修井返排液快速处理技术优化研究

唐倩雯，苏秋涵，魏斌，李月足，刘丙生，郝丽伟

修井返排液快速处理技术优化研究

唐倩雯1，苏秋涵1，魏斌1，李月足2*，刘丙生1，郝丽伟1

（1. 中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司石油工程技术研究院， 山东 东营 257068； 2. 中国石油大学（华东）科学技术研究院， 山东 东营 257061）

气浮除油技术因其工艺成熟、效果显著、成本低廉、操作工艺简单、处理量大等优点而广泛应用于含油污水的处理。文章针对胜利油田修井返排液的不同现场情况，开展了气浮除油及精过滤技术的研究，通过实验研究，优选出了最佳的化学药剂；优化了气浮工艺参数和精过滤工艺参数。制定了一套完整的、现场适用性强的工艺技术方案，有效地指导了现场的施工应用。

修井返排液；含油污水；无机絮凝药剂；有机助凝药剂；精细过滤

胜利油田年均修井作业工作量2万井次以上；洗井、冲砂是修井作业中常用的工序。洗井过程中的返排液如果直接循环洗井，容易造成油水井的二次污染，堵塞油层。但如果全部采用联合站污水洗井，流程复杂，成本高。由于原油产地的油藏地质条件差异、注水水质特性不同以及原油开发过程中添加的各种化学药剂，使得修井返排液组成异常复杂，成份性质各不相同。一般来说油田污水中含有原油、各种微生物、有机物、无机物、盐类等，污水含油高的可达 5 000 mg/L以上[1]。气浮除油技术因其工艺成熟、效果显著、成本低廉、操作工艺简单、处理量大等优点而广泛应用于含油污水的处理，并且取得了很好的效果。

1 气浮除油技术

气浮除油技术是利用废水中的颗粒的疏水性，通过在气浮池中向废水中通入一定尺寸的气泡，废水中的污染物则将会吸附在气泡上面，随着气泡不断上浮，污染物也会浮到水面上面形成由污染物、水、气泡构成的三相泡沫层，收集泡沫层达到污染物和水分离的效果[2]。

2 气浮除油及过滤技术处理含油污水

2.1 化学絮凝药剂的优选

2.1.1 优选无机絮凝药剂

含油污水中胶体颗粒大都带负电荷，因此我们选用的无机混凝剂一定是带正电荷的离子或聚合离子。选用五种无机盐类絮凝剂进行实验：聚合氯化铝PAC、氯化铁FeCl3、硫酸铝AS、聚合硫酸铁PFS、聚合硫酸氯化铁铝PAFCS[3]。影响絮凝效果的因素有水温、pH值、絮凝剂种类、加量、搅拌速度和时间等，诸因素的影响错综复杂，在此我们根据实验室条件进行实验。衡量絮凝效果的主要指标是出水浊度。我们用722型分光光度计,测混凝沉降后上层清液的透光率,并以此做为评价混凝处理效果的依据[4]。实验条件：水温=20 ℃、pH=7.0、混凝剂加量10~70 mg/L、搅拌速度300~1 000 r/min、搅拌时间15 min，原水吸光值为0.65，得到如下实验结果：聚合氯化铝PAC投加浓度为10、30、50、70 mg/L时，吸光值分别为0.123、0.078、0.065、0.082，去除率分别为46.09%、50.18%、51.36%、49.82%，沉降时间分别为4、3、3、3 min。氯化铁FeCl3投加浓度为10、30、50、70 mg/L时，吸光值分别为0.33、0.328、0.292、0.242，去除率分别为27.27%、27.45%、30.73%、35.27%，沉降时间分别为6、6、6、6 min。聚合硫酸铁PFS投加浓度为10、30、50、70 mg/L时，吸光值分别为0.24、0.198、0.165、0.178，去除率分别为35.45%、39.27%、42.27%、41.09%，沉降时间分别为4、4、4、4 min。硫酸铝AS投加浓度为10、30、50、70 mg/L时，吸光值分别为0.268、0.244、0.192、0.21，去除率分别为32.91%、35.09%、39.82%、38.18%，沉降时间分别为5、5、5、5 min。聚合硫酸氯化铁铝PAFCS投加浓度为10、30、50、70 mg/L时，吸光值分别为0.125、0.08、0.075、0.078，去除率分别为45.91%、50.00%、50.45%、50.18%，沉降时间分别为5、4、3、4.5 min。

