延長油田污水處理工藝升級(jí)改造研究

宋群華 李國勇 王超

延長油田股份有限公司杏子川采油廠

目前國內(nèi)大部分油田已進(jìn)入開采中后期，其采出水要多于采出油量，有些油田的采出液中含水率高達(dá)90%，為解決水資源浪費(fèi)和采油污水造成的環(huán)境污染問題，采油污水處理達(dá)標(biāo)后需回注地層[1-2]以提高采油率。延長油田某污水處理站污水處理規(guī)模達(dá)到5 000 m3/d，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)可知，該污水處理站處理的污水尚未達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)，這將對(duì)油田可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響[3-4]。

1 出站污水水質(zhì)對(duì)油田的影響

國內(nèi)針對(duì)油田污水常采用回注、回用及外排三種處理手段，每種手段處理后其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也不同[5-6]。污水處理站處理的污水經(jīng)玻璃鋼管道輸送，再回注至地層，其注水水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到B2級(jí)別。表1為該污水處理站出站水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果。

由表1可看出，出站水質(zhì)中懸浮物含量、腐蝕速率、SRB菌、鐵細(xì)菌和硫化氫等指標(biāo)均超過B2水質(zhì)指標(biāo)。油田污水經(jīng)污水處理站處理后仍未達(dá)標(biāo)將會(huì)帶來以下嚴(yán)重危害：①未達(dá)標(biāo)的回注水將導(dǎo)致油田注入狀況差，油藏開發(fā)效果不理想，造成環(huán)境污染，增加開發(fā)成本[7-8]；②未達(dá)標(biāo)的水質(zhì)極易腐蝕注水站、注水管網(wǎng)和注水管柱，極大縮短管道和設(shè)備的使用壽命，給油田生產(chǎn)帶來較大的安全隱患[9-10]。

表1 水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Water quality test results

由于污水處理系統(tǒng)中上述含量超標(biāo)，導(dǎo)致系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，引起凈化污水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，故主要任務(wù)是控制腐蝕、結(jié)垢以及細(xì)菌的繁殖，通過采用新技術(shù)與新工藝，結(jié)合水質(zhì)改性技術(shù)藥劑來優(yōu)化污水處理工藝流程。

2 水質(zhì)改性技術(shù)試驗(yàn)

對(duì)污水站污水中離子進(jìn)行了檢測(cè)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 離子檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Ion detection results

由表2數(shù)據(jù)可看出：污水處理站污水中碳酸氫根含量較高，其質(zhì)量濃度大于3 000 mg/L，而延長油田采出水中碳酸氫根質(zhì)量濃度小于1 000 mg/L，需將油田污水內(nèi)加入堿液，調(diào)節(jié)污水pH值使酸堿度發(fā)生變化，更加偏堿性，此舉將完成污水水質(zhì)的改性工作。其原理在于高堿度的條件下污水中存在的電解平衡會(huì)被破壞，引起碳酸氫根進(jìn)一步電離成氫離子與碳酸根，而碳酸根將會(huì)與污水中存在的鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，此外碳酸根還將與污水中存在的三價(jià)鐵離子經(jīng)雙水解化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化鐵沉淀，污水中碳酸氫根將被大量消耗，極大減少設(shè)備腐蝕與結(jié)垢等現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，高堿度環(huán)境下鐵發(fā)生鈍化，SRB菌無法在此環(huán)境下生存。可通過上述手段來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改性降低污水對(duì)設(shè)備的腐蝕。

2.1 改性藥劑優(yōu)選

利用污水處理站的來液水樣對(duì)pH值與液堿用量之間的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)與表征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 pH值與液堿用量之間的關(guān)系Tab.3 Relationship between pH value and liquid alkali dosage

從表3數(shù)據(jù)可以看出，液堿用量與pH值呈正相關(guān)。

在水質(zhì)改性的過程中會(huì)伴隨有大量污泥的產(chǎn)生，故仍需評(píng)價(jià)污泥量與pH值之間的關(guān)聯(lián)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 污泥量與pH值之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between sludge output and pH value

