修井返排液快速處理技術優化研究

唐倩雯，蘇秋涵，魏斌，李月足，劉丙生，郝麗偉

修井返排液快速處理技術優化研究

唐倩雯1，蘇秋涵1，魏斌1，李月足2*，劉丙生1，郝麗偉1

（1. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司石油工程技術研究院， 山東 東營 257068； 2. 中國石油大學（華東）科學技術研究院， 山東 東營 257061）

氣浮除油技術因其工藝成熟、效果顯著、成本低廉、操作工藝簡單、處理量大等優點而廣泛應用于含油污水的處理。文章針對勝利油田修井返排液的不同現場情況，開展了氣浮除油及精過濾技術的研究，通過實驗研究，優選出了最佳的化學藥劑；優化了氣浮工藝參數和精過濾工藝參數。制定了一套完整的、現場適用性強的工藝技術方案，有效地指導了現場的施工應用。

修井返排液；含油污水；無機絮凝藥劑；有機助凝藥劑；精細過濾

勝利油田年均修井作業工作量2萬井次以上；洗井、沖砂是修井作業中常用的工序。洗井過程中的返排液如果直接循環洗井，容易造成油水井的二次污染，堵塞油層。但如果全部采用聯合站污水洗井，流程復雜，成本高。由于原油產地的油藏地質條件差異、注水水質特性不同以及原油開發過程中添加的各種化學藥劑，使得修井返排液組成異常復雜，成份性質各不相同。一般來說油田污水中含有原油、各種微生物、有機物、無機物、鹽類等，污水含油高的可達 5 000 mg/L以上[1]。氣浮除油技術因其工藝成熟、效果顯著、成本低廉、操作工藝簡單、處理量大等優點而廣泛應用于含油污水的處理，并且取得了很好的效果。

1 氣浮除油技術

氣浮除油技術是利用廢水中的顆粒的疏水性，通過在氣浮池中向廢水中通入一定尺寸的氣泡，廢水中的污染物則將會吸附在氣泡上面，隨著氣泡不斷上浮，污染物也會浮到水面上面形成由污染物、水、氣泡構成的三相泡沫層，收集泡沫層達到污染物和水分離的效果[2]。

2 氣浮除油及過濾技術處理含油污水

2.1 化學絮凝藥劑的優選

2.1.1 優選無機絮凝藥劑

含油污水中膠體顆粒大都帶負電荷，因此我們選用的無機混凝劑一定是帶正電荷的離子或聚合離子。選用五種無機鹽類絮凝劑進行實驗：聚合氯化鋁PAC、氯化鐵FeCl3、硫酸鋁AS、聚合硫酸鐵PFS、聚合硫酸氯化鐵鋁PAFCS[3]。影響絮凝效果的因素有水溫、pH值、絮凝劑種類、加量、攪拌速度和時間等，諸因素的影響錯綜復雜，在此我們根據實驗室條件進行實驗。衡量絮凝效果的主要指標是出水濁度。我們用722型分光光度計,測混凝沉降后上層清液的透光率,并以此做為評價混凝處理效果的依據[4]。實驗條件：水溫=20 ℃、pH=7.0、混凝劑加量10~70 mg/L、攪拌速度300~1 000 r/min、攪拌時間15 min，原水吸光值為0.65，得到如下實驗結果：聚合氯化鋁PAC投加濃度為10、30、50、70 mg/L時，吸光值分別為0.123、0.078、0.065、0.082，去除率分別為46.09%、50.18%、51.36%、49.82%，沉降時間分別為4、3、3、3 min。氯化鐵FeCl3投加濃度為10、30、50、70 mg/L時，吸光值分別為0.33、0.328、0.292、0.242，去除率分別為27.27%、27.45%、30.73%、35.27%，沉降時間分別為6、6、6、6 min。聚合硫酸鐵PFS投加濃度為10、30、50、70 mg/L時，吸光值分別為0.24、0.198、0.165、0.178，去除率分別為35.45%、39.27%、42.27%、41.09%，沉降時間分別為4、4、4、4 min。硫酸鋁AS投加濃度為10、30、50、70 mg/L時，吸光值分別為0.268、0.244、0.192、0.21，去除率分別為32.91%、35.09%、39.82%、38.18%，沉降時間分別為5、5、5、5 min。聚合硫酸氯化鐵鋁PAFCS投加濃度為10、30、50、70 mg/L時，吸光值分別為0.125、0.08、0.075、0.078，去除率分別為45.91%、50.00%、50.45%、50.18%，沉降時間分別為5、4、3、4.5 min。

