零散區塊橇裝一體化采出水處理工藝技術探討

梁文義 孫坤 王彩鳳

1大慶油田有限責任公司第十采油廠

2吐哈油田公司吐魯番采油管理區

某油田零散區塊存在單井產液量小、位置分散且距離遠、地面系統依托性差等特點，開發初期投產的油井少，產生的污水量小，無法集中建大中型處理站，其含水油主要通過管輸或拉運的方式外輸到某聯合站進行脫水，產生的含油污水再經管輸至某含油污水處理站，處理達標后回注。隨著原油含水率的上升，零散區塊污水量逐年增加，另外油田綜合廢液、廢水不定期進入系統，加大外輸管道的負荷。而拉運方式受區塊位置分散且距離遠限制，不僅成本高，受天氣等不確定因素影響風險較大[1]。因此以目前國內外油田成熟的采出水處理技術為基礎，開展了適用于零散區塊采出水橇裝化處理工藝技術的研究，通過現場試驗和運行效果跟蹤，該工藝取得了較好的處理效果，可解決零散區塊小水量采出水就地達標處理的問題，同時也可實現工藝的整體搬遷和重復利用。

1 工藝技術優選

橇裝一體化采出水處理裝置研究在零散區塊某聯合站開展，該站所需的注水量為200 m3/d。目前采用“磁分離—錳砂過濾”工藝處理地下水達標后進行回注，橇裝一體化采出水處理裝置將替代目前采用的工藝，將產出合格達標的采出水進行回注。

1.1 水質監測結果

取該站1 000 m3污水沉降罐底水作為試驗用采出水進行水質檢測，在無壓裂液、鉆關液等作業廢水進入時，水質監測結果顯示：含油濃度91.5～216 mg/L（質量濃度，下同），懸浮物固體濃度13.5～24.3 mg/L，硫化物濃度34.8～40.4 mg/L，總鐵濃度0.42～0.61 mg/L，礦化度3 897～4 780 mg/L[2-4]（表1）。

表1 某站采出水水質Tab.1 Water quality of produced water at a station

隨著壓裂液、鉆關液等作業廢水的不定期加入，水質變差，主要是含油量和懸浮物固體含量的增加。水質監測結果顯示：含油濃度186～407 mg/L，懸浮物固體濃度22.9～42.9 mg/L，硫化物濃度30.9～44.2 mg/L，總鐵濃度0.52～1.75 mg/L，礦化度4 014～6 041 mg/L[2-4]（表2）。

表2 加入作業廢水后某站采出水水質Tab.2 Water quality of produced water at a station after the operation wastewater is added

1.2 前期室內實驗及技術優選

基于技術調研和水質監測結果，開展了室內小試和工藝技術的優選，為該項目工藝流程的確定奠定基礎。

1.2.1 曝氣除硫試驗

取采出水進行曝氣除硫試驗，曝氣強度10 m3/m2·h，經2 h 曝氣，硫化物濃度由38.9 mg/L 降至4.74 mg/L，隨著曝氣時間延長，硫化物含量變化不大，曝氣24 h，硫化物濃度仍為3.89 mg/L。曝氣試驗結果見表3。將該結果與某油田已建的含油污水處理站現場曝氣效果進行對比，已建處理站采出水中硫化物濃度34.2～59.9 mg/L，曝氣停留時間4.6 h，出水硫化物濃度降至1.2～6.6 mg/L，此時曝氣強度為25.6 m3/m2·h 。因此，試驗工藝在曝氣時間4 h 的前提下，可以通過加大曝氣強度彌補曝氣時間不足。初步確定試驗工藝曝氣時間為4 h，曝氣強度為25 m3/m2·h。

表3 某站采出水曝氣試驗結果Tab.3 Aeration test results of produced water at a station

根據初步確定曝氣時間和強度，選擇氣水比為4∶1～20∶1 進行現場試驗，試驗效果見圖1。結果表明：隨著氣水比增加，硫化物整體去除效果變好，氣水比在5∶1～20∶1 之間，平均值都可達到“硫化物含量＜2 mg/L”的輔助注水指標要求；氣水比在5∶1 時，曝氣后的硫化物濃度出現大于2 mg/L 的情況，因此當來水硫化物濃度在45 mg/L左右、曝氣時間為4 h 時，為保證出水穩定達標，曝氣氣水比最低限為7∶1[5]。

圖1 不同氣水比曝氣除硫試驗結果Fig.1 Test results of aeration sulfur removal with different gas water ratio

