含聚采出水純物理除油技術研究與應用

丁 慧

（勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026）

含聚采出水純物理除油技術研究與應用

丁 慧

（勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026）

文章重點介紹了含聚采出水純物理處理技術——高梯度聚結氣浮技術的提出及研究方向，并有針對性地進行了高梯度 （旋流）聚結、高梯度聚結氣浮的研究，開發了 “材料聚結＋旋流聚結＋溶氣氣浮”的純物理工藝技術，研制的高梯度聚結氣浮一體化除油設備、高效微氣泡溶氣裝置和管式溶氣釋放器成功應用于1萬m3/d的采出水處理工程中，在不投加任何處理藥劑、來水含聚合物60 mg/L、含油高度乳化、粒徑0～6 μm的油珠占98%、含油≤500 mg/L的條件下，出水含油保持在50 mg/L以下，達到回注水混凝沉降進水含油指標，且不產生老化油，污泥量少。

含聚污水；純物理工藝；高梯度聚結；高梯度聚結氣浮

0 引言

隨著勝利油田進入開發后期， “三次”采油手段不斷豐富、規模不斷擴大，在開發水平持續提高的同時，含聚采出水回注處理已成為地面工程建設的技術瓶頸之一。

勝利油田目前含聚采出水量占總水量的46%，含聚采出水站來水含油量最高達到6 000 mg/L，聚合物質量濃度最高達180 mg/L。含聚采出水很難靠傳統常規工藝處理達到回注指標。這主要是因為含聚采出水中含大量的聚合物和石油磺酸鹽等驅油劑，使其乳化性質與水驅采出水有本質的不同，如油珠表面ξ電位高、油水界面膜強度大、油珠呈現W/O和O/W多重乳化和不規則多邊形結構，這些特性最終導致油水分散體系穩定、分散相粒徑細小，阻礙了油水的自然分離。

近年來為解決含聚采出水的達標回注問題，勝利油田采用了化學氣浮工藝，水質達標的同時，卻因為在水中投入大量的陽離子型除油劑和無機鹽混凝劑，產生了嚴重的老化油和含油污泥問題，不僅造成原油流失、處理成本增加，更嚴重的是極大地增加了環保壓力，同時也因為原油中有藥劑殘留使下游煉化受到一定程度的影響。

因此，研發一種新型的純物理含聚采出水除油技術、不投加化學藥劑、不產生老化油和含油污泥、出水含油達到混凝沉降進水指標100 mg/L（在進站污水含油達到1 000 mg/L以下的標準時），已經成為勝利油田可持續發展形勢的需要。

1 研究內容與技術指標

1.1 研究內容

按照室內小試、現場中試、工業化應用三步走的總路線，完成項目的研究及應用。

（1）高梯度聚結研究。對大口徑中速旋流管進行研究和現場試驗，確定關鍵技術參數。

（2）高梯度物理聚結技術研究。將材料聚結與高梯度聚結有機整合，開發現場試驗裝置，確定關鍵技術參數。

（3）高梯度聚結氣浮技術研究。有機融合 “材料聚結＋高梯度聚結＋氣浮”技術，開發現場試驗裝置，確定關鍵技術參數。

（4）示范工程。針對1萬m3/d的采出水處理示范工程，開發高梯度聚結氣浮裝置、壓力溶氣裝置、溶氣釋放裝置以及配套的自動化控制系統，實現工程整體的穩定運行。

1.2 技術經濟指標

（1）污油去除率：當污水含油1 000 mg/L以上時，污油去除率達90%；當污水含油1 000 mg/L以下時，處理后污水含油在100 mg/L以下。

（2）對小油珠去除率：高度乳化的含油污水對于粒徑在6 μm以下的油珠去除率達85%以上。

（3）運行成本：電耗為 0.1元/m3，藥耗為0 元/m3。

2 高梯度聚結研究

2.1 大口徑旋流元件研究

（1）大口徑旋流元件的提出。為滿足大規模工程需要，并適應重力流程低能耗的工況，提出開發150 mm的大口徑旋流元件進行試驗 （如圖1所示）。經理論分析，通過采用中速旋流，不僅可使內外圈油滴產生較高的線速度梯度，實現碰撞聚并，同時可有效避免高速旋流產生的高剪切力對大油珠造成的二次乳化。

圖1 高梯度聚結元件

（2）高梯度流場數值模擬?？刂菩鞴苓M水流量為5 m3/h，對旋流元件進口提供5 m/s的流速，采用FLUENT軟件進行數值模擬，得知旋流管內產生中速旋流，形成高速度梯度流場，油珠碰撞次數達到104次。

2.2 高梯度聚結室內試驗

（1）室內試驗裝置。根據流場模擬研究成果，在試驗室內設計、構建高梯度聚結室內試驗裝置并對其結構進行了優化，如圖2所示。試驗條件：進水流量控制在5 m3/h，由試驗室內水罐供水，試驗時間為2009年3月至6月，處理工藝采用高梯度聚結工藝。

