延長(zhǎng)油田采油污水回注處理工藝技術(shù)研究

楊榮國(guó)，龐 波，王 維

（延長(zhǎng)油田股份有限公司 七里村采油廠，陜西 延安717208）

延長(zhǎng)油田地處我國(guó)陜北地區(qū)，屬于典型半干旱氣候，地理位置獨(dú)特，環(huán)保要求高，開(kāi)發(fā)歷程較長(zhǎng)。油藏特征上延長(zhǎng)油田與長(zhǎng)慶油田接壤，且存在交叉和互通層位，為典型的超低滲透油田。由于油田已經(jīng)進(jìn)入三采階段，其采油污水化學(xué)劑、礦化度、懸浮物、硫化物以及油污、細(xì)菌等含量高，地面流程及其井筒中經(jīng)常發(fā)生砂卡、腐蝕和結(jié)垢等問(wèn)題。基于化學(xué)工程研究機(jī)理和前期現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，酸性環(huán)境下的高細(xì)菌作用會(huì)在二價(jià)硫和二價(jià)鐵供應(yīng)充分時(shí)發(fā)生大面積腐蝕作用。而堿性環(huán)境下的和Ca2+、Mg2+作用會(huì)誘發(fā)直接或者間接的結(jié)構(gòu)[1]。所以需要絮凝沉降和pH值控制等多重手段進(jìn)行大顆粒去除以及懸浮油、懸浮微生物的控制。

本文基于筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，以延長(zhǎng)油田某集輸站采油污水處理為實(shí)踐研究環(huán)節(jié)，參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)整體處理流程下的防腐、阻垢、殺菌、絮凝一條龍解決方案進(jìn)行評(píng)估，提出pH設(shè)定、化學(xué)氧化優(yōu)化、絮凝沉降部署等方面的改進(jìn)意見(jiàn)，將污水中的成垢離子、腐蝕離子、細(xì)菌（SRB，TGB）、懸浮性固體顆粒、懸浮油進(jìn)行不同角度的最大限度轉(zhuǎn)化去除，從而解決陜北干旱地區(qū)水資源環(huán)境問(wèn)題，為油氣田開(kāi)發(fā)提供環(huán)保性解決意見(jiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)

依據(jù)延長(zhǎng)油田某集輸站采油污水處理為實(shí)踐運(yùn)行環(huán)節(jié)是否可靠原則預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)備一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)乙醇、石油醚、丙酮等為分析純?cè)噭＿M(jìn)行集輸站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用污水處理藥劑收集（NaOH、NaClO、聚合氯化鋁、陰離子聚丙烯酸胺）。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)架預(yù)設(shè)，至少不少于如下儀器：菌注射器，細(xì)菌培養(yǎng)箱，分析天平，微量加藥器，UNIC-2100 紫外分光光度計(jì)，211 型pH 計(jì)，電動(dòng)控速攪拌器，恒溫箱，SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵及配套的玻璃砂芯過(guò)濾裝置，砂濾裝置等[2]。

實(shí)驗(yàn)方法方面，嚴(yán)格依據(jù)SY/T5329-1994 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水中懸浮物含量、含油量、細(xì)菌等規(guī)定綜合參數(shù)測(cè)定；依據(jù)SY/T0026-1999 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行（靜態(tài)掛片法）進(jìn)行規(guī)定數(shù)據(jù)量的腐蝕速率測(cè)定；根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際設(shè)備選用SY/T5523-2006 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水中離子含量分析；通用依據(jù)現(xiàn)有條件選用SY/T5796-1993 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行絮凝劑評(píng)定[3,4]。

實(shí)驗(yàn)用測(cè)定污水均取自延長(zhǎng)油田所研某集輸站自然沉淀后的污水，取水點(diǎn)為除油罐出口，并進(jìn)行多組次分批次取樣[5]。

