三元复合驱采出水处理新技术应用及展望

伍永巴依 李兆强 宋晶晶

新疆油田公司风城油田作业区

三元复合驱是目前保证油田开发效果的重要支撑技术，但由于三元复合驱采出水中含有大量的聚合物、表面活性剂、碱等驱替剂，增强了采出水的稳定性，同时为了提高处理效果，从井口到污水站投加了大量的药剂，造成污水成分复杂，油水乳化严重，处理难度增加，在见剂高峰期无法稳定处理并达标[1-4]。从三元污水处理工艺发展历程看，最初的“高效除油+曝气沉降+两级压力过滤”处理工艺，面临投加大量药剂，产生的大量浮渣无法处理的难题。在升级为“两级连续流气浮序批沉降+两级压力过滤”后，处理效果已经明显改善，但由于不同区块交替开发，采出水混掺处理配伍性较差，仅依靠物理处理工艺，见剂高峰期难以保证外输水质完全达标[5-6]。油田多年来试验过多种三元污水处理方法，包括优化现有处理工艺运行参数，采用微生物技术处理三元污水等，从试验效果看，单一设备或药剂对三元污水处理有一定作用，但无法解决系统性的问题[7-9]。另一方面，三元污水复杂的处理工艺，加大了地面建设投资及运行成本[10]，因此需要探索污水处理新技术，实现处理效果和经济性的平衡。

1 三元复合驱采出水处理试验

1.1 物化结合法深度处理技术

1.1.1 原理及工艺流程

该技术为物理、化学结合的方法，采用“物理分离器+气浮杀菌分离器+抗污染平板陶瓷过滤器”处理工艺（图1），投加3种处理药剂，A为油水分离剂，质量浓度710 mg/L；B 为高效水质净化剂，质量浓度250 mg/L；C 为水质净化剂，质量浓度29 mg/L。物理分离器作用原理主要依靠投加油水分离剂，在药剂的作用下通过15 min 左右的静沉，将油和水进行分离。气浮杀菌作用机理是依靠投加高效水质净化剂及水质净化剂，通过旋流气浮作用进一步分离水中的杂质，并通过紫外线杀菌装置进行杀菌[3-5]。采用抗污染平板陶瓷过滤器，使水流与陶瓷滤芯以45°夹角进入，通过表面的孔隙进行过滤，采用定期反冲洗的方式进行再生，每24 h反冲洗一次，在实际使用过程中根据水质变化调整反冲洗周期以提高再生效果，内部循环比约为15%，吨水加药量为0.989 kg，产生渣量约为处理水量的80%（含水率40%～60%）。

图1 物化结合法深度处理现场试验工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of field test process for advanced treatment by physical-chemical combination method

1.1.2 处理效果

试验时来水含聚浓度平均为835 mg/L，表面活性剂浓度平均为68.8 mg/L，黏度平均为9.1 mPa·s，pH 值平均为10.55，试验设备处理量1 m3/h（图2）。

图2 处理现场及处理效果Fig.2 Treatment site and treatment effect photos

处理后含油浓度平均为1.98 mg/L、悬浮物浓度平均为5.09 mg/L，黏度由平均9.1 mPa·s降低为0.21 mPa·s（表1）。

表1 处理效果Tab.1 Treatment effect

1.1.3 可行性分析

从处理效果看，该技术可以满足三元污水处理效果的需求，但由于处理过程中投加了大量的药剂，因此需要配套完善后续含油污泥处理工艺[6]，同时通过药剂优化进一步降低处理成本；否则在大规模工业化推广过程中，由于加药工作量大，后续处理难度大，处理成本高等问题，难以推广。

1.1.4 处理成本分析

（1）电费。水处理耗电约为1.03 kWh/m3，按每千瓦时电0.638 1元计，折合吨水费用为0.66元。

（2）药剂费。具体药剂费如表2所示。

表2 加药量及费用统计Tab.2 Statistics of dosage and cost

运行费用合计为4.59 元/m3，按吨水产渣量80%计算，将含水率通过离心机进一步脱水后，吨水产渣量应为20 kg，根据无害化油泥处理费用650 元/t 计算，油泥处理费用应为13 元。陶瓷过滤器更换费用为1 000元/根，折算陶瓷过滤器再生费用及清洗费用后，吨水过滤器成本约为0.11元/m3。因此合计处理三元污水费用约需要17.7元/m3。

1.2 三元污水膜处理技术

1.2.1 原理及工艺流程

该技术为物理、化学结合的方法，采用“截聚除油膜装置+一级反应箱（调pH 值）+澄清装置+二级反应箱+固液分离装置+中间水箱+多功能过滤器+精密过滤器”工艺（图3）处理三元原水，投加2种处理药剂（pH值调节剂1 000 mg/L、自研净水剂80 mg/L），吨水加药量为1.08 kg，吨水产生渣量为120 kg（含水率98%）。膜处理装置采用的除油膜的表面载能层与水膜间隙发生综合反应，当含油的水要透过除油膜时，给水以适当压力，来水一侧的水分子即可与膜内水分子发生置换透过，而油被除油膜截聚在膜表面从而成功地实现了油水分离，这种效应定义为“截聚除油”[7]。被阻挡下来的油粒不能粘附到除油膜上，只能存留膜外表面，随着油粒的不断增加，油粒相互间发生碰撞凝聚而逐步形成大油粒，在浮力作用下浮升，从而实现油水分离。一级反应器、澄清器、固液分离器、二级反应器的作用原理均是通过投加药剂，在化学及物理的共同作用下实现水中杂质快速分离。采用锰砂过滤器主要考虑滤料性能及处理成本，同时在原有三元污水常用的石英砂磁铁矿、海绿石磁铁矿滤料基础上探索其他可行的过滤方式。

