油田污水处理新技术在低渗透油田的应用

黄启玉， 毕 权

(中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)



油田污水处理新技术在低渗透油田的应用

黄启玉， 毕 权

(中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)

根据低渗透油田采出水的水质特性，设计一套微滤膜污水处理一体化撬装装置。该微滤膜污水处理装置在工艺上应用了微滤膜深度处理技术，并配套使用了絮凝沉降辅助工艺，解决了低渗透油田污水处理后回注不达标的问题。应用该微滤膜污水处理一体化撬装装置后，悬浮物含量、悬浮物颗粒粒径中值、油含量等指标均达到了规定要求。根据微滤深度处理的结果，分析了影响微滤的因素，研究了运行温度与压力对微滤处理效果的影响，并得到了金属膜过滤器的最佳运行温度和压力范围。

低渗透油田； 污水处理； 一体化； 微滤

延长油田地处干旱、缺水地区，属于低渗、特低渗透油田。延长油田定边采油厂缺乏完善的污水处理技术，导致大部分油田污水处理后无法达到注水水质标准，只能用地表水或浅层地下水回注，造成严重的水资源浪费和环境污染[1]。延长油田注水水源分油田采出水和清水。该油田某采油厂注水水源主要为清水，工艺以“一级沉降+二级过滤”为主，造成大量水资源浪费，在干旱缺水的该地区此问题更凸显其严重性。产出水处理工艺以重力沉降、水质改性、气浮、过滤为主，还未应用较为先进的膜分离技术，污水处理效果不佳，悬浮物、油含量等指标难以达到注水水质要求[2]。因此，为了提高油田经济效益和满足环保要求，确保污水处理后达到注水水质标准，设计了一套微滤膜污水处理一体化装置，应用于该油田某处理站。处理后的污水可以用于回注，缓解了水资源短缺和环境污染的问题。

1 工艺流程及核心技术

1.1 工艺流程

本油田污水处理装置为一体化撬装装置，取代了“老三段”污水处理工艺中占地面积大的设备，与传统污水处理设备相比，去除油和悬浮物的能力更强，并且具有流程精简、设备紧凑、占地面积小等特点。

污水首先在沉降罐中初步重力沉降，后进入混合处理装置，并加化学药剂絮凝沉降，通过化学药剂的作用，使油田污水中的悬浮物凝聚成絮凝体，后通过沉降或者过滤去除污染物。经过絮凝沉降的污水进入一体化撬装装置。经一次提升泵提升至旋流油水分离器，利用离心力原理将油和水分离。旋流油水分离器出水进入中间水箱，中间水箱出水利用二次提升泵提升至多层机械过滤装置。首先经过核桃壳过滤器，利用核桃壳过滤器初步除污水中大颗粒物质和大部分油类物质，核桃壳过滤器出水进入精细核桃壳过滤器，利用精细核桃壳过滤器进一步去除污水中油和大的悬浮物，精细核桃壳过滤器出水进入改性纤维球过滤器，利用改性纤维球过滤器去除水中含油和机械杂质，改性纤维球过滤器出水进入双滤料过滤器，利用过滤器内双层滤料去除污水中的油和悬浮物，双滤料过滤器出水进入金属膜过滤器，利用金属膜高精度过滤污水中微米级的悬浮固体、乳化油和溶解油等，确保污水中油、悬浮物、悬浮物颗粒粒径中值达标，金属膜过滤器出水回注。工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

Fig.1 Process flow

1.2 核心技术

1.2.1 金属膜微滤技术 微滤膜装置选用钛材膜作为过滤介质。钛金属属于惰性金属，钛材膜由一定直径的钛金属粉末颗粒经高温烧结制成，使得以钛金属为原料的钛材膜具有优良的耐腐蚀性能和稳定的化学性能，可以在强酸、强碱及含油有机溶剂的介质中实现过滤。钛滤膜中，粗纤维层组成支撑材料，精细纤维层用于过滤，粗纤维层与精细纤维层通过真空烧结成一个整体，使钛滤膜具有很好的机械性能[3]。本装置在多层压力过滤预处理的基础上，利用钛材膜的“筛分”作用进行分离。在压强差的作用下，钛滤膜截留大于膜孔径的粒子，主要为悬浮物，乳化油和溶解油等，小于膜孔径的粒子则顺利通过钛滤膜，使大、小粒子得以分离，从而达到分离、净化、浓缩的目的[4]。

