嚴(yán) 忠 屈 靜 胡 君 再拉甫·吾不艾山 羅秉瑞

(1.中國石油新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院 2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院)

新疆油田隨著油田開發(fā)難度的不斷加大，油田注水是油田實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是提高油田采收率的有效途徑。雖然，新疆油田推廣應(yīng)用“離子調(diào)整旋流反應(yīng)法處理技術(shù)”[1]對油田污水的離子進(jìn)行調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化和穩(wěn)定,使外輸水質(zhì)合格率邁向一個(gè)新臺階。但是，確保注水井口回注水水質(zhì)長期達(dá)標(biāo)是件非常困難的事，究其原因有以下兩方面因素：①長輸管網(wǎng)存在二次污染現(xiàn)象，導(dǎo)致出站合格水在輸送過程中遭到污染，注水井口處水中懸浮物、油、細(xì)菌等參數(shù)含量超標(biāo)；②外輸水水質(zhì)存在不穩(wěn)定性，水中還有易氧化的還原性離子和存在較嚴(yán)重的碳酸鹽自結(jié)垢趨勢[2]。針對上述問題，國內(nèi)研究人員做了大量的工作，也提出了較好的應(yīng)對措施，但真正從根本上解決好上述問題，特別是確保低滲透非均質(zhì)油藏的合格注水，尚沒有成熟的處理技術(shù)可以借鑒。合理的處理工藝和配套的新型藥劑配方體系的開發(fā)仍然是有效解決污水回注井口穩(wěn)定達(dá)標(biāo)技術(shù)研究的重點(diǎn)。

1 注水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)主要問題剖析

通過多年現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，新疆油田部分區(qū)塊注水井口回注水水質(zhì)長期不達(dá)標(biāo)原因如下。

1.1 出站水質(zhì)不達(dá)標(biāo)

(1) 污水系統(tǒng)來液不穩(wěn)定影響。無論是新建站還是運(yùn)行多年的“老站”，原油系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)是決定下游污水系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。原油系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定造成污水系統(tǒng)來液水質(zhì)惡化(含油超標(biāo))，將給配套藥劑體系性能的發(fā)揮帶來影響，最終導(dǎo)致凈水水質(zhì)穩(wěn)定性變差，出站水質(zhì)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象。

(2) 站內(nèi)回?fù)剿挠绊憽６鄶?shù)處理站存在污泥池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，不利于污泥的濃縮沉降，加之現(xiàn)場壓泥機(jī)不能正常運(yùn)行時(shí)，污泥池內(nèi)富集污泥無出路，只能隨著上部出水“翻入”到澄清池，繼而又重新進(jìn)入污水系統(tǒng)首端重力罐，這將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)回?fù)剿|(zhì)惡化，長時(shí)間運(yùn)行將增大污水系統(tǒng)中各段處理設(shè)施運(yùn)行負(fù)荷。同時(shí)，也影響藥劑體系性能的正常發(fā)揮，最終給凈水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)帶來負(fù)面影響。

1.2 出站水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但井口水質(zhì)不達(dá)標(biāo)

(1) 注水管網(wǎng)存在二次污染現(xiàn)象。這種現(xiàn)象易在“老站”和“老區(qū)塊”出現(xiàn)。一般情況下，出站合格水在輸送過程中遭到“不干凈”管網(wǎng)的二次污染，往往造成注水井口處水中懸浮物、油、細(xì)菌等參數(shù)含量超標(biāo)。

(2) 外輸水水質(zhì)穩(wěn)定性較差。個(gè)別油田含油污水中含有易氧化的還原性離子和存在較嚴(yán)重的碳酸鹽自結(jié)垢趨勢，這些因素的存在，將導(dǎo)致外輸水在回注過程中易氧化成難溶于水的新生態(tài)的氧化產(chǎn)物和生成新生態(tài)的碳酸鹽垢產(chǎn)物，這些產(chǎn)物的形成往往導(dǎo)致合格水中懸浮物含量呈現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

