各單體構(gòu)筑物的處理效能診斷分析提供依據(jù)。

此外，隨著大慶油田化學(xué)驅(qū)驅(qū)油的大面積開發(fā)應(yīng)用[9]，深度水需求量大幅度增加，對(duì)水質(zhì)要求更加嚴(yán)格[10]。目前三元采出水在深度處理領(lǐng)域方面還處于空白狀態(tài)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在已建三元污水處理站常規(guī)處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，探索深度處理工藝技術(shù)，可填補(bǔ)三元采出水深度處理領(lǐng)域的空白，為實(shí)現(xiàn)三元采出水的自身循環(huán)、自身利用，三元采出水回注自身區(qū)塊這一總體目標(biāo)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)原水分別來源于大慶油田某強(qiáng)堿三元污水處理站濾前水及外輸水，試驗(yàn)期間水質(zhì)分析如表1、表2所示。

表1 濾前水水質(zhì)分析Tab.1 Quality analysis of pre-filtration water

表2 外輸水水質(zhì)分析Tab.2 Quality analysis of external water

1.2 試驗(yàn)流程及技術(shù)參數(shù)

1.2.1 常規(guī)達(dá)標(biāo)處理

針對(duì)已建站濾前水采用和已建站過濾段相同工藝及濾料級(jí)配，即“濾前水→一級(jí)石英砂-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→二級(jí)海綠石-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→出水”（圖1），探索不同水質(zhì)的濾前水最終出水是否滿足大慶油田含聚污水高滲透層回注水指標(biāo)的要求。其中一級(jí)試驗(yàn)過濾罐濾速6 m/h，二級(jí)試驗(yàn)過濾罐濾速4 m/h，反洗周期48 h。

圖1 已建站濾前水常規(guī)處理工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional treatment process of pre-filtration water in the established station

1.2.2 深度達(dá)標(biāo)處理

針對(duì)已建站外輸水，采用工藝流程為“外輸水→旋流氣浮→一級(jí)石英砂-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→二級(jí)海綠石-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→出水”（圖2），探索已建站外輸水經(jīng)過該套工藝流程處理后最終出水水質(zhì)滿足大慶油田含聚污水低滲透層回注水指標(biāo)時(shí)的技術(shù)界限。其中旋流氣浮裝置水力停留時(shí)間20 min，旋流起點(diǎn)壓力0.6 MPa，終點(diǎn)釋放壓力0.2 MPa；一級(jí)過濾濾速6 m/h、二濾過濾濾速4 m/h，反洗周期48 h。

圖2 已建站外輸水深度處理工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the advanced treatment process of the external water in the established station

旋流氣浮裝置采用漩渦差速三相混合器全溶氣氣浮，不同于傳統(tǒng)的利用溶氣泵的回流加壓氣浮，省略了氣液回流混合泵、溶氣罐和緩慢低效的氣泡附著過程?？諝庥蓺獗眉訅汉?，通過進(jìn)氣電磁閥定時(shí)將空氣與進(jìn)水混合，經(jīng)過4～6 組多級(jí)漩渦差速三相混合器，逐級(jí)減壓后進(jìn)入氣浮裝置內(nèi)。加壓空氣與來水在多級(jí)漩渦差速三相混合器中完成高壓空氣溶解、污染物捕捉、帶氣微粒形成等所有步驟。主要技術(shù)特點(diǎn)為：全溶氣氣浮，無回流比，因此水力停留時(shí)間不受回流量影響，同時(shí)產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量大；采用多級(jí)漩渦差速三相混合器，高壓旋流狀態(tài)下氣泡在狹小的空間快速釋放并和來水充分接觸和混合，同時(shí)產(chǎn)生的微氣泡直徑小，依據(jù)氣泡附著理論，可以去除更加細(xì)微的和水體密度接近的污染粒子。旋流氣浮溶氣原理及結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋流氣浮裝置溶氣原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Dissolving principle and structure schematic diagram of cyclone air flotation device