根據實驗結果可知，絮凝劑聚合氯化鋁PAC與聚合硫酸氯化鐵鋁PAFCS效果較好；去除率的結果與吸光值保持一致，兩者的去除率保持在50% 左右，遠高于其它三種絮凝劑的去除率。不同沉降時間的處理結果差異也較大，沉降時間為3~4 min，低于其他絮凝劑[5]，所以選用聚合氯化鋁PAC與硫酸氯化鐵鋁PAFCS混合搭配做為我們科研項目中使用的無機混凝劑。最佳投加濃度有一個數值范圍，聚合氯化鋁PAC最佳投加濃度為30~50 mg/L，硫酸氯化鐵鋁PAFCS最佳投加濃度為30~70 mg/L，投加濃度過大或過小效果都不理想。

我們選用PAC與PAFCS質量比1∶1混合作為無機絮凝藥劑，為了探究無機絮凝藥劑投加量與污水處理排量、含油量、懸浮物及粒徑的關系，我們進行了實驗對比。實驗條件：水溫=20 ℃、pH=7.0、攪拌速度300~1 000 r/min、攪拌時間15 min。得到最佳實驗結果：無機絮凝劑投加濃度為50 mg/L，污水排量為0.5 L/min時，原油含量為152 mg/L，最終含油量為34.7 mg/L，原始懸浮物為151 mg/L，最終懸浮物為10.6 mg/L，原始粒徑為56 μm，最終粒徑為9.7μm。原油含量為358 mg/L，最終含油量為86.1 mg/L，原始懸浮物為352 mg/L，最終懸浮物為30.1 mg/L，原始粒徑為56μm，最終粒徑為12.1μm。

由此實驗可知，無機絮凝藥劑投加濃度為50 mg/L時，污水排量為0.5 L/min時，處理效果最佳。

2.1.2 優選有機助凝藥劑

由于油田污水具有負電荷，所以要求有機助凝劑必須為具有正電荷的陽離子有機助凝劑。資料查新顯示，陽離子聚丙烯酰胺做為有機助凝劑比較適合。我們用722型分光光度計,測混凝沉降后上層清液的透光率，并將此作為評價混凝處理效果的依據[4]。實驗條件：水溫=20 ℃、pH=7.0、有機混凝劑加量5~20 mg/L、攪拌速度300~100 r/min、攪拌時間15 min。設置的投加濃度分別為5、10、15、20 mg/L，得到的實驗結果如下：CPAM1（分子量＜100萬）投加濃度為10 mg/L時，吸光值最小為0.25，去除率最大為36.36%；CPAM2（分子量100~1 000萬）投加濃度為10 mg/L時，吸光值最小為0.2，去除率最大為40.91%；CPAM3（分子量1 000~1 500萬）投加濃度為10 mg/L時，吸光值最小為0.288，去除率最大為32.91%；CPAM4（分子量＞1 500萬）投加濃度為5 mg/L時，吸光值最小為0.271，去除率最大為34.45%。

從以上實驗結果可以看出，CPAM2效果最好；去除率的結果與吸光值保持一致，CPAM2的去除率遠高于CPAM1、CPAM3、CPAM4的去除率，且投加濃度為5和10 mg/L時去除率保持在40% 左右。所以我們選用投加濃度5和10 mg/L繼續進行實驗。