2 注水水質(zhì)穩(wěn)定性控制研究

2.1 污水系統(tǒng)來液穩(wěn)定性的控制研究

2.1.1控制原油系統(tǒng)來液的穩(wěn)定性

針對一個(gè)運(yùn)行較平穩(wěn)的原油系統(tǒng)來說，按照慣例，每年的5～10月是原油上產(chǎn)的黃金季節(jié)，期間油田增產(chǎn)措施井的增多和日產(chǎn)液量的提高，給系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來一定的壓力。加上大量的用于增產(chǎn)措施的化學(xué)藥劑進(jìn)入到采出液中，給原油脫水帶來一定的影響，常常表現(xiàn)出油水分離效果變差，污水系統(tǒng)前段來液含油“意外升高”，超出現(xiàn)用藥劑的凈化能力，快速破壞污水凈化系統(tǒng)已建立的良好環(huán)境體系，在一定程度上影響處理后水質(zhì)，特別是冬季水溫偏低易影響藥劑的處理性能，造成處理后水質(zhì)無法保證長期穩(wěn)定。

2.1.2控制系統(tǒng)內(nèi)回?fù)剿|(zhì)量

據(jù)現(xiàn)場考證，由于污水回?fù)搅康脑黾雍突負(fù)剿|(zhì)量(水中污泥量增加)下降，回?fù)剿M(jìn)入內(nèi)循環(huán)后給污水系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來的影響是顯而易見的。這是因?yàn)榇罅炕負(fù)剿懈患摹皺C(jī)雜”均為“老泥”，顆粒表面呈電中性，其形態(tài)多為極細(xì)小顆粒，極易高度分散在系統(tǒng)來水中，降低了混凝藥劑的電中和性能，給含油污水的“脫穩(wěn)”帶來影響，凈水水質(zhì)不理想，往往表現(xiàn)在反應(yīng)罐出口水中漂浮大量黑色顆粒，水中懸浮物、含油超標(biāo)，水色灰暗。但是，經(jīng)過后段的沉降處理(大量“機(jī)雜”可通過重力沉降得到有效去除)，外輸出口水色較清亮，水中含油較少。

2.1.3治理措施研究

預(yù)防上述現(xiàn)象的發(fā)生，認(rèn)為有以下幾種措施較好，可進(jìn)一步改善處理后水質(zhì)。

(1) 預(yù)處理工藝技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)處理工藝技術(shù)的應(yīng)用不僅給后端污水處理減輕壓力，而且新增藥劑的單位處理費(fèi)用較低。配套預(yù)處理藥劑的性能和投加工藝的選擇是預(yù)處理工藝技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

(2) 提高凈水藥劑的抗風(fēng)險(xiǎn)性能。所用藥劑配方體系，應(yīng)考慮在來水含油較高的情況下，能夠增強(qiáng)絮體在流動過程中的抗剪切能力、加劇絮體的沉降速度。

(3) 提高污泥質(zhì)量。通過優(yōu)化藥劑配方和運(yùn)行工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高污水系統(tǒng)凈化過程中所形成的絮體密實(shí)性和沉降速度以及縮短泥水分離時(shí)間，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)減少污泥的產(chǎn)生量以及對污泥池的加強(qiáng)維護(hù)。

2.2 含油污水中還原性金屬離子去除方法研究

目前，能夠有效去除油田水中Fe2+、S2-的實(shí)用措施包括物理、化學(xué)方法，需根據(jù)污水特性選用。

2.2.1化學(xué)氧化方法

通過在污水中投加一定量的化學(xué)氧化劑，使S2-、Fe2+得到充分氧化，形成S、Fe3+，在凈化過程中隨污泥排出系統(tǒng)。該方法優(yōu)點(diǎn)：見效快、成本較低，對二價(jià)鐵、硫化物均有效；缺點(diǎn)：加藥量的精確控制困難，污水中S2-、Fe2+濃度變化大時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)按需加藥。過量投加不僅會產(chǎn)生腐蝕，還會使絮體變得松散；加量不足，則去除不徹底。