圖2 高梯度聚結室內試驗裝置

（2）室內試驗結果與分析。試驗結果見表1。

表1 高梯度聚結室內試驗數據

結果分析：由室內試驗數據可知，采用高梯度聚結處理含油污水是有效的，平均除油率為43.5%。但僅采用高梯度聚結工藝除油率很有限。通過試驗數據可知，本裝置及工藝對來水含油具有一定的抗沖擊能力，進水含油變化在1 300 mg/L至100 mg/L之間時，污油平均去除率能夠保持在40%左右。另外，在進水含油量增大時，污油去除率出現提高的趨勢。

3 高梯度物理聚結技術研究

為達到較高的除油率，在高梯度聚結研究的基礎上，將其與材料聚結有機集成，開發了高梯度物理聚結技術。其中，聚結材料采用蛋托型式，水流為側向流。

3.1 高梯度物理聚結試驗裝置

現場試驗裝置見圖3。試驗地點選在勝利油田勝利采油廠坨一聯合站。試驗用水采用坨一污水站來水；來水流量為3～5 m3/h；試驗時間為2009年7月至9月。

圖3 高梯度物理聚結現場試驗裝置

3.2 試驗結果與分析

試驗結果見表2。

結果分析：由表2試驗數據顯示，進水含油在13 000 mg/L至1 000 mg/L之間、含聚150 mg/L以內的條件下，出水平均含油為591.28 mg/L，工藝裝置平均去除率由單一高梯度聚結的43.5%增長至77.72%。試驗結果說明高梯度物理聚結裝置能夠適應高含油污水的沖擊，并驗證了隨含油量增加除油率提高的規律。

4 高梯度聚結氣浮技術研究

根據高梯度聚結技術研究、試驗裝置及試驗結果，含聚污水含油去除率沒有達到理想水平，綜合國內外油田水處理工藝調研結果，氣浮是一種可控性較強的水處理工藝。為進一步提高含聚污水處理效果，結合氣浮工藝開發了高梯度物理聚結氣浮試驗裝置，開展了相關試驗研究。

4.1 高梯度聚結氣浮試驗裝置

裝置原理為 “材料聚結+旋流+氣浮除油”。一級采用正弦波折流聚結板，去除大部分浮油和分散油，強化3μm以下小油滴的碰撞聚結；二級采用中速旋流，建立高梯度使油滴進一步聚并，同時實施溶氣氣浮，使氣泡攜帶油滴上浮?，F場試驗裝置見圖4。

表2 高梯度物理聚結現場試驗結果

圖4 高梯度聚結氣浮現場試驗裝置

4.2 現場試驗

試驗地點選在勝利油田勝利采油廠坨一聯合站。試驗流程見圖5。

圖5 高梯度聚結氣浮現場試驗流程

試驗時間為2009年11月至12月，進水設計流量為0.6 m3/h。

4.3 試驗結果與分析

試驗結果見表3。

表3 高梯度聚結氣浮試驗結果

由表3可知，裝置除油效果明顯，除油率較高。在額定0.6 m3/h設計流量下、回流比為100%時，除油率最高，為85%以上，平均94.09%；當回流比降低和流量升高時，除油率有所降低，因此，工程上的回流比采用100%。

5 高梯度聚結氣浮示范工程

基于前期的現場試驗研究，2010年在勝利油田勝利采油廠坨一聯合站實施了1萬m3/d示范工程。

5.1 工程概況

（1）工程主體為高梯度聚結氣浮裝置，利用該站3 000 m3事故罐改造而成，油站分出的污水直接進該裝置。工程配套了氮氣溶氣系統、PLC控制系統、配電系統等。

（2）基礎數據：來水聚合物含量60 mg/L，原油相對密度0.917 4，水溫≤40℃。

（3）設計規模：1萬m3/d。

5.2 工程效果

示范工程于2010年11月10日正式運行，工程現場照片見圖6。

5.3 數據分析

（1） 除油率。示范工程穩定運行期間，分階段對高梯度聚結氣浮裝置進出口進行取樣分析，見圖7和表4。

圖7 高梯度聚結氣浮裝置進出水含油指標

表4 高梯度聚結氣浮裝置水質檢測結果

由上述檢測數據可知，裝置進水平均含油量為237.88 mg/L，出水平均含油量為32.93 mg/L，平均去除率為85.88%，出水含油達到了混凝沉降構筑物進水指標100 mg/L的要求。

（2） 油珠粒徑。裝置進出口油珠粒徑分析見表5。由表5數據可見，坨一站裝置進出口油珠粒徑分布范圍較窄，主要介于0～6.0 μm。其中來水油珠粒徑 ＜6.0 μm的占98%。該類型污水油滴小，油水分散體系穩定，處理難度大，不適宜采用常規污水處理工藝。經對比，發現出水中≤ 2 μm油珠所占比例增加，＞2 μm油珠所占比例減小，表明裝置已經有效去除了較

