油田水驱污水站处理含聚合物污水的运行参数研究

刘静， 陈鹏， 王庆吉

（1.大庆油田呼伦贝尔分公司， 黑龙江 大庆 163712； 2.大庆油田建设设计研究院， 黑龙江 大庆 163712）

大庆油田已逐渐进入高含水开发后期， 开发方式多样化， 目前老区采油一厂、 二厂、 三厂、 四厂和六厂多区块水驱、 聚合物驱等开发方式并存。 聚合物驱污水处理后大部分回注聚驱层系， 但是仍有部分剩余回注了本区块水驱层系， 当该水驱层系的采出液进入地面水驱系统时， 就导致了水驱污水中含有聚合物［1－2］。 随着水驱污水中聚合物含量上升，污水粘度升高， 处理难度增加， 已建的43 座水驱污水站普遍采用两级沉降油水分离→一级过滤的处理工艺， 为了利用已建设施处理能力， 仍继续处理含聚合物污水（以下简称含聚污水）， 导致油水分离段需要更长的沉降停留时间［3-4］， 过滤段需要采用更低的过滤速度［5-6］。 目前水驱站原有的处理工艺参数已无法满足含聚污水处理需要， 处理后水质无法稳定达标， 生产站只能采用局部技术优化的方式尝试改善水质处理效果［7-8］， 包括强化收油和优化滤罐反冲洗等； 另一方面若是按照聚驱处理工艺处理水驱含聚污水， 则会导致过度处理、 投资浪费［9］。因此， 若能从基础层面确定水驱站达标处理含聚污水的运行参数， 对充分利用已建设施， 保障处理后水质达标， 节省地面工程建设投资将具有重要意义。

为获得水驱站达标处理不同浓度含聚污水的主要运行参数， 本试验梯级选取来水含聚浓度不同的3 座水驱污水站作为典型处理站， 开展工业级别现场试验研究。 根据Q／SY DQ0639—2015《大庆油田地面工程建设设计规定》， 选取的水驱污水站来水含聚质量浓度范围介于150 ～450 mg／L（低于150 mg／L 视为水驱处理难度， 高于450 mg／L 视为高浓度聚驱处理难度）， 通过调整生产站的负荷率， 即改变沉降停留时间和滤速运行参数， 监测不同运行参数状态下各段工艺水质， 摸索达标处理参数， 填补水驱站达标处理含聚污水的技术空白。

1 材料与方法

1.1 水驱污水站及处理工艺

大庆油田已建的43 座水驱污水站中24 座采用了“自然沉降→混凝沉降→核桃壳过滤”的主体处理工艺， 该工艺占比最高， 所以确定为现场试验的典型工艺。 该工艺采用了GB 50428—2015《油田采出水处理设计规范》中推荐的水驱污水设计参数， 即自然沉降4 h， 混凝沉降2 h， 核桃壳滤速为16 m／h， 处 理后水 质 需达到Q／SY DQ0605—2006《大庆油田油藏水驱注水水质指标及分析方法》中ρ（油）≤20 mg／L、 ρ（悬浮固体）≤20 mg／L、粒径中值≤5 μm 的回注水水质指标要求。

1.2 试验方法

选取1#、 2# 和3# 典型水驱污水站为试验现场， 考虑到： ①3 座典型站采用的处理工艺均为“自然沉降→混凝沉降→核桃壳过滤”， 具有代表性； ②3 座典型站全部位于油田老区， 来水中已经含有聚合物， 且含聚浓度呈梯级分布并基本涵盖150 ～450 mg／L 的范围， 满足试验来水水质需求；③3 座典型站运行平稳、 设备正常， 且来水量方便调节， 便于调整工艺运行参数。

通过调整工艺按照不同参数运行， 同时监测各段进出口水质， 明确了工艺按照不同参数运行时的处理效果， 最终得出了达标处理的参数界限。 在开展现场试验的过程中， 以调整污水站负荷率的方式调整运行参数， 负荷率见式（1）， 运行沉降停留时间和过滤滤速见式（2）和式（3）。

1.3 分析方法

水质检测项目为聚合物浓度、 含油量、 悬浮固体含量和粒径中值。 其中聚合物浓度检测依据Q／SY DQ0928—2011《聚合物采出液化验方法》， 含油量、 悬浮固体含量和粒径中值检测依据SY／T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》。