根据实验结果可知，絮凝剂聚合氯化铝PAC与聚合硫酸氯化铁铝PAFCS效果较好；去除率的结果与吸光值保持一致，两者的去除率保持在50% 左右，远高于其它三种絮凝剂的去除率。不同沉降时间的处理结果差异也较大，沉降时间为3~4 min，低于其他絮凝剂[5]，所以选用聚合氯化铝PAC与硫酸氯化铁铝PAFCS混合搭配做为我们科研项目中使用的无机混凝剂。最佳投加浓度有一个数值范围，聚合氯化铝PAC最佳投加浓度为30~50 mg/L，硫酸氯化铁铝PAFCS最佳投加浓度为30~70 mg/L，投加浓度过大或过小效果都不理想。

我们选用PAC与PAFCS质量比1∶1混合作为无机絮凝药剂，为了探究无机絮凝药剂投加量与污水处理排量、含油量、悬浮物及粒径的关系，我们进行了实验对比。实验条件：水温=20 ℃、pH=7.0、搅拌速度300~1 000 r/min、搅拌时间15 min。得到最佳实验结果：无机絮凝剂投加浓度为50 mg/L，污水排量为0.5 L/min时，原油含量为152 mg/L，最终含油量为34.7 mg/L，原始悬浮物为151 mg/L，最终悬浮物为10.6 mg/L，原始粒径为56 μm，最终粒径为9.7μm。原油含量为358 mg/L，最终含油量为86.1 mg/L，原始悬浮物为352 mg/L，最终悬浮物为30.1 mg/L，原始粒径为56μm，最终粒径为12.1μm。

由此实验可知，无机絮凝药剂投加浓度为50 mg/L时，污水排量为0.5 L/min时，处理效果最佳。

2.1.2 优选有机助凝药剂

由于油田污水具有负电荷，所以要求有机助凝剂必须为具有正电荷的阳离子有机助凝剂。资料查新显示，阳离子聚丙烯酰胺做为有机助凝剂比较适合。我们用722型分光光度计,测混凝沉降后上层清液的透光率，并将此作为评价混凝处理效果的依据[4]。实验条件：水温=20 ℃、pH=7.0、有机混凝剂加量5~20 mg/L、搅拌速度300~100 r/min、搅拌时间15 min。设置的投加浓度分别为5、10、15、20 mg/L，得到的实验结果如下：CPAM1（分子量＜100万）投加浓度为10 mg/L时，吸光值最小为0.25，去除率最大为36.36%；CPAM2（分子量100~1 000万）投加浓度为10 mg/L时，吸光值最小为0.2，去除率最大为40.91%；CPAM3（分子量1 000~1 500万）投加浓度为10 mg/L时，吸光值最小为0.288，去除率最大为32.91%；CPAM4（分子量＞1 500万）投加浓度为5 mg/L时，吸光值最小为0.271，去除率最大为34.45%。

从以上实验结果可以看出，CPAM2效果最好；去除率的结果与吸光值保持一致，CPAM2的去除率远高于CPAM1、CPAM3、CPAM4的去除率，且投加浓度为5和10 mg/L时去除率保持在40% 左右。所以我们选用投加浓度5和10 mg/L继续进行实验。

为了探究聚丙烯酰胺CPAM投加量与污水处理排量、含油量、悬浮物及粒径的关系，我们进行了实验对比。实验条件：水温=20 ℃、pH=7.0、搅拌速度300~1 000 R/MIN、搅拌时间15 min。实验结果见下图1和图2。

图1 CPAM投加5mg/L时污水处理结果图

图2 CPAM投加10mg/L时污水处理结果图

综合以上实验结果可见，CPAM投加浓度为10 mg/L时，处理效果优于5 mg/L，能满足各种排量时污水的处理要求，且对各项指标均有较好的控制效果，当污水排量为0.5 L/min时，处理效果最佳。因此我们选出CPAM2做为有机混凝剂（助凝剂），其使用浓度为10 mg/L。

2.1.3 无机絮凝剂与有机助凝剂的协同作用

使用722型分光光度计测絮凝沉降后上层清液的透光率，并以此做为评价絮凝处理效果的依据。首先使用无机絮凝剂单一对污水进行处理，确定不同添加量和透光率的关系，然后在不同的无机絮凝剂用量(单位为mg/L)的条件下，统一加入10 mg/L的CPAM，观察无机絮凝剂和CPAM协同作用效果，见图3。

图3 无机絮凝剂与有机助凝剂的协同作用

由图3可见无机絮凝剂与有机助凝剂协同作用的处理效果要比单独使用无机絮凝剂的处理效果好(出水透光率普遍提高),且可观察到絮体颗粒大,沉降速度快,沉降后污泥体积小。

2.1.4 加药顺序对污水处理效果的影响

本试验的主要目的是通过改变加药顺序进行混凝试验，以考察其对污水的处理效果[6]。有机助凝剂CPAM投加浓度为10 mg/L，无机絮凝剂投加浓度为50 mg/L，加药顺序按照表4进行改变，结果：无机絮凝剂先，CPAM后，测得透光率为92%；无机絮凝剂与CPAM同时加入测得透光率为62%，CPAM先，无机絮凝剂后测得透光率75%。

