海上油田含聚污水处理工艺优化研究

陈文娟，靖　波，檀国荣，孟凡雪，张　健，尹先清（1.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京100028；2.中海油研究总院，北京100028；.长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州4402）

海上油田含聚污水处理工艺优化研究

陈文娟1，2，靖波1，2，檀国荣1，2，孟凡雪1，2，张健1，2，尹先清3
（1.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京100028；2.中海油研究总院，北京100028；3.长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023）

对聚驱采出液黏度上升、稳定性增强导致平台污水处理系统运行效率下降的问题，在实验室内模拟海上平台污水处理流程，建立了污水连续处理模拟装置，系统优化各操作参数，以提高污水处理系统的整体运行效果。实验结果表明，优化后的最佳工艺参数：斜管除油罐斜管倾角为50°，污水停留时间为20～60m in；气浮选器曝气量为5.9 L/min，孔径为30～60μm；过滤器滤料为核桃壳，粒径1.6～2.0mm，填料高度为石英砂垫层的5倍。

海上油田；含聚污水；斜管除油；气浮；过滤

聚合物驱提高采收率技术是海上油田增储上产和稳油控水的重要技术之一，相关研究结果及矿场应用均证实了该技术的可靠性与经济有效性〔1-5〕。但是，与水驱相比，聚合物注入地层后不可避免地随流体产出，导致聚驱采出液的成分比常规水驱更为复杂，稳定性更强，处理难度加大〔6-10〕。海上聚合物驱采出液处理流程短，空间有限，对设备的高效运行依赖性高。因此，如何提高现有设备的运行效率，以保证采出液被高效快速处理，是海上油田含聚采出液处理研究的重点和难点之一〔11〕。

目前，聚驱生产污水是经“斜管除油-气浮-过滤”三步工艺处理后达标回注。由于产出液返聚现象，与水驱相比，聚驱产出液黏度上升，稳定性增强，导致平台污水处理系统运行效率下降，主要体现在：（1）沉积聚合物堵塞斜管除油罐，降低了分离效率；（2）浮选器除油功能下降；（3）核桃壳过滤器的滤料污染板结严重，无法正常运行，致使处理后污水油含量、悬浮物含量均超标；（4）处理流程中的单元设备内均不同程度地出现油泥及絮状物，其沉积在设备出水口的底部，导致设备运行效果大大下降。

本研究针对海上油田含聚污水处理系统出现的问题，参照平台污水处理工艺流程建立了污水连续处理模拟装置，开展了含聚污水处理的工艺优化研究，以提高海上平台含聚污水处理系统的整体运行效果。该项研究可为油田现场污水处理工艺的调整提供指导与借鉴。

1　材料与方法

1.1实验用水

实验采用模拟污水。配制方法：将一定量原油、悬浮物、聚合物溶液加入到模拟水中，在60℃下用FA30高速乳化机高效剪切乳化。模拟水按照某海上油田管汇污水成分配制，主要离子成分：Na+2140.85 mg/L、K+263.70mg/L、Ca2+98.93mg/L、Mg2+57.53mg/L、NH4+25.00mg/L、Cl-3 799.13mg/L、SO42-80.00 mg/L、HCO3-740.04mg/L、游离CO28.29mg/L、SiO232.00 mg/L，总矿化度为7 205.18mg/L。油样为某海上油田现场原油；聚合物为油田现场所用聚合物；悬浮物使用标准钠搬土。剪切速度为7 000 r/min，剪切时间为5～10min。实验中所涉及的清水剂为现场用清水剂。

1.2实验装置

实验采用自制污水连续处理模拟装置，详见参考文献〔12〕。

2　结果与分析

2.1斜管除油罐分离效率优化

斜管除油提高油水分离效率的依据是“浅池沉淀理论”，其处理效果主要受斜管倾角、污水停留时间等工艺参数的影响。

2.1.1斜管倾角优化

配制含聚200 mg/L、SS为100 mg/L的模拟污水，在清水剂投加量为200mg/L，污水停留时间为20min的条件下，研究了斜管倾角（倾角分别为45°、50°、60°，管径均为15mm）对斜管除油罐处理污水效果的影响，结果见表1。

表1　斜管倾角对斜管除油罐处理污水效果的影响

斜管倾角的大小会直接影响到除油效率和油泥堵塞。实验结果表明，斜管倾角为45°和50°的除油率相差无几，当斜管倾角加大到60°时，除油率和悬浮物去除率均下降。由于含聚污水具有一定的黏性，为防止分离聚集的含聚油泥堵塞斜管下部，斜管倾角不宜太小。综合考虑，斜管倾角以50°为宜。

2.1.2污水停留时间优化

配制含聚200 mg/L、SS为100mg/L的模拟污水，在清水剂投加量为200mg/L，斜管除油罐斜管管径为15mm，斜管倾角分别为50°及60°的条件下，研究了污水停留时间对斜管除油罐处理污水效果的影响，结果如图1所示。