從圖1可以看出，pH值與污泥量呈正相關(guān)，當(dāng)pH值大于7.5時(shí)，污泥量增加幅度較大，表明pH值對(duì)污泥產(chǎn)出量影響較大。不同pH值條件下產(chǎn)生的污泥量如圖2所示。

圖2 不同pH值條件下產(chǎn)生污泥量情況Fig.2 Sludge output produced under different pH conditions

由于調(diào)節(jié)回注水的pH值會(huì)引起水質(zhì)的變化，故可通過此方法來控制回注水對(duì)設(shè)備與管道的腐蝕。對(duì)pH值與腐蝕速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，如圖3所示，通過觀察不同pH值（pH值分別為6.4、7.0、7.5和8.0）條件下腐蝕速率發(fā)現(xiàn)：當(dāng)pH值小于7時(shí)，隨pH值的增加腐蝕速率降低顯著；當(dāng)pH值大于7時(shí)，腐蝕速率幾乎不受pH值的影響。

圖3 腐蝕速率與pH值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between corrosion rate and pH value

2.2 凈化劑優(yōu)選

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)pH值小于7.0且隨著pH值的增加腐蝕速率顯著降低，因此在進(jìn)行凈化劑篩選之前需使用改性劑將水樣pH值調(diào)節(jié)到7.0，將各實(shí)驗(yàn)組中加入40 mg/L絮凝劑，再加入不同濃度的混凝劑，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。隨后將混凝劑的用量統(tǒng)一加入100 mg/L，再加入不同加入量的絮凝劑，結(jié)果如圖5所示。

由圖4和圖5可看出，在水質(zhì)已完成改性后用少量的凈化劑即達(dá)到除油效果；但水質(zhì)改性后凈化時(shí)會(huì)生成大量懸浮物，需結(jié)合水樣中懸浮物含量來評(píng)價(jià)凈化效果。綜合含油量與懸浮物結(jié)果，混凝劑和絮凝劑的最佳加入量分別為100 mg/L和40 mg/L。

圖4 不同濃度混凝劑的凈化效果Fig.4 Purification effect of different concentration of coagulant

圖5 不同濃度絮凝劑的凈化效果Fig.5 Purification effect of different concentration of flocculants

通過上述對(duì)改性藥劑及凈化劑的優(yōu)選及最佳加量的確定，可初步確定現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)改性技術(shù)的配方及濃度，藥劑加入類型及濃度如表4所示。

表4 水質(zhì)改性技術(shù)藥劑配方方案Tab.4 Pharmaceutical formula scheme of water quality modification technology

2.3 殺菌緩蝕劑優(yōu)選

針對(duì)腐蝕的主要原因，在室內(nèi)進(jìn)行了殺菌緩蝕劑的優(yōu)選，結(jié)果如表5所示。

通過表5中數(shù)據(jù)可看出，HBHS系列的殺菌緩蝕劑僅在30 mg/L的濃度下對(duì)污水的緩蝕率便達(dá)到98%，而現(xiàn)場(chǎng)所用殺菌緩蝕劑要加量為40 mg/L時(shí)才可達(dá)到98%的污水緩蝕率的效果，表明室內(nèi)殺菌緩蝕劑的殺菌效果優(yōu)異。在延長油田污水站腐蝕速率較高的條件下，只有當(dāng)室內(nèi)緩蝕率高于95%時(shí)，才能保證污水腐蝕速率小于0.076 mm/a。同時(shí)由表中數(shù)據(jù)可以看出，在相同加藥濃度下殺菌緩蝕劑HBHS-4的緩蝕效果要優(yōu)于其他三種，故推薦現(xiàn)場(chǎng)選用殺菌緩蝕劑HBHS-4，從效果與經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，建議加藥濃度為30 mg/L。

