二元复合驱采出水处理工艺小型试验

陶小平 李海涛 蒋程彬 郭锋

1新疆油田公司基本建设工程处

2华北油田公司第五采油厂

3塔里木油田塔西南实验检测中心

“十三五”期间，克拉玛依油田将在七中区克下、七区八道湾等砾岩油藏开展聚合物/表面活性剂二元复合驱开发[1]。根据先导试验区的经验，二元复合驱采出液中含有大量的表面活性剂和聚合物[2]。表面活性剂使油滴表面由憎水性变为亲水性；聚合物使采出水的黏度增大，油滴的界面张力增强，油水乳化严重，污水中含油量高，采出水处理比常规水驱和聚驱处理难度大[3-4]。为实现二元复合驱采出水处理后达标复配，筛选技术可靠、经济可行的处理工艺，开展了二元复合驱采出水处理工艺小型试验研究。

1 试验条件

试验用水是采用72#三采处理站调储罐来水，经检测来水是NaHCO3水型，钙镁离子质量浓度为124.2 mg/L，含油质量浓度≤400 mg/L，SS质量浓度≤300 mg/L，含有聚合物和表面活性剂（表1）。来水计量后通过人工添加聚合物（相对分子质量为300万～500万）和表面活性剂（50%KPS），经熟化罐熟化后提供给试验。根据先导试验区采出液中的聚合物、表面活性剂浓度及驱油剂配方，确定以下3种工况开展小型试验研究（表2）。

表1 试验来水检测数据Tab.1 Inspection data of test water mg/L

表2 聚合物、表面活性剂试验浓度Tab.2 Test concentration table for polymers and surface activat

2 试验评价指标

经研究发现，产出水中影响二元驱油体系性能的主要因素有3类：①产出水矿化度、二价离子含量；②硫化物、铁离子等快速降黏物质；③硫酸盐还原菌、铁细菌等影响体系长期稳定性物质[5]。根据以上影响因素制定了二元复合驱配液水水质指标（表3），同时要求水处理后残余的水处理剂、杀菌剂等与二元驱油体系兼容，不影响油水界面张力，对聚合物没有降解作用，对配方体系长期稳定性无影响。

表3 二元复合驱配液水水质指标Tab.3 Water quality index of binary compound flooding distribution water

油田水分析按照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》执行，注入水水质按照SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》执行[6]，体系配伍性和长期稳定性按照Q/SY 1583—2013《二元复合驱用表面活性剂技术规范》执行，表面活性剂和聚合物浓度的检测使用高效液相色谱法，黏度和界面张力均为用处理后水配制成的驱油体系的黏度和界面张力[7]。

3 试验处理工艺

3.1 物理化学法

采用“预处理+净化+除硬”主体工艺，主要包括预处理单元（曝气为主，也可改为化学预处理）、净化单元、除硬单元，以及加药、排泥等辅助单元，投加药剂为预处理剂、净化药剂（净水剂、絮凝剂）、除硬剂，具体工艺流程见图1。

3.2 生物化学法

图1 物理化学法处理工艺流程Fig.1 Flow chart of physicochemical treatment process

采用“气浮+生物+高级氧化+负压表面过滤”主体工艺，来水进入气浮装置除去大部分浮油，出水进入生物化学处理装置，该装置安装有挂件填料，上面生长着大量具有破乳和降解作用的微生物菌群，在微生物作用下将污水内的大部分乳化油进行破乳降解，有效地降低水中含油量。出水提升进入高级氧化装置，在活性气体作用下，污水中的残余有机污染物进一步破乳降解，然后进入过滤装置，经杀菌及除硬工艺后达到水质指标。具体工艺流程见图2。

3.3 物理过滤法

物理过滤法处理工艺主要包括除油罐、物理处理、曝气、过滤、树脂软化等五部分。污水进入除油罐初步油水分离，再进入物理界面除油装置分离出水中乳化的微小油滴，然后进入曝气装置中除去硫、铁等离子，再进入过滤装置滤掉浮渣，最后快速通过树脂进行适当除钙，最终在尽量保留水中聚合物、表面活性剂的同时达到出水指标，具体工艺流程如图3所示。

图2 生物化学法处理工艺流程Fig.2 Flow of biochemical treatment process

图3 物理过滤法处理工艺流程Fig.3 Flow of physical filtration process

4 试验结果

4.1 水质检测结果

（1）从表4可以看出，除第3阶段物理过滤法外，其他阶段3种处理工艺都可将含油、悬浮物两项指标控制在小于20 mg/L内，但物理化学法、生物化学法2种处理工艺的净水效果明显较好，悬浮物、含油质量浓度均小于10 mg/L。第3阶段物理化学法、生物化学法各工艺节点现场实测水质样品详见图4和图5。

图4 物理化学法第3阶段各工艺节点水质样品Fig.4 Water quality sample of process nodes in phaseⅢof physicochemical method

表4 3种采出水处理工艺试验指标检测数据汇总Tab.4 Inspection data summary of test indicators for three produced water treatment technologies

图5 生物化学法第3阶段各工艺节点水质样品Fig.5 Water quality samples of process nodes in phaseⅢof biochemical method

（2）物理化学法、物理过滤法2种处理工艺中水中的硫化物、总铁均有不同程度的超标。

（3）生物化学法出水进入72#三采处理站生物化学池，为避免杀菌剂对现有系统产生不良影响，在第1、2阶段试验中未使用杀菌剂，导致细菌超标，但由于高级氧化的作用，细菌含量与来水相比，有大幅度的降低。在第3阶段试验中，投加杀菌剂后，SRB、TGB和铁细菌等主要细菌指标满足要求。