图1　停留时间对斜管除油罐处理污水效果的影响

由图1可以看出，当污水停留时间在15～40min范围内时，随着污水停留时间的增加，斜管除油罐的除油效率增大，污水停留时间到达30min时，便可取得较好的处理效果。另外，倾角为50°时的除油率和悬浮物去除率要优于倾角为60°。

2.2气浮选器分离效率优化

气浮选是利用高度分散的微小气泡作为载体，吸附在欲去除的颗粒（油粒）上，使其浮力大于重力和阻力，利用浮力将其带出水面，然后集中收集上浮物，实现分离目标的技术。因为微小气泡能与疏水性的颗粒（油粒）结合在一起，带其一起上升，上浮速度可提高近千倍，分离效率很高。该技术对于去除胶态油与乳化油具有较好的效果。气浮选器的处理效果主要受曝气量及浮选器孔径等工艺参数的影响。

2.2.1曝气量优化

采用多孔材料布气浮法原理制备气体分布器，研究曝气量对除油率的影响。配制含聚200mg/L的模拟污水，在气浮池水深为30 cm，气体分布器孔径为80～100μm，温度为55℃，气浮处理污水时间为10min，清水剂投加量为200mg/L的条件下，研究了曝气量与除油率的关系，结果如图2所示。

图2　气浮选器气体流量对除油率的影响

由图2可以看出，当气体流量在5.9～11.4 L/min范围内时，浮选气量越大，除油率越高；当气体流量＞11.4 L/min后，除油率呈下降趋势。在一定范围内，气体流量越大，污水中颗粒物质（絮体、油珠）被气泡捕获的几率越大，除油率越高。但浮选气量并不是越大越好，一方面，气泡数密度太高，气泡间碰撞与并聚的几率增大，很多小气泡结合成大气泡，大气泡和油滴在浮升的过程中很容易变形成为椭圆状，浮升阻力增大；另一方面，大气泡在浮升过程中因摆动强烈自动破碎的几率较大，两方面的作用将导致气浮效率下降。根据实验结果，综合考虑运行成本等因素，确定适宜的气体流量为5.9 L/min左右。

2.2.2气体分布器孔径大小优化

采用多孔材料布气浮法原理制备系列气体分布器，孔径分别控制为30～60、80～100、150～200、800～2 000μm。配制含聚200mg/L的模拟污水，在气浮池水深为30 cm，温度为55℃，气浮处理污水时间为10min，清水剂投加量为200mg/L的条件下，研究了气体分布器孔径与除油率的关系，结果如表2所示。

表2　气体分布器孔径对处理效率的影响

由表2可以看出，当气体分布器孔径为30～60μm时，除油率最高，表明合适的气泡粒径有利于颗粒物与气泡的碰撞黏附。气泡的大小直接影响气浮效果，大直径的气泡在上升过程中易破乳，使油珠和絮体不易黏附，甚至打散气浮层，使气浮出水浊度升高，降低气浮效率。适宜的气体分布器孔径为30～60μm。

2.3过滤器分离效率优化

过滤器通过孔径筛分机理实现对油及悬浮物的截留。过滤器运行到一定程度后，需进行滤料清洗，将截留吸附在滤料床层中的油污和悬浮物去除，恢复滤床的过滤能力。工业上含聚污水核桃壳过滤器的最佳滤速为16～20 m/h，要求进水含油质量浓度≤80mg/L，悬浮物质量浓度≤30mg/L，出水可达到含油质量浓度≤20mg/L，悬浮物质量浓度≤8mg/L的过滤效果。对影响过滤器过滤效率的填充滤料种类、粒径以及填料高度等主要因素开展了优化实验研究。

2.3.1滤料种类优选

选取石英砂、核桃壳、无烟煤3种滤料，将其清洗干净。在3个过滤器中先分别填充150mm厚粒径为2.0mm的石英砂作为垫层，再填装150mm高粒径为2.0mm的不同滤料，用清水自上而下流动自然填充待用。配制3L含聚200mg/L、含油196.0mg/L、含悬浮物200mg/L的模拟污水，首先对其进行斜管分离及气浮处理，然后采用装填不同滤料的过滤器对气浮出水进行处理，结果见表3。

表3　不同滤料过滤效果分析

实验结果表明，装填核桃壳滤料的过滤器对污水中油及SS的去除率最高，其次是装填无烟煤滤料的过滤器。综合考虑除油率、SS去除率及滤后水的颗粒粒径范围，尤其是过滤速度，确定采用核桃壳作为过滤器的滤料。

2.3.2核桃壳滤料粒径优选

将石英砂、核桃壳滤料清洗干净。在3个过滤器中先分别填充150mm厚粒径为2.0mm的石英砂作为垫层，再填装150mm高粒径分别为1.6～2.0、0.9～1.2、0.5～0.8mm的核桃壳，用清水自上而下流动自然填充待用。配制3 L含聚200mg/L、含油196.0 mg/L、含悬浮物200mg/L的模拟污水，首先对其进行斜管分离及气浮处理，然后采用装填不同粒径核桃壳的过滤器对气浮出水进行处理，结果见表4。