由此可知，先加入无机絮凝剂，再加入CPAM，透光率最高达到92%，效果较好，这和前面分析的两者协同作用的机理是一致的，是相符合的。若同时加入无机絮凝剂与有机助凝剂，则无机絮凝剂的一些水解中间形态可能与CPAM发生絮凝作用，这样处理效果会显著降低。

为了探究两者协同作用时污水处理排量与含油量、悬浮物及粒径的关系，我们进行了实验对比。实验条件：先投加无机絮凝剂浓度为50 mg/L，再投加CPAM浓度为10 mg/L，水温=20 ℃、pH=7.0、搅拌速度300~1 000 R/MIN、搅拌时间15 min。实验结果见下表1。

表1 无机絮凝剂与有机助凝剂协同作用时污水排量对处理效果的影响

综合实验结果，当二者协同作用的时候，对各项指标的处理能力都明显强于单一药剂作用，在最大排量最大污染时，完全能够满足处理要求，且在各种低排量低污染的时候仍能够满足处理要求，所以，我们可以选定先投加无机絮凝剂浓度为50 mg/L，再投加CPAM浓度为10 mg/L，来做为最终的实验条件。

2.2 气浮除油净水技术研究

随着油田开发的不断深入，气浮除油净水技术，越来越受到石油化工行业的重视。目前，海上平台、炼油及石油化工等含油污水的处理都采用了气浮处理技术，含油污水经过气浮处理，可将含油量降到30 mg/L以下，再经过过滤或生化处理，出水含油可达到10 mg/L以下，满足深度净化技术需求。含油量较少时可直接进行气浮，污染严重时可经过絮凝沉淀、除油后再进行气浮。

表2 不同气量不同排量气浮效果数据表

2.2.1 溶解气浮法的设计要点

（1）对待处理水的情况进行充分研究，分析是否适宜采用气浮工艺；

（2）如果条件允许，需要对待处理的废水进行气浮模型试验或是小型试验。通常溶气压力采用0.2~0.4 MPa；

（3）根据试验时具体混凝剂种类、絮凝时间、反应程度、投加量等，选择反应形式，确定反应时间，通常选择的沉淀反应时间为2~30 min；

（4）根据施工液量选择适应的气浮池的池型，不可过大或过小，气浮池接触室的流速通常控制在0.1 m/s以内；

（5）接触室一定要为气泡与絮凝体之间提供良好的接触条件，同时宽度应考虑安装和检修的要求。为了确保接触效果，水流上升流速通常控制10~20 mm/s，水流在室内的停留时间最好大于60 s；

（6）气浮池中水流停留时间在5~20 min，有效水深在1.5~2.0 m之间；

（7）气浮池的排渣要定期排除，集渣槽可设置在池的一端或两端，集中送往污泥处理厂进行无害化处理；

（8）气浮池集水应力求均匀，采用穿孔集水管，集水管最大流速约为0.5 m/s。

2.2.2 气浮除油室内试验

为了摸清气浮除油效果，我们进行了气浮除油室内试验。试验中药剂投加浓度无机絮凝剂50 mg/L+CPAM 10 mg/L。排量单位为L/min，结果见表2。

以上实验数据表明，当气量为2（压力0.1MPa）、排量为0.5时，气浮装置污水处理效果最好。

2.3 精细过滤除油技术研究

2.3.1 过滤基本原理

根据所采用的过滤介质不同，可分为格筛过滤、微孔过滤、膜过滤、深层（滤料填充）过滤四类。四种过滤方式经过比较、结合现场实际需求，我们认为深层过滤比较适合本次“精细过滤除油技术研究”，因此我们围绕深层过滤继续展开研究。

2.3.2 过滤介质

为了选择合适的滤料，我们开展了检测与试验，得到如下试验数据：石英砂粒径为0.3~1.2 mm，球度系数0.89，孔隙度0.44%，强度5 MPa，化学稳定，成本低；核桃壳粒径为0.3~1.2 mm，球度系数0.76，孔隙度0.50%，强度0.5 MPa，化学稳定，成本低；无烟煤粒径为0.3~1.2 mm，球度系数0.65，孔隙度0.55%，强度2.0 MPa，化学稳定，成本较低；陶粒粒径为0.3~1.2 mm，球度系数0.96，孔隙度0.41%，强度20 MPa，化学稳定，成本较高；金刚砂粒径为0.3~1.2 mm，球度系数0.92，孔隙度0.45%，强度8.9 MPa，化学稳定，成本稍高；活性炭粒径为0.3~1.2 mm，球度系数0.79，孔隙度0.48%，强度1.6 MPa，化学稳定，成本较高。