2 污水實(shí)驗(yàn)及工藝流程研究

2.1 水質(zhì)分析

表1 絮凝處理前綜合測(cè)定水質(zhì)結(jié)果Tab.1 Comprehensive determination of water quality before flocculation treatment

依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)和污水取樣表觀分析得出水質(zhì)基本狀況和相關(guān)波動(dòng)規(guī)律，具體測(cè)定情況見(jiàn)表1。

依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，該區(qū)塊污水為典型CaCl2型水，由于pH 值處于6.2～6.6 之間顯酸性，因此S2-在高含量下（最大達(dá)9.68mg·L-1）會(huì)產(chǎn)生互繞型腐蝕干擾。進(jìn)一步查看結(jié)果Ca2+含量最高達(dá)2805.61mg·L-1，且在高細(xì)菌含量下會(huì)產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢的雙重成因，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的最高0.105mm·a-1腐蝕速率（高于0.076mm·a-1）也足以證明該觀點(diǎn)的正確性。在此可得結(jié)垢量最高達(dá)到了45mg·L-1，相對(duì)較高。其他參數(shù)，例如懸浮物、油含量等參數(shù)較為恒定，可以判定來(lái)水水質(zhì)較好[6]。綜上所述，在經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備穩(wěn)定性綜合考量下需要首先對(duì)pH 值、化學(xué)氧化作用、絮凝沉降等方面的可測(cè)物理量進(jìn)行優(yōu)先調(diào)節(jié)，確保腐蝕與結(jié)垢的有效防治。

2.2 污水處理流程

所研污水處理設(shè)施投運(yùn)時(shí)間較早，后續(xù)經(jīng)過(guò)多次大修甚至整體改造，基于最新環(huán)保要求在經(jīng)濟(jì)性、能耗分析達(dá)標(biāo)的前提下，其中最近一次是2010 年進(jìn)行了電化學(xué)離子穩(wěn)定設(shè)備及其相關(guān)附屬工藝流程的優(yōu)化升級(jí)，但是因?yàn)檫\(yùn)行和水質(zhì)不穩(wěn)定等綜合原因最終導(dǎo)致改造后效果不佳，設(shè)備平穩(wěn)率低[7]。現(xiàn)展示部分工藝流程圖（圖1）。

圖1 污水系統(tǒng)改造后系統(tǒng)流程Fig.1 System flow after sewage system transformation

具體流程 初水進(jìn)入大罐進(jìn)行分離沉積，而后上部污水經(jīng)過(guò)過(guò)濾口進(jìn)入污水池進(jìn)一步沉降和靜置。一部分在運(yùn)用動(dòng)力泵進(jìn)行提升加壓至污水罐，隨后限流泵入電化學(xué)氧化預(yù)處理裝置，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)參數(shù)決定藥劑投加量，在經(jīng)濟(jì)性最佳的前提下將處理反應(yīng)后污水泵入旋流分離器，進(jìn)行下一步脫除。待出水平穩(wěn)進(jìn)入緩沖罐后進(jìn)行不同篩網(wǎng)下的精細(xì)過(guò)濾最終通過(guò)注水井高壓回注[8]。在此對(duì)不同環(huán)節(jié)水質(zhì)進(jìn)行分析（表2）。

表2 系統(tǒng)流程水質(zhì)分析報(bào)告（mg·L-1）Tab.2 System process water quality analysis report