表4　滤料粒径对过滤效果的影响

实验结果表明，装填粒径0.5～0.8mm核桃壳滤料的过滤器对污水中油及SS的去除率最高，但其过滤阻力相应较大，使得单位过滤能力下降。综合考虑除油率、SS去除率及滤后水的颗粒粒径范围，尤其是过滤阻力及过滤能力等因素，确定选用粒径为1.6～2.0mm的核桃壳滤料。

2.3.3滤料填充高度优化

将石英砂、核桃壳滤料清洗干净。在3个过滤器中先分别填充一定厚度粒径为2.0mm的石英砂作为垫层，再填装高度分别为250、200、150mm粒径为0.9～1.2mm的核桃壳，石英砂和核桃壳的总填充高度保持300mm不变，用清水自上而下流动自然填充待用。配制3L含聚200mg/L、含油196.0mg/L、含悬浮物200mg/L的模拟污水，首先对其进行斜管分离及气浮处理，然后采用装填不同高度核桃壳的过滤器对气浮出水进行处理，结果见表5。

表5　滤料填充高度对过滤效果的影响

实验结果表明，当过滤器中核桃壳填充高度为250mm、石英砂填充高度为50mm（核桃壳与石英砂填充高度比为5∶1）时，油及SS去除率最佳。

3　结论

采用污水连续处理模拟装置对海上油田含聚污水处理系统进行了工艺参数优化。结果表明，最佳工艺参数：斜管除油罐的斜管倾角为50°，污水停留时间为30min；气浮选器的曝气量为5.9 L/min，孔径为30～60μm；过滤器的滤料为核桃壳，粒径为1.6～2.0mm，填料高度为石英砂垫层的5倍。在上述最佳条件下，系统对污水中油及悬浮物的处理效果最佳。

［1］张凤久，姜伟，孙福街.海上稠油聚合物驱关键技术研究与矿场试验［J］.中国工程科学，2011，13（5）：28-34.

［2］周守为.海上油田高效开发技术探索与实践［J］.中国工程科学，2009，11（10）：59-60.

［3］周守为，韩明，向问陶.渤海油田聚合物驱提高采收率技术研究及应用［J］.中国海上油气，2006，18（6）：386-389.

［4］周守为，韩明，张健.用于海上油田化学驱的聚合物研究［J］.中国海上油气，2007，19（1）：25-29.

［5］孙晨.提高海上稠油油藏早期注聚效果研究［D］.成都：西南石油大学，2012.

［6］孙江波.飞雁滩油田聚合物驱采出液处理技术［J］.油气地质与采收率，2004，11（4）：56-58.

［7］何焕杰，王中华，王永红，等.国内油田三次采油聚合物驱采出液处理技术研究进展［J］.石油炼制与化工，2002，33（9）：29-32.

［8］刘小东，谢陈鑫.油田含聚污水的处理现状与研究进展［J］.科技创新导报，2009（10）：136-137.

［9］罗伟福，杨忠，周东月，等.冀东油田高含水含聚合物采出液处理技术［J］.油田化学，2009（1）：136-137.

［10］马占林，陈兴原，李天德.聚合物驱采出污水深度处理的实验研究［J］.海洋石油，2010，30（1）：81-84.

［11］方健.旅大10-1油田聚驱采出液化学处理技术进展［J］.天津化工，2014，28（6）：44-46.

［12］尹先清，靖波，张健，等.微型多功能含油污水处理装置：中国，10554801.3［P］.2014-03-05.

Research on the optim ization of polym er-bearing wastewater treatmentprocess in offshore oilfields

ChenWenjuan1，2，Jing Bo1，2，Tan Guorong1，2，Meng Fanxue1，2，Zhang Jian1，2，Yin Xianqing3
（1.State Key Laboratory ofOffshoreOilExploitation，Beijing100028，China；2.CNOOCResearch Institute，Beijing100028，China；3.CollegeofChemicaland Environmental Engineering，Yangtze River University，Jingzhou 434023，China）

Aiming at the problems that the viscosity of polymer-flooding produced liquid increases，and the stability enhancement leads to the operation efficiency decrease of the platform wastewater treatment system，and，in the laboratory，the offshore wastewater treatment process has been simulated，the simulated equipment for continuous wastewater treatmentestablished，and all of the operation parameters optimized systematically，in order to improve the integrated operation effects of the wastewater treatment system.The experimental results show that after the optimization，the best process parameters are as follows：the inclined tube angle of the inclined tube oil-removing tank is 50°，wastewater residence time 20-60min，aeration rate ofair flotation device 5.9 L/min，and pore size 30-60μm.The filtermaterialsaremade ofwalnutshells，particle diameter1.6-2.0mm，and theheightof filtermaterials is5 timesofquartzsand thickness.

offshoreoilfield；polymer-bearingwastewater；inclined tubeoil removal；air flotation；filtration

X703

A

1005-829X（2016）10-0080-04

“十二五”国家科技重大专项项目24课题4“海上稠油化学驱油技术”（2011ZX05024-004）

陈文娟（1988—），博士。E-mail：chenwj4@cnooc.com.cn。

2016-07-22（修改稿）