基于“雙納米”技術的含聚污水深度處理現場試驗

王明信 蔣鴻建 何艷玲 徐忠凱 張文馨

(1.大慶油田有限責任公司第四采油廠;2.大慶油田設計院有限公司;3.大慶油田有限責任公司第一采油廠)

0 引 言

杏北油田經過了幾個階段的發展,逐步形成了水驅、聚驅、三元復合驅并存的開發局面[1]。三次采油開發導致采出液含聚濃度逐步升高,污水處理難度急劇上升,傳統“兩級沉降+三級過濾”的污水處理工藝(見圖1)難以滿足含聚污水深度處理“油含量≤5 mg/L、懸浮物含量≤5 mg/L”的水質要求。

圖1 “兩級沉降+三級過濾”的污水處理工藝流程

與此同時,隨著三采開發規模逐步擴大,杏北油田污水系統還出現了“三采產水過剩,深度水源不足”的水量平衡問題,即三采產水不能全部通過普通注水井網回注,水驅產水不能滿足深度注水量的需求[2-3]。因此杏北油田優選“納米氣混浮選+納米硅基精細過濾”工藝的“雙納米”水處理技術開展現場試驗,以實現含聚污水深度處理。2021年10—12月,開展了規模為100 m3/d的初步試驗,取得了良好的試驗效果;2023年1月在聚杏十一污水站開展了規模為2 000 m3/d的工業化現場試驗,進一步評價“雙納米”水處理技術工藝適應性。

1 “雙納米”水處理工藝簡介

1.1 工藝流程

“雙納米”水處理技術主要由“納米氣混浮選+納米硅基精細過濾”工藝組成,工藝流程見圖2。

圖2 “雙納米”水處理工藝流程

納米氣混浮選工藝流程見圖3。納米氣泡發生器將氣液兩相充分溶解達到高壓飽和狀態,通過減壓釋放將溶解的氣體以微納米氣泡的形式在納米氣混浮選裝置中溢出,油在微納米氣泡的裹攜和吸附作用下,上浮至液面,通過刮板與污水分開后進入排污罐,經排污泵排放至回收水池。

圖3 納米氣混浮選工藝流程

納米硅基精細過濾工藝流程見圖4。納米氣混浮選裝置出水經提升泵提升至納米硅基精細過濾裝置,經1 μm一級過濾后,再進入0.1 μm二級過濾,完成對污水中殘留污油、懸浮物的去除,最終出水油含量、懸浮物含量≤5 mg/L。其中兩臺精細過濾裝置采用相互反洗方式,需要對設備進行反沖洗時,采用一臺設備濾后水作為另一臺設備反沖洗水源,在反沖洗過程中,通過空壓機進行脈沖進氣改變濾床穩定狀態,使吸附于濾料中的油、懸浮物脫落。反沖洗水進入排污罐,經排污泵排至回收水池。

圖4 納米硅基精細過濾工藝流程

1.2 技術特點

“雙納米”水處理技術具備以下特點:一是目前油田聚驅污水平均油珠粒徑為60～70 μm,懸浮物粒徑為6～8 μm,納米氣混浮選裝置通過產生納米級氣泡提高與油珠接觸面積,增強氣泡對油珠的吸附作用,可提高浮選除油效率。粒徑分析結果見表1。

表1 納米顆粒追蹤粒徑分析結果

二是過濾材料具有高機械穩定性和化學穩定性:活性硅基濾料經過高溫(1 650℃)燒結、鍍膜后,硬度高,耐磨性好,在生產過程中,濾料不板結、不流失。

三是過濾精度高,采用多孔介質濾料,濾料孔隙率75%,比表面積20 m2/g,且介孔通道(2～50 nm)為不定形孔壁,過濾和吸附效果更好。

四是濾料堆積密度為1.15 g/cm3,容重為0.75 kg/m3,因此單位體積更輕,濾床深,濾料直徑(0.2～6 mm)分布廣,采用均質填充,納污能力更強。濾料表面性質見圖5、圖6。

圖5 濾料表面

圖6 濾料截面放大

“雙納米”水處理工藝采用傳統物理過濾的方法,在保障了含聚污水處理效果的同時,還具備工藝穩定性高、維護難度小等優勢,適合大規模推廣應用。

2 “雙納米”水處理工藝運行參數優化

在聚杏十一污水站,開展了首次應用于高含聚污水深度處理的“雙納米”水處理技術工業化現場試驗,規模為2 000 m3/d。在試驗過程中,首先對工藝運行參數進行優化,評價運行參數對處理效果的影響。