根據(jù)系統(tǒng)流程水質(zhì)分析報(bào)告綜合判定數(shù)據(jù)，進(jìn)行分段流程的節(jié)點(diǎn)分析。可以看出：（1）由于多級(jí)沉降會(huì)產(chǎn)生不同程度的污泥，而這些污泥因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)施有限的原因不能及時(shí)排出。以至于污泥循環(huán)處理工藝中污染后端填料、堵塞過(guò)濾器，并且導(dǎo)致相應(yīng)罐體應(yīng)力變化，管線結(jié)垢嚴(yán)重，流道變小，影響系統(tǒng)整體循環(huán)效率。（2）根據(jù)不同取樣點(diǎn)的含油量可測(cè)物理量，相關(guān)污水處理系統(tǒng)的污油回收裝置效率較低，甚至誘發(fā)運(yùn)行不穩(wěn)定。根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)拆解已經(jīng)檢修報(bào)告記錄，就有旋流分離器及雙濾料過(guò)濾器中的濾料污染板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重的報(bào)告，而平時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行壓力上升幅度很快，存在開(kāi)旁通運(yùn)行現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水質(zhì)處理效果。甚至誘發(fā)系統(tǒng)停運(yùn)。基于其他數(shù)據(jù)可知，相應(yīng)可測(cè)物理量能反映整體設(shè)備流程運(yùn)行過(guò)程，下步可以采用數(shù)學(xué)建模運(yùn)用帕累托最優(yōu)以及遺傳算法的方式進(jìn)行多目標(biāo)分解與優(yōu)化，挖掘數(shù)據(jù)信息以更好分析污水處理設(shè)備設(shè)施問(wèn)題，方便檢修開(kāi)展和下步改進(jìn)。

2.3 污水處理工藝優(yōu)化

2.3.1 pH 值優(yōu)選 經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)分析可以定性研究污水為酸性，且pH 值維持在6.2～6.6 需要首先規(guī)避TGB、SRB 等細(xì)菌的大規(guī)模繁殖，防止微生物誘發(fā)的腐蝕。選用較為經(jīng)濟(jì)的NaOH 作為水質(zhì)優(yōu)化中和藥劑，進(jìn)行pH 值的調(diào)節(jié)，進(jìn)行適當(dāng)投加將pH 值穩(wěn)定至7.0～8.0 之間，并且密切關(guān)注并稱(chēng)重懸浮絮體量，注意相關(guān)離子及其不同干擾條件下的液體沉降速度。確保懸浮物沉降時(shí)間在30min 下穩(wěn)定成透光率較好的上清液。根據(jù)多重實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)pH 值調(diào)節(jié)在7.0 時(shí)相應(yīng)觀測(cè)到的懸浮小絮體量較少，綜合沉降速度較慢，但是隨著pH 值的不斷上升懸浮小絮體量會(huì)隨之增加，并最終引起較快的沉降速度；如果pH值達(dá)到8.0，效果達(dá)到最佳，觀測(cè)到的上層液透光率可以達(dá)到95.0%。機(jī)理分析認(rèn)為：該種現(xiàn)象為pH 值上升導(dǎo)致的綜合絮體含量增多，所述相關(guān)絮體所包裹的懸浮物和油分相應(yīng)增大，以至于污水中殘留的不同種類(lèi)的懸浮物和油分含量最終減少到一定值，因此，透光率逐漸增加。不過(guò)該種情況是有限度的，也就是pH 值在該點(diǎn)時(shí)為多維誤差最佳點(diǎn)，如若擅自提高pH 值則會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢的發(fā)生，并且誘發(fā)大規(guī)模污泥的產(chǎn)生，在此推薦pH 值最佳控制點(diǎn)為7.5。

