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。