油田采油污水回注處理工藝設計

任小明 王菲 黃守清(中國石化西南油氣分公司采氣一廠，四川 德陽 618000)

關鍵字：油田；含油污水；回注；水處理

0 引言

目前部分油田進入開發中后期，采出油中的含水量高達70%～90%，日產含油污水量巨大，若直接排放，會造成大面積土壤和水源的污染，有時甚至會引起污油著火事故，進而威脅人民生命安全、造成國家經濟損失[1]。因此，需對采油廢水進行處理。通常有三種處理方法：一是處理后用于回注，要求必須對水中的油、懸浮物及其顆粒粒徑進行控制；二是稠油污水，處理后用于熱采鍋爐的給水，要滿足熱采鍋爐給水的水質；三是多余污水處理后排放，按照中國綜合污水排放標準，除對含油及懸浮物等指標進行控制外，還要對COD 等排放指標進行控制[2-3]。其中回注處理是首選，可有效減少環境污染、節省水資源、適應油田開采過程中注水量日益增長的需求，為油田帶來顯著經濟效益，實現可持續發展。

以X 油田含油污水為研究對象，從行業標準規定的回注水水質控制指標出發，優選了氣浮-過濾水處理工藝，配套建立了隔油池、氣浮池、壓力過濾罐等工藝設計方法，使處理后出水含油及SS(固體懸浮物濃度/Suspended solid)滿足回注要求。

1 回注水處理流程選擇

1.1 水處理指標

隨著采出原油含水率的不斷提高，注水量成倍增長，對注水的水質要求嚴格，如表1 所示。要求水質穩定，與油層水相混不產生沉淀；水注入油層后不使粘土礦物產生水化膨脹或懸濁；水中不得攜帶大量懸浮物，以防堵塞注水井滲濾端面及滲流孔道；對注水設施腐蝕性小；當采用兩種水源進行混合注水時，應首先進行室內實驗，證實兩種水的配伍性好，對油層無傷害才可注入。

此外，SY/T5329-94 還對注水水質的輔助性指標作出指導性規定，包括溶解氧、硫化氫、侵蝕性二氧化碳、鐵、pH 值等。根據一些油田多年注水實際經驗，除油和過濾懸浮固體是關鍵。

1.2 工藝優選

X 油田擬處理采油污水量為800m3/d，原水固體懸浮物濃度為200 mg/L，石油類濃度為75mg/L，根據該油田的原水處理標準，要求回注水指標滿足A1 級標準，即處理后含油量應小于等于5mg/L、懸浮固體含量應小于等于1mg/L，為此須采用精細過濾器來控制懸浮物的量。目前的處理方法有物理法、物理化學法、化學法和生物法。考慮X 油田處理水量不大，而且水中含油量和懸浮物含量很小，綜合考慮占地面積、運行費用、處理效率等多方面因素，本設計擬采用氣浮選—過濾工藝，運用油水密度差和氣浮法對水中的懸浮物和油類進行有效的粗濾，再根據纖維過濾器的去除效率，可以使含油量和懸浮物的量達到精細過濾的進水要求，對水中的SS 和油類進行精細過濾，使回注水達到處理要求。

1.3 工藝流程

采用氣浮選過濾工藝，首先由密度差自然除油，再經氣浮法對水中的懸浮物和油類進行粗濾，而后經纖維過濾器、精細過濾器最終達到回注水指標要求，工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

表1 《碎屑巖油藏注水水質推薦指標》SY/T5329-94

2 回注水處理工藝設計

2.1 除油

選用自然除油處理，具有基建投資少，生產費用低，去除懸浮雜質量多，為下游處理裝置提供較穩定的水量和水質的特點。自然沉降裝置包括平流隔油池、斜板沉降池、豎流式沉降罐、平流式沉降罐、輻流式沉降罐、調儲沉降罐。根據處理回注水的水量及設備的經濟成本，特選擇工藝簡單，處油效率高的平流隔油池[4]。

隔油池設計參數由公式(1)～公式(3)計算而得，設計分格數為2 個，有效池長為8.9m，池總高度為2.5m，刮板間距4m，高度150mm，移動速度0.01m/s；SS 去除率40%，石油類去除率80%；污泥含水率P1=97%。

