稠油采出水綜合降硬除硅試驗研究

江興家 鮑靜 胡小園 譚舒婷 王爭光 商振新 楊洪 顧法生

1中國石油新疆油田公司重油開發公司

2中國石油渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發公司

某油田鍋爐給水處理工藝分布模式為“集中凈化+分站樹脂軟化[1]”，一直以來，污水在“地面－地層－地面－地層”這種循環往復生產過程中，污水的硬度、含硅量逐年增加（圖1、圖2）。表1 為該站目前來水的部分水質數據。

圖1 稠油采出水硬度變化Fig.1 Hardness variation of heavy oil produced water

圖2 稠油采出水二氧化硅含量變化Fig.2 Silica content variation in heavy oil produced water

表1 污水處理站預處理后凈化水水質Tab.1 Quality of purified water after pretreatment in the sewage treatment station

樹脂軟化器更適合于低硬度深度除硬[2]，在現有的高硬度條件下，軟化器再生頻繁，樹脂再生平均間隔8.5 h，反沖洗耗水達耗水總量的20%，蒸汽用水軟化成本高達3.5元/t。即便如此仍時有漏硬現象發生。同時，受硬垢及硅垢的共同作用，還產生了軟化器表面板結、鍋爐結垢、井下管柱結垢等問題，嚴重影響注、采時率與油田經濟效益[3]。

本研究以“化學絮凝沉降[4]+制硅吸附+混凝吸附”這一技術思路為方向，通過實驗室研究確定了整體工藝、藥劑初選、反應裝置結構；通過現場試驗，完善了關鍵藥劑配比、污泥用量、各種藥劑投加順序，確定了加藥點[5]，并對調質反應器的結構進一步改造完善，最終實現了調質反應器在確保各項指標達標的條件下穩定運行。

1 室內實驗

實驗儀器：氣相色譜-質譜聯用儀、運動黏度測定儀、全量程界面張力測量儀、顯微（細胞）電泳儀、混凝試驗攪拌儀、電子天平、污泥脫水裝置、紫外可見光分光光度計等。

實驗水質：含硅質量濃度135～235 mg/L、總硬度200～225 mg/L、pH=8。

實驗室研究成果如下：

（1）在未投加吸附劑條件下，針對不同水質條件，在表2所示的加藥量范圍內均能滿足預定出水水質指標，即：含硬≤80 mg/L，含硅≤60 mg/L，硅去除率≥60%，硬度去除率≥65%。

表2 實驗室篩選降硬除硅藥劑體系Tab.2 Screening of hardness reduction and silicon removal agent system in laboratory

（2）針對原水水質不同，室內實驗藥劑消耗量為理論加藥量的120%～150%。

（3）投入制硅吸附劑后，硅、硬去除率約提高10%～15%。

2 現場試驗

2.1 綜合調質反應器結構及工作原理

綜合調質反應器由第一反應吸附室、第二反應吸附室、混凝沉降區、凈水區、攪拌提升泵、強制循環泵、刮泥機等組成[6]（圖3）。其原理是充分利用硅的吸附特性，利用制硅吸附劑重復在一、二級反應吸附室循環，原水在兩級反應室中與藥劑、吸附劑等完成充分混合與反應，即可通過吸附劑吸附水中的硅、硬度，又能使吸附劑中夾帶的有效藥劑成分得以充分反應。反應后的水進入混凝吸附區完成化學絮凝沉降，使水體得以快速澄清，最終完成“制硅吸附”+“混凝吸附”的污水通過凈水區后達標排出。

圖3 綜合調質反應器內部構造圖Fig.3 Internal structure diagram of comprehensive conditioning reactor

2.2 中試結果與分析

現場中試裝置為10 m3/h 橇裝化裝置，整橇占地2.5 m×6 m×7 m，污水在系統中停留時間為1.5 h。

中試主要包含以下幾部分內容：除硅劑投加量與去除率試驗[7]；除硬劑復配加藥試驗[8]；內、外循環吸附試驗；懸浮物去除效果試驗；混凝吸附層厚度控制試驗。

2.2.1 除硅劑最佳加藥量測定

控制水體pH 值在9.5～10.2 的條件下，開啟內循環，1#除硅劑試驗加藥質量濃度分別為0.1～0.5 g/L，每次加藥質量濃度增加0.1 g/L，出水二氧化硅含量變化關系如圖4所示。

圖4 除硅劑試驗水質變化關系Fig.4 Variation relationship of water quality in the silicon removal agent test

試驗結果表明：1#除硅劑（有效成分30%）加藥量的增加使硅去除率增加，在滿足出水降硬除硅指標要求情況下，1#除硅劑最佳加藥質量濃度為0.36 mg/L。

2.2.2 除硬劑復配試驗

控制pH值在9.5～10.2之間[9]，開啟反應器內循環條件下，1#除硬劑[10]（有效成分90%）試驗加藥質量濃度為0～0.5 g/L，每次加藥質量濃度增加0.1 g/L；2#除硬劑[10]（有效成分98%）試驗加藥質量濃度為0.5～0 g/L，每次加藥質量濃度減少0.1 g/L。出水水質變化關系如圖5所示。

圖5 除硬劑復配試驗水質變化關系Fig.5 Variation relationship of water quality in the hardness removal agent compound test