2.2.2化學(xué)沉淀方法

通過在污水中投加堿，使Fe2+形成Fe(OH)2，在凈化過程中隨污泥排出系統(tǒng)，只對二價(jià)鐵有效。 該方法優(yōu)點(diǎn)：方法簡便，對硫酸鹽還原菌有殺滅作用；缺點(diǎn)：水中堿度(碳酸氫根)也消耗堿，堿量大，要徹底去除Fe2+，pH值必須控制在10以上，導(dǎo)致結(jié)垢加重。

2.2.3空氣氧化法[3]

通過射流曝氣裝置，將空氣引入到污水中，利用空氣中的氧氣將水中S2-、Fe2+氧化成S、Fe3+。該方法優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、成本低廉，適應(yīng)濃度范圍寬，兼有除油作用。因氣體溶解度小，氧氣不易大量過量，并易被微生物消耗；缺點(diǎn)：前期需投入一定資金購置相應(yīng)的設(shè)備；對罐內(nèi)沉降環(huán)境有一定干擾，曝氣口位置的選擇是關(guān)鍵。

2.3 污水結(jié)垢控制方法研究[4]

新疆油田含油污水結(jié)垢產(chǎn)物多以碳酸鹽產(chǎn)物為主，要抑制CaCO3的結(jié)垢，有幾種基本的途徑，即：降低結(jié)垢離子的含量、投加阻垢劑、進(jìn)行pH值控制、磁化處理等，其中最徹底的是去除結(jié)垢離子。

2.3.1投加阻垢劑或防垢劑

投加阻垢劑或防垢劑是油田控制結(jié)垢通常的做法，可以延長反應(yīng)的誘導(dǎo)期，并且降低晶核生長的速率，在一定程度上阻止結(jié)垢的發(fā)生，并可以改變結(jié)垢物的形態(tài)，使之不形成硬垢。對注水系統(tǒng)和井下結(jié)垢的控制是有效的，但不能消除結(jié)垢反應(yīng)的化學(xué)推動力，產(chǎn)生的結(jié)垢產(chǎn)物會增加注入水的懸浮物含量，堵塞低滲注入層。該方法優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、成本較低；缺點(diǎn)：結(jié)垢的抑制作用是有限的和有條件的。

2.3.2適量加酸調(diào)節(jié)pH值

對碳酸鹽結(jié)垢是有效的，在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。該方法優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、成本較低；缺點(diǎn)：產(chǎn)生額外的腐蝕，必須采取措施加以控制。

室內(nèi)利用ScaleChem結(jié)垢軟件，模擬地層條件，考察不同濃度的CO2條件下，含油污水中碳酸鹽的結(jié)垢趨勢。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用水中堿度，適量加酸進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，產(chǎn)生86 mg/L CO2，污水碳酸鈣結(jié)垢量從138 mg/L降為0。

2.3.3水質(zhì)軟化(脫鈣)技術(shù)

由圖2可以看出，采用脫鈣預(yù)處理后的凈化水與未投加脫鈣劑的凈化水相比，在常壓、20～80 ℃條件下，碳酸鈣結(jié)垢趨勢明顯得到改善。與現(xiàn)場來液相比，投加100 mg/L脫鈣劑預(yù)處理凈化水，在30 ℃條件下，水中碳酸鈣結(jié)垢量降低約為150 mg/L，其碳酸鈣脫除率約為60%。這一結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述理論依據(jù)的科學(xué)性。

2.4 電解殺菌技術(shù)應(yīng)用研究[5]

目前，部分油田新建污水處理站均采用“電解食鹽水”殺菌方式。經(jīng)室內(nèi)分析研究，只要控制水中余氯在0.3～0.8 mg/L，即可保證出站水細(xì)菌達(dá)標(biāo)，且不會顯著增加腐蝕。但此殺菌技術(shù)的應(yīng)用有很多技巧，如果加藥位置的選擇、余氯的濃度控制不當(dāng)，不但會影響殺菌效果，還會帶來如下一些負(fù)面影響。