2.3.2 氧化劑的優(yōu)選 所研污水中二價(jià)硫離子及其相關(guān)腐蝕產(chǎn)物含量高達(dá)9.68mg·L-1，相對(duì)現(xiàn)有規(guī)定的回注水指標(biāo)2mg·L-1嚴(yán)重超標(biāo)。最終會(huì)誘發(fā)例如硫酸鹽還原菌（SRB）等為代表的細(xì)菌含量陡升，且相應(yīng)的腐生菌（TGB）含量測(cè)定結(jié)果就達(dá)到105個(gè)·mL－1，也相對(duì)規(guī)定值超標(biāo)過(guò)多。如若不加以控制還會(huì)誘發(fā)其他延伸性問(wèn)題，最終影響污水色度，產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性要因。所以需要運(yùn)用化學(xué)方法進(jìn)行氧化殺菌、除硫等方式，確保高含量的二價(jià)硫完全被轉(zhuǎn)換成硫單質(zhì)并最終沉淀性去除，保證系統(tǒng)平穩(wěn)率和其他藥劑反應(yīng)合規(guī)。在細(xì)菌破除環(huán)節(jié)，需要將一定結(jié)構(gòu)和數(shù)量的活性基團(tuán)進(jìn)行有效殺滅，并且阻礙細(xì)菌存活所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制蛋白質(zhì)生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)選取反應(yīng)較為迅速且持久性較好的H2O2以及NaClO 為強(qiáng)氧化劑，將其最優(yōu)投加量?jī)?yōu)化至5～15mg·L-1，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可以進(jìn)行有限微調(diào)。最終將pH 值調(diào)整至7.5。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，分別在污水中依次加至5～15mg·L-1H2O2和NaClO 進(jìn)行充分?jǐn)嚢璨⒎胖?0min，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)硫含量測(cè)定法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。最終得出：不同干擾條件下的綜合反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致除硫劑加量呈現(xiàn)不同速率的指數(shù)變化趨勢(shì)，但是加量不能因效果最優(yōu)而喪失經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則。綜合計(jì)算可得，當(dāng)NaClO 逐步從5～15mg·L-1進(jìn)行均勻添加時(shí)，除硫率會(huì)從90.1%上升至97.9%，且上升幅度有限。所以最終測(cè)算優(yōu)選除硫率為NaClO 時(shí)的加量為15mg·L-1，而經(jīng)過(guò)多輪現(xiàn)場(chǎng)論證，最終的效果可達(dá)1.29mg·L-1的硫離子含量。需要注意，污水中游離微生物及其細(xì)菌會(huì)導(dǎo)致多重因素互繞而發(fā)生化學(xué)劑失效問(wèn)題，因此，氧化殺菌劑的適當(dāng)投加也是很有必要的，在此進(jìn)行15mg·L-1NaClO 的殺菌實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用實(shí)際反映流程的綜合測(cè)定可知，SRB 細(xì)菌由起初的103個(gè)·mL-1下降至10 個(gè)·mL-1，TGB 細(xì)菌由105個(gè)·mL-1下降至102個(gè)·mL-1。而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)細(xì)菌小于等于102個(gè)·mL-1就可以正常回注。

2.3.3 無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑優(yōu)選 進(jìn)行污水pH 值7.5 的優(yōu)先預(yù)設(shè)，同樣依次加入15mg·L-1Na－ClO、60～100mg·L-1的PAC 以及60～100mg·L-1的PFS，然后調(diào)整綜合指標(biāo)完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在此省略相應(yīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。展示結(jié)果為，PAC 藥劑投加效果明顯優(yōu)于PFS，而污水懸浮物含量過(guò)高以及不正常的含油量會(huì)影響最終參數(shù)的變化，絮體的形成雖然較為容易，但需要注意硫化物的干擾以及聚合氯化鐵形成Fe2S3沉淀導(dǎo)致的水質(zhì)透光率低等問(wèn)題。綜合污泥和其他因素，需要對(duì)較多懸浮絮體進(jìn)行聚合氯化鋁大顆粒沉淀考量，并且對(duì)于上清液和其他環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)選得到80mg·L-1的PAC 加量。有機(jī)絮凝劑方面，同樣仿效以上辦法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出隨著PAM（1200 萬(wàn)）加量的增加，處理效果成指數(shù)變化趨勢(shì)。機(jī)理研究表明，隨著PAM 濃度的增加吸附架橋能力會(huì)變強(qiáng)，而現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中進(jìn)行1.0mg·L-1的加量控制就可以遏制1200 萬(wàn)的PAM 分子量增長(zhǎng)。需要注意，有機(jī)絮凝劑與無(wú)機(jī)絮凝劑加藥次序和加藥間隔也是需要優(yōu)選的，在此本研究正在運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論、帕累托最優(yōu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行分析，因?yàn)榕c相應(yīng)研究結(jié)果有所沖突，所以在此不進(jìn)行討論。

