柱形管道旋流器與T型管道分離器組合處理油田回收污水試驗

武云龍

大慶油田第五采油廠

隨著油田開發的不斷深入，應用聚合物驅油等三次采油規模不斷擴大，油田采出井及注入井數量不斷增加[1]，隨之水（聚）驅回收污水產生量大幅度增加，回收污水的物理性質也發生了改變，具體表現為聚合物含量上升，Zeta電位、表面張力等發生變化，油水乳化嚴重，油珠聚并和浮升更加困難[2]。該類回收污水由于物性復雜，在回收到聯合站污水系統處理前，需先進行預處理，去除水中含油量、懸浮物固體等雜質，確保進入系統的水質達標。回收污水的預處理在提高污水回收利用率基礎上，對降低污水站負荷、減少對水系統沖擊、提高回注水質達標率具有重要意義。

1 回收污水處理現狀

大慶油田回收污水主要由油水井洗井污水、油水井作業返排液、注水干線沖洗水等組成，目前大慶油田回收污水主要有兩種處理方式，直接回收和經預處理裝置處理后回收。

由于回收污水中含有大量老化油、懸浮物固體、聚合物、硫化物等污染成分，如直接將污水回收到聯合站污水系統中，會增加系統負荷，同時系統水質污染程度加重[3]，影響水處理工藝效果及回注水質達標率[4-5]。

通過統計某采油廠各聯合站回收污水狀況發現，具備預處理裝置的僅16.6%，且預處理裝置由于工藝的不適應，處理效果不理想，含油量和懸浮物固體的去除率僅為20.1%、18.5%，投資和運行成本較高。

2 管道分離技術

管道分離技術是通過油水混合液在柱型管道分離器中的高速旋流[6]和在T 型管中的動態分層交換實現油水在管道中的快速分離[7]。

2.1 柱形管道旋流器

柱形管道旋流器主要是利用非均相介質密度的差異[8]，旋流器高速旋轉使油、水兩相產生不同離心力的原理分離油和水。重質相水流向旋流器邊壁，并由內壓力場作用向下從底流口流出，輕質相油在旋流器中心處聚集，由內壓力場作用向上從溢流口流出[9]，技術原理見圖1。

圖1 柱形管道旋流器技術原理Fig.1 Technical principle of column pipe cyclone

2.2 T型管道分離器

T 型管道分離器主要是利用重力、浮力和分層滑移等作用的原理[10]，實現液-液預分離，由水平管和垂直管組成。油水兩相混合液在水平管流動過程中，重質相受重力作用通過T型分岔結構與垂直管道下降到底部水平管匯聚，密度較小的輕質相在浮力作用下通過T型結構與垂直管上浮到頂部水平管，形成兩相的分層流。T型分岔結構的功能在于實現兩相流動路徑選擇，垂直管是兩相動態交換流動的通道，而水平管則發揮輸送、聚集等功能[10]，技術原理見圖2。

圖2 T型管道分離器技術原理Fig.2 Technical principle of T-type pipe separator

2.3 工藝流程

管道分離技術工藝流程主要以“一級柱形管道弱旋流+一級柱形管道強旋流+T 型管+一級柱形管道強旋流”為主工藝，具體處理工藝流程為：回收污水經增壓泵進入到一級柱形管道弱旋流器進行油水初步分離，分離出的污油回到污油池，分離后污水進入一級柱形管道強旋流器進行再次分離，分離出的污油回到污油池，分離出的污水進入T型管道分離器處理后進入二級柱形管道強旋流器，分離出的污油回到污油池，分離出的污水回到污水池，經回收進入沉降系統處理后外輸。管道分離試驗裝置見圖3，流程示意圖見圖4。

圖3 管道分離裝置現場Fig.3 Field drawing of pipeline separation device

圖4 管道分離裝置工藝流程Fig.4 Process flow of pipe separation device

3 管道分離技術處理回收污水現場試驗

試驗污水為大慶油田某聚驅區塊聯合站回收水池內污水，主要由洗井污水、作業返排液、注水干線沖洗水組成，試驗水質含聚質量濃度（以下簡稱濃度）為100.4～138.5 mg/L。試驗裝置設計規模30 m3/h，設計壓力2.5 MPa，設計溫度0～50 ℃，實際處理水量30～35 m3/h，運行壓力0.8 MPa，環境溫度20～25 ℃。試驗主要研究管道分離技術處理前后回收污水物性變化、對比處理前后污水含油量、懸浮物含量去除效果，確定合理流量分流比率及試驗污水處理時間。

3.1 回收污水物性變化

對管道分離裝置處理前后回收污水物性進行了檢測，對比污水各項物性指標變化情況如表1 所示。結果表明回收污水經管道分離裝置處理后，黏度、COD、硫化物、含聚濃度有所下降，Zeta電位絕對值下降1.35 mV，表明管道分離技術對回收污水物性有一定影響。

表1 回收污水物性檢測數據Tab.1 Physical property testing data of recovered sewage

3.2 回收污水含油量去除

對回收含油濃度區間為10.9～295 mg/L 的含油污水進行試驗（平均含油濃度為120.3 mg/L，含油濃度大部分低于100 mg/L）。經管道分離裝置處理，處理后總出水口含油濃度控制在4.6～50 mg/L，平均含油濃度為29.1 mg/L，平均去除率為75.7%。

