零散区块橇装一体化采出水处理工艺技术探讨

梁文义 孙坤 王彩凤

1大庆油田有限责任公司第十采油厂

2吐哈油田公司吐鲁番采油管理区

某油田零散区块存在单井产液量小、位置分散且距离远、地面系统依托性差等特点，开发初期投产的油井少，产生的污水量小，无法集中建大中型处理站，其含水油主要通过管输或拉运的方式外输到某联合站进行脱水，产生的含油污水再经管输至某含油污水处理站，处理达标后回注。随着原油含水率的上升，零散区块污水量逐年增加，另外油田综合废液、废水不定期进入系统，加大外输管道的负荷。而拉运方式受区块位置分散且距离远限制，不仅成本高，受天气等不确定因素影响风险较大[1]。因此以目前国内外油田成熟的采出水处理技术为基础，开展了适用于零散区块采出水橇装化处理工艺技术的研究，通过现场试验和运行效果跟踪，该工艺取得了较好的处理效果，可解决零散区块小水量采出水就地达标处理的问题，同时也可实现工艺的整体搬迁和重复利用。

1 工艺技术优选

橇装一体化采出水处理装置研究在零散区块某联合站开展，该站所需的注水量为200 m3/d。目前采用“磁分离—锰砂过滤”工艺处理地下水达标后进行回注，橇装一体化采出水处理装置将替代目前采用的工艺，将产出合格达标的采出水进行回注。

1.1 水质监测结果

取该站1 000 m3污水沉降罐底水作为试验用采出水进行水质检测，在无压裂液、钻关液等作业废水进入时，水质监测结果显示：含油浓度91.5～216 mg/L（质量浓度，下同），悬浮物固体浓度13.5～24.3 mg/L，硫化物浓度34.8～40.4 mg/L，总铁浓度0.42～0.61 mg/L，矿化度3 897～4 780 mg/L[2-4]（表1）。

表1 某站采出水水质Tab.1 Water quality of produced water at a station

随着压裂液、钻关液等作业废水的不定期加入，水质变差，主要是含油量和悬浮物固体含量的增加。水质监测结果显示：含油浓度186～407 mg/L，悬浮物固体浓度22.9～42.9 mg/L，硫化物浓度30.9～44.2 mg/L，总铁浓度0.52～1.75 mg/L，矿化度4 014～6 041 mg/L[2-4]（表2）。

表2 加入作业废水后某站采出水水质Tab.2 Water quality of produced water at a station after the operation wastewater is added

1.2 前期室内实验及技术优选

基于技术调研和水质监测结果，开展了室内小试和工艺技术的优选，为该项目工艺流程的确定奠定基础。

1.2.1 曝气除硫试验

取采出水进行曝气除硫试验，曝气强度10 m3/m2·h，经2 h 曝气，硫化物浓度由38.9 mg/L 降至4.74 mg/L，随着曝气时间延长，硫化物含量变化不大，曝气24 h，硫化物浓度仍为3.89 mg/L。曝气试验结果见表3。将该结果与某油田已建的含油污水处理站现场曝气效果进行对比，已建处理站采出水中硫化物浓度34.2～59.9 mg/L，曝气停留时间4.6 h，出水硫化物浓度降至1.2～6.6 mg/L，此时曝气强度为25.6 m3/m2·h 。因此，试验工艺在曝气时间4 h 的前提下，可以通过加大曝气强度弥补曝气时间不足。初步确定试验工艺曝气时间为4 h，曝气强度为25 m3/m2·h。

表3 某站采出水曝气试验结果Tab.3 Aeration test results of produced water at a station

根据初步确定曝气时间和强度，选择气水比为4∶1～20∶1 进行现场试验，试验效果见图1。结果表明：随着气水比增加，硫化物整体去除效果变好，气水比在5∶1～20∶1 之间，平均值都可达到“硫化物含量＜2 mg/L”的辅助注水指标要求；气水比在5∶1 时，曝气后的硫化物浓度出现大于2 mg/L 的情况，因此当来水硫化物浓度在45 mg/L左右、曝气时间为4 h 时，为保证出水稳定达标，曝气气水比最低限为7∶1[5]。

图1 不同气水比曝气除硫试验结果Fig.1 Test results of aeration sulfur removal with different gas water ratio

1.2.2 油水分离技术优选

油田已有的油水分离除油技术包括气浮技术、水力旋流技术、离心技术等，通过技术调研以及现场实际生产应用效果监测，拟采用溶气泵气浮技术。该技术已在已建含油污水处理站中应用，监测该站流程各段的处理效果，尤其是气浮效果，溶气泵气浮技术取得了不错的处理效果，装置运行平稳，来水中含油浓度＜60.2 mg/L，悬浮物固体浓度＜87.6 mg/L，硫化物浓度＜35.9 mg/L，经气浮处理后，出水中含油浓度＜1.2 mg/L，悬浮物固体浓度＜21.4 mg/L，硫化物浓度＜2.35 mg/L（表4）。结果表明，气浮对含油量的去除较为明显，同时对悬浮固体及硫化物也具有一定的去除作用。