2 结果与讨论

2.1 不同负荷率下的处理效果

1# 典型站设计规模为3.0 × 104m3／d， 污水中含聚平均质量浓度为253 mg／L， 试验期间负荷率介于57% ～89%； 2# 典型站设计规模为4.0 × 104m3／d， 污水中含聚平均质量浓度为301 mg／L， 试验期间负荷率介于52%～74%； 3# 典型站设计规模为2.0 ×104m3／d， 污水中含聚平均质量浓度为403 mg／L， 试验期间负荷率介于42%～67%。

3 座典型站污水处理工艺流程中各段水质处理效果分别见图1 ～图3。

图1 1# 典型站负荷率为57% ～89% 时各段水质处理效果Fig.1 Water quality of each section of sewage station 1# with load rate between 57% - 89%

图2 2# 典型站负荷率为52% ～74% 时各段水质处理效果Fig.2 Water quality of each section of sewage station 2# with load rate between 52% - 74%

图3 3# 典型站负荷率为42% ～67% 时各段水质处理效果Fig.3 Water quality of each section of sewage station 3# with load rate between 42% - 67%

1#典型站在较高的负荷率（71%～89%）条件下运行时， 处理后出水中油平均质量浓度为35 mg／L， 悬浮固体平均质量浓度为14 mg／L， 粒径中值平均值为1.9 μm， 含油量未达到ρ（油）≤20 mg／L的指标要求； 当负荷率降至57%～69% 时， 处理后出水中油平均质量浓度为17 mg／L， 悬浮固体平均质量浓度为17 mg／L， 粒径中值平均值为1.8 μm， 达到了Q／SY DQ0605—2006 中“20、 20、 5”指标要求。 该站在运行时随着负荷率升高滤后水中含油量超标， 因此极限达标负荷率为69%。

2#典型站在较高的负荷率（63%～74%）条件下运行时， 处理后出水中油平均质量浓度为36 mg／L， 悬浮固体平均质量浓度为20 mg／L， 粒径中值平均值为1.9 μm， 含油量未达到ρ（油） ≤20mg／L的指标要求； 当负荷率降至52%～60% 时， 处理后出水中油平均质量浓度为12 mg／L， 悬浮固体平均质量浓度为15 mg／L， 粒径中值平均值为1.7 μm， 达到了Q／SY DQ0605—2006 中“20、 20、 5”指标要求。 该站运行时随着负荷率升高滤后水中含油量首先超标， 因此极限达标负荷率为60%。

3#典型站在较高的负荷率（54%～67%）条件下运行时， 处理后出水中油平均质量浓度为27 mg／L， 悬浮固体平均质量浓度为19 mg／L， 粒径中值平均值为1.8 μm， 含油量未达到ρ（油）≤20 mg／L的指标要求； 当负荷率降至42%～52% 时， 处理后出水中油的平均质量浓度为13 mg／L， 悬浮固体平均质量浓度为11 mg／L， 粒径中值平均值为1.7 μm， 达到了Q／SY DQ0605—2006 中“20、 20、 5”指标要求。 该站运行时随着负荷率升高滤后水中含油量首先超标， 因此极限达标负荷率为52%。

2.2 回归分析和吻合性校核验证

根据油田设计规定， 当污水中含聚质量浓度低于150 mg／L 时视为水驱处理难度， 即水驱站负荷率为100% 时处理含聚质量浓度为150 mg／L 的污水， 滤后水质可以达标； 但是当污水中含聚浓度继续逐渐升高时， 需要相应不断降低运行负荷率， 即放宽运行参数到一定程度时， 滤后水质才可达标，说明污水中含聚浓度和达标负荷率呈负相关。

以3 座典型站现场试验数据为研究对象， 水驱污水站处理不同浓度含聚污水达标趋势回归分析如图4 所示。 其中横坐标为负荷率， 同时对应将负荷率转化为沉降停留时间（自然+混凝）和核桃壳过滤滤速2 个附属横坐标， 便于将含聚浓度直接与运行参数对应， 纵坐标为污水含聚浓度， 能够发现含聚浓度与达标负荷率之间呈曲线关系。

图4 水驱污水站处理不同浓度含聚污水达标趋势回归分析Fig.4 Regression analysis on the trend of reaching the standard for the treatment of different concentration polycontaining sewage in water flooding sewage stations

对含聚浓度与达标负荷率进行回归分析， 采用曲线拟合即选择适当的曲线类型来拟合观测数据的方法。 通过对达标界限的3 个点和超标界限的3 个点分别进行曲线拟合， 通过对比指数逼近、 对数逼近、 多项式逼近和幂逼近拟合类型， 结果显示采用幂函数的R2最高， 达到0.976， 说明其最符合试验数据。 回归分析得出的细实曲线表示污水含聚浓度不同时， 出水若要达标所对应的负荷率， 即极限处理参数， 包括沉降停留时间和过滤滤速， 这条曲线即是水驱污水站达标处理不同浓度含聚污水的运行参数临界线。