為了探究聚丙烯酰胺CPAM投加量與污水處理排量、含油量、懸浮物及粒徑的關系，我們進行了實驗對比。實驗條件：水溫=20 ℃、pH=7.0、攪拌速度300~1 000 R/MIN、攪拌時間15 min。實驗結果見下圖1和圖2。

圖1 CPAM投加5mg/L時污水處理結果圖

圖2 CPAM投加10mg/L時污水處理結果圖

綜合以上實驗結果可見，CPAM投加濃度為10 mg/L時，處理效果優于5 mg/L，能滿足各種排量時污水的處理要求，且對各項指標均有較好的控制效果，當污水排量為0.5 L/min時，處理效果最佳。因此我們選出CPAM2做為有機混凝劑（助凝劑），其使用濃度為10 mg/L。

2.1.3 無機絮凝劑與有機助凝劑的協同作用

使用722型分光光度計測絮凝沉降后上層清液的透光率，并以此做為評價絮凝處理效果的依據。首先使用無機絮凝劑單一對污水進行處理，確定不同添加量和透光率的關系，然后在不同的無機絮凝劑用量(單位為mg/L)的條件下，統一加入10 mg/L的CPAM，觀察無機絮凝劑和CPAM協同作用效果，見圖3。

圖3 無機絮凝劑與有機助凝劑的協同作用

由圖3可見無機絮凝劑與有機助凝劑協同作用的處理效果要比單獨使用無機絮凝劑的處理效果好(出水透光率普遍提高),且可觀察到絮體顆粒大,沉降速度快,沉降后污泥體積小。

2.1.4 加藥順序對污水處理效果的影響

本試驗的主要目的是通過改變加藥順序進行混凝試驗，以考察其對污水的處理效果[6]。有機助凝劑CPAM投加濃度為10 mg/L，無機絮凝劑投加濃度為50 mg/L，加藥順序按照表4進行改變，結果：無機絮凝劑先，CPAM后，測得透光率為92%；無機絮凝劑與CPAM同時加入測得透光率為62%，CPAM先，無機絮凝劑后測得透光率75%。

由此可知，先加入無機絮凝劑，再加入CPAM，透光率最高達到92%，效果較好，這和前面分析的兩者協同作用的機理是一致的，是相符合的。若同時加入無機絮凝劑與有機助凝劑，則無機絮凝劑的一些水解中間形態可能與CPAM發生絮凝作用，這樣處理效果會顯著降低。

為了探究兩者協同作用時污水處理排量與含油量、懸浮物及粒徑的關系，我們進行了實驗對比。實驗條件：先投加無機絮凝劑濃度為50 mg/L，再投加CPAM濃度為10 mg/L，水溫=20 ℃、pH=7.0、攪拌速度300~1 000 R/MIN、攪拌時間15 min。實驗結果見下表1。

表1 無機絮凝劑與有機助凝劑協同作用時污水排量對處理效果的影響

綜合實驗結果，當二者協同作用的時候，對各項指標的處理能力都明顯強于單一藥劑作用，在最大排量最大污染時，完全能夠滿足處理要求，且在各種低排量低污染的時候仍能夠滿足處理要求，所以，我們可以選定先投加無機絮凝劑濃度為50 mg/L，再投加CPAM濃度為10 mg/L，來做為最終的實驗條件。

2.2 氣浮除油凈水技術研究

隨著油田開發的不斷深入，氣浮除油凈水技術，越來越受到石油化工行業的重視。目前，海上平臺、煉油及石油化工等含油污水的處理都采用了氣浮處理技術，含油污水經過氣浮處理，可將含油量降到30 mg/L以下，再經過過濾或生化處理，出水含油可達到10 mg/L以下，滿足深度凈化技術需求。含油量較少時可直接進行氣浮，污染嚴重時可經過絮凝沉淀、除油后再進行氣浮。

