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        橫向流聚結-氣浮工藝處理強堿三元采出水試驗研究

        2022-10-26 01:38:20李鐵軍
        油氣田地面工程 2022年9期
        關鍵詞:懸浮固體油率油水

        李鐵軍

        大慶油田設計院有限公司

        三元(alkaline/surfactant/polymer,ASP)復合驅油技術因其可以大幅度提高原油采收率而被廣泛研究[1]。三元復合驅油技術是聯(lián)合使用堿、表面活性劑和聚合物作為驅替劑驅替原油的技術,這三種化學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。三元復合驅油技術的廣泛應用導致采出水量明顯增大,且三元采出水的處理也是一個不可忽視的問題[5-6]。ASP采出水中殘留的堿、表面活性劑、聚合物等物質增加

        了采出水的穩(wěn)定性,導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ASP 采出水進行處理的技術包括物理、化學和生物方法[8]。常規(guī)水驅采出水處理技術又包含沉降[9]、氣浮[10]、破乳[11]、膜分離[12]等多種處理工藝,但對三元復合驅采出水處理的研究報道并不多。近年來,在斜板隔油池的基礎上,設計出了橫流聚結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處理大規(guī)模的石油石化廢水,在運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-氣浮組合工藝對三元污水處理試驗,分析該工藝對三元污水中的油和懸浮固體的去除情況,并評價處理效能,旨在為油田三元污水處理技術提供一個新的工藝組合。

        1 試驗材料和方法

        1.1 試驗用水

        試驗用水為大慶油田南五處理站三元復合驅采出水,pH值為9.87,其他水質特性見表1。試驗用水中油和懸浮固體質量濃度(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 三元復合驅采出水水質分析

        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推薦指標及分析方法》。

        1.3 橫向流聚結-氣浮組合工藝示意圖

        圖1為橫向流聚結-氣浮組合工藝的示意圖,所用系統(tǒng)主要由橫向流聚結(TFC)區(qū)、第一階段氣浮、第二階段氣浮組成。三元復合驅采出液經(jīng)管道進入橫向流聚結(TFC)區(qū),在該區(qū)域中進行初步油水分離,分離后的污水進入兩級氣浮裝置,進一步完成油水分離,并對污水中懸浮固體進行有效處理。

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

        1.3.1 橫向流聚結工藝參數(shù)

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

        1.3.2 氣浮試驗參數(shù)

        系統(tǒng)處理能力為2m3/h,容積負荷為3.75m3/m2·h,水力停留時間為1 h,其中一級氣浮水力停留時間(HRT)為0.5 h,二級氣浮水力停留時間為0.25~0.5 h。在對照試驗中,在沒有輔助條件的情況下關閉氣浮裝置,同時評估油和懸浮固體的去除效率,該試驗的持續(xù)時間為48 h。

        1.4 優(yōu)化氣浮部分的回流比

        在優(yōu)化試驗中設定了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,試驗時間為48 h。

        2 采出水油水分離特性分析

        圖2a 為連續(xù)沉降試驗中三元復合驅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,總去除率為60.12%。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間需要長達26 h,而在注水系統(tǒng)中需要4 h。這是由于三元復合驅體系中使用了堿、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),因此三元復合驅采出水的處理比水驅采出水的處理更加困難。

        圖2b 為連續(xù)沉降試驗中三元復合驅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,總去除率為56.92%。在試驗的前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。與水驅系統(tǒng)相比,三元復合驅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合驅采出水的要求,應開展技術優(yōu)化和創(chuàng)新以滿足三元復合驅采出水的處理要求。

        圖2 連續(xù)沉降實驗中三元復合驅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

        首先進行對照試驗,關閉氣浮裝置,并對油的去除率進行評價。圖3a 為關閉氣浮裝置下含油量和懸浮固體的去除情況。在運行的第一個24 h,橫向流聚結區(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運行中,裝置進入穩(wěn)定運行階段,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的平均除油率分別為4.18%和29.20%,平均總去除率為33.38%。圖3b 為氣浮試驗,在開啟氣浮裝置條件下油和懸浮固體的去除情況。在運行的第一個24 h,橫向流聚結區(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運行中,裝置進入穩(wěn)定運行階段,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的平均除油率分別為2.53%和48.64%,平均總去除率為51.17%。結果表明,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%,較未開啟時提高20%左右,說明氣浮可顯著提高三元復合采出水油水的分離效率。

        圖3 橫向流聚結-氣浮工藝對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。當回流比為30%時,整個工藝中油的平均總去除率為69.09%,去除率的提高主要集中在氣浮段,在運行初始24 h內油去除率從42.61%提高到62.66%;穩(wěn)定運行階段(24~48 h),平均總去除效為71.11%,橫向流聚結區(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,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%,整個工藝中油的去除率顯著升高。當回流比為50%時,整個工藝的油去除率呈現(xiàn)下降趨勢,整個試驗周期內油的平均去除率為41.90%。因此,不同回流比對整個工藝油的去除率有明顯影響,當氣浮裝置回流比為40%時,橫向流聚結-氣浮組合工藝對三元復合驅采出水的油去除效果最佳。

        圖4 不同回流比下橫向流聚結-氣浮組合工藝對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 為對照試驗,關閉了氣浮裝置。在對照試驗中,調試運行階段內24 h的橫向流聚結區(qū)和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別為22.26%和18.60%,平均總去除率為40.86%;在穩(wěn)定運行階段的24 h內,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的懸浮固體去除效率分別為20.88%和17.96%,平均總去除率為38.84%。如圖5b 所示,在氣浮試驗中,初始運行24 h內,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別為19.06%和19.67%,平均總去除率為38.73%;在穩(wěn)定運行的24 h內,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的懸浮固體去除率分別為18.16%和20.45%,平均總去除率為38.61%。

        圖5 橫向流聚結-氣浮組合工藝對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。當回流比為30%時,初始運行的24 h內,懸浮固體的平均總去除率提高到58.44%,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的去除率也分別提高到26.93%和31.51%;在穩(wěn)定運行的運行24 h,平均總去除效率增加到59.32%,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的去除效率分別為26.93%和32.39%?;亓鞅葹?0%時,在運行第一個24 h 內,懸浮固體的平均總去除率增加到69.15%,橫向流聚結區(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運行中,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的平均懸浮固體去除率分別為32.97%和38.13%,平均總去除率為71.10%。當回流比固定在50%時,初始運行24 h內的橫向流聚結區(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%,懸浮固體平均總去除率為42.29%;隨后穩(wěn)定運行24 h,橫向流聚結區(qū)和氣浮段的懸浮固體去除率分別為19.64%和24.18%,平均總去除率為43.83%。

        圖6 不同回流比下橫向流聚結-氣浮工藝對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 結論

        三元復合驅采油技術是一項重要的三次采油技術,但由于化學品的使用,使得三元采出水更難處理。油和懸浮固體含量對于評價采出水的處理效果非常重要。

        橫向流聚結-氣浮工藝對三元復合驅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%時除油效果最佳,整個工藝穩(wěn)定運行階段對污水中油和懸浮固體的平均總去除率分別為78.36%和71.10%。

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

        橫向流聚結-氣浮組合技術可以節(jié)省大量時間,對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。

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