成套極化水處理技術(shù)在稠油油田的試驗應(yīng)用

王玉江 王琛 董明 魏麗萍

1中石化勝利油田工程技術(shù)管理中心

2中石油國際勘探開發(fā)公司

3中石化勝利油田河口采油廠

4山東海吉雅環(huán)保設(shè)備有限公司

目前東部老油田逐步進入高含水開發(fā)期，增產(chǎn)措施的實施使油水性質(zhì)發(fā)生了很大變化，傳統(tǒng)的油水分離技術(shù)已不太適應(yīng)當(dāng)前低油價的形勢[1]，亟需低耗高效、自動化和信息化程度高、成本低的處理技術(shù)。通過對國內(nèi)主力油田的調(diào)研和多次的技術(shù)交流，成套極化水處理技術(shù)處理不含聚合物的采出水具有獨特優(yōu)勢。該技術(shù)曾在長慶、大港等油田應(yīng)用[2-3]，但在超稠油、含聚水處理方面的案例與經(jīng)驗不多，為滿足勝利油田復(fù)雜多樣的水質(zhì)要求，選擇陳南站進行超稠油污水處理的現(xiàn)場試驗。

1 勝利油田陳南區(qū)塊采出水現(xiàn)狀

陳南區(qū)塊由于注蒸汽高溫驅(qū)替，部分采出液開始出現(xiàn)硫化氫，采出水中的SRB含量超標(biāo)，油井管柱、地面管線腐蝕加劇[4]。

該區(qū)塊原油密度1.009 g/cm3，黏度55 643 mm2/s，采出水礦化度17 100 mg/L，含有二氧化碳、硫化氫等腐蝕性氣體，采出水中S2-、Fe2-超標(biāo)，是典型的高溫、含硫、含鐵、腐蝕性強、高礦化度的多變水質(zhì)[5]。陳南站要求三級水質(zhì)的水中含油濃度≤30 mg/L、懸浮物濃度≤10 mg/L，粒徑中值≤4 μm。目前由于水質(zhì)不穩(wěn)定，原油黏度大，油和懸浮固體黏附在管線內(nèi)造成堵塞，加上細(xì)菌繁殖及采出水結(jié)垢，管線堵塞穿孔問題頻發(fā)[6]。

由于陳南站地處人口敏感區(qū)，如果采用常規(guī)水處理工藝技術(shù)進行改擴建需要再征地，而成套極化水處理技術(shù)既能夠解決超稠油高含硫采出水處理難題又不增加占地面積，因此開展超稠油采出水處理試驗非常必要。

2 成套極化水處理裝置

2.1 裝置特點

該裝置是集多種技術(shù)于一體、以物理法處理為主的多功能密閉裝置，不投加任何三防藥劑。分離設(shè)備集成了微渦旋吸附填料聚結(jié)、向心氣浮除油、極化殺菌除硫、濾料體外搓洗循環(huán)再生等技術(shù)，運行過程將緩沖組件、提升組件、反洗組件和精細(xì)過濾組件統(tǒng)一整合，系統(tǒng)聯(lián)動，整體布置（圖1）[7]，具有體積小、工藝簡單、耗能少、運行費用低等優(yōu)勢[8-9]。

圖1 水處理裝置內(nèi)部構(gòu)成Fig.1 Internal composition of water treatment device

處理流程：采出水在進液管上溶氣后進入罐渦流器，渦流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將油氣向內(nèi)圓運移聚集，浮油和分散油上浮至罐頂，完成收油；水進微渦旋器后微渦旋可將90%以上的2 μm 以下顆粒聚結(jié)成大顆粒和大油珠，通過粗、細(xì)兩級核桃殼濾料介質(zhì)，可以去除90%以上的顆粒和油珠；濾后水在電場極化作用下，水中電子進入菌類的細(xì)菌膜，改變細(xì)菌膜內(nèi)的電子結(jié)構(gòu)，抑制和殺滅SRB；極化的強陰極向水體釋放電子，電子與陽離子（主要是H+)結(jié)合，消除陽離子極性，強陰極與罐體及管網(wǎng)連接，消除鋼體陽極鐵離子并使其脫落，使鋼體不會腐蝕。極化形成的靜電場去除水中金屬陽離子的陽極性，不再與氫氧根和酸根結(jié)合生成堿和鹽，可有效防止鋼體結(jié)垢。