该装置金属膜过滤器采用切线螺旋进水，并设置了浓水口。设备进水流速大于2 m/s，使整个容器内的液体产生搅动，切线螺旋进水技术使容器内液体相对于金属膜是运动状态，减少了金属膜表面的积污，减缓了滤饼层的形成，降低了金属膜的运行压力；所设置的浓水口排量为系统运行水量的20%，避免了常规金属膜过滤器死端过滤带来的易堵、再生困难的缺点，从而延长了金属膜的使用寿命。

1.2.2 多级过滤预处理技术 金属膜过滤是该污水处理流程的核心技术，但金属膜极易被污染且再生困难[5-6]。该实验装置设置了混凝沉降-旋流分离-多级机械过滤(核桃壳过滤、精细核桃壳过滤、改性纤维球过滤、双滤料过滤)的膜前预处理流程，保证了金属膜过滤器的进水水质。

1.2.3 自动控制技术 本装置全过程采用PLC自动控制，控制阀门采用气动蝶阀，并设有压力开关,保护系统的部件不受损坏。

2 处理效果分析

2.1 出水水样分析

将此套微滤膜污水处理一体化装置应用于该油田某采油厂某处理站，进行污水处理实验，设备连续稳定运行之后，发现初始水样水质浑浊，且颜色较深，出水水质透明清澈，无色。分别对初始水样、金属膜进水、金属膜出水进行了测试，得到油含量、悬浮物、粒径中值的数值。各项具体数值见表1，粒径分布见图2，处理后出水水样见图3。

表1 出口水质指标

图2 粒径分布

Fig.2 The particle size distribution histogram

图3 设备进出水水样对比

Fig.3 Water sample of import and export

由表1、图2和图3，对初始水样、设备出水水样进行对比，可以得到以下结论：

(1) 经微滤膜污水处理装置处理后的油田污水的悬浮物粒径分布均在91.28～955.4 nm，悬浮物颗粒粒径中值小于1 μm，悬浮物质量浓度不大于3 mg/L,污水含油质量浓度不大于5 mg/L。金属钛膜过滤器对微米级的悬浮物去除效果优良，各项指标基本达到了该油田注水指标的要求[6]。

(2) 由设备出水水样可以看出，出水基本不含油。该装置采用的混凝沉降-旋流分离-多级机械过滤(核桃壳过滤、精细核桃壳过滤、改性纤维球过滤、双滤料过滤)的膜前预处理流程，不仅起到了良好的除油效果，而且对提升金属膜过滤的效果起到了关键的作用。

2.2 微滤深度处理分析

为了更好地分析微滤深度处理的应用效果，对金属膜过滤器的进、出口水样和未处理的初始水样进行了测定，水质化验结果见表2。

表2 微滤膜进出口水质指标

对比初始水样与金属膜进水的水质指标，可以看出污水经过膜前预处理后，水质有大幅度的提升，但污染物仍有一定的残留，油含量、悬浮物含量及粒径中值均未达到回注水质标准。由此推断，本微滤膜污水处理装置的混凝沉降、旋流分离和多级机械过滤膜前预处理对于去除污水中悬浮油和大颗粒悬浮物有较好的效果，但是难以去除溶解油、乳化油和微米级的悬浮物。

对比金属膜过滤器的进、出口水质指标，可以看出污水经过金属钛膜微滤处理后，油含量、悬浮物含量及粒径中值均从超标状态变成达标状态。金属钛膜微滤对膜前预处理流程无法去除的溶解油、乳化油和微米级的悬浮物有很好的截留效果。

3 微滤影响因素分析

影响微滤效果的因素主要有液体温度、操作压力、膜面流速和进水pH等[7]。本装置的设计温度为80 ℃，设计压力为1 MPa。综合考虑该油田污水情况和该装置的运行情况，液体温度和操作压力为可控的影响因素。所以，设计两组实验，考察液体温度和操作压力对微滤效果的影响。

