延长油田采油污水回注处理工艺技术研究

杨荣国，庞 波，王 维

（延长油田股份有限公司 七里村采油厂，陕西 延安717208）

延长油田地处我国陕北地区，属于典型半干旱气候，地理位置独特，环保要求高，开发历程较长。油藏特征上延长油田与长庆油田接壤，且存在交叉和互通层位，为典型的超低渗透油田。由于油田已经进入三采阶段，其采油污水化学剂、矿化度、悬浮物、硫化物以及油污、细菌等含量高，地面流程及其井筒中经常发生砂卡、腐蚀和结垢等问题。基于化学工程研究机理和前期现场数据可知，酸性环境下的高细菌作用会在二价硫和二价铁供应充分时发生大面积腐蚀作用。而碱性环境下的和Ca2+、Mg2+作用会诱发直接或者间接的结构[1]。所以需要絮凝沉降和pH值控制等多重手段进行大颗粒去除以及悬浮油、悬浮微生物的控制。

本文基于笔者多年工作经验，以延长油田某集输站采油污水处理为实践研究环节，参照相关行业标准开展实验研究。对整体处理流程下的防腐、阻垢、杀菌、絮凝一条龙解决方案进行评估，提出pH设定、化学氧化优化、絮凝沉降部署等方面的改进意见，将污水中的成垢离子、腐蚀离子、细菌（SRB，TGB）、悬浮性固体颗粒、悬浮油进行不同角度的最大限度转化去除，从而解决陕北干旱地区水资源环境问题，为油气田开发提供环保性解决意见。

1 实验预设

依据延长油田某集输站采油污水处理为实践运行环节是否可靠原则预设实验。准备一定数量的标准乙醇、石油醚、丙酮等为分析纯试剂。进行集输站现场实际使用污水处理药剂收集（NaOH、NaClO、聚合氯化铝、阴离子聚丙烯酸胺）。根据相关标准进行实验台架预设，至少不少于如下仪器：菌注射器，细菌培养箱，分析天平，微量加药器，UNIC-2100 紫外分光光度计，211 型pH 计，电动控速搅拌器，恒温箱，SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵及配套的玻璃砂芯过滤装置，砂滤装置等[2]。

实验方法方面，严格依据SY/T5329-1994 标准进行水中悬浮物含量、含油量、细菌等规定综合参数测定；依据SY/T0026-1999 标准进行（静态挂片法）进行规定数据量的腐蚀速率测定；根据现有实际设备选用SY/T5523-2006 标准进行水中离子含量分析；通用依据现有条件选用SY/T5796-1993 标准进行絮凝剂评定[3,4]。

实验用测定污水均取自延长油田所研某集输站自然沉淀后的污水，取水点为除油罐出口，并进行多组次分批次取样[5]。

2 污水实验及工艺流程研究

2.1 水质分析

表1 絮凝处理前综合测定水质结果Tab.1 Comprehensive determination of water quality before flocculation treatment

依据以上实验预设和污水取样表观分析得出水质基本状况和相关波动规律，具体测定情况见表1。

依据以上实验数据得出，该区块污水为典型CaCl2型水，由于pH 值处于6.2～6.6 之间显酸性，因此S2-在高含量下（最大达9.68mg·L-1）会产生互绕型腐蚀干扰。进一步查看结果Ca2+含量最高达2805.61mg·L-1，且在高细菌含量下会产生腐蚀和结垢的双重成因，实验结果得出的最高0.105mm·a-1腐蚀速率（高于0.076mm·a-1）也足以证明该观点的正确性。在此可得结垢量最高达到了45mg·L-1，相对较高。其他参数，例如悬浮物、油含量等参数较为恒定，可以判定来水水质较好[6]。综上所述，在经济性和设备稳定性综合考量下需要首先对pH 值、化学氧化作用、絮凝沉降等方面的可测物理量进行优先调节，确保腐蚀与结垢的有效防治。

2.2 污水处理流程

所研污水处理设施投运时间较早，后续经过多次大修甚至整体改造，基于最新环保要求在经济性、能耗分析达标的前提下，其中最近一次是2010 年进行了电化学离子稳定设备及其相关附属工艺流程的优化升级，但是因为运行和水质不稳定等综合原因最终导致改造后效果不佳，设备平稳率低[7]。现展示部分工艺流程图（图1）。