2.2 裝置組成

常規(guī)的極化水處理裝置由油泥水分離器、極化水處理、精細(xì)水處理三部分主體和反洗泵、加料池等輔助配套組成。為了驗證在流程簡化、不同水性、不同水量、不同水質(zhì)情況下該裝置的適應(yīng)性，取消油泥水分離器，裝置簡化為兩級布置，其處理能力為120 m3/d。

3 現(xiàn)場試驗

2019 年8 月開始對此裝置進行2 個月不間斷的試驗。為驗證其在異常生產(chǎn)情況的抗沖擊性，分常規(guī)、流程變更、水量異常、水質(zhì)異常、系統(tǒng)恢復(fù)五種情況進行試驗。每種情況下都分別對含油量、懸浮物、硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧、SRB、粒徑中值等取樣化驗，驗證溶氣增氧脫硫除鐵、極化殺菌脫硫效果。由聯(lián)合站、集輸大隊、中石化節(jié)能環(huán)保公司（第三方）同時取樣進憲化驗，對數(shù)據(jù)進行分析，最終結(jié)果取平均值。站內(nèi)分離器分離出的污水直接進處理器，不設(shè)緩沖設(shè)備。試驗工藝流程見圖2。

3.1 常規(guī)

常規(guī)試驗下采出水經(jīng)過全部設(shè)備，試驗結(jié)果見表1～表3。

三方檢測數(shù)據(jù)表明，常規(guī)試驗來水平均含油207.21 mg/L，二級出水平均含油0.73 mg/L，平均去除率99.65%；來水平均含懸浮物49.29 mg/L，極化裝置出水平均含懸浮物2.51 mg/L，平均去除率94.90%。在來水多變情況下，二級出水水質(zhì)穩(wěn)定，粒徑中值由平均4.555 μm 下降為二級出水的0.673 μm，滿足現(xiàn)場水質(zhì)處理要求。因此常規(guī)條件下，裝置對高溫、稠油等多變水質(zhì)的含油及懸浮物處理相對穩(wěn)定高效。

圖2 試驗工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of test process flow

表1 常規(guī)試驗下含油、懸浮物檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Detection data of oil and suspended matter in conventional tests

表2 常規(guī)試驗下含硫、鐵、溶解氧、SRB檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen，and SRB content in conventional tests

表3 常規(guī)試驗下粒徑中值檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Detection data of particle size median in conventional tests

3.2 流程變更

處理流程跨越油泥水分離器，只經(jīng)過極化水處理、精細(xì)水處理器，驗證水處理器獨自處理復(fù)雜水質(zhì)的可行性，試驗結(jié)果見表4、表5。

表4 流程變更試驗下含油、懸浮物檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Detection data of oil and suspended matter in process change tests

表5 流程變更試驗下含硫、鐵、溶解氧、SRB檢測數(shù)據(jù)Tab.5 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen，and SRB content in process change tests

跨越油泥水分離器后，平均含油由171.67 mg/L降至0.80 mg/L，去除率達到99.53%；平均懸浮物由38.49 mg/L 降 至1.56 mg/L，去 除 率 達 到95.94%；粒徑中值由4.607 μm 降至1.075 μm，出水水質(zhì)相對穩(wěn)定；總鐵、亞鐵、溶解氧、硫化物、SRB 去除率分別達到79.67%、82.46%、95.03%、81.87%、90.00%，結(jié)果穩(wěn)定，簡化工藝流程完全可行。

3.3 水量異常

將來水量增加1～2倍，觀察水質(zhì)變化情況，驗證水處理器的抗沖擊能力，試驗結(jié)果見表6、表7。

水量異常增大，影響來水水質(zhì)的穩(wěn)定性，來水含油、懸浮物波動劇烈，流程同樣跨越油泥水分離器。平均含油由6 253.16 mg/L降至0.89 mg/L，去除率為99.99%；平均懸浮物由81.52 mg/L 降至2.23 mg/L，去除率達到97.27%；硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧去除率達到76.57%、77.81%、69.84%，極化功能有效，脫硫除鐵技術(shù)成熟，設(shè)備抗沖擊性較強。

表6 水量增加后含油、懸浮物檢測數(shù)據(jù)Tab.6 Detection data of oil content and suspended matter after water volume increase

表7 水量增加后含硫、鐵、溶解氧檢測數(shù)據(jù)Tab.7 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen after water content increase