表5 高梯度聚結氣浮裝置進出水油珠粒徑分析

大粒徑油珠，污水中殘留污油基本是極難處理的微小粒徑油珠。

（3）氣浮回收原油物性。為驗證氣浮回收原油物性有無變化，將裝置回收原油與坨一站外輸凈化油在同等條件下進行黏度分析，見表6。

表6 氣浮回收原油與凈化油黏度對比/mPa·s

由表6可知，除油裝置回收的原油含水率37.75%，隨溫度升高黏度降低，無老化現象。與同等條件下凈化油對比黏度升高不明顯，可以得出不影響油站原油沉降脫水的結論。

6 經濟效益分析

該項研究成果將用于勝利油田含聚污水處理，為經濟有效地進行化學驅開發提供技術支持。

該技術為純物理不加藥處理，運行成本僅為電耗，約0.1元/m3，較目前在用的化學氣浮工藝可節省藥劑費0.4元/m3水，節省老化油和污泥處置費0.3元/m3水，合計節省處理費0.7元/m3水。

7 結論與下一步工作

7.1 結論

（1）系統研究了油田含聚采出水的特征，明確了純物理除油方法的技術方向。

（2）對高梯度聚結進行了機理研究和室內小試，并在此基礎上開發了 “材料聚結＋高梯度聚結”的純物理聚結裝置，試驗結果表明，高梯度物理聚結裝置除油效果明顯，達到77.72%。

（3）為進一步提高除油效果，將 “材料聚結＋高梯度聚結”與 “氣浮”工藝有機集成，開發了高梯度聚結氣浮試驗裝置，試驗結果表明，除油率有明顯提高，平均達到94.09%。通過現場試驗，確定了溶氣水回流比等主要參數。

（4）提出了高梯度聚結氣浮技術，并成功應用到處理規模1萬m3/d的實際工程中，自2010年11月穩定運行以來，不投加處理藥劑，在來水含油≤500 mg/L、聚合物含量60 mg/L、原油高度乳化、1～6 μm油珠占98%的條件下，出水含油穩定達到40 mg/L以下，達到了混凝沉降進水含油指標，不產生老化油，污泥產量少。運行成本僅為溶氣水回流電耗，約0.1元/m3。

7.2 技術創新

（1）開發的 “材料聚結＋高梯度聚結＋氣浮”三合一技術，適合勝利油田含聚處理，除油效率高，且具有不加藥、不產生老化油、污泥量少的特點。

（2）高梯度聚結氣浮裝置主體區集成 “高梯度聚結＋氣浮”的設計，使小油珠在與氣泡結合前先聚并成大油珠，與傳統單一的氣浮方式相比較，氣浮接觸率效果更好，提高了小油珠的去除率。

（3）開發的316 L不銹鋼微孔管式釋放器，具有溶氣釋放均勻、氣泡小、耐腐蝕、不易結垢、不易堵塞、壽命長的特點。

（4）開發的 “混合罐＋高效溶氣罐”兩級壓力溶氣系統，提高了溶氣效率。

（5）開發的臥式高效溶氣罐，通過內部設置高效溶氣罐微氣泡發生裝置和高效氣泡分割填料，在溶氣壓力0.4 MPa的條件下，溶氣量達到6%以上，較勝利油田在用技術提高溶氣量20%以上。

（6）保留傳統大罐運行平穩、結構簡單、維護方便的優勢，自流出水，能耗省，成本低。

7.3 下一步工作

隨著勝利油田 “三次”采油工作的不斷深化，含聚采出水處理難度將進一步增大。今后，擬在此研究基礎上，繼續開展高梯度聚結氣浮技術對高含聚采出水和二元驅采出水的適應性研究，并進一步優化設計參數，為勝利油田提高采收率提供技術支撐。

[1]馮永訓.油田采出水處理設計手冊[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2]孫成金.聚合物驅采出液和含油污水油水分離研究[D].北京：中國地質大學（北京），2007.

Research and Application of Purely Physical Deoiling Process for Polymer-flooding Produced Water

DING Hui（Shengli Engineering and Consulting Company,Ltd.,Dongying 257026,China）,

This article focuses on the proposition and research direction about the purely physical treatment technology which is high-velocity-gradient coalescence and flotation for polymer-flooding produced water.And it is targeted for the research about the high gradient（cyclone） coalescence and high-velocity-gradient coalescence and flotation,and the development of the purely physical process technology of“material coalescence+cyclone coalescence+dissolved nitrogen flotation”.As the main research results,the integral highvelocity-gradient coalescence and flotation oil removal equipment as well as the efficient micro-bubble dissolved device and tube dissolved gas release device have been successfully applied to a project of 10 000 m3/d productivity.In the conditions of without adding any process agent and water inflow having polymer of 60 mg/L,highly emulsified oil,98%of 0 ～ 6 μm oil droplet size and oil content not more than 500 mg/L,the outlet oil content remain less than 50mg/L which meet coagulation device inlet water quality.The device produces no aging oil and less sludge.

polymer-flooding produced water;purely physical process;high-velocity-gradient coalescence;high-velocity-gradient coalescence and flotation

TE357.61

A

1001－2206（2011）04－0062－05

丁 慧 （1969-），女，山東龍口人，高級工程師，1992年畢業于上海同濟大學給排水專業，現從事油田采出水處理與環保領域的科研設計工作。

2011-04-20；

2011-05-26