油田污水水处理技术及设备概述

李帅，伍远平，胡志强，刘凯文，康凯

（中石油江汉机械研究所有限公司，湖北 武汉 430000）

随着油田开采进入中后期，含水率逐渐升高，为了维持产能需要将采出水处理后进行回注，回注操作的主要目的在于将水中阻碍注水、易引起注水系统腐蚀结垢的油类、悬浮物等不利成分去除[1]。由于各个油田采油废水的理化性质差异较大，所要求的注水水质量标准不同，各个油田采油废水的处理工艺也有较大差异[3]。但是从实际生产中总结得出，大部分都采用三段式处理工艺，即除油、混凝沉淀（或气浮）、过滤。同时随着油田开发的逐步深入，各项先进、成熟的污水处理技术逐渐引进、应用于现场生产，初步形成了5类比较成熟的污水处理技术[5]。本文主要总结概括了各类油田污水处理技术及设备，凝练各类技术的优缺点及适应范围，为现场工程应用提供重要理论支撑，具有较强的工程实践指导意义。

1 油田污水水处理技术

1.1 油水分离技术-重力/离心分离技术

由于油和水的相对密度不同，当较轻的组分处于层流状态时，较重组分的液滴按照斯托克斯公式的运动规律沉降，沉降速度与油在水中的半径的平方成正比，水和油的密度差与油的粘度成正比[6]。重力分离技术技术利用“浅池理论”[7]，一方面可扩大沉降面积，另一方面也可提高水分沉降速度，从而诞生了一种由错流式组合波纹板形成的板式聚结器，在油、水分离方面得到广泛应用。

离心分离技术是利用油水密度的差异，对高速旋转的油水混合物产生不同的离心力，从而实现油水分离。由于离心设备可以达到很高的转速并产生数百倍重力加速度的离心力，因此离心设备可以更彻底地去除油和水，并且只需要很短的停留时间和很小的设备体积。其水力旋流器流场分析如图1所示。

图1 水力旋流器流场分析图

1.2 油水分离技术-气浮技术

气浮技术[8]是指在水中形成高度分散的微小气泡，附着在废水中疏水基的固体或液体颗粒上，形成水-空气-颗粒三相混合体系。颗粒附着在气泡上后，形成表观密度小于水的絮凝体并浮上来，在水面上刮除形成的浮渣层，实现固液或液液分离的过程。产生微气泡的方法，常用的有电解法、曝气气浮法和溶气气浮法三种[9]。

1）电解法通过向污水中通入5～10 V直流电，使其产生小气泡，从而排除杂质，但由于耗电量大，极板极易结垢，因此主要用于中小型工业废水处理；

2）曝气浮选法又称散气法，是在气浮槽底部安装微孔扩散板或扩散管，压缩空气以微小气泡的形式从水槽表面逸出，在水池底部通常还装有叶轮，轴与水面垂直，压缩空气从叶轮下方通过，使得大气泡在高速时通过叶轮的搅拌作用被切割成小气泡。曝气机如图2所示；

图2 曝气机

3）溶气气浮是降低气压，让气体从水中逸出的方法。主要有两种形式：①使气浮池上的空间处于真空状态，当常压水流入池中时，释放微气泡。称为真空溶气法；②空气在压力下溶解在水中达到饱和，溶解的气流减压进入气浮池释放微气泡，称为加压溶气法。加压溶气中的水可以是待处理水的全部或部分，也可以是气浮池出水的回水，回水占处理水的百分比称为回流比，该值是影响气浮效率的重要因素，必须通过实验确定，在实际生产中，加压溶气法更为常用。溶气气浮机如图3所示。

图3 溶气气浮机

三种气浮法在适用性及优缺点中各有不同[10]，其主要对比如表1所示。

表1 三种气浮法性能比较

1.3 悬浮物分离技术-过滤技术

过滤是水处理最为常用的技术，以去除水中悬浮物（机杂）为主要目的，对油和细菌也有一定的去除效果[11]。根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类[12]：格筛过滤、微孔过滤、膜过滤、深层过滤，每种过滤的优缺点如下：