3.4 水質(zhì)異常

將來水指標(biāo)較常規(guī)水增加至少2倍，現(xiàn)場試驗時直接將來水管線連接到分離器進油管線，水質(zhì)各項指標(biāo)大大超出設(shè)備設(shè)計值，水質(zhì)檢測結(jié)果見表8、表9。

來水含油最高20 184.5 mg/L，水質(zhì)突發(fā)具有破壞性且不穩(wěn)定，來水含油、懸浮物波動劇烈，流程同樣跨越油泥水分離器。平均含油由14 033.07 mg/L降至1.11 mg/L，去除率達到99.99%；平均懸浮物由120.58mg/L 降 至2.64mg/L，去 除 率 達 到97.81%；硫化物、總鐵、亞鐵、溶解氧的處理效果明顯。突發(fā)破壞性水質(zhì)沖擊下，設(shè)備超負(fù)荷運行，極化處理仍然有效，脫硫除鐵功能強大，對破壞性水質(zhì)體現(xiàn)出良好的抗沖擊性和適應(yīng)能力。

表8 水質(zhì)變化后含油、懸浮物檢測數(shù)據(jù)Tab.8 Detection data of oil and suspended matter after water quality change

表9 水質(zhì)變化后含硫、鐵、溶解氧檢測數(shù)據(jù)Tab.9 Detection data of sulfur，iron，dissolved oxygen after water quality change

3.5 系統(tǒng)恢復(fù)

觀察各種異常情況發(fā)生后恢復(fù)常規(guī)試驗流程的時間及水質(zhì)指標(biāo)變化情況，驗證水處理器在工作過程中的還原能力。對系統(tǒng)設(shè)備進行反沖洗后恢復(fù)常規(guī)流程，觀察處理后達到正常生產(chǎn)指標(biāo)的時間，驗證設(shè)備經(jīng)受一系列超負(fù)荷、破壞性水質(zhì)沖擊后，系統(tǒng)自我修改、恢復(fù)及還原能力，改變以往僅僅室內(nèi)模擬仿真方式。水質(zhì)檢測結(jié)果見表10、表11。

表10 恢復(fù)常規(guī)流程后含油、懸浮物檢測數(shù)據(jù)Tab.10 Detection data of oil and suspended matter after resuming the normal process

表11 恢復(fù)常規(guī)流程后含硫、鐵、溶解氧檢測數(shù)據(jù)Tab.11 Detection data of sulfur，iron，and dissovled oxygen content after resuming the normal process

8月29日12:30恢復(fù)正常試驗流程，到17:00逐步恢復(fù)到初始試驗值，系統(tǒng)經(jīng)4.5 h 即完全恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，呈現(xiàn)較強的自我修復(fù)能力。

3.6 腐蝕檢測

通過主管線上安裝的直通型腐蝕掛片器檢測數(shù)據(jù)，在進水平均腐蝕率0.234 3 mm/a 情況下，出水平均腐蝕率降為0.006 mm/a，緩釋效果顯著。

4 結(jié)論

應(yīng)用成套極化水處理裝置，在常規(guī)、流程變更、水量異常、水質(zhì)異常及系統(tǒng)恢復(fù)這五種異常生產(chǎn)情況下進行試驗，均達到了預(yù)期效果，可適應(yīng)不同工作工況。

（1）流程變更條件下表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，水量及水質(zhì)異常環(huán)境下，來水含油在1 497.5～20 184.5 mg/L、懸浮物在60～197 mg/L 之間波動，出水含油基本穩(wěn)定在在0.5～4.3 mg/L、懸浮物在1.2～3.02 mg/L之間，效果穩(wěn)定且處理效率高，抗沖擊性強，自我恢復(fù)能力強。

（2）從現(xiàn)場試驗看，裝置功能高度集成，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，全自動密閉運行，占地面積僅為傳統(tǒng)重力沉降工藝的五分之一。

（3）由于采用極化、氣浮等物理法除油技術(shù)，不投（加水處理藥劑，體外循環(huán)搓洗技術(shù)濾料原位再生[10]，裝置反洗間隔長（3～5 天），反沖洗時間短，生產(chǎn)時效高，有效減少了濾料更換及處理，可以實現(xiàn)污泥源頭減量。同時此技術(shù)為邊緣、斷塊等小區(qū)塊采出液“就地分水、就地處理、就地回注”提供了流程變革及借鑒指導(dǎo)。