3.1 液体温度对微滤效果的影响

实验分别设置3种不同的污水温度(40、60、80 ℃)，在相同的操作压力下(1 MPa)运行设备，检测出水的油含量和悬浮物含量,结果见表3。

表3 不同温度下水质指标

由表3分析可知，油田污水处于低温状态下，该设备金属钛膜去除污油和悬浮物的效果更好。但考虑到油田采出水本身具有较高的温度，且低温会对膜前预处理流程中旋流分离的除油效果造成不利影响，所以该设备的运行温度定为70～80 ℃。

3.2 操作压力对微滤效果的影响

实验分别设置3种不同的操作压力(0.8、1.0、1.2 MPa)，在相同的液体温度下(80 ℃)运行设备，检测出水的油含量和悬浮物含量，结果见表4。

表4 不同压力下水质指标

由表4分析可知，微滤膜操作压力的升高会使滤出水的油含量和悬浮物含量均小幅升高。随着操作压力的增大，污水中油滴粒径减小，悬浮物也更容易通过金属膜，使污染量升高。综合考虑能耗和装置可控情况，选定操作压力为0.8～1.0 MPa。

4 结论与建议

通过在该油田应用该微滤膜污水处理新技术，对微滤膜深度处理效果进行了分析研究，并得出以下结论：

(1) 混凝沉降-旋流油水分离器-核桃壳过滤器-精细核桃壳过滤器-改性纤维球过滤器-双滤料过滤器-金属膜过滤器的油田污水处理工艺技术，设计新颖，运行安全稳定可靠，且效果良好，解决了该油田采出水处理效果不佳，悬浮物等指标难以达到注水水质要求的问题，在该油田具有较好的应用前景。

(2) 金属钛膜对去除乳化油、溶解油和微米级的悬浮物起到了关键的作用，与传统的金属膜过滤流程相比，该微滤膜污水处理一体化撬装装置中采用了混凝沉降-旋流分离-多级机械过滤的膜前预处理流程和切线螺旋进水技术，保证了金属钛膜的过滤效果。

(3) 该微滤膜污水处理一体化撬装装置也遗留了一些问题，如未考虑细菌和致垢离子的影响。该油田采油污水中含有大量的细菌，细菌在污水中繁殖会造成水质的污染，过滤器和油层的堵塞[8]；该油田采油污水富含致垢离子，混合后会产生沉淀，使集输管道、采油油井严重结垢，甚至在回注油层时造成空隙喉道堵塞[9-10]。建议在本装置絮凝沉降流程处进行改进，投放杀菌剂，增加絮凝-杀菌流程，并在此污水处理流程中增加加药流程，往处理后的污水中添加水溶性聚合物防垢剂[11]。此外，该装置流程较为复杂，仍存在简化的空间。在今后的油田污水处理技术研究中，应该着力于解决这些问题。

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(编辑 闫玉玲)

Application of New Technology for Wastewater Treatment in Low Permeability Oilfield

Huang Qiyu， Bi Quan

(Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China UniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

According to the characteristics of the water in low permeability oilfield, an integrated filter skid device is designed for wastewater treatment. Microfiltration membrane technology andauxiliary process of flocculation sedimentation are applied in this device. After using this device, the indexes including the content of suspended solids, the diameter of the suspended median particle and the content of oil meet the requirements of sewage reinjection in that oilfield. Then based on results of the microfiltration process, the factors which influence this process are analyzed. The effect of operating temperature and pressure is studied, and the optimum operating temperature and pressure of the metal membrane filter are obtained.

Low permeability oilfield; Wastewater treatment; Integration; Microfiltration

1006-396X(2015)05-0069-05

2015-02-07

2015-04-11

延长油田“油田注水开发工艺技术引进试验与应用”项目(YCSY2013XJS-B-05)。

黄启玉(1969-)，男，博士，研究员，从事油气管道流动保障技术方面的研究；E-mail:ppd@cup.edu.cn。

TE992.2

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.014