表2 不同氣量不同排量氣浮效果數據表

2.2.1 溶解氣浮法的設計要點

（1）對待處理水的情況進行充分研究，分析是否適宜采用氣浮工藝；

（2）如果條件允許，需要對待處理的廢水進行氣浮模型試驗或是小型試驗。通常溶氣壓力采用0.2~0.4 MPa；

（3）根據試驗時具體混凝劑種類、絮凝時間、反應程度、投加量等，選擇反應形式，確定反應時間，通常選擇的沉淀反應時間為2~30 min；

（4）根據施工液量選擇適應的氣浮池的池型，不可過大或過小，氣浮池接觸室的流速通常控制在0.1 m/s以內；

（5）接觸室一定要為氣泡與絮凝體之間提供良好的接觸條件，同時寬度應考慮安裝和檢修的要求。為了確保接觸效果，水流上升流速通常控制10~20 mm/s，水流在室內的停留時間最好大于60 s；

（6）氣浮池中水流停留時間在5~20 min，有效水深在1.5~2.0 m之間；

（7）氣浮池的排渣要定期排除，集渣槽可設置在池的一端或兩端，集中送往污泥處理廠進行無害化處理；

（8）氣浮池集水應力求均勻，采用穿孔集水管，集水管最大流速約為0.5 m/s。

2.2.2 氣浮除油室內試驗

為了摸清氣浮除油效果，我們進行了氣浮除油室內試驗。試驗中藥劑投加濃度無機絮凝劑50 mg/L+CPAM 10 mg/L。排量單位為L/min，結果見表2。

以上實驗數據表明，當氣量為2（壓力0.1MPa）、排量為0.5時，氣浮裝置污水處理效果最好。

2.3 精細過濾除油技術研究

2.3.1 過濾基本原理

根據所采用的過濾介質不同，可分為格篩過濾、微孔過濾、膜過濾、深層（濾料填充）過濾四類。四種過濾方式經過比較、結合現場實際需求，我們認為深層過濾比較適合本次“精細過濾除油技術研究”，因此我們圍繞深層過濾繼續展開研究。

2.3.2 過濾介質

為了選擇合適的濾料，我們開展了檢測與試驗，得到如下試驗數據：石英砂粒徑為0.3~1.2 mm，球度系數0.89，孔隙度0.44%，強度5 MPa，化學穩定，成本低；核桃殼粒徑為0.3~1.2 mm，球度系數0.76，孔隙度0.50%，強度0.5 MPa，化學穩定，成本低；無煙煤粒徑為0.3~1.2 mm，球度系數0.65，孔隙度0.55%，強度2.0 MPa，化學穩定，成本較低；陶粒粒徑為0.3~1.2 mm，球度系數0.96，孔隙度0.41%，強度20 MPa，化學穩定，成本較高；金剛砂粒徑為0.3~1.2 mm，球度系數0.92，孔隙度0.45%，強度8.9 MPa，化學穩定，成本稍高；活性炭粒徑為0.3~1.2 mm，球度系數0.79，孔隙度0.48%，強度1.6 MPa，化學穩定，成本較高。

綜合比較篩選，我們選取石英砂、金剛砂做為濾料。

2.3.3 濾層結構

我們現場污水處理研究考慮三種濾層結構，即單層濾料結構、雙層濾料結構、三層濾料結構。

我們選用上述的三種濾層結構分別進行壓力損失與濁度變化對比實驗，實驗起始壓力全部為0.30 MPa,濾前濁度全部為39.6，結果如下：單層石英砂的厚度為30 cm，粒度為0.3~1.0 mm，濾后壓力為0.28 MPa,濾后濁度全部為0.41。石英砂+金剛砂的厚度為30 cm，粒度為0.2~1.2 mm，濾后壓力為0.25 MPa,濾后濁度全部為0.24。石英砂+金剛砂+石英砂的厚度為30 cm，粒度為0.1~1.5 mm，濾后壓力為0.20 MPa,濾后濁度全部為0.35。實驗結果表明，雙層濾料結構可以滿足需求，壓力損失小、過濾效果好。最終過濾介質選擇石英砂、金剛砂；結構確定為石英砂+金剛砂結構雙層結構。