图3 三元污水膜处理技术现场试验工艺流程示意图Fig.3 Process flow diagram of field test of ternary sewage membrane treatment technology

1.2.2 处理效果

试验期间来水含聚浓度平均为867 mg/L，表面活性剂浓度平均为55 mg/L，黏度平均为5.3 mPa·s，pH值平均为10.31，试验设备处理量5 m3/h（图4）。

图4 处理现场及处理效果Fig.4 Treatment site and treatment effect

处理后含油浓度平均为4.7 mg/L、悬浮物浓度平均为13.4 mg/L，pH值为7.4（表3）。

表3 试验效果统计Tab.3 Statistics of test effect

1.2.3 处理成本分析

（1）电费。具体设备耗电量情况如表4所示。

表4 耗电量统计Tab.4 Power consumption statistics

每天电耗52.48 kW，按每千瓦时电0.638 1 元计，则电费：52.48×0.638 1=33.49元/d，折合吨水费用为0.28元。

（2）药剂费。具体药剂费如表5所示。

表5 加药量及费用统计Tab.5 Statistics of dosage and cost

运行费用合计为4.38 元/m3，脱水后吨水产渣量应为20 kg，根据无害化油泥处理费用650元/t计算，油泥处理费用应为13 元，因此合计处理三元污水费用约需要17.38元/m3。

1.3 原水微生物深度处理技术

1.3.1 原理及工艺流程

三元污水站原水采用基于以硫酸根/亚硫酸根为电子受体，以硫代谢为基础，有机碳源的梯度降解为核心的“厌氧+缺氧+好氧”串联的BESI（B代表生物，E 代表电子的传递，S 代表以硫离子为起点的代谢，I 代表工艺的整合）微生物工艺技术[8]（图5），主体工艺流程为“自然沉降罐→BESI微生物一体化反应器→旋流气浮装置→一级石英砂单层过滤罐→二级石英砂磁铁矿双层过滤罐→三级海绿石磁铁矿双层过滤罐”，其中自然沉降罐停留时间8 h，微生物反应器停留时间24 h，旋流气浮装置停留时间20 min，一滤滤速为8 m/h，二滤滤速为6 m/h，三滤滤速4 m/h，反洗周期48 h，处理量120 m3/h。

图5 强碱三元复合驱采出水原水微生物深度处理技术现场试验工艺流程示意图Fig.5 Schematic diagram of field test process of microbial advanced treatment technology for produced water from strong alkali ASP flooding

1.3.2 处理效果

试验期间来水含聚浓度平均为1 000 mg/L，表面活性剂浓度平均为60 mg/L，黏度平均为5.2 mPa·s，pH 值平均为11.3，试验设备处理量5 m3/h（图6）。

图6 处理现场及处理效果Fig.6 Treatment site and treatment effect

处理后含油浓度平均为3.34 mg/L、悬浮物浓度平均为3.74 mg/L（图7）。

图7 处理效果曲线Fig.7 Treatment effect curve

1.3.3 处理成本分析

针对三元原水，采用上述处理工艺技术，处理后水质达到含聚污水低渗透层回注水水质指标要求（双5），吨水成本1.956元（耗电0.596元+耗气0.64元+营养剂0.32元+杀菌剂0.4元），由于全处理流程不需要投加大量净水药剂，因此不需要考虑大量油泥的处理问题。

2 应用可行性对比

2.1 技术可行性分析

针对三元原水，采用三种工艺均可以达到含油、悬浮物、粒径中值“20、20、5”的处理指标[9]。但由于采用膜处理及物化结合法需投加大量药剂，产生大量浮渣，在实际大规模应用中存在较大的难题，推广难度大。采用微生物法可以避免大量投加药剂，可操作性强，在实际应用中有大规模处理聚驱污水的成功先例，推广性较强。

2.2 经济可行性分析

由于膜处理法及物化结合法产生的大量浮渣需要处理，总处理成本较高，每吨超过17 元，而微生物法不需要处理大量浮渣，总体处理成本有绝对的优势（表6）。

表6 各工艺对比Tab.6 Comparisonof each process

3 应用前景展望

通过对以上几种三元复合驱采出水处理技术进行现场试验，初步得出了以下几点结论：

（1）三元复合驱采出水由于成分复杂，化学剂含量较高，见剂高峰期处理达标难度较大，有必要探索更有效的处理技术，通过物化结合法及膜处理法，虽然能够将水中的复杂成分变成渣分离出来，改善水质，从而为后续物理处理工艺降低难度，实现达标处理，但产生的大量浮渣给大规模推广带来较大的难度，提高了处理成本，相比微生物法，推广性较差。

（2）采用物化结合法及膜处理法处理污水，需要配套研究浮渣处理工艺，对析出的浮渣进行减量无害化处理，降低处理成本，提高可推广性[10]。

（3）需要进一步研究有效、成本可控的化学处理药剂，以进一步降低处理成本。