1.3 分析方法

采出水含油量分析采用分光光度法，采出水懸浮固體含量分析采用重量法，采出水懸浮固體粒徑中值測(cè)定采用庫爾特計(jì)數(shù)儀（MS3型），均執(zhí)行SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》。采出水黏度采用流變儀AR1500ex，執(zhí)行GB/T 10247—2008《黏度測(cè)量方法》。采出水礦化度分析采用SY/T 5523—2016《油田水分析方法》。采出水聚合物含量采用分光光度法，表面活性劑含量采用滴定法，均執(zhí)行大慶油田企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾前水兩級(jí)過濾常規(guī)達(dá)標(biāo)處理試驗(yàn)

濾前水常規(guī)處理試驗(yàn)共進(jìn)行三組，其中具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為兩組。第一組試驗(yàn)對(duì)含油去除效果如圖4所示，對(duì)懸浮固體去除效果如圖5所示。

圖4 濾前水常規(guī)處理第一組含油去除效果Fig.4 Effect of oil removal in the first group of conventional treatment of pre-filtration water

圖5 濾前水常規(guī)處理第一組懸浮固體去除效果Fig.5 Removal effect of suspended solids in the first group of conventional treatment of pre-filtration water

濾前水含油濃度在41.1～122 mg/L 之間變化，平均73.6 mg/L；一濾出水含油濃度在19.6～87.8 mg/L之間變化，平均45.5 mg/L；二濾出水含油濃度在6.03～33.0 mg/L 之間變化，平均為15.3 mg/L。48 h過濾周期內(nèi)，二濾出水含油量共計(jì)取樣12 次，其中達(dá)標(biāo)樣次為10次，合格率為83.3%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均含油量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質(zhì)含油濃度平均為73.6 mg/L 的條件下，經(jīng)兩級(jí)過濾處理后出水水質(zhì)含油濃度≤20 mg/L，達(dá)到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

濾前水懸浮固體濃度在44.4～92.0 mg/L之間變化，平均71.3 mg/L；一濾出水懸浮固體濃度在17.4～43.1 mg/L之間變化，平均31.3 mg/L；二濾出水懸浮固體濃度在8.40～28.8 mg/L之間變化，平均為19.6 mg/L。48 h過濾周期內(nèi)，二濾出水懸浮固體共計(jì)取樣12 次，其中達(dá)標(biāo)樣次為7 次，合格率為58.3%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質(zhì)懸浮固體濃度平均為71.3 mg/L 的條件下，經(jīng)兩級(jí)過濾處理后出水水質(zhì)懸浮固體濃度≤20 mg/L，達(dá)到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

第二組試驗(yàn)對(duì)含油去除效果如圖6所示，對(duì)懸浮固體去除效果如圖7所示。

圖6 濾前水常規(guī)處理第二組含油去除效果Fig.6 Effect of oil removal in the second group of conventional treatment of pre-filtration water

圖7 濾前水常規(guī)處理第二組懸浮固體去除效果Fig.7 Removal effect of suspended solids in the second group of conventional treatment of pre-filtration water

濾前水含油濃度在32.7L～119 mg/L 之間變化，平均82.9 mg/L；一濾出水含油濃度在24.7～96.5 mg/L 之間變化，平均59.8 mg/L；二濾出水含油濃度在11.0～53.0 mg/L 之間變化，平均為30.6 mg/L。48 h過濾周期內(nèi)，二濾出水含油量共計(jì)取樣12 次，其中達(dá)標(biāo)樣次為3 次，合格率為25%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均含油量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質(zhì)含油濃度平均為82.9 mg/L 的條件下，經(jīng)兩級(jí)過濾處理后出水水質(zhì)含油濃度＞20 mg/L，未達(dá)到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

濾前水懸浮固體濃度在40.0～95.0 mg/L之間變化，平均69.2 mg/L；一濾出水懸浮固體濃度在20.0～60.0 mg/L之間變化，平均34.1 mg/L；二濾出水懸浮固體濃度在15.0～25.0 mg/L之間變化，平均為17.6 mg/L。48 h過濾周期內(nèi)，二濾出水懸浮固體共計(jì)取樣12 次，其中達(dá)標(biāo)樣次為11 次，合格率為91.7%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質(zhì)懸浮固體濃度平均為69.2 mg/L 的條件下，經(jīng)兩級(jí)過濾處理后出水水質(zhì)懸浮固體濃度≤20 mg/L，達(dá)到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

