强碱三元复合驱采出水处理工艺研究

宋学峰 吴越强 许成君 狄 茂

（大庆油田水务公司）

0 引 言

三元复合驱采出水油水分离困难，处理现状存在三方面问题，一是工艺出水水质不稳定，经常不达标；二是去向单一，采出水处理后水质只用于高渗透油层回注，不能回注到中低渗透油层；三是无法用于聚驱、三元体系配置与稀释，既浪费了水资源，又加剧了注采不平衡矛盾。三元复合驱采出水现有处理工艺仅有沉降、过滤，出水悬浮物与石油类难以达到20 mg／L以下［1-3］。本文工艺探索了生物氧化与臭氧催化氧化技术的降黏、脱稳作用，优化工艺后出水稳定达到15 mg／L以下。

三元复合驱采出水含有聚合物、碱，以及表面活性剂；依据使用的碱液不同，分为强碱（Na OH）与弱碱（Na2CO3）两种类型采出水，其中强碱三元复合驱采出水碱度更高，处理难度更大［4-6］。

1 强碱三元复合驱采出水特性和处理指标

1.1 强碱三元复合驱采出水基本特征

聚合物浓度高，达到400～1 200 mg／L，其空间位阻、静电斥力和增黏作用严重，黏度3～12 mPa·s，影响悬浮物（SS）沉降。

p H值9～12，表面活性剂浓度30 mg／L以上，使溶液高度乳化，Zeta电位—30 mv以上，降低油水界面张力降低，使得油珠难以聚并、上浮。

石油类150～500 mg／L，其中85%以上为悬浮油和分散油，另有5%～12%为乳化油，还有部分溶解油，油珠粒径均在20μm以下。

可溶性硅、铝、HCO3-等浓度高，持续生成微小的无机胶体颗粒。

1.2 强碱三元复合驱采出水回注指标

目前，油田回注的强碱三元复合驱采出水处理执行Q／SY DQ0605—2006《大庆油田油藏水驱注水水质指标及分析方法》中含聚污水注水水质控制指标，见表1。主要控制指标为油、SS及SS的粒径等。

表1 三元复合聚污水注水水质控制指标

2 三元复合驱采出水处理技术现状

一直以来，油田采出水都以“高效率、低成本”为主要建设和处理原则，以“沉降＋过滤”为主要工艺，根据不同性质的采出水，进行工艺强化和叠加，选取不同的设计参数和运行参数，以保证出水满足回注要求。

2.1 大庆油田三元复合驱采出水处理工艺

油田第一座三元复合驱采出水处理工业性试验站投产于2001年，采用“曝气沉降＋三元高效污水处理成套装置＋二级过滤”流程，此后一直在不断地摸索改进工艺、简化流程、优化设计参数。“连续流处理或序批式曝气沉降处理→两级双层滤料过滤”为近年来最新的三元复合驱采出水处理工艺，见图1。其中，序批式静置曝气沉降包括三个阶段，即进水阶段→静止曝气阶段→排水阶段；采用的沉降罐个数为4座（1个罐进水、1个罐排水、2个罐静止曝气沉降），依次循环来实现序批式静置曝气沉降。

工艺主要原理：破乳后，利用油、水、固三者的密度差分别进行分离，应用了气浮、重力沉降、过滤技术。在沉降前后投加药剂，应用化学混凝法去除采出水中的胶体和溶解性物质及大分子难降解的有机物。通过其水解和聚合产物与水体颗粒或胶态状污染物进行电中和脱稳、压缩双电层、吸附架桥或黏附卷扫和沉淀物网捕等作用，而生成絮凝体经过沉淀分离而去除。常用混凝剂有传统的铝盐、铁盐以及新型混凝剂等。

强碱三元复合驱采出水经过气浮沉降，大部分SS及油已被去除，还需要经过二级双层过滤，才能满足回注要求，广泛应用于油田采出水的滤料有石英砂、核桃壳、海绿石、磁铁矿等。连续流处理或序批式曝气沉降处理工艺设计参数，见表2。