图1 污水系统改造后系统流程Fig.1 System flow after sewage system transformation

具体流程 初水进入大罐进行分离沉积，而后上部污水经过过滤口进入污水池进一步沉降和静置。一部分在运用动力泵进行提升加压至污水罐，随后限流泵入电化学氧化预处理装置，待系统运行稳定，并根据当前数据参数决定药剂投加量，在经济性最佳的前提下将处理反应后污水泵入旋流分离器，进行下一步脱除。待出水平稳进入缓冲罐后进行不同筛网下的精细过滤最终通过注水井高压回注[8]。在此对不同环节水质进行分析（表2）。

表2 系统流程水质分析报告（mg·L-1）Tab.2 System process water quality analysis report

根据系统流程水质分析报告综合判定数据，进行分段流程的节点分析。可以看出：（1）由于多级沉降会产生不同程度的污泥，而这些污泥因为系统结构设计和设备设施有限的原因不能及时排出。以至于污泥循环处理工艺中污染后端填料、堵塞过滤器，并且导致相应罐体应力变化，管线结垢严重，流道变小，影响系统整体循环效率。（2）根据不同取样点的含油量可测物理量，相关污水处理系统的污油回收装置效率较低，甚至诱发运行不稳定。根据设备现场拆解已经检修报告记录，就有旋流分离器及双滤料过滤器中的滤料污染板结现象严重的报告，而平时的系统运行压力上升幅度很快，存在开旁通运行现象，严重影响水质处理效果。甚至诱发系统停运。基于其他数据可知，相应可测物理量能反映整体设备流程运行过程，下步可以采用数学建模运用帕累托最优以及遗传算法的方式进行多目标分解与优化，挖掘数据信息以更好分析污水处理设备设施问题，方便检修开展和下步改进。

2.3 污水处理工艺优化

2.3.1 pH 值优选 经以上实验分析可以定性研究污水为酸性，且pH 值维持在6.2～6.6 需要首先规避TGB、SRB 等细菌的大规模繁殖，防止微生物诱发的腐蚀。选用较为经济的NaOH 作为水质优化中和药剂，进行pH 值的调节，进行适当投加将pH 值稳定至7.0～8.0 之间，并且密切关注并称重悬浮絮体量，注意相关离子及其不同干扰条件下的液体沉降速度。确保悬浮物沉降时间在30min 下稳定成透光率较好的上清液。根据多重实验可知当pH 值调节在7.0 时相应观测到的悬浮小絮体量较少，综合沉降速度较慢，但是随着pH 值的不断上升悬浮小絮体量会随之增加，并最终引起较快的沉降速度；如果pH值达到8.0，效果达到最佳，观测到的上层液透光率可以达到95.0%。机理分析认为：该种现象为pH 值上升导致的综合絮体含量增多，所述相关絮体所包裹的悬浮物和油分相应增大，以至于污水中残留的不同种类的悬浮物和油分含量最终减少到一定值，因此，透光率逐渐增加。不过该种情况是有限度的，也就是pH 值在该点时为多维误差最佳点，如若擅自提高pH 值则会导致结垢的发生，并且诱发大规模污泥的产生，在此推荐pH 值最佳控制点为7.5。

2.3.2 氧化剂的优选 所研污水中二价硫离子及其相关腐蚀产物含量高达9.68mg·L-1，相对现有规定的回注水指标2mg·L-1严重超标。最终会诱发例如硫酸盐还原菌（SRB）等为代表的细菌含量陡升，且相应的腐生菌（TGB）含量测定结果就达到105个·mL－1，也相对规定值超标过多。如若不加以控制还会诱发其他延伸性问题，最终影响污水色度，产生强腐蚀性要因。所以需要运用化学方法进行氧化杀菌、除硫等方式，确保高含量的二价硫完全被转换成硫单质并最终沉淀性去除，保证系统平稳率和其他药剂反应合规。在细菌破除环节，需要将一定结构和数量的活性基团进行有效杀灭，并且阻碍细菌存活所需要的营养物质，抑制蛋白质生长。实验选取反应较为迅速且持久性较好的H2O2以及NaClO 为强氧化剂，将其最优投加量优化至5～15mg·L-1，根据现场实际可以进行有限微调。最终将pH 值调整至7.5。根据室内实验数据结果可知，分别在污水中依次加至5～15mg·L-1H2O2和NaClO 进行充分搅拌并放置10min，运用标准硫含量测定法进行实验测定。最终得出：不同干扰条件下的综合反应会导致除硫剂加量呈现不同速率的指数变化趋势，但是加量不能因效果最优而丧失经济性最优原则。综合计算可得，当NaClO 逐步从5～15mg·L-1进行均匀添加时，除硫率会从90.1%上升至97.9%，且上升幅度有限。所以最终测算优选除硫率为NaClO 时的加量为15mg·L-1，而经过多轮现场论证，最终的效果可达1.29mg·L-1的硫离子含量。需要注意，污水中游离微生物及其细菌会导致多重因素互绕而发生化学剂失效问题，因此，氧化杀菌剂的适当投加也是很有必要的，在此进行15mg·L-1NaClO 的杀菌实验，运用实际反映流程的综合测定可知，SRB 细菌由起初的103个·mL-1下降至10 个·mL-1，TGB 细菌由105个·mL-1下降至102个·mL-1。而相关标准要求当细菌小于等于102个·mL-1就可以正常回注。