1）格筛过滤：滤速大、结构简单，但过滤精度低；

2）微孔过滤：过滤精度较高（可达纳米级）仅次于膜过滤、体积小、便于更换，但纳污量低，易堵塞，需要频繁反洗；

3）膜过滤：过滤精度最高，是目前最高精度级别的过滤方法，但造价及运行成本高；

4）深层过滤：纳污量大、过滤时间长、反洗时间短，但滤料需要定期补充或更换。

过滤是去除油田污水中悬浮物的主要手段，其去除率达90%以上；气浮也能对悬浮物具有一定的去除作用（最高去除率可达80%），但气浮只作为除油的主要手段，对悬浮物只是预处理，后续搭配过滤才能实现油和悬浮物的有效去除。

1.4 悬浮物分离技术-杀菌技术

回注污水中含有大量SRB（硫酸盐还原）菌、各种悬浮物及乳化油[13]。 SRB菌喜欢生长在缺氧的地方（悬浮物内部），用传统方法无法杀死，给回注水系统带来腐蚀设备和管道、使化学药剂失效、恶化水质、堵塞岩心、影响采收率等严重影响。目前可通过物理、化学杀菌两种方法进行解决。

物理杀菌的原理是将紫外线和光触媒结合，紫外线不仅能杀死细菌，还能减少光源供给光触媒[14]。两者有机结合，相互作用后产生光催化作用，产生的羟基游离碱能杀灭SRB菌，使水质达到回注要求。

化学杀菌可分为电解盐水、二氧化氯和臭氧杀菌法[15]。

1）电解盐水杀菌技术[16]：次氯酸钠发生器用于电解过程中产生次氯酸钠溶液和饱和大粗盐，由于次氯酸钠的不稳定性，在水中能迅速分解，产生原子态的强氧化性细菌。氧化细菌的蛋白质成分发生变性，失去了复制和存活的能力，也达到了杀灭细菌的目的。 电解盐水对油田污水中的主要细菌，如硫酸盐还原菌（SRB）、铁细菌（IB）、腐生菌（TGB）等有很好的杀灭作用。

2）二氧化氯杀菌技术[17]：二氧化氯是国际公认的高效消毒剂。 可杀灭所有微生物，包括细菌繁殖体、细菌孢子、真菌、分枝杆菌和病毒等，且这些细菌不会产生耐药性。二氧化氯具有很强的吸附和穿透微生物细胞壁的能力，能有效氧化细胞内含巯基的酶，能迅速抑制微生物蛋白质的合成，从而破坏微生物，同时二氧化氯作为一种强氧化剂，还具有除藻、去泥、防腐、防霉、保鲜、除臭、氯化、漂白等作用，用途广泛。

3）臭氧杀菌技术[18]：臭氧对细菌的灭活反应总是非常迅速，与其他杀菌剂不同，臭氧能与细菌细胞壁脂质发生双键反应，渗透到细菌内部，作用于蛋白质和脂多糖，改变细胞的通透性功能，导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶，破坏DNA。臭氧首先作用于细胞膜，对细胞膜的组成成分造成破坏，导致代谢障碍，而后继续透过细胞膜，破坏细胞膜中的脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞凋亡。

2 油田污水水处理设备

2.1 一体化污水处理装置

XQK-JXT系列一体化污水处理装置是专门为油田污水处理开发，它将多种污水处理单元集成在一个装置上，大大缩短了区块的污水处理流程，具有处理精度高、流程短、占地面积小，易标准化、撬装化的特点[19]。其性能指标如表2所示。

表2 XQK-JXT性能指标

2.2 XL、YXL系列旋流器

旋流器主要是针对中高含水开采期采出液的预分离和含油污水的处理，也可用于环保等其它有一定密度差的两相不互溶液体介质的分离[20]。与其它油水分离设备相比，具有体积小、重量轻、除油效率高、无运动部件等优点。该设备进水口含油质量浓度≤2 000 mg·L-1，出水口含油质量浓度≤50～100 mg·L-1，进水口含水体积分数 80%～95%，出水口含油质量浓度≤2 000 mg·L-1，排油口含水体积分数30%～60%。