图1 大庆某强碱三元复合驱采出水处理站工艺流程

表2 某强碱三元复合驱采出水处理站工艺设计参数

2.2 大庆油田三元复合驱采出水处理工艺存在问题

曝气沉降与过滤工艺应用于水驱和聚驱采出水处理中有很好的效果，但是对于乳化严重、稳定性强、污水成分复杂的三元复合驱采出水，“二次沉降”和“二次过滤”的工艺整体运行效果不理想，出水石油类10～50 mg／L，工艺综合去除率85%，SS 20～100 mg／L，工艺综合去除率65%，难以持续满足高渗透油层的回注要求。

图2 强碱三元复合驱采出水强化处理试验工艺流程

主要由于强碱三元复合驱采出水聚合物浓度高达800 mg／L，黏度达1.5～10 mPa·s，水的流变性较差，严重影响油珠聚并、上浮和SS沉降，而且易对过滤系统产生污堵现象。随着注入孔隙体积增加所带来的水质特性变化，污水中可溶性硅、铝、HCO3-等浓度升高，使破乳效果不佳，油和SS难以从聚合物包裹中完全脱离出来，导致前段沉降工艺运行不理想，出水水质达不到设计要求。

由于水体黏度大，前段水质差，容易污堵过滤系统，反冲洗不彻底，滤料易板结，过滤出水水质达到回注要求。针对高浓度聚合物及三元污水处理，其高效处理工艺一直处于科研定型、现场试验阶段。

3 三元复合驱采出水处理工艺强化研究

强碱三元复合驱采出水处理难度大，主要原因是采出水中残留聚合物使水中的SS和油类难以聚并；表面活性剂的加入及碱与原油中的有机酸反应生成的表面活性物质使油珠负电性强，降低了油水间的界面张力，从而使各种污染物在水中的存在状态更加稳定，因此，处理思路应重点突出脱稳降黏。降黏主要是打断高分子聚合物长链，使其分解为小分子聚合物或彻底氧化分解为二氧化碳和水；试验采用了生化和高级氧化手段实现降黏。生化分两段，一段是水解酸化，此段中，大分子有机物经厌氧细菌氧化生成小分子有机物，提高废水可生化性，降低黏度；二段是好氧氧化段，底部设置曝气头为好氧微生物提供气源，进一步分解小分子聚合物及其它可生化物质。紫外催化臭氧反应产生·OH自由基，氧化还原电位高达2.8 V，可无差别氧化分解污水中的聚合物和其它有机物。

降黏后，聚合物对油和SS包裹力减弱，再配套常规固液分离技术，如采用气浮、混凝沉淀、砂滤等处理工艺组合，见图2，整体试验规模2 m3／h。强碱三元复合驱采出水强化处理试验流程说明见表3。试验中所用的水质检测方法见表4。

表3 强碱三元复合驱采出水强化处理试验流程

表4 试验中所用的水质检测方法

3.1 气浮单元

工艺参数：回流比：20%～50%；表面负荷：0.4～1 m3／（m2·h）；溶气压力：0.4～0.5 MPa；接触时间：10～26 min；总停留时间：0.8～2 h；分离速度为0.258～0.645 mm／s。溶气气浮对强碱三元复合驱采出水处理效果见表5。

表5 溶气气浮对强碱三元复合驱采出水处理效果

试验表明，气浮工艺依旧是三元复合驱采出水中除油工艺的首选，部分回流溶气气浮技术，具有气泡量大，气泡直径小的优点，固液分离效果好。依据相似相溶原理，微小气泡可以良好黏附待处理污水中疏水基的悬浮固体或油滴，颗粒黏附气泡后，形成表观密度小于水的絮体而上浮到水面，形成浮渣层通过刮渣机被刮除，试验中，该工艺的除油效率达到了80%。对SS的去除率为50%左右。