2.3.3 无机絮凝剂和有机絮凝剂优选 进行污水pH 值7.5 的优先预设，同样依次加入15mg·L-1Na－ClO、60～100mg·L-1的PAC 以及60～100mg·L-1的PFS，然后调整综合指标完成相应实验，在此省略相应实验过程。展示结果为，PAC 药剂投加效果明显优于PFS，而污水悬浮物含量过高以及不正常的含油量会影响最终参数的变化，絮体的形成虽然较为容易，但需要注意硫化物的干扰以及聚合氯化铁形成Fe2S3沉淀导致的水质透光率低等问题。综合污泥和其他因素，需要对较多悬浮絮体进行聚合氯化铝大颗粒沉淀考量，并且对于上清液和其他环节进行优化，最终优选得到80mg·L-1的PAC 加量。有机絮凝剂方面，同样仿效以上办法进行实验，得出随着PAM（1200 万）加量的增加，处理效果成指数变化趋势。机理研究表明，随着PAM 浓度的增加吸附架桥能力会变强，而现场生产中进行1.0mg·L-1的加量控制就可以遏制1200 万的PAM 分子量增长。需要注意，有机絮凝剂与无机絮凝剂加药次序和加药间隔也是需要优选的，在此本研究正在运用灰色系统理论、帕累托最优和神经网络算法进行分析，因为与相应研究结果有所冲突，所以在此不进行讨论。

3 现场运用论证

根据以上论证结果，形成较为针对性的药剂优选和使用方案进行现场验证。在此使用数据做具体分析（表3、4）。

表3 运用前后水质宏观可测物理量对比分析Tab.3 Comparative analysis of macroscopic measurable physical quantity of water quality before and after application

表4 运用前后水质离子对比分析Tab.4 Comparative analysis of water quality ions before and after application

通过以上实测数据可知，在处理装置现有流程不变的前提下处理油井采出污水，运用优化后的操作方法可以有效降低含油量、悬浮物含量、结垢量、腐蚀速率及细菌含量，将各项环保指标进行最优化处理，最终达到低渗透碎屑岩油田注水水质的所有指标要求。在经济性与人力资源成本不变的前提下确保污水处理前后离子种类不发生变化，将所有离子含量的变化幅度控制在最优，且在出水水质稳定的前提下尽量减少排污量，这充分表明通过絮凝实验后的处理剂机理论证可靠，且不影响其水质。通过表4 也可充分看出，在污水处理前后相关可测的离子种类、比例变化规律较弱，说明水质控制也比较稳定。综合论证得出，通过水处理剂和投加方式的不同，在不改变工艺流程的基础上，可以对水质基本组成进行保护，且清除有害离子并确保最终排污量最小，经济性和可操作性可靠，下步能进行大规模推广。

4 结论

本文研究了延长油田某集输站采油污水处理流程可靠性，用污水实验及工艺流程描述验证的方法进行了解决，效果表明所研究的某污水处理流程可靠，不需要大规模改进，下步应进行药剂优化和操作规程升级。基于本文实验研究可以得出如下结论：

（1）基于水质分析结果可以判定该研究区为酸性CaCl2类污水，且高含二价硫离子、细菌含量，而油含量和悬浮物的影响会导致互扰作用的发生，同时存在腐蚀与结垢的双重问题。实验结果得出的最高0.105mm·a-1腐蚀速率（高于0.076mm·a-1）也足以证明该观点的正确性。定性处理措施需要进行化学氧化和絮凝沉降工艺，确保处理作用完善。

（2）当前系统存在污泥循环处理工艺中污染后端填料、堵塞过滤器，并且导致相应罐体应力变化，管线结垢严重，流道变小，影响系统整体循环效率问题。根据设备现场拆解已经检修报告记录，就有旋流分离器及双滤料过滤器中的滤料污染板结现象严重的报告，而平时的系统运行压力上升幅度很快，存在开旁通运行现象，严重影响水质处理效果，甚至诱发系统停运。