（4）生物化学工艺中的气浮具有一定的降硬作用，在第1、2阶段钙镁离子质量浓度小于105 mg/L，低于来液中钙镁离子总量，但不能完全满足配液水质指标要求。在第3阶段，投加了脱钙剂，钙镁离子质量浓度达到42.1 mg/L，满足指标要求。物理化学法和物理过滤法对水中钙镁离子的去除效果较好，硬度明显低于生物化学工艺。物理化学法采用加药脱钙，沉淀物以污泥形式排出，污泥浮渣量占比为10%～20%；物理过滤法采用树脂脱钙，经现场检测树脂再生过程中产生的高含盐水约占总水量的20%，后期处理难度大。

（5）3种中试处理方法过滤器反冲洗水均未返回中试系统，物理化学处理装置采用袋式过滤器，污染后更换，不需反洗。从表5可以看出，物理过滤法的反洗水量最大，达到27%以上；生物化学法反洗水量不到2%。

4.2 配液性能检测结果

为进一步评价处理后水质对二元配方体系的影响，分别从界面张力和黏度保留率两方面对处理后水进行评价（表6）。

（1）在配伍性能上，各阶段3种处理工艺黏度保留率较好。生物化学法配伍性能稳定，2 h界面张力平均在0.7×10-2mN/m左右。物理过滤法界面张力不合格，物理化学法界面张力稳定性较差。

表5 3种采出水处理工艺中试运行数据Tab.5 Pilot operation data of three produced water treatment technologies

表6 配液体系稳定性数据汇总Tab.6 Summary of stability data for distribution system

（2）生物化学法处理后出水对所配二元体系黏度的长期稳定性影响不大，30 d后黏度保留率大于93%，30 d后界面张力值小于0.7×10-2mN/m，两项指标均满足预期要求。物理化学法处理工艺中二元体系配方评价中30 d后界面张力检测结果达标，30 d后黏度保留率在3个阶段数据波动较大，最低为69.8%。物理过滤法出水对所配二元体系的黏度长期稳定性影响较大，30 d后界面张力大于1×10-2mN/m，30 d黏度保留率最低为46.1%，两项指标均未达标。

4.3 工艺技术对比

从处理成本看，物理化学法吨水处理成本最高（表7）；物理过滤法吨水处理成本较低，若考虑树脂软化再生工艺段产生的高含盐水处理的工艺选择及费用，物理过滤法吨水处理成本会有一定程度提高。从工艺运行稳定性而言，生物化学法明显优于其他工艺，能满足配液要求，更适用于二元复合驱污水处理工业化推广与应用。

表7 试验工艺对比Tab.Contrast of test process

5 试验结论

（1）生物化学法处理工艺能够实现二元采出水处理达标，出水配剂效果稳定，运行处理成本较低，可以作为聚合物/表面活性剂二元复合驱采出水处理的主体工艺技术；物理化学法虽能实现二元采出水稳定达标，但运行处理成本最高，且污泥浮渣量占比为10%～20%，后期污泥处理难度大；物理过滤法可以实现油、悬浮物含量达标，但硫、铁含量未达标导致配剂效果不稳定。

（2）物理化学法气浮工艺段含水浮渣量大，虽然经沉降可缩减70%的量，但污泥总量还是远超生物化学法，脱水泥（80%含水）量约为5 kg/m3。

（3）物理过滤法的水质相对较差，产水比过低，反洗水量占总处理量的27%，而且反洗水中污染物富集无法回到系统前端，需要单独处理，增加处理成本。采用树脂脱钙能够降低污水中的钙镁离子含量，降低硬度，但是树脂再生后产生的高含盐水水量大（按现有来水钙镁离子含量计算，预计每处理5 t污水至少产生1 t高含盐水），处理难度很大，成本较高。

（4）生物化学法的负压表面过滤单元采用膜过滤技术，微米级膜孔截留的大量聚合物、表面活性剂会产生污泥、浮渣等问题，目前关于膜材料抗污染周期及再生效果因试验时间短尚未得到验证。另外臭氧氧化技术电耗大，在采出水处理工程中尚未大规模应用，在工业化推广时要进一步完善。

6 建议

（1）生物处理单元在一定程度上受水质波动的影响，一旦微生物菌种出现问题，恢复周期长。为保证工艺技术的可靠稳定性，借鉴72#三采处理站聚驱的经验，建议工业化推广时在生物处理工艺段前增加曝气预处理单元[8]，减少含油、悬浮物及硫、铁对后端的影响。

（2）除垢工艺建议采用曝气降垢，可以避免高含盐水的产生[9]。为应对高矿化度对微生物处理效果的影响，目前72#三采处理站采用曝气金属网降垢，同时利用管式曝气器增加溶解氧，强化水中压力变化，增大水力扰流，密集的蜂箱式金属网布局配合大量曝气时产生的水力扰流，大幅度降低了水中的钙镁离子含量。经现场实测污水中Ca2+质量浓度由80.9 mg/L下降至54.4 mg/L，Mg2+质量浓度由18.1 mg/L下降至17.7 mg/L，此方法可以作为二元水处理除垢工艺的参考。

（3）生物化学法中采用膜过滤技术会拦截大量聚合物、表面活性剂，由此带来滤料堵塞的问题。目前72#三采处理站采用传统的双滤料过滤器，但是二元复合驱采出水对过滤器要求更高，需对过滤形式和滤料进行优化选型[10]。