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用論證

根據(jù)以上論證結(jié)果，形成較為針對(duì)性的藥劑優(yōu)選和使用方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。在此使用數(shù)據(jù)做具體分析（表3、4）。

表3 運(yùn)用前后水質(zhì)宏觀可測(cè)物理量對(duì)比分析Tab.3 Comparative analysis of macroscopic measurable physical quantity of water quality before and after application

表4 運(yùn)用前后水質(zhì)離子對(duì)比分析Tab.4 Comparative analysis of water quality ions before and after application

通過(guò)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在處理裝置現(xiàn)有流程不變的前提下處理油井采出污水，運(yùn)用優(yōu)化后的操作方法可以有效降低含油量、懸浮物含量、結(jié)垢量、腐蝕速率及細(xì)菌含量，將各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化處理，最終達(dá)到低滲透碎屑巖油田注水水質(zhì)的所有指標(biāo)要求。在經(jīng)濟(jì)性與人力資源成本不變的前提下確保污水處理前后離子種類(lèi)不發(fā)生變化，將所有離子含量的變化幅度控制在最優(yōu)，且在出水水質(zhì)穩(wěn)定的前提下盡量減少排污量，這充分表明通過(guò)絮凝實(shí)驗(yàn)后的處理劑機(jī)理論證可靠，且不影響其水質(zhì)。通過(guò)表4 也可充分看出，在污水處理前后相關(guān)可測(cè)的離子種類(lèi)、比例變化規(guī)律較弱，說(shuō)明水質(zhì)控制也比較穩(wěn)定。綜合論證得出，通過(guò)水處理劑和投加方式的不同，在不改變工藝流程的基礎(chǔ)上，可以對(duì)水質(zhì)基本組成進(jìn)行保護(hù)，且清除有害離子并確保最終排污量最小，經(jīng)濟(jì)性和可操作性可靠，下步能進(jìn)行大規(guī)模推廣。

4 結(jié)論

本文研究了延長(zhǎng)油田某集輸站采油污水處理流程可靠性，用污水實(shí)驗(yàn)及工藝流程描述驗(yàn)證的方法進(jìn)行了解決，效果表明所研究的某污水處理流程可靠，不需要大規(guī)模改進(jìn)，下步應(yīng)進(jìn)行藥劑優(yōu)化和操作規(guī)程升級(jí)。基于本文實(shí)驗(yàn)研究可以得出如下結(jié)論：

（1）基于水質(zhì)分析結(jié)果可以判定該研究區(qū)為酸性CaCl2類(lèi)污水，且高含二價(jià)硫離子、細(xì)菌含量，而油含量和懸浮物的影響會(huì)導(dǎo)致互擾作用的發(fā)生，同時(shí)存在腐蝕與結(jié)垢的雙重問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的最高0.105mm·a-1腐蝕速率（高于0.076mm·a-1）也足以證明該觀點(diǎn)的正確性。定性處理措施需要進(jìn)行化學(xué)氧化和絮凝沉降工藝，確保處理作用完善。

（2）當(dāng)前系統(tǒng)存在污泥循環(huán)處理工藝中污染后端填料、堵塞過(guò)濾器，并且導(dǎo)致相應(yīng)罐體應(yīng)力變化，管線結(jié)垢嚴(yán)重，流道變小，影響系統(tǒng)整體循環(huán)效率問(wèn)題。根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)拆解已經(jīng)檢修報(bào)告記錄，就有旋流分離器及雙濾料過(guò)濾器中的濾料污染板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重的報(bào)告，而平時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行壓力上升幅度很快，存在開(kāi)旁通運(yùn)行現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水質(zhì)處理效果，甚至誘發(fā)系統(tǒng)停運(yùn)。