油田采出水成分及處理技術分析

郭強之，李 強，沈 忱，楊洋洋，隋立華

（1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島266071；2.中國石油化工集團公司勝利石油管理局安全環保質量管理部，山東東營 257001）

油田采出水是指油田開采過程中產生的含有原油的水[1]，約占油田開發所產出廢水總量的90%以上。隨著我國絕大多數油田已進入開發中后期，油田采出液含水率逐年升高，加之近年來原油開采力度及產量的不斷加大，造成油田采出水處理量急劇增加。據統計，我國2011年油田回注水處理總量已達22.6億t[2]。目前對油田采出水處理后進行回注是其主要的處理利用方式[3]，回注量約占油田采出水總量的90%，其余部分經污水處理后大多進行外排。隨著我國《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）的頒布實施，對需要回注及外排的油田采出水處理要求也將日益嚴格。此外，隨著三次采油技術的開發及應用，大量的聚合物及表面活性劑等與回注水一同進入深層地下，并隨著原油開采進入油田采出水中，造成油田采出水的水質特性變得更為復雜，處理難度增大[4]。若處理不當，油田采出水的排放會污染地表水、地下水和土壤，增加潛在的生態環境風險[5-6]。

1 油田采出水成分分析

與其他工業廢水相比，油田采出水具有含油量高、懸浮物含量高、礦化度高、溫度高的特點[2]，且因各油田地層物質多樣性、地下水污染、油井使用年限以及化學助劑的大量應用，導致油田采出水成分具有多變性的特點。

1.1 油類物質

普通油田采出水中油類物質的質量濃度大約為1 000～2 000mg/L，高的可達5 000mg/L以上，其中90%以上為油珠粒徑20～150μm的懸浮油和分散油，5 %～8 %為油珠粒徑小于20μm的乳化油，還有少量的溶解油[7]。溶解油和分散油的主要組分是碳氫化合物的混合物，主要包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、多環芳烴以及酚類化合物[8]。對于三元復合驅采出水而言，還存在含油乳化程度高、小油滴含量高、油水分離困難的特點[9]。

1.2 懸浮固體及微生物

油田采出水中含大量的懸浮固體，顆粒細小，粒徑一般為1～100μm，如黏土、石蠟、多種細菌、泥沙、非溶解性有機質等，容易造成集輸管線和注水系統的結垢及腐蝕[2，7]。此外，油田采出水中高含量原油、化學藥劑及懸浮固體為微生物提供了良好的繁殖環境，尤其是SRB（硫酸鹽還原菌）、IB（鐵細菌）、TGB（腐生菌）等的大量繁殖，不僅會對注水管網和設備產生腐蝕，而且腐蝕和代謝產物形成的生物黏泥還會堵塞儲層[10-11]。

1.3 溶解礦物質

油田采出水中含有大量溶解的無機化合物，礦化度普遍較高，這對設備管線腐蝕及廢水后續的生化處理造成嚴重影響，這也是造成水質不穩定的最重要因素[12]。油田采出水礦化度在不同油田之間差異較大，即使在同一油田不同區塊之間也存在明顯差異，以長慶油田為例，油田采出水礦化度跨度從3 053.2～132 178.8mg/L[13]。

1.4 化學藥劑

油氣開采過程中需要向地層中注入一些化學藥劑，例如驅油劑、緩蝕劑、破乳劑、殺菌劑、阻垢劑、乳化劑等[14]。有的藥劑會在原油開采過程中被消耗掉，有的會與油藏中的物質發生反應生成新的物質，有的還會隨原油一起被開采出來，出現在油田采出水中。近年來，隨著三次采油技術的廣泛應用，回注水中添加大量的ASP（即堿、表面活性劑和聚合物），導致油田采出水處理更為困難。

2 油田采出水處理技術

由于各油田注水地層滲透條件不同，因此各油田的注水標準有所不同。油田采出水作為回注水使用，其水質有專門的指標及監測評價方法[15-16]，未進行處理的油田采出水無法直接進行回注，需進行處理。目前，對油田采出水進行處理的技術主要有物理法、化學法、生物法及綜合處理法。

2.1 物理法

2.1.1 溶氣氣浮處理技術

該技術已經較為成熟并在油田水深度處理中廣泛使用，分為全流程加壓、回流式和壓氣式溶氣氣浮技術。該技術原理是通過利用微氣泡黏附油滴上浮到表面而去除含油，優點是設備結構穩定，易操作耐用，聚結效果好，缺點是氣體需要量大，停留時間長，撇水體積大[17-18]。

2.1.2 分離技術

各油田常用的油田采出水處理技術，可分為重力、離心和過濾分離技術。其中，重力分離技術原理是利用油水混合物中油與水的不溶性，對油與水進行分離，主要設備為自然沉降除油罐和混凝沉降罐，設備簡單，布置緊湊，能效大、能耗低[19]。離心分離技術的主要原理是利用高速射流的采出水在設備內部高速旋轉產生離心力，其中懸浮固體等較粗的顆粒被甩到設備內壁收集后流出，水通過溢流口流出進入下一流程[20]。過濾分離技術在油田采出水深度處理以及二級處理過程中常用，其原理是油田采出水通過濾料床層時，結合阻力截留、重力沉降、接觸絮凝等三方面的作用，用于去除懸浮固體以及水中含油，其核心設備為過濾器，按照濾料種類可分為石英砂過濾器、核桃殼過濾器、雙濾料過濾器、多濾料精細過濾器等。由于核桃殼作為過濾材料具有硬度高、比重低、多孔、多面、吸附能力強、成本低等諸多其優勢，因此在油田采出水處理中廣泛應用[21]。