試驗結果表明：硬度去除率隨1#除硬劑藥量的增加而升高，加藥質量濃度超過0.4 g/L即會導致硬度反向升高；在滿足出水降硬除硅指標要求情況下，1#除硬劑最佳加藥質量濃度為0.32 g/L，2#除硬劑最佳加藥質量濃度0.18 g/L。

2.2.3 循環吸附試驗

控制加藥量在表3所示的條件下，現場進行了了反應器單獨開啟內外循環、單獨開啟外循環及內外循環均開的試驗。同時，在定量內循環的條件下，進一步做了總循環量與降硬除硅效果的試驗。單循環水質變化關系如圖6、圖7所示。

圖6 內外循環吸附試驗含硅量變化關系Fig.6 Variation relationship of silicon content in the internal and external circulation adsorption test

圖7 內外循環吸附試驗硬度變化關系Fig.7 Variation relationship of hardness in the internal and external circulation adsorption test

表3 循環吸附試驗中基本藥劑體系Tab.3 Basic reagent system in the cyclic adsorption test

試驗結果表明：在同等加藥量條件下，內循環吸附開啟比關閉狀態下硅、硬度去除率提高5%～10%，內外循環吸附開啟比關閉狀態下硅、硬度去除率提高15%～20%，此效果得益于綜合調質反應器可設置為內循環吸附（低濃度）、外循環吸附（高濃度），完成“制硅吸附”，通過內外循環充分利用體系內的吸附劑，提高反應區域內吸附劑的濃度，增加接觸概率和吸附表面積，使硅和硬度得到進一步去除。

通過調節裝置外循環的循環量，循環吸附比和吸附劑濃度與出水水質變化關系如圖8所示。

圖8 循環吸附量試驗水質變化關系Fig.8 Variation relationship of water quality in the cyclic adsorption capacity test

2.2.4 懸浮物去除效率

在加藥濃度如表3的條件下，通過調節進水懸浮物的含量，對出水懸浮物含量進行研究。試驗表明，進水懸浮物在一定范圍內的變化對出水基本沒有影響，經過1 h的系統內沉降，出水浮物濃度均可控制在質量濃度15 mg/L之內。試驗結果如圖9所示。

圖9 懸浮物試驗水質變化關系Fig.9 Variation relationship of water quality in the suspended solids test

2.2.5 混凝層厚控制效果

試驗混凝吸附層厚度分別控制在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 m，出水水質隨混凝吸附層厚度變化如圖10所示。

圖10 混凝吸附層試驗水質變化關系Fig.10 Variation relationship of water quality in the coagulation adsorption layer test

試驗結果表明，通過兩級吸附后并經混凝吸附層吸附完成的出水水質硬度和硅去除率均有提高，硅含濃度從90 mg/L降至80 mg/L，硬度含量從56 mg/L降低至48 mg/L。隨著混凝吸附層厚度的不斷增加，硅含量從80 mg/L 降至28 mg/L，硬度含量從48 mg/L降至23 mg/L。

2.2.6 污泥成分分析

取沉降后的污泥進行污泥成分分析，成分分析結果見表4。

表4 污泥成分分析Tab.4 Analysis of sludge composition

綜合調質反應器污泥主要為加藥、除硬、除硅產生的污泥，每噸水絕干污泥產量0.812 kg。裝置產生的物化污泥接入污水處理站原有污泥處理系統進行后續處理。

2.2.7 處理成本分析

處理成本分析如表5 所示。從表5 可以看出：最優效果藥劑體系成本比實驗室藥劑體系成本降低了近60%，最經濟藥劑體系成本比最優效果藥劑體系成本降低了近35%，這得益于綜合調質反應器實現了內外強制循環吸附和混凝吸附層吸附，即“制硅吸附”+“混凝吸附”技術創新。

表5 藥劑匹配體系成本分析Tab.5 Cost analysis of reagent matching system

3 結論

“化學絮凝沉降+制硅吸附+混凝吸附”適用于高溫含硅、含硬廢水，降硬、除硅、除懸浮物效果良好，出水水質穩定；利用反應器強制內外循環吸附的特點，吸附劑循環吸附利用，體系內硅、硬去除率提高，并減少加藥量15%～20%，降低藥劑運行成本及能耗；循環吸附比的增加可使出水硬度及硅去除率提升明顯，循環吸附比在200%以上時，裝置出水硬度及硅去除率趨于平緩；懸浮物處理可在本裝置中一并進行，出水水質受進水懸浮物影響較小，進水懸浮物質量濃度為80 mg/L 時，1.5 h 沉降后濃度≤15 mg/L；混凝吸附層厚度應控制在1 200 mm 左右，厚度不夠不易起到吸附的效果，厚度太高易導致混凝吸附層表面絮體隨上升水流帶入出水槽，影響出水水質；綜合調質反應器剩余污泥成分多為硅酸鈣、硅酸鎂及殘余藥劑，屬于物化污泥，接入污水處理站原有污泥處理系統進行后續處理，裝置在進水含油濃度≤2 mg/L 時，污泥中含油濃度≤2%（質量分數）。

在現場水質條件及出水要求下，采用最佳經濟藥劑體系，噸水處理藥劑成本1.79元，噸水電費成本0.36元，達標噸水處理費用2.15元，適用于工業化應用。針對不同的水型應調整綜合調質藥劑體系，以實現最經濟、最高效的運行工況。