2.3.4 濾料粒徑對污水處理效果的影響

為了驗證濾料粒徑對污水處理效果的影響，我們開展了以下試驗：實驗采用石英砂+金剛砂結構雙層結構，變換兩種濾料的粒徑，觀察對實驗效果的影響。因為金剛砂剛度大、耐沖擊，所以放于頂部。結果見表3。

表3 濾料粒徑對污水處理效果影響實驗數據表

綜合幾個方面，我們認為0.1～0.6 mm石英砂 ＋ 0.4～1.0 mm金剛砂結構比較適合現場應用。

2.4 整體除油凈水試驗

2.4.1 整體除油凈水試驗工作程序

（1）整體除油凈水試驗工作流程整體除油凈水試驗工作流程見圖4。

圖4 凈水試驗工作流程圖

（2）試驗參數

在不同的污水排量下，混合無機絮凝劑添加濃度50 mg/L、有機助凝劑CPAM添加濃度10 mg/L、氣量壓0.1 MPa、過濾裝置采用雙層0.1～0.6 mm石英砂 ＋ 0.4～1.0 mm金剛砂結構。

2.4.2 除油凈水試驗結果

除油凈水試驗結果見表4。

表4 室內凈水試驗數據表

3 結論

綜合整體實驗研究，本套“含油污水氣浮除油及精過濾”試驗裝置處理油田修井返排液完全可以滿足生產要求，復合行業標準。

污水處理各項條件步驟為：

（1）先添加混合無機絮凝劑（聚合氯化鋁PAC+聚合硫酸氯化鐵鋁PAFCS質量比1∶1）投加濃度50 mg/L；

（2）然后添加有機助凝劑CPAM投加濃度10 mg/L；

（3）氣浮氣量壓力為0.1 MPa；

（4）過濾裝置采用雙層0.1～0.6 mm石英砂 ＋ 0.4～1.0 mm金剛砂結構。

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［2］ 邢禮娜.焦化廢水組合處理及循環回用的腐蝕性研究[D].大連理工大學,2009.

［3］ 叢濤泉,丁璐,毛澤星,施巖. 聚硅酸金屬鹽類絮凝劑的研究進展[J]. 當代化工,2014(01):48-50.

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［5］ 呂慧,馬俊峰,劉洪鋒.絮凝劑篩選與濃度優化試驗的研究[J].全面腐蝕控制,2010(08):3-5+14.

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Research on Rapid Treatment Technology of Flowback Fluid in Workover

1,1,1,2,1,1

（1. Sinopec Shengli Oilfield Company Petroleum Engineering Technology Research Institute, ShandongDongying 257068, China； 2. Science and Technology Research Institute,China University of Petroleum-Huadong, Shandong Dongying 257061, China）

Because of its mature technology, significant effect, inexpensive, simple operation and large gas capacity, the air flotation technology has been widely used to treat oily sewage. In this paper, aiming at different flowback fluid of workover in Shengli oilfield, the air flotation technology and fine filtration technique for treating the flowback fluid were researched, and then the best chemical agent was screened out by experiments, the parameters of floating process and fine filtration process were optimized. At last, a complete scheme with strong on-site applicability was developed.

Workover flowback fluid; Oily sewage;Inorganic flocculant; Organic coagulant; Fine filtering

TE 357

A

1671-0460（2017）10-2085-05

中石化科技攻關項目“修井作業洗井液循環利用及液面監控技術”（315077）。

2017-07-24

唐倩雯（1987-），女，助理研究員，2012年畢業于貴州大學機械工程學院機械設計理論專業，獲碩士學位，現從事石油機械的研究工作。

李月足（1989-），男，2011年畢業于唐山工業職業技術學院石油化工生產技術專業，現從事環境修復（污水、含油污泥）及相關的檢測研究工作。