2.1.3 膜分離技術

該技術是利用膜的選擇性透過來實現料液不同組分的分離、純化和濃縮的一門新興技術。與傳統分離技術相比，該技術具有耗能低、操作簡單、分離效率高、無二次污染等特點[22-23]。目前，金屬膜在油田中已有較大規模的應用，但缺點突出，例如易污堵、清洗頻繁、壽命短、成本高等，因此開發高通量、強耐污、低成本的高效膜分離技術是油田采出水過濾技術發展的重點之一[3]。

除以上技術外，物理法還包括大孔聚合物萃取技術、吸附劑法、粗粒化技術、水力旋流技術、磁化法技術等，其技術原理與以上各技術原理基本相同或相似。

2.2 化學法

2.2.1 化學氧化法

其原理是油田采出水中的有機物或無機物在催化條件下被化學藥劑氧化分解為低毒物質，其技術優點是反應速度快、氧化效率高，缺點是藥劑消耗量大、成本高、控制要求高、容易產生二次污染等[2]。由于高級氧化可用于油田采出水的深度處理，因此隨著環保要求的日益嚴格，高級氧化技術將愈發受到重視。目前已開展應用的高級氧化技術包括臭氧氧化法、Fenton及Fenton-like法、超臨界氧化法等，處于研發階段的技術有活化過硫酸鈉（PS）高級氧化技術等。

2.2.2 光電化學法

在三次采油過程中，大量的表面活性劑進入油田采出水中，導致油水分離困難，因此該類油田采出水處理的關鍵是消除存在于油水界面膜的表面活性劑，從而使油滴可以發生重排、凝聚、析出。光電催化法的主要原理是基于光照以及外加電場的作用發生催化氧化反應，進而消除污水中的污染物，因此光電化學法對此類油田采出水處理具有技術優勢，并且具有處理成本低、操作簡單、無須加入化學藥劑、不產生二次污染等優點[8]。

2.2.3 混凝沉淀技術

該技術是油類物質和懸浮物去除的主要技術，其原理是通過加入絮凝劑和助凝劑去除油田采出水中的油類物質、懸浮物、部分溶解性有機物和細菌。該技術的優點是工藝成熟、設備簡單、處理效果好、適用范圍大，缺點是藥劑投加量及污泥產生量大[24]。

2.3 生物法

油田采出水經隔油、氣浮等預處理后，其COD含量仍很高，仍需要進行后續的生物處理，其原理是利用微生物的降解作用，可分為好氧、厭氧和自然生物處理技術。目前，有關油田采出水生物處理技術的研究主要集中在我國[25]，一是由于我國油田采出液含水量高導致采出水處理量巨大，二是我國油田開發過程中大量化學助劑的使用導致處理工藝更為復雜。

2.3.1 好氧生物處理技術

主要包括活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法中SBR（序批式活性污泥法）工藝最為成熟，廣泛應用于油田采出水處理[26]。生物膜法近年來發展快速[27]，具有處理效率高、剩余污泥量少、無須污泥回流、運行管理方便等優點。

2.3.2 厭氧生物處理技術

主要用于處理油田采出水中難降解的多環芳烴等高分子有機物，使大分子有機污染物降解為小分子的酸和醇類，同時去除部分的二價硫，提高好氧生物處理法的可生化性[26]。厭氧生物處理技術的優勢是能耗低、污泥量少，還可將污水中的有機物轉化為甲烷等能源物質[28]。

2.3.3 自然生物處理技術

目前應用較為成熟的技術為氧化塘技術和人工濕地處理技術。氧化塘是美國煉廠外排水三級處理最常用的技術，該技術將處理后的污水匯集到自然或者人工的池塘中進一步凈化后排放到環境中，便于監控外排水的水質[29]。人工濕地是利用填料、微生物和植物的物理、化學、生物協同作用來凈化污染水體的一種生態技術，常與其他處理技術相結合，以實現更高的處理效率[30]。

2.4 綜合處理法

目前，油田采出水成分日益復雜多變，油水分離也愈發變得困難，單一的油田采出水處理技術無法滿足排放要求。例如，物理法對油田采出水中的浮油和分散油分離效果好，但對乳化油和溶解油處理效果差；化學法適用于各類水質，操作簡單，效果顯著，但化學藥劑用量大，容易造成二次污染；微生物法綠色安全，成本低，但對水質要求高，高濃度污水需進行預處理。綜上，各油田在進行油田采出水處理時應充分考慮自身污水特點及各處理技術的優缺點，加強不同處理技術的聯合應用，揚長避短，選擇針對性強、效率高的綜合處理技術。目前，物理+化學+生物聯合處理技術是目前油田采出水處理的主要研究方向，也是未來應用的主要方向。

3 結束語

目前，油田采出水大多經簡單處理后直接作為回注水重復使用，無法回注部分進入污水處理廠或進行外排處理，其相關的水質指標及分析方法標準僅有2個，且僅針對注水水質理化指標進行了規定，未涉及毒性相關指標[15-16]。此外，現有的資料中，關于油田采出水的化學或毒理學特征的信息相對較少，尤其是油田化學助劑及其轉化產物對各種水生生物的潛在影響[31]。隨著我國生態環境保護力度的加大，油田采出水外排標準及作為回注水使用的標準也將日益嚴格，僅依靠現有的油田采出水成分分析數據及處理技術將無法滿足生態環境保護要求。基于以上考慮，確定油田采出水中對人類健康與生態環境有害的成分并優先進行監測和處理應作為未來研究的重點。