2.2 “旋流氣浮+兩級(jí)過濾”深度達(dá)標(biāo)處理試驗(yàn)

該試驗(yàn)選擇已建三元污水處理站最終處理后的外輸水，作為“旋流氣浮+兩級(jí)雙層濾料過濾”處理工藝試驗(yàn)的來水水源，進(jìn)行深度處理試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行四組，其中數(shù)據(jù)具有代表性的試驗(yàn)為兩組。第一組試驗(yàn)對(duì)含油去除效果如圖8所示，對(duì)懸浮固體去除效果如圖9所示。

圖8 外輸水深度處理第一組含油去除效果Fig.8 Effect of oil removal in the first group of advanced treatment of external water

圖9 外輸水深度處理第一組懸浮固體去除效果Fig.9 Removal effect of suspended solids in the first group of advanced treatment of external water

已建三元污水站外輸水含油濃度在14.8～20.7 mg/L 之間變化，平均含油濃度在18.0 mg/L；經(jīng)過旋流氣浮處理后，出水平均含油濃度降至10.8 mg/L，去除率為40%；氣浮出水經(jīng)過一級(jí)過濾后，出水平均含油濃度降至7.24 mg/L，去除率為33.0%；一濾出水經(jīng)過二級(jí)過濾后，出水平均含油濃度降至4.77 mg/L，去除率為34.1%。48 h 過濾周期內(nèi)，二濾出水含油量共計(jì)取樣8次，其中達(dá)標(biāo)樣次為5 次，合格率為62.5%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均含油量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質(zhì)含油濃度平均為18.0 mg/L的條件下，經(jīng)“旋流氣浮+兩級(jí)過濾”處理后出水水質(zhì)含油濃度≤5 mg/L，達(dá)到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

已建三元污水站外輸水懸浮固體濃度在8.89～24.4 mg/L 之間變化，平均懸浮固體濃度為15.2 mg/L；經(jīng)過旋流氣浮處理后，出水平均懸浮固體濃度降至12.0 mg/L，去除率為21.1%；氣浮出水經(jīng)過一級(jí)過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至7.64 mg/L，去除率為36.3%；一濾出水經(jīng)過二級(jí)過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至4.24 mg/L，去除率為44.5%。48 h 過濾周期內(nèi)，二濾出水懸浮固體共計(jì)取樣8 次，其中達(dá)標(biāo)樣次為7 次，合格率為87.5%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質(zhì)懸浮固體濃度平均為15.2 mg/L 的條件下，經(jīng)“旋流氣浮+兩級(jí)過濾”處理后出水水質(zhì)懸浮固體濃度≤5 mg/L，達(dá)到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

第二組試驗(yàn)對(duì)含油去除效果如圖10 所示，對(duì)懸浮固體去除效果如圖11所示。

圖10 外輸水深度處理第二組含油去除效果Fig.10 Effect of oil removal in the second group of advanced treatment of external water

圖11 外輸水深度處理第二組懸浮固體去除效果Fig.11 Removal effect of suspended solids in the second group of advanced treatment of external water

已建三元污水站外輸水含油濃度在25.0～57.2 mg/L 之間變化，平均含油濃度37.0 mg/L；經(jīng)過旋流氣浮處理后，出水平均含油濃度降至25.1 mg/L，去除率為32.2%；氣浮出水經(jīng)過一級(jí)過濾后，出水平均含油濃度降至18.6 mg/L，去除率為25.9%；一濾出水經(jīng)過二級(jí)過濾后，出水平均含油濃度降至7.83 mg/L，去除率為57.9%。48 h 過濾周期內(nèi)，二濾出水含油量共計(jì)取樣8次，其中達(dá)標(biāo)樣次為3 次，合格率為37.5%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均含油量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質(zhì)含油濃度平均為37.0 mg/L的條件下，經(jīng)“旋流氣浮+兩級(jí)過濾”處理后出水水質(zhì)含油濃度＞5 mg/L，未達(dá)到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