分格數：

式中：n為隔油池分格數(個)；Q為日處理采油污水量(m3/d)；ν 為隔油池流體水平流速(一般采用2～5mm/s)，擬設計為2.5mm/s；B 為隔油池每格寬度，擬設計為2m；h2為隔油池工作水深，擬設計為1.4m。

有效池長：

式中：L為隔油池有效池長，m；T為停留時間(一般采用1.5-2h)，擬設計為1.5h。

尺寸比例校核：單格的長寬比(L/B)不小于4，深寬比(h2/B)不小于0.4。

池總高度：

式中：H為隔油池總高度(m)；h1為隔油池超高(一般不小于0.4m)，擬設計為0.5m；h3為集油厚度，擬設計為0.25m；h4為污泥區高度，擬設計為0.35m。

2.2 氣浮選

氣浮法有溶氣氣浮法、葉輪式浮選以及噴嘴式氣浮式，設計選擇溶氣氣浮法中的部分回流加壓溶氣流程。溶氣氣浮法是目前除油效率高而且最常用的氣浮處理方法，該法是使空氣在加壓的條件下溶解于水，然后通過將壓力降至常壓而使過飽和溶解的空氣以細微氣泡形式釋放出來，回流式溶氣氣浮選系統是部分凈化的水回流到溶氣罐加壓溶氣，然后與原水混合進入氣浮罐[5]。

溶氣浮選工藝主要設備為：壓力容器裝置、溶解氣釋放裝置和氣浮分離裝置。

氣浮選工藝設計參數由公式(4)～公式(5)計算而得，溶氣罐直徑設計為0.46m，氣浮池有效水深設計為4.2m。

圖2 溶氣氣浮法的工藝流程圖

溶氣罐直徑：

式中：d為溶氣罐直徑(一般小于0.6m)，m；R為回流比，設計為20%；ae為釋氣量，設計為40L/m3；?為水溫校正系數，取1.2；η為溶氣效率，設計為90%；P為溶氣壓力，設計為0.4MPa；KT為溶解度系數(根據水溫查表)，設計水溫為40℃，查表知系數為1.79×10-2；I為壓力容器罐的過流密度，設計為400m3/(m2·h)。

氣浮池有效水深：

式中：H為氣浮池有效水深(m)；μs為氣浮分離室流速，設計為2mm/s；t為氣浮分離室停留時間，設計為35min。

根據計算數據和水質處理的要求，選擇JQF—40 型高效加氣浮選器，其工作原理是采用高效溶氣裝置，將空氣(或其他凈化過的氣體)快速溶入凈化過的水(回流水)中，作為工作介質，通過釋放器驟然減壓，快速釋放，產生大量微細氣泡粘附于經過混凝反應后廢水中的“礬花”上，從而達到迅速上浮、與水分離、回收油品、凈化水質的目的。其主要參數見表2。

表2 加氣浮選器主要技術參數

2.3 過濾

過濾是設計中的關鍵，要使懸浮物和含油量最低，就要求選擇精度高的過濾器。設計選用GQL 改性纖維球過濾系統，改性后的纖維球濾料不僅具有纖維球可壓縮性、可以形成理想空隙分布等特點，同時與含油污水接觸時，先與水分子進行接觸，在纖維濾料表面形成一層水的保護膜，反沖洗時很容易被水沖洗下來，因此改性后的纖維球濾料最適用于含油污水處理。改性纖維球過濾系統除油、除懸浮物效果好，除油效率比雙濾料高。采用A 型，出水可滿足中、高滲透層要求，采用B 型，出水可以滿足低滲透層要求。適合于油田注水精細過濾、鍋爐回用水深度處理、外排水除油、去除懸浮物、含油廢水深度處理等[6-8]。由于出水水質要求要達到推薦注水水質主要控制指標的A1 級標準，此次設計就用該過濾器的二級精濾來代替精細過濾器，目的是在處理過程中更容易管理、操作和維修。同時也使得水質更容易達標。設計采用2 個處理濾罐，一臺備用，當一臺需要反沖時，開啟備用濾罐，反沖完畢后待用，在一臺濾罐檢修(包括更換濾料)反沖洗不啟動備用罐，此共設濾罐兩座，布置成對稱雙行排列。配管設地面高管架，便于檢查，就地維修。過濾系統主要技術參數見表3。