1.2.2 油水分離技術優選

油田已有的油水分離除油技術包括氣浮技術、水力旋流技術、離心技術等，通過技術調研以及現場實際生產應用效果監測，擬采用溶氣泵氣浮技術。該技術已在已建含油污水處理站中應用，監測該站流程各段的處理效果，尤其是氣浮效果，溶氣泵氣浮技術取得了不錯的處理效果，裝置運行平穩，來水中含油濃度＜60.2 mg/L，懸浮物固體濃度＜87.6 mg/L，硫化物濃度＜35.9 mg/L，經氣浮處理后，出水中含油濃度＜1.2 mg/L，懸浮物固體濃度＜21.4 mg/L，硫化物濃度＜2.35 mg/L（表4）。結果表明，氣浮對含油量的去除較為明顯，同時對懸浮固體及硫化物也具有一定的去除作用。

表4 已建含油污水站氣浮處理效果Tab.4 Air flotation treatment effect of built oily sewage station

1.2.3 微生物菌種優選

室內篩選破乳時間56 min 的活性破乳菌、含油量去除率為97.5%的直鏈烷烴降解菌及環烷烴降解菌，利用肇東一聯含油污水作為培養基，按照10%的體積比接種至污水中，35 ℃培養48 h 后，進行原油破乳降解試驗，破乳時間為1 h，降解率為67.9%～88.5%。這表明篩選得到的微生物菌群對肇東一聯含油污水具有良好適應性，并且具有較高的原油降解能力，結果見表5。

表5 10%體積比接種各菌株原油降解效能驗證Tab.5 Crude oil degradation efficiency validation of each strain inoculated with 10% volume ratio

2 工藝流程

基于前期調研、室內實驗及現場跟蹤測試結果，確定橇裝一體化采出水處理工藝主流程：采出水首先進入曝氣沉降罐，目的是除硫的同時脫出大部分浮油，作為來水水質平穩的保障；出水進入氣浮裝置進一步除去乳化油，氣浮裝置出水要求達到“50.50”的處理指標；然后進入兩級雙層濾料過濾器，達到“8.3.2”的處理指標，最終經過膜處理達到“5.1.1”的處理指標后回注地下。另外，沉降出水同時也可以進入微生物一體化裝置進行處理，出水達到“10.15.2”指標，該流程作為主流程的并聯流程，出水進主流程過濾單元[6-8]。具體工藝流程見圖2。根據工藝流程，形成了“曝氣除硫橇”“氣浮分離橇”“常規過濾橇”“精細過濾橇”“生物處理橇”為主體的橇裝一體化采出水處理裝置。

圖2 橇裝一體化采出水處理工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of skid-mounted integrated produced water treatment process

3 現場試驗效果

利用橇裝一體化采出水處理裝置，在某零散區塊某聯合站進行現場試驗，主要試驗內容包括針對低滲透指標的現場試驗，針對特底滲透指標的PVC中空纖維膜、微生物預處理效果試驗等，最后該套裝置投入生產，為該區塊達標處理采出水近12 個月（240 m3/d），出水效果平穩。

3.1 低滲透指標試驗

采用主流程：“來水→曝氣沉降罐→氣浮→一級雙層濾料過濾→二級雙層濾料過濾→出水”，試驗參數：處理量9.7 m3/h，沉降曝氣氣水比7∶1，氣浮回流比20%，一級濾速11 m/h，二級濾速8 m/h[9]。試驗結果見表6—表9，來水含油濃度＜78.5 mg/L時、懸浮固體濃度＜27.2 mg/L、硫化物濃度＜31.59 mg/L 時，可穩定達到“8.3.2”低滲透指標。

表6 “8.3.2”低滲透指標試驗主流程含油量去除效果Tab.6 Removal effect of oil content in the main process of“8.3.2” low permeability index test mg/L

采用并聯流程：“來水→曝氣沉降罐→微生物預處理裝置→微生物處理裝置→一級雙層濾料過濾→二級雙層濾料過濾→出水”進行現場試驗。試驗參數：處理量9.5 m3/h，曝氣氣水比7∶1，氣浮回流比20%，一級濾速11 m/h，二級濾速8 m/h。試驗結果見表10—表13，來水含油濃度＜151.4 mg/L、懸浮固體濃度＜99.64 mg/L，硫化物濃度＜43.58 mg/L 時，經微生物裝置處理后，可穩定達到“10.15.2”的工藝指標，再經兩級過濾后達到“8.3.2”指標。

表7 “8.3.2”低滲透指標試驗主流程懸浮物固體含量去除效果Tab.7 Removal effect of suspended solids content in the main process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

表8 “8.3.2”低滲透指標試驗主流程粒徑中值去除效果Tab.8 Removal effect of median particle size in the main process of“8.3.2”low permeability index test μm

表9 “8.3.2”低滲透指標試驗主流程硫化物含量去除效果Tab.9 Removal effect of sulfide content in the main process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

表10 “8.3.2”低滲透指標試驗并聯流程含油量去除效果Tab.10 Removal effect of oil content in the parallel process of“8.3.2” low permeability index test mg/L

表11 “8.3.2”低滲透指標試驗并聯流程懸浮物固體含量去除效果Tab.11 Removal effect of suspended solids content in the parallel process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