已建三元污水站外輸水懸浮固體濃度在8.89～21.8 mg/L 之間變化，平均懸浮固體濃度15.6 mg/L；經(jīng)過旋流氣浮處理后，出水平均懸浮固體含濃度降至12.4 mg/L，去除率為20.5%；氣浮出水經(jīng)過一級(jí)過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至6.63 mg/L，去除率為46.5%；一濾出水經(jīng)過二級(jí)過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至4.18 mg/L，去除率為37.0%。48 h 過濾周期內(nèi)，二濾出水懸浮固體共計(jì)取樣8 次，其中達(dá)標(biāo)樣次為6 次，合格率為75.0%。綜合二濾出水在一個(gè)過濾周期內(nèi)的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質(zhì)懸浮固體濃度平均為15.6 mg/L 的條件下，經(jīng)“旋流氣浮+兩級(jí)過濾”處理后出水水質(zhì)懸浮固體濃度≤5 mg/L，達(dá)到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)要求。

2.3 討論

（1）針對(duì)已建三元污水站濾前水常規(guī)處理，在三元驅(qū)油劑返出高峰期時(shí)，兩組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：濾前水含油濃度為70 mg/L 左右的情況下，經(jīng)過兩級(jí)雙層粒狀濾料過濾處理后，最終出水水質(zhì)可以滿足含油濃度≤20 mg/L的常規(guī)處理要求；濾前水含油濃度為80 mg/L 左右的情況下，經(jīng)過兩級(jí)雙層粒狀濾料過濾未達(dá)到常規(guī)處理要求。

在濾前水懸浮固體濃度平均為71.3 mg/L 和69.2 mg/L 的情況下，經(jīng)過兩級(jí)雙層粒狀濾料過濾處理后，雖然最終出水平均懸浮固體濃度都可以滿足≤20 mg/L的常規(guī)處理要求，但濾前水平均懸浮固體濃度為69.2 mg/L 的情況下，合格率更高，達(dá)標(biāo)運(yùn)行更趨于穩(wěn)定。綜合以上分析，已建三元污水站驅(qū)油劑返出高峰期時(shí)沉降段出水水質(zhì)控制指標(biāo)宜為含油濃度≤70 mg/L、懸浮固體濃度≤70 mg/L。

（2）針對(duì)已建三元污水站外輸水深度處理，在三元驅(qū)油劑返出高峰期時(shí)，兩組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用“旋流氣浮+兩級(jí)過濾”處理工藝，在外輸水水質(zhì)含油濃度≤20 mg/L、懸浮固體濃度≤20 mg/L的情況下，經(jīng)過該套工藝處理后出水水質(zhì)能夠滿足大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)。相比大慶油田普通含聚污水深度處理站，該工藝是在兩級(jí)過濾的基礎(chǔ)上增加了溶氣浮選設(shè)備且濾速更低。

3 結(jié)論

（1）已建三元污水處理站采用的“序批式沉降+一級(jí)石英砂-磁鐵礦雙層濾料壓力過濾罐+二級(jí)海綠石-磁鐵礦雙層濾料壓力過濾罐”處理工藝，當(dāng)沉降段出水含油濃度≤70 mg/L、懸浮固體濃度≤70 mg/L 時(shí)，經(jīng)兩級(jí)雙層濾料過濾器過濾后出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)，否則難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（2）當(dāng)三元驅(qū)油劑返出高峰期時(shí)，已建三元污水站外輸水水質(zhì)滿足大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質(zhì)指標(biāo)的前提下，增加“旋流氣浮+兩級(jí)雙層濾料過濾”的處理工藝，可以滿足大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的深度處理需求，其中旋流氣浮水力停留時(shí)間20 min、一濾濾速6 m/h、二濾濾速4 m/h。