表5 殺菌緩蝕劑效果Tab.5 Bactericidal corrosion inhibitor effect

3 處理站改造方案

處理站存在以下問題：

（1）富含CO2的酸性水質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，腐蝕速率嚴(yán)重超標(biāo)，將嚴(yán)重腐蝕處理罐及管線，出現(xiàn)堵塞、排泥困難等問題，從而極易造成污水量在未達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)模時(shí)發(fā)生溢流；同時(shí)可為細(xì)菌大量滋生繁殖提供條件，加速污水處理站懸浮物含量超標(biāo)。

（2）設(shè)備內(nèi)部過濾器及其他構(gòu)件因腐蝕而遭到損壞，造成濾料漏失及設(shè)備使用效率低下，對(duì)污水中的污油及懸浮物無法做到有效去除，導(dǎo)致處理后的污水水質(zhì)不符合B2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）外輸泵泵體腐蝕嚴(yán)重，泵軸、葉輪磨損嚴(yán)重，泵效低。

通過分析上述污水處理站出站水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)懸浮固體含量、腐蝕速率、SRB菌含量、鐵細(xì)菌和硫化氫含量均超標(biāo)。針對(duì)上述含量超標(biāo)的原因、進(jìn)站水質(zhì)特點(diǎn)及現(xiàn)階段污水處理工藝的情況，提出從水質(zhì)凈化與穩(wěn)定兩個(gè)方面出發(fā)對(duì)處理站進(jìn)行改造：即對(duì)進(jìn)站來水進(jìn)行水質(zhì)凈化處理，將污水中所含懸浮物、污油及細(xì)菌等有害物質(zhì)做到有效去除，并新建多介質(zhì)過濾器和雙濾料自動(dòng)過濾器，及時(shí)更換外輸泵；控制污水在系統(tǒng)內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)，控制腐蝕速率、結(jié)垢及細(xì)菌的繁殖。

改造方案流程為兩級(jí)除油+化學(xué)混凝+逆流沉降+多層濾料過濾處理。污水主要處理流程如圖6所示。

其中除油、沉降和過濾是改造工程處理工藝的核心，采用重力除油，除去污水中的油及懸浮物，并在流程前段、中段和后段加入不同種類化學(xué)藥劑進(jìn)行緩蝕、防腐、殺菌、凈化、穩(wěn)定等。本文設(shè)計(jì)改造工藝的最大特點(diǎn)在于采用大型除油罐來進(jìn)行重力除油工藝，其具有沉降時(shí)間充足，水力停留時(shí)間長，可承受較大壓力的沖擊，適應(yīng)大量水質(zhì)及水量變化，操作管理簡便等優(yōu)點(diǎn)。投加點(diǎn)的藥劑控制和計(jì)量可實(shí)現(xiàn)減少藥劑浪費(fèi)的目的，節(jié)省藥劑與治水成本；此工藝產(chǎn)生的污泥量較少，且污泥處理所用費(fèi)用較少，功耗低。

4 改造效果

當(dāng)含油質(zhì)量濃度小于350 mg/L、懸浮質(zhì)量濃度小于120 mg/L的油站污水在除油罐內(nèi)進(jìn)行6 h除油和沉降處理后，水中含油和懸浮物質(zhì)量濃度可分別控制在100 mg/L和70 mg/L；隨后進(jìn)行混凝沉降后上述含量將進(jìn)一步降低，分別達(dá)到40 mg/L和25 mg/L以下；經(jīng)過濾后，水中懸浮物的質(zhì)量濃度低于4 mg/L，含油質(zhì)量濃度低于104 mg/L，懸浮固體粒徑中值低于2.5 μm，處理后的水質(zhì)可滿足B2水質(zhì)指標(biāo)。

圖6 改造后的污水處理流程Fig.6 Modified sewage treatment process

本文以處理1 m3污水所需的投資成本來衡量處理工藝的經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算出工藝流程費(fèi)用的年折算值，用該折算值與工藝流程處理水量的比值來評(píng)價(jià)污水處理工藝流程的經(jīng)濟(jì)效益。污水處理工程投資回報(bào)期為10 a，大修折舊率為0.08，費(fèi)用折算值的計(jì)算公式為