3.2 生化单元

工艺参数：厌氧段停留时间为22～32 h；好氧段气水比为15∶1，好氧段停留时间为16～32 h；运行温度为25～40℃，细菌量为1.5×108个／L。生物氧化技术对强碱三元复合驱采出水处理效果见表6。

表6 生物氧化技术对强碱三元复合驱采出水处理效果

生化工艺是对三元复合驱采出水常规处理工艺一种有益的尝试。采用三元复合驱沉降罐底泥中分离出特殊耐盐、抗有害物质的土著菌种，经过驯化、培养、增殖后，复配出复合菌系SW-1菌剂投放到水中。试验表明，通过厌氧段提高采出水的可生化性，在酸化p H值波动和厌氧、好氧菌的自身新陈代谢以及曝气剪切等多重作用下，对油、CODCr、黏度和聚合物的指标都产生一定程度影响，初步实现了除油脱稳。生物工艺一定程度上破坏了采出水溶液的稳定性，有利于SS进一步剥离。其中，油的去除率可以达到80%，CODCr可以去除10%以上，黏度可以降低25%左右。

3.3 高级催化氧化单元

工艺参数为停留时间：30 min；臭氧投加量：100 mg／L；催化方式：紫外照射；臭氧产生方式：空气源；臭氧投加方式：接触氧化塔。臭氧催化氧化技术对强碱三元复合驱采出水处理效果见表7。

表7 臭氧催化氧化技术对强碱三元复合驱采出水处理效果

要是利用臭氧产生的活性氧和羟基自由基强大的氧化作用，可将部分有机物直接氧化成无机物，也可在一定程度上对聚合物断链，降低采出水稳定性，有利于SS进一步的剥离和过滤。其中，黏度可以从3 mPa·s降至1.6 mPa·s左右，降低45%左右。

3.4 两级砂滤单元参数

工艺参数：滤速为4 m／h；气水联合反冲洗强度为11 L／（m2·h）；反冲洗强度为11 L／（m2·h）；反洗周期为48 h；一级滤料为0.5～0.8 mm石英砂，滤料高度为1.2 m；二级滤料为0.3～0.5 mm石英砂，滤料高度为1.2 m。

砂滤单元对强碱三元复合驱采出水处理效果见表8。相比常用的海绿石、磁铁矿等滤料，此次研究选用粒径更小的滤料，有利于吸附、截留采出水中的SS及黏胶质颗粒，从而使水的浊度降低，出水SS可以达到10 mg／L左右，并持续达标。主要是前段的生化、氧化工艺改变了采出水结构，溶液黏附力下降，SS更易剥离，过滤、反冲效果良好，未发生滤料板结现象。

表8 砂滤单元对强碱三元复合驱采出水处理效果

3.5 工艺组合处理效果

此次强碱三元复合驱采出水处理试验研究，可达到将石油类≤800 mg／L、SS≤350 mg／L、黏度≤12 mPa·s，PA M≤800 mg／L的回注水要求，结果见表9。

表9 强碱三元复合驱厂站强化处理试验效果

4 结 论

常规的“沉降＋过滤”方式用于三元复合驱采出水处理，出水达标困难。聚合物或黏度对石油类和SS的高效去除有较大影响，处理思路应以脱稳降黏为主。试验采用的“气浮沉降＋生化氧化＋高级氧化＋二级过滤”工艺，降低滤池冲洗难度，提高了工艺运行稳定性，持续满足回注要求。对于采出水进一步开展膜深度处理，可以作为其预处理流程，对于采出水实现回注低渗透层或达标排放等具有重要意义。

三元复合驱采出水处理处理中，应优先考虑打断高分子聚合物长链，降低黏度，同时应充分发挥各工艺单元的多级屏障作用，才能更好地满足处理标准要求。因此，还需要在破乳剂种类、浮选方式、氧化方式以及滤料筛选方面做更加广泛深入的研究。