综合比较筛选，我们选取石英砂、金刚砂做为滤料。

2.3.3 滤层结构

我们现场污水处理研究考虑三种滤层结构，即单层滤料结构、双层滤料结构、三层滤料结构。

我们选用上述的三种滤层结构分别进行压力损失与浊度变化对比实验，实验起始压力全部为0.30 MPa,滤前浊度全部为39.6，结果如下：单层石英砂的厚度为30 cm，粒度为0.3~1.0 mm，滤后压力为0.28 MPa,滤后浊度全部为0.41。石英砂+金刚砂的厚度为30 cm，粒度为0.2~1.2 mm，滤后压力为0.25 MPa,滤后浊度全部为0.24。石英砂+金刚砂+石英砂的厚度为30 cm，粒度为0.1~1.5 mm，滤后压力为0.20 MPa,滤后浊度全部为0.35。实验结果表明，双层滤料结构可以满足需求，压力损失小、过滤效果好。最终过滤介质选择石英砂、金刚砂；结构确定为石英砂+金刚砂结构双层结构。

2.3.4 滤料粒径对污水处理效果的影响

为了验证滤料粒径对污水处理效果的影响，我们开展了以下试验：实验采用石英砂+金刚砂结构双层结构，变换两种滤料的粒径，观察对实验效果的影响。因为金刚砂刚度大、耐冲击，所以放于顶部。结果见表3。

表3 滤料粒径对污水处理效果影响实验数据表

综合几个方面，我们认为0.1～0.6 mm石英砂 ＋ 0.4～1.0 mm金刚砂结构比较适合现场应用。

2.4 整体除油净水试验

2.4.1 整体除油净水试验工作程序

（1）整体除油净水试验工作流程整体除油净水试验工作流程见图4。

图4 净水试验工作流程图

（2）试验参数

在不同的污水排量下，混合无机絮凝剂添加浓度50 mg/L、有机助凝剂CPAM添加浓度10 mg/L、气量压0.1 MPa、过滤装置采用双层0.1～0.6 mm石英砂 ＋ 0.4～1.0 mm金刚砂结构。

2.4.2 除油净水试验结果

除油净水试验结果见表4。

表4 室内净水试验数据表

3 结论

综合整体实验研究，本套“含油污水气浮除油及精过滤”试验装置处理油田修井返排液完全可以满足生产要求，复合行业标准。

污水处理各项条件步骤为：

（1）先添加混合无机絮凝剂（聚合氯化铝PAC+聚合硫酸氯化铁铝PAFCS质量比1∶1）投加浓度50 mg/L；

（2）然后添加有机助凝剂CPAM投加浓度10 mg/L；

（3）气浮气量压力为0.1 MPa；

（4）过滤装置采用双层0.1～0.6 mm石英砂 ＋ 0.4～1.0 mm金刚砂结构。

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Research on Rapid Treatment Technology of Flowback Fluid in Workover

1,1,1,2,1,1

（1. Sinopec Shengli Oilfield Company Petroleum Engineering Technology Research Institute, ShandongDongying 257068, China； 2. Science and Technology Research Institute,China University of Petroleum-Huadong, Shandong Dongying 257061, China）

Because of its mature technology, significant effect, inexpensive, simple operation and large gas capacity, the air flotation technology has been widely used to treat oily sewage. In this paper, aiming at different flowback fluid of workover in Shengli oilfield, the air flotation technology and fine filtration technique for treating the flowback fluid were researched, and then the best chemical agent was screened out by experiments, the parameters of floating process and fine filtration process were optimized. At last, a complete scheme with strong on-site applicability was developed.

Workover flowback fluid; Oily sewage;Inorganic flocculant; Organic coagulant; Fine filtering

TE 357

A

1671-0460（2017）10-2085-05

中石化科技攻关项目“修井作业洗井液循环利用及液面监控技术”（315077）。

2017-07-24

唐倩雯（1987-），女，助理研究员，2012年毕业于贵州大学机械工程学院机械设计理论专业，获硕士学位，现从事石油机械的研究工作。

李月足（1989-），男，2011年毕业于唐山工业职业技术学院石油化工生产技术专业，现从事环境修复（污水、含油污泥）及相关的检测研究工作。