表3 過濾系統主要技術參數

過濾工藝設計參數由公式(6)、公式(7)計算而得，設計濾罐直徑為1.5m，濾罐高度為2.7m。

濾罐直徑：

式中：D為濾罐直徑(m)；Q為日處理采油污水量(考慮5%的自用水量)，m3/d；ν濾為濾罐的過濾速度，取20m/h；T為濾罐實際每日過濾時間(過濾工作時間是12h，沖洗時周期為12h，式中只考慮反沖洗停用的時間，不考慮初濾水的排放)。

濾罐高度：

式中：H為濾罐高度(m)；H1為集水區高度，一般取0.5m；H2為墊層高度，設計0.1m；H3為濾料層高度，一般取0.8m；H4為凈空高度，取0.5m；H5為預蓋高度，取0.5m；H6為濾罐保護高度，0.3m，一般取0.2～0.3m。

2.4 控制

控制方式分為手動和自動控制兩種，兩種方式可以切換，操作靈活。自動控制主要涵蓋以下幾個方面的內容：①廢水處理系統主要設備的運行狀態可在主控柜模擬盤上顯示。如廢水調節反應池內的工作液與溢流報警液位等。②當廢水處理系統處于自動狀態時，廢水輸水泵和自動啟動(當廢水儲水罐液位達到上限后)，將廢水輸入到填料塔；當廢水儲水罐液位降至下限時，廢水輸水泵可自動關閉。當輸水泵啟動后，需要操作人員手動調節流量。③當廢水輸水泵啟動后，處理池進入自動加藥調節控制程序。④混凝階段通過計量泵自動添加PAC、FeCl3搬土等藥液。廢水處理系統在手動控制狀態下，操作人員可在操作現場通過現場操作開關實現上述自動控制全部操作程序。

2.5 其他

(1)建筑物的位置。采出水處理站主廠房由污水泵房、加藥間、配電間、值班室等組成。加藥間設各種藥劑的溶液池以及加藥泵，并存有3 個月以上用量的混凝劑；配電間設有低壓配電柜。

(2)采暖與通風。采出水處理站的建筑物是否需要采暖，應根據油田所在地氣候條件確定。通風方式應盡可能采用自然通風，自然通風一般是在屋頂設筒形風帽，風筒長度一般為1.2m，風筒內設有蝶閥，當自然通風達不到衛生和生產要求時，應采用機械通風或自然與機械聯合通風。

(3)緩沖池。可以在工藝流程末端設計一座緩沖池，以便可以在池中投加化學藥品，使水質不產生金屬腐蝕，結垢和微生物繁殖等危害。包括隔絕空氣中氧氣進入采出水，或脫除采出水有害氣體的流程，防止不相容水混合流程，投加水質穩定劑等，能更好地提供回注條件。

(4)加藥。投藥設備包括投加和計量兩個部分，一般有重力和壓力投加兩種方式，常用的計量設備有轉子流量計、電磁流量計、苗嘴、計量泵等。加藥間及藥庫設計參數由公式(8)、公式(9)計算而得，設計溶液池的容積為13.35m3，溶解池的容積為4m3。

溶液池的容積：

式中：W1為溶液池容積(m3)；a為混凝劑最大投加量，設計為50mg/L；W1為溶液池容積(m3)；c為溶液濃度(按固體質量計，一般取5%～20%)，設計為15%；n為每日調制次數(一般為2～6 次，手工一般不多于3 次)，設計為2 次。

溶解池的容積：

式中：W2為溶解池容積(m3)。

針對X 油田擬處理采油污水量為800m3/d，原水固體懸浮物濃度為200mg/L，石油類濃度為75mg/L，優選建立了氣浮選-過濾工藝、進行了相應的流程設計，配套完善了各設備的參數設計，最終完成了采油廢水處理目標，并滿足回注水指標A1 級標準。

3 結語

(1)優選建立了一種氣浮選-過濾水處理工藝，配套建立了隔油池、氣浮池、壓力過濾罐等工藝設計方法。

(2)氣浮選-過濾水處理工藝滿足X 油田污水處理要求，處理后含油量小于5mg/L、懸浮固體含量應小于1mg/L。

(3)該水處理方法具有增加水處理量、減少回注井數，降低成本、減輕回注系統腐蝕、環保的優勢。