3.2.1 含油濃度＜100 mg/L時試驗效果

對回收含油濃度＜100 mg/L的污水（含油濃度位于10.9～66.0 mg/L 范圍，平均含油濃度為34.7 mg/L）進行試驗，經管道分離裝置處理，處理后一級強旋流出口平均含油濃度25.2 mg/L，T型管出口平均含油濃度15.8 mg/L，總出水口含油濃度（二級強旋流出水口）控制在4.6～26.8 mg/L，平均含油濃度為14.3 mg/L，平均去除率為58.7%，試驗數據見表2。

表2 回收污水含油濃度（＜100 mg/L）檢測數據Tab.2 Testing data of oil concentration(＜100 mg/L)in recovered sewage

3.2.2 含油濃度≥100 mg/L時試驗效果

對回收含油濃度≥100 mg/L 的污水（含油濃度位于146～295 mg/L 范圍，平均含油濃度為205.8 mg/L）進行試驗。經管道分離裝置處理，處理后一級強旋流出水口平均含油濃度100.3 mg/L，T型管出水口平均含油濃度67.1 mg/L，總出水口含油濃度（二級強旋流出水口）控制在37.0～50 mg/L，平均含油濃度為43.9 mg/L，平均去除率為78.6%。試驗數據見表3。

表3 回收污水含油濃度（≥100 mg/L）檢測數據Tab.3 Testing data of oil concentration(≥100 mg/L)in recovered sewage

試驗結果表明，回收污水含油濃度越高，管道分離技術對含油濃度的去除率越高。

3.3 減少回收污水懸浮物固體含量

試驗回收污水水質懸浮物固體濃度位于96.1～218.8 mg/L 范圍，平均懸浮物固體濃度為142.2 mg/L?；厥瘴鬯浌艿婪蛛x裝置處理后，一級強旋流出水口平均懸浮物固體濃度110.2 mg/L，T型管出水口平均懸浮物固體濃度98.3 mg/L，總出水口懸浮物固體濃度（二級強旋流出水口）控制在67.9～113.8 mg/L 之間，平均濃度為82.2 mg/L，平均去除率為41.0%，試驗數據見表4。

表4 回收污水懸浮固體濃度檢測數據Tab.4 Testing data of suspended solids content in recovered sewage

3.4 管道分離裝置流量合理分流比

管道分離技術處理后的回收污水出水率是影響處理效果及效率的重要因素，經濟合理的出水率是確定管道分離技術對油田污水適應性的關鍵。

對管道分離裝置出水口與出油口流量比分別按9∶1、8∶2、7∶3、6∶4 控制檢測總出水口含油濃度、懸浮物固體濃度變化情況，確定合理分流比。隨著出水口流量的降低，出口含油濃度、懸浮物固體濃度均呈下降趨勢。當分流比控制為8∶2時，平均含油濃度、懸浮物固體濃度分別下降到38.6 mg/L和70 mg/L，分流比控制為7∶3、6∶4后，平均含油濃度、懸浮物固體濃度僅波動2%左右，故確定出水口與出油口合理分流比為8∶2。試驗數據見表5。

表5 分流比試驗數據Tab.5 Split ratio test data

3.5 管道分離技術穩定性試驗

試驗方法：要求回收水池間歇接收洗井污水和作業污水，保持管道分離裝置進水水質的動態變化。在控制管道分離裝置出水口與出油口分流比為8∶2情況下，試驗管道分離裝置連續運行10 h，總出水口（即二級強旋流器出口）水質穩定。即每間隔1 h 取出水口水樣，檢測含油濃度、懸浮物固體濃度，用以檢驗對比出水水質穩定性。

試驗裝置處理回收污水前含油濃度位于32.9～107.1 mg/L 范圍，平均含油濃度為67.1 mg/L，污水懸浮物固體濃度位于132.0～217.6 mg/L范圍，平均懸浮物固體濃度為164.5 mg/L。試驗數據見表6。

表6 穩定性試驗數據Tab.6 Stability test data mg/L

試驗結果：試驗裝置連續運行10 h，總出水口水質含油濃度在8.2～28.5 mg/L 之間，平均含油濃度為18.7 mg/L，平均去除率為72.1%；出水口水質懸浮物固體濃度在72.1～100 mg/L之間，平均濃度為88.5 mg/L，平均去除率為46.2%，污水在裝置內處理停留時間為310 s。

4 效益分析

管道分離技術處理回收污水費用主要包括投資費用和運行費用，按處理水量30 m3/h、日運行8 h計算，處理成本為0.72 元/m3，管道式分離技術處理回收污水與原預處理技術對比，一次性投資費用降低50.24%，噸水處理成本降低52.0%（表7）。

表7 管道分離技術處理成本對比Tab.7 Comparison of processing costs for pipeline separation technology

5 結論

（1）管道分離技術處理回收污水適應性較好。管道分離技術處理回收污水出水含油濃度、懸浮物固體濃度平均去除率分別達到75.7%和41.0%，隨著含油濃度、懸浮物固體濃度的升高，含油濃度的去除率越高，但懸浮物固體濃度去除率變化不明顯。

（2）管道分離技術處理回收污水油水分離速度快。處理量為30 m3/h 時，現場工藝流程處理回收污水油水分離時間為310 s，油水分離快速、高效。

（3）管道分離技術處理回收污水成本較低。管道分離技術處理回收污水成本與現預處理方式對比，處理成本降低52.0%。