表12 “8.3.2”低滲透指標試驗并聯流程粒徑中值去除效果Tab.12 Removal effect of median particle size in the parallel process of“8.3.2” low permeability index test μm

表13 “8.3.2”低滲透指標試驗并聯流程硫化物含量去除效果表Tab.13 Removal effect of sulfide content in the parallel process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

3.2 特低滲透指標試驗

采用主流程：“來水→曝氣沉降罐→氣浮→一級雙層濾料過濾→二級雙層濾料過濾→PVC 膜過濾→出水”，試驗參數：處理量9.7 m3/h，沉降曝氣氣水比7∶1，氣浮回流比20%，一級濾速11 m/h，二級濾速8 m/h。試驗結果見表14—表17，來水含油濃度＜132 mg/L、懸浮固體濃度＜27.5 mg/L、硫化物濃度＜29.5 mg/L 時[9]，處理后可穩定達到“5.1.1”特低滲透指標[10]。

表14 “5.1.1”特低滲透指標試驗主流程含油量去除效果Tab.14 Removal effect of oil content in the main process of“5.1.1” ultra-low permeability index test mg/L

表15 “5.1.1”特低滲透指標試驗主流程懸浮物固體含量去除效果Tab.15 Removal effect of suspended solids content in the main process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

表16 “5.1.1”特低滲透指標試驗主流程粒徑中值去除效果表Tab.16 Removal effect of median particle size in the main process of“5.1.1”ultra-low permeability index test μm

表17 “5.1.1”特低滲透指標試驗主流程硫化物含量去除效果Tab.17 Removal effect of sulfide content in the main process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

采用并聯流程：“來水→曝氣沉降罐→微生物預處理裝置→微生物處理裝置→二級雙層濾料過濾→PVC 膜過濾→出水”進行現場試驗。試驗參數：處理量9.5 m3/h，曝氣氣水比7∶1，氣浮回流比20%，一級濾速11 m/h，二級濾速8 m/h。試驗結果見表18—表21，來水含油濃度＜143 mg/L、懸浮固體濃度＜25.8 mg/L、硫化物濃度＜32.5 mg/L 時，經過微生物裝置處理后，可達到“10.15.2”指標，再經PVC 膜處理后，可穩定達到“5.1.1”特低滲透指標。

表18 “5.1.1”特低滲透指標試驗并聯流程含油量去除效果Tab.18 Removal effect of oil content in the parallel process of“5.1.1” ultra-low permeability index test mg/L

表19 “5.1.1”特低滲透指標試驗并聯流程懸浮物固體含量去除效果Tab.19 Removal effect of suspended solids content in the parallel process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

表20 “5.1.1”特低滲透指標試驗并聯流程粒徑中值去除效果Tab.20 Removal effect of median particle size in the parallel process of“5.1.1”ultra-low permeability index test μm

表21 “5.1.1”特低滲透指標試驗并聯流程硫化物含量去除效果Tab.21 Removal effect of sulfide content in the parallel process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

4 運行應用效果及經濟效益對比

試驗后，將橇裝一體化采出水處理裝置在該站就地投運，保障生產運行，處理量200～300 m3/d，累計注入170 天。采用常規工藝流程：來水→曝氣沉降→氣浮→兩級雙層濾料過濾→PVC 中空纖維膜→出水，處理后出水均達到“5.1.1”指標[10]，結果見表22。

表22 橇裝裝置現場應用處理效果Tab.22 Field application treatment effect of skid-mounted device

該橇裝一體化采出水處理工藝研發和現場保運期間，替代某聯合站地下水處理工藝（曝氣—磁分離—金剛砂），將含油污水就地處理回注近12 個月，節省污水拉運費73.2 萬元、管輸動力費61.49 萬元、運行費用35.22 萬元，共計減少費用169.91 萬元。

5 結論

（1）采用PVC 中空纖維膜的常規工藝和微生物工藝，出水均能夠穩定達“5.1.1”處理指標。

（2）微生物處理單元本身對含油、硫化物等去除效果較好，不需經曝氣除硫單元，但必須經過一級緩沖，以避免來水水質沖擊或負荷過大時影響微生物處理效果。

（3）對比“沉降—氣浮”工藝，“沉降—微生物”工藝占地大、停留時間長（12 h），在橇裝一體化設計中具有一定局限性。

（4）橇裝裝置比固定站占地面積減少70%以上，施工周期縮短55%以上[9]，具有配套流程靈活、可移動等特點。

綜上，零散區塊橇裝一體化采出水處理工藝，即“來水→曝氣沉降→氣浮→一級雙層濾料→二級雙層濾料→PVC 中空纖維膜→出水”，出水可以達到“5.1.1”特低滲透指標，具有較好的經濟效益，其橇裝化設計可實現工藝的整體搬遷和重復利用，適用于零散區塊小規模開發的短期應用。