式中：Wn為費(fèi)用折算值，元；Ci為每單元的基建投資，元；M為運(yùn)行費(fèi)用，元。

上式的計(jì)算與水處理規(guī)模直接相關(guān)，需根據(jù)具體工程進(jìn)行不同水處理工藝比較。

延長油田目前水處理規(guī)模為5 000 m3/d，處理工藝改造投資和運(yùn)行費(fèi)用有著不同的經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)情況如表6所示。由表6可看出，重力沉降工藝較其他改造工藝投資相比最低，同時(shí)運(yùn)行費(fèi)用最少，相比其他處理工藝具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。水質(zhì)指標(biāo)由B級(jí)降為C級(jí)，指標(biāo)降級(jí)后每平方米可節(jié)省投資300元左右，而水質(zhì)指標(biāo)由A級(jí)降為B級(jí)，指標(biāo)降級(jí)后每平方米可節(jié)省投資400元，可見水質(zhì)指標(biāo)的確定可帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 不同處理工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.6 Comparison of technical and economic indicators for different treatment processes

由表6可看出，本文改造方案在滿足水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下，投資和運(yùn)行費(fèi)要低于原處理工藝和其他處理工藝的費(fèi)用，故上述方案屬經(jīng)濟(jì)且工藝可行的設(shè)計(jì)方案。

將工藝改造與化學(xué)藥劑有效結(jié)合后，可使處理后水樣達(dá)到SY/T 5329—2012規(guī)定的B2級(jí)水質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)又可減少因水質(zhì)未達(dá)標(biāo)引起的地層堵塞和注水壓力增加等問題。此外污水處理站腐蝕結(jié)垢問題可從加強(qiáng)和加快相關(guān)藥劑的研究、采用物理和化學(xué)措施等方面出發(fā)，既可減少對(duì)水質(zhì)的二次污染，又能降低相關(guān)維修成本。經(jīng)改造后長期存在的注采矛盾得到很大程度的改善，油田穩(wěn)定生產(chǎn)基礎(chǔ)得到增強(qiáng)，老井遞減情況得到緩解。

5 結(jié)論

（1）延長油田污水處理站水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，包括懸浮物含量、腐蝕率、細(xì)菌含量等各項(xiàng)超標(biāo)，引起服務(wù)區(qū)塊吸水指數(shù)下降、注水壓力升高及生產(chǎn)成本增加，對(duì)油田穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)影響較大。

（2）通過水質(zhì)改性技術(shù)試驗(yàn)可知，液堿用量、污泥量與pH值呈正相關(guān)；pH值小于7時(shí)，腐蝕速率隨pH值的升高而顯著降低，pH值大于7時(shí)，腐蝕速率幾乎不受pH值變化的影響；從綜合含油量與懸浮物結(jié)果來看，混凝劑和絮凝劑的最佳加入質(zhì)量濃度分別為100 m/L和40 mg/L；現(xiàn)場(chǎng)選用殺菌緩蝕劑HBHS-4，同時(shí)從效果與經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，建議加藥質(zhì)量濃度為30 mg/L。

（3）污水站進(jìn)行改造后將對(duì)油田穩(wěn)產(chǎn)提供有力保障。采用“兩級(jí)除油+化學(xué)混凝+逆流沉降+多層濾料過濾處理流程”等改造工藝后，處理后的水質(zhì)可滿足回注地層地質(zhì)要求和B2級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可有效解決污水處理站腐蝕結(jié)垢及對(duì)水質(zhì)二次污染問題。

（4）完成工藝改造后需定期對(duì)污水系統(tǒng)中腐蝕及水質(zhì)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)掌握水質(zhì)的變化，并根據(jù)水質(zhì)的變化來對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及所加藥劑進(jìn)行調(diào)整，使水質(zhì)穩(wěn)定且符合標(biāo)準(zhǔn)。