表4 已建含油污水站气浮处理效果Tab.4 Air flotation treatment effect of built oily sewage station

1.2.3 微生物菌种优选

室内筛选破乳时间56 min 的活性破乳菌、含油量去除率为97.5%的直链烷烃降解菌及环烷烃降解菌，利用肇东一联含油污水作为培养基，按照10%的体积比接种至污水中，35 ℃培养48 h 后，进行原油破乳降解试验，破乳时间为1 h，降解率为67.9%～88.5%。这表明筛选得到的微生物菌群对肇东一联含油污水具有良好适应性，并且具有较高的原油降解能力，结果见表5。

表5 10%体积比接种各菌株原油降解效能验证Tab.5 Crude oil degradation efficiency validation of each strain inoculated with 10% volume ratio

2 工艺流程

基于前期调研、室内实验及现场跟踪测试结果，确定橇装一体化采出水处理工艺主流程：采出水首先进入曝气沉降罐，目的是除硫的同时脱出大部分浮油，作为来水水质平稳的保障；出水进入气浮装置进一步除去乳化油，气浮装置出水要求达到“50.50”的处理指标；然后进入两级双层滤料过滤器，达到“8.3.2”的处理指标，最终经过膜处理达到“5.1.1”的处理指标后回注地下。另外，沉降出水同时也可以进入微生物一体化装置进行处理，出水达到“10.15.2”指标，该流程作为主流程的并联流程，出水进主流程过滤单元[6-8]。具体工艺流程见图2。根据工艺流程，形成了“曝气除硫橇”“气浮分离橇”“常规过滤橇”“精细过滤橇”“生物处理橇”为主体的橇装一体化采出水处理装置。

图2 橇装一体化采出水处理工艺流程示意图Fig.2 Schematic diagram of skid-mounted integrated produced water treatment process

3 现场试验效果

利用橇装一体化采出水处理装置，在某零散区块某联合站进行现场试验，主要试验内容包括针对低渗透指标的现场试验，针对特底渗透指标的PVC中空纤维膜、微生物预处理效果试验等，最后该套装置投入生产，为该区块达标处理采出水近12 个月（240 m3/d），出水效果平稳。

3.1 低渗透指标试验

采用主流程：“来水→曝气沉降罐→气浮→一级双层滤料过滤→二级双层滤料过滤→出水”，试验参数：处理量9.7 m3/h，沉降曝气气水比7∶1，气浮回流比20%，一级滤速11 m/h，二级滤速8 m/h[9]。试验结果见表6—表9，来水含油浓度＜78.5 mg/L时、悬浮固体浓度＜27.2 mg/L、硫化物浓度＜31.59 mg/L 时，可稳定达到“8.3.2”低渗透指标。

表6 “8.3.2”低渗透指标试验主流程含油量去除效果Tab.6 Removal effect of oil content in the main process of“8.3.2” low permeability index test mg/L

采用并联流程：“来水→曝气沉降罐→微生物预处理装置→微生物处理装置→一级双层滤料过滤→二级双层滤料过滤→出水”进行现场试验。试验参数：处理量9.5 m3/h，曝气气水比7∶1，气浮回流比20%，一级滤速11 m/h，二级滤速8 m/h。试验结果见表10—表13，来水含油浓度＜151.4 mg/L、悬浮固体浓度＜99.64 mg/L，硫化物浓度＜43.58 mg/L 时，经微生物装置处理后，可稳定达到“10.15.2”的工艺指标，再经两级过滤后达到“8.3.2”指标。

表7 “8.3.2”低渗透指标试验主流程悬浮物固体含量去除效果Tab.7 Removal effect of suspended solids content in the main process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

表8 “8.3.2”低渗透指标试验主流程粒径中值去除效果Tab.8 Removal effect of median particle size in the main process of“8.3.2”low permeability index test μm

表9 “8.3.2”低渗透指标试验主流程硫化物含量去除效果Tab.9 Removal effect of sulfide content in the main process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

表10 “8.3.2”低渗透指标试验并联流程含油量去除效果Tab.10 Removal effect of oil content in the parallel process of“8.3.2” low permeability index test mg/L

表11 “8.3.2”低渗透指标试验并联流程悬浮物固体含量去除效果Tab.11 Removal effect of suspended solids content in the parallel process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