2.1 納米氣混浮選技術現場試驗

2.1.1 進氣壓力對處理效果的影響

通過調整納米氣混浮選裝置進氣壓力[4],按照0.3,0.35,0.4,0.45,0.5,0.55 MPa的梯度進行現場試驗,通過對比納米氣混浮選裝置進出水水質、去除率變化,得到能夠使納米氣泡有效舉升的最佳進氣壓力,試驗結果見圖7。試驗結果表明,進氣壓力為0.4～0.5 MPa時氣浮效果較好。

圖7 不同進氣壓力下納米氣混浮選裝置進出水水質及除油率變化

2.1.2 氣水比對處理效果的影響

通過納米氣混浮選裝置調整進氣量不斷調整裝置氣水比,按照氣水比1∶8,1∶10,1∶12,1∶14,1∶16,1∶20的梯度進行現場試驗,通過對比納米氣混浮選裝置進出水水質和去除率變化,得到最佳溶氣效果的氣水比,試驗結果見圖8?，F場試驗結果表明,氣水比為1∶12～1∶14時氣浮效果較好。

圖8 不同氣水比下納米氣混浮選裝置進出水水質及除油率變化

2.1.3 有效停留時間對處理效果的影響

納米氣混浮選裝置(φ3.0,H=5.5)有效容積為20 m3,試驗期間處理水量為45～75 m3/d,通過控制處理水量不斷調整裝置停留時間,按照有效停留時間為16,18,22,25 min的梯度進行現場試驗,通過對比納米氣混浮選裝置進出水水質、去除率變化,得到裝置的最佳停留時間,試驗結果見圖9。試驗結果表明:有效停留時間變化對處理效果影響不明顯,不同處理水量條件下去除率均在50%以上。

圖9 不同有效停留時間下納米氣混浮選裝置進出水水質及除油率變化

2.1.4 收油參數優化

納米氣混浮選裝置采用刮油機旋轉方式去除上層浮油,通過觀察罐頂油厚變化,評價刮油機最佳運行參數。刮油機停止運行期間浮油積攢情況見圖10。刮油機停止運行期間,罐頂油厚逐步增加,3 min開始可以看出浮油逐步積攢,10 min后充滿收油槽。

圖10 刮油機停止運行期間浮油積攢情況

刮油機運行期間浮油積攢情況見圖11。刮油機運行期間,4 min開始油厚呈現下降趨勢,收油槽內呈現明顯水相,10 min后浮油全部去除。因此確定刮油機運行參數為:停止10 min,運行10 min。

圖11 刮油機運行期間浮油積攢情況

2.2 納米硅基精細過濾技術現場試驗研究

2.2.1 反沖洗強度對濾料再生效果的影響

“雙納米”水處理技術采用氣水脈沖反洗,利用一座濾罐出水為另一座濾罐反洗的模式,水相連續進水,氣相間歇進氣。為了保障氣洗階段的濾料膨脹,進氣壓力恒定為0.6 MPa。在反沖洗過程中,通過調節反沖洗水相流量,在工藝來水油含量、懸浮物含量為50 mg/L的條件下,按照反沖洗強度為1.6,2,2.35,2.75,3 L/(m2·s)的梯度進行現場試驗,通過對比反沖洗前后12 h出水水質,得到裝置最佳反沖洗強度,試驗結果見圖12。試驗表明“雙納米”水處理最佳反沖洗強度為2.35 L/(m2·s),反沖洗強度超過3 L/(m2·s)時會出現跑料現象。

圖12 不同反沖洗強度下出水水質

2.2.2 反沖洗時間對濾料再生效果的影響

反沖洗過程中每5 min進行取樣觀察并化驗分析,評價一、二級過濾裝置的最佳反沖洗時間[5]。

一級過濾裝置的實驗結果見圖13。試驗結果表明:一級過濾裝置反沖洗前20 min出水水質較差,可以去除大部分油及雜質,50 min后反沖洗出水水質與來水水質相近,可以保證濾料再生。

二級過濾裝置的試驗結果見圖14。從圖14可以看出,二級過濾裝置反沖洗前10 min反沖洗出水水質較差,可以去除大部分油及雜質,30 min后反沖洗出水水質與來水水質相近,可以保證濾料再生。

圖14 二級過濾裝置的不同時間反沖洗水水質變化

2.2.3 過濾速度對濾料再生效果的影響

通過控制處理水量不斷調整裝置過濾速度[6-7],按照過濾速度為8,10,12,14 m/h的梯度進行現場試驗,通過對比納米硅基精細過濾裝置進出水水質和去除率,得到裝置的最佳過濾速度,試驗結果見圖15?，F場試驗表明,過濾速度在12 m/h以下時出水水質(油含量、懸浮物含量)達到5 mg/L以下的水質指標要求。