2.3 系列过滤器

1）SLW系列双滤料过滤器

该装置主要是为过滤油田含油污水而开发的过滤装置。它是由多种不同密度的多层滤料组成的硬质滤料，根据水质要求，滤料采用不同级配比[21]。经过多次冲洗后仍能保持上层轻粗滤料，下层重细滤料分层，形成滤料粒度由下至上，由小至上的阶梯式过滤层，最大限度提高滤层在不同密度、不同级配指标下的截污能力。其性能指标如表3所示。

表3 双滤料过滤器性能指标

2）QLW系列纤维球过滤器

该装置主要是为油田回注水精细过滤而开发的过滤装置，可用于清水，也可用于污水。纤维球采用改性纤维丝编制而成，化学稳定性好，采用上部压紧方式，过滤时压紧保证过滤精度[22]。反洗时压紧装置上行放松滤料，循环泵开启水力环流振荡反洗，反洗彻底。其性能指标如表4所示。

表4 纤维球过滤器性能指标

3）TCL（W）系列纤维束过滤器

该装置克服了纤维球过滤器的缺点，在过滤精度、耐冲击能力及反洗再生等方面有了较大的提高，并在油田的应用中取得了良好的效果[23]。可用于清水，也可用于污水。其性能指标如表5所示。

表5 纤维束过滤器性能指标

4）KQLW系列污水精细过滤系统

该装置主要针对油田含油污水精细过滤的需求而开发的，它将粗过滤器和精细过滤器有机地结合在一个装置上，采用机械加水力搅拌反洗方式，使得各级滤料均可以得到有效再生[24]。该装置具有滤速快、过滤精度高、反洗彻底等优点，是用于油田污水精细过滤的一个典型短流程设备。其性能指标如表6所示。

表6 污水精细过滤系统性能指标

2.4 XJC系列洗井液处理车

XJC系列注水井洗井液处理车是油田注水井专用设备，共有三种规格，分别适用于3 000 m、4 000 m、5 000 m井深的注水井的洗井作业，可实现洗井液就地净化处理后连续循环洗井，保护环境[25]。该装置由汽车底盘、洗井液处理装置、洗井泵及动力传动系统等部分组成，可对注水井单独进行洗井作业。

三种类别处理车性能指标如表7-9所示。

表7 XJC-1型注水井洗井车性能指标[26]

表8 XJC-2型注水井洗井车组性能指标[27]

表9 XJC-3型注水井洗井两车组性能指标[28]

3 油田污水水处理技术展望

水处理是兼具油田采收率和环保效益的朝阳行业，对从业人员的专业面和专注度都要求甚高。基于工艺、攻克难点、解决主要问题，是每个研发技术人员必须遵从的工作路线[29]。相比于物理、化学处理方式，生物技术具有更加独特的效果（增加采收率、既可回注又可外排），在油田污水处理方面具有更好的前景。水处理人工智能将是大势所趋，在此之前，应做好单元设备的模块化、集成化工作。在水处理控制技术方面，实现微机控制下的监测自动化，同时根据监测结果实现水处理过程的自动控制，是目前水处理发展的一个“兴奋点”[30]。这样既可实现监测数据集中实时显示、自动储存、越线自动报警、自动生成统计和管理报表等监测功能，也可以实现水处理工况的自动调节、在线进行事故分析与推断等人工智能控制和诊断的功能，还可以通过互联网实现数据共享和远程传递[31]。从而为运行工况的调整和历史趋势分析以及生产过程中事件和故障追踪分析等提供可靠的科学依据，是实现水处理的实时性、连续性和准确可靠性的必然要求和迫切需要；同时，还从根本上避免了报表数据、事件处理受人为因素的影响，增强了监测数据的可靠性和水处理工况调节的有效性，而且也减轻了人工劳动强度，是当今水处理技术发展趋势[32]。