表12 “8.3.2”低渗透指标试验并联流程粒径中值去除效果Tab.12 Removal effect of median particle size in the parallel process of“8.3.2” low permeability index test μm

表13 “8.3.2”低渗透指标试验并联流程硫化物含量去除效果表Tab.13 Removal effect of sulfide content in the parallel process of“8.3.2”low permeability index test mg/L

3.2 特低渗透指标试验

采用主流程：“来水→曝气沉降罐→气浮→一级双层滤料过滤→二级双层滤料过滤→PVC 膜过滤→出水”，试验参数：处理量9.7 m3/h，沉降曝气气水比7∶1，气浮回流比20%，一级滤速11 m/h，二级滤速8 m/h。试验结果见表14—表17，来水含油浓度＜132 mg/L、悬浮固体浓度＜27.5 mg/L、硫化物浓度＜29.5 mg/L 时[9]，处理后可稳定达到“5.1.1”特低渗透指标[10]。

表14 “5.1.1”特低渗透指标试验主流程含油量去除效果Tab.14 Removal effect of oil content in the main process of“5.1.1” ultra-low permeability index test mg/L

表15 “5.1.1”特低渗透指标试验主流程悬浮物固体含量去除效果Tab.15 Removal effect of suspended solids content in the main process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

表16 “5.1.1”特低渗透指标试验主流程粒径中值去除效果表Tab.16 Removal effect of median particle size in the main process of“5.1.1”ultra-low permeability index test μm

表17 “5.1.1”特低渗透指标试验主流程硫化物含量去除效果Tab.17 Removal effect of sulfide content in the main process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

采用并联流程：“来水→曝气沉降罐→微生物预处理装置→微生物处理装置→二级双层滤料过滤→PVC 膜过滤→出水”进行现场试验。试验参数：处理量9.5 m3/h，曝气气水比7∶1，气浮回流比20%，一级滤速11 m/h，二级滤速8 m/h。试验结果见表18—表21，来水含油浓度＜143 mg/L、悬浮固体浓度＜25.8 mg/L、硫化物浓度＜32.5 mg/L 时，经过微生物装置处理后，可达到“10.15.2”指标，再经PVC 膜处理后，可稳定达到“5.1.1”特低渗透指标。

表18 “5.1.1”特低渗透指标试验并联流程含油量去除效果Tab.18 Removal effect of oil content in the parallel process of“5.1.1” ultra-low permeability index test mg/L

表19 “5.1.1”特低渗透指标试验并联流程悬浮物固体含量去除效果Tab.19 Removal effect of suspended solids content in the parallel process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

表20 “5.1.1”特低渗透指标试验并联流程粒径中值去除效果Tab.20 Removal effect of median particle size in the parallel process of“5.1.1”ultra-low permeability index test μm

表21 “5.1.1”特低渗透指标试验并联流程硫化物含量去除效果Tab.21 Removal effect of sulfide content in the parallel process of“5.1.1”ultra-low permeability index test mg/L

4 运行应用效果及经济效益对比

试验后，将橇装一体化采出水处理装置在该站就地投运，保障生产运行，处理量200～300 m3/d，累计注入170 天。采用常规工艺流程：来水→曝气沉降→气浮→两级双层滤料过滤→PVC 中空纤维膜→出水，处理后出水均达到“5.1.1”指标[10]，结果见表22。

表22 橇装装置现场应用处理效果Tab.22 Field application treatment effect of skid-mounted device

该橇装一体化采出水处理工艺研发和现场保运期间，替代某联合站地下水处理工艺（曝气—磁分离—金刚砂），将含油污水就地处理回注近12 个月，节省污水拉运费73.2 万元、管输动力费61.49 万元、运行费用35.22 万元，共计减少费用169.91 万元。

5 结论

（1）采用PVC 中空纤维膜的常规工艺和微生物工艺，出水均能够稳定达“5.1.1”处理指标。

（2）微生物处理单元本身对含油、硫化物等去除效果较好，不需经曝气除硫单元，但必须经过一级缓冲，以避免来水水质冲击或负荷过大时影响微生物处理效果。

（3）对比“沉降—气浮”工艺，“沉降—微生物”工艺占地大、停留时间长（12 h），在橇装一体化设计中具有一定局限性。

（4）橇装装置比固定站占地面积减少70%以上，施工周期缩短55%以上[9]，具有配套流程灵活、可移动等特点。

综上，零散区块橇装一体化采出水处理工艺，即“来水→曝气沉降→气浮→一级双层滤料→二级双层滤料→PVC 中空纤维膜→出水”，出水可以达到“5.1.1”特低渗透指标，具有较好的经济效益，其橇装化设计可实现工艺的整体搬迁和重复利用，适用于零散区块小规模开发的短期应用。