圖15 不同過濾速度下進出水水質及去除率變化

3 “雙納米”水處理工藝適應性評價

3.1 水質提升效果評價

試驗期間對現場運行數據進行連續跟蹤,分別將裝置來水油含量、懸浮物含量按照30～50,50～80,80～100,>100 mg/L梯度開展現場試驗,評價“雙納米”水處理工藝水質提升效果,運行跟蹤結果見表2。試驗期間來水油含量最高為177 mg/L,裝置出水油含量為2.9 mg/L,可以穩定達到5 mg/L以下的深度污水處理指標要求。

表2 不同來水、不同油含量情況下運行效果

試驗期間,裝置來水懸浮物含量<100 mg/L時,裝置出水懸浮物含量可以達到5 mg/L以下的深度污水處理指標;來水懸浮物含量>100 mg/L時,裝置出水懸浮物含量達標難度較大。運行跟蹤結果見表3。

表3 不同來水、不同懸浮物含量情況下的運行效果

對各節點污水水質進行分析,結果見表4。各節點聚合物含量變化較小,分析原因為“雙納米”工藝采用物理方法進行污水處理,未投加任何化學藥劑,因此不會改變污水含聚濃度,有利于采出水配制、稀釋聚合物溶液時,減少油田注入聚合物干粉用量[8-10]。

表4 各節點污水水質

各節點硫化物、細菌含量降低,分析原因為氣浮過程會增加污水中溶解氧含量,會降低硫化物及厭氧菌含量,更有利于控制采出水配制、稀釋聚合物溶液過程中的黏度損失。因此“雙納米”水處理工藝更有利于保障化學驅注入體系質量,提高油田開發效果。

3.2 反沖洗效果評價

現場試驗期間對過濾裝置過濾階段及反沖洗階段壓差進行連續監測[11],監測曲線見圖16。在反沖洗周期為12 h的條件下,正濾壓差始終保持在0.015～0.018 MPa,反沖洗壓差為0.01～0.013 MPa,未出現憋壓、壓力上升等情況,表明“雙納米”水處理工藝可以保持較好的濾料再生效果。

圖16 運行連續監測曲線

3.3 吸附效果評價

對比“雙納米”水處理工藝及傳統“石英砂磁鐵礦”過濾工藝成床時間,分別在反沖洗后對濾后水進行連續取樣,通過水質穩定時間判斷濾料成床時間[12],試驗結果見圖17和圖18?！半p納米”水處理工藝反沖洗后10 min出水水質穩定,“石英砂、磁鐵礦”過濾工藝反沖洗后1.5 h出水水質穩定。認為“雙納米”水處理工藝的濾料吸附能力較強,因此濾料成床時間較短。

圖17 “雙納米”水處理工藝反沖洗后出水水質變化

圖18 “石英砂、磁鐵礦”過濾工藝反沖洗后出水水質變化

3.4 建設投資及運行成本對比

通過現場試驗結論,“雙納米”水處理工藝可替代現有“兩級沉降+三級過濾”工藝中的第二級沉降和三級過濾部分。因此僅針對該部分工藝,在對等條件下,僅保留主要工藝設備,同時考慮因工藝變化所帶來的管網、自控、建筑物、道路、土地等費用后對建設成本按照2 000,10 000,20 000,30 000 m3建設規模進行估算,其投資對比情況見表5。

表5 不同建設規模下投資對比

對運行成本(耗電量)進行對比,結果見表6。從表6可以看出,由于“雙納米”水處理工藝相對簡化,運行成本低于常規“兩級沉降+三級過濾”工藝。

表6 不同類型站庫運行成本對比 元/m3

4 結 論

1)通過現場試驗明確了“雙納米”水處理技術最佳運行參數:進氣壓力0.4～0.5 MPa,氣水比1∶12～1∶14,收油參數為刮油板運行10 min、停止10 min,反沖洗強度為2.35 L/(m2·s),反沖洗時間一級過濾裝置50 min、二級過濾裝置30 min。

2)應用“雙納米”水處理技術可以實現了聚驅污水深度處理,解決油田三采開發規模擴大后的水量平衡難題。同時雙納米”水處理技術具備較好的吸附及濾料再生效果,可以實現穩定連續運行。

3)“雙納米”水處理工藝與傳統“兩級沉降+三級過濾”工藝相比,工藝更為簡化,可大幅度降低建設投資及運行成本,具備大規模工業化推廣及應用價值。