为了检验这条临界线的适用性， 在该图的基础上， 补充了大量其他生产站（除3 座试验站以外的其他水驱污水站）处理不同浓度含聚污水的生产数据，进行吻合性校核， 以点状图案作散点图， 其中菱形点代表某座生产站以该点对应运行参数处理该点对应含聚浓度的污水时滤后水达标， 圆形点代表超标， 用以显示采用不同运行参数处理不同浓度含聚污水是否达标， 详细情况见图4。 同时为了便于观察典型站（即试验站）的试验结果， 图中以粗横实线代表典型站滤后水达标区， 粗横虚线代表超标区。

由图4 可见， 出现在临界线左边区域的生产站数据大部分为菱形达标点（仅出现1 个圆形超标点）， 出现在临界线右边区域的数据大部分为圆形超标点（仅出现1 个菱形达标点）， 可见曲线将图形分为了左侧达标区和右侧超标区， 生产站数据对临界曲线的校核吻合率达到了95%。

2.3 公式和应用

基于水驱污水处理工艺的设计参数， 根据试验结果结合曲线拟合得出幂函数公式， 公式实现了对水驱站处理含聚污水运行参数的修正， 推导得出水驱站达标处理不同浓度含聚污水的运行参数公式，见式（4）～式（6）。 该公式适用于采用“自然沉降→混凝沉降→核桃壳过滤”工艺的水驱污水处理站，处理含聚质量浓度介于150 ～450 mg／L 的含聚污水。

自然沉降停留时间：

凝沉降停留时间：

核桃壳过滤滤速：

式中： 自然沉降停留时间t达为水驱污水站达标处理含聚污水的自然沉降停留时间， h； 混凝沉降停留时间t达为水驱污水站达标处理含聚污水的混凝沉降停留时间， h； 核桃壳过滤滤速S达为水驱污水站达标处理含聚污水的核桃壳过滤滤速， m／h；污水含聚浓度为污水中聚合物的质量浓度， mg／L。

通过该公式可计算水驱污水站达标处理不同浓度含聚污水的运行参数， 例如达标处理含聚质量浓度为200 mg／L 的污水， 计算得出自然沉降停留沉降时间约需5.0 h， 混凝沉降停留时间约需2.5 h，核桃壳过滤滤速约需12.7 m／h。 对照杏Ⅱ－1 污某次水质普查数据， 污水中含聚质量浓度为196 mg／L，自然沉降停留时间为5.2 h， 混凝沉降停留时间为2.6 h， 核桃壳过滤滤速为12.3 m／h， 该站处理后出水中油的质量浓度为16 mg／L， 悬浮固体质量浓度为17 mg／L， 达到了回注指标要求， 与公式预测结果吻合。

该研究成果已应用于2018 年大庆杏南油田某产能建设地面工程设计， 在规划方案阶段通过核定区块内2 座已建水驱站有效处理含聚污水的能力（即达标处理含聚污水的运行参数）， 相当于节约建设了1 座10 000 m3／d 的聚驱污水处理站， 并且这2 座站按照公式计算得出的参数运行后， 处理含聚污水稳定达标。

3 结论和建议

（1） 大庆油田开发初期长垣老区建设的水驱站大多采用了“自然沉降-混凝沉降-核桃壳过滤”常规工艺， 目前由于聚驱开发的不断深入， 污水中普遍含聚， 增加了水处理难度， 导致老工艺和设计参数不适应含聚污水处理， 可以通过降低运行负荷率即放宽运行参数的方法满足含聚污水处理需求， 实现老站新用， 充分利用已建设施处理能力。

（2） 依据典型水驱污水处理工艺“自然沉降-混凝沉降-核桃壳过滤”处理不同浓度含聚污水的现场试验研究， 首先得出各站达标处理的临界参数， 然后通过回归分析得出计算公式。 利用该公式可计算得出水驱污水站达标处理不同浓度含聚污水的运行参数， 包括沉降停留时间和过滤速度， 为水驱污水站处理含聚污水的规划设计和生产运行提供技术依据， 保障处理后水质稳定达标， 实现老油田降本增效。

（3） 污水站处理后水质是否达标与许多因素有关， 除了最主要的运行参数和污水含聚浓度以外，还包括各处理站的运行方式、 来水水质和加药等情况， 因此本结论有待于更多现场试验数据进一步补充和修正。