(1) 水中還原性物質(zhì)會消耗大量的有效氯，油田水中主要為Fe2+、硫化物以及部分緩蝕劑和阻垢劑等，應(yīng)避免在污水中直接投加。根據(jù)室內(nèi)研究結(jié)果，10 mg/L的Fe2+或5 mg/L硫化物可將水中10 mg/L的有效氯完全消耗，導(dǎo)致殺菌失敗。

(2) 余氯濃度過高將加重設(shè)備的腐蝕。如果在反應(yīng)器前投加，還會對絮體的密實(shí)性產(chǎn)生不良影響，使絮體變得松散；嚴(yán)重時(shí)，甚至無法絮凝，影響后段絮體的沉降和過濾效果，最終影響到外輸水懸浮物含量和含油量的達(dá)標(biāo)。

(3) 殺菌效率隨溫度升高而增加，隨pH值升高而降低。

3 新疆油田注水水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用

3.1 原油處理系統(tǒng)結(jié)垢控制技術(shù)

按照原油處理系統(tǒng)以防為主的總體思路，結(jié)合室內(nèi)評價(jià)結(jié)果，原油系統(tǒng)以投加阻垢劑的方式控制結(jié)垢的發(fā)生。為了盡可能擴(kuò)大阻垢劑的受益面，減小原油處理系統(tǒng)的整體結(jié)垢程度，阻垢劑的投加點(diǎn)前移，最好設(shè)在原油系統(tǒng)來液端(分線的管匯處)，并采用連續(xù)投加的方式，加藥濃度按來液量控制在10～15 mg/L，現(xiàn)場實(shí)施時(shí)可采用從高到低的方式逐漸優(yōu)化加藥濃度。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 阻垢劑對減少現(xiàn)場污水結(jié)垢的效果

從評價(jià)結(jié)果可以看出，PBTCA阻垢劑在不同溫度下均能表現(xiàn)出良好的阻垢效果。恒溫72 ℃可將碳酸鈣結(jié)垢量從146.52 mg/L減小到34.32 mg/L。

3.2 污水系統(tǒng)凈化結(jié)垢控制技術(shù)

3.2.1水質(zhì)軟化(脫鈣)技術(shù)的應(yīng)用

表2 含油污水脫鈣前后常規(guī)水質(zhì)分析

3.2.2曝氣脫硫技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)場采用射流曝氣裝置在某采油廠污水系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場脫硫中試，外輸泵出口污水中硫去除率由60.8%上升到了94.9%，凈水水質(zhì)的穩(wěn)定性得到提高[6]。其現(xiàn)場中試裝置見圖3，具體試驗(yàn)效果見圖4及表3。

3.3 電解殺菌和腐蝕控制工藝技術(shù)

為了確保注入水井口細(xì)菌含量達(dá)標(biāo)和減輕站內(nèi)污水處理工藝設(shè)施及注水管網(wǎng)腐蝕程度，電解殺菌劑投加點(diǎn)的設(shè)置依據(jù)：①避免因殺菌劑的投加影響水中絮體的形態(tài)；②減小殺菌劑因水質(zhì)惡化帶來的消耗；③若采用電解殺菌集輸，可將余氯投加點(diǎn)分別設(shè)置在污水系統(tǒng)前端和喂水泵入口處，一方面利用其強(qiáng)氧化性，除去系統(tǒng)來水中的還原性離子，另一方面則避免無謂的消耗，在較低的濃度下發(fā)揮良好的殺菌性能。考慮到余氯在長輸管線應(yīng)用中的局限性，可投加少量的季銨鹽殺菌劑，以避免因管網(wǎng)二次污染導(dǎo)致細(xì)菌“復(fù)活”現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 脫硫效果對比情況

緩蝕劑投加點(diǎn)的設(shè)置依據(jù)：考慮到水中余氯對系統(tǒng)管網(wǎng)的侵害性，為盡可能避免和減輕上游管網(wǎng)的腐蝕程度，把其加藥點(diǎn)后移，這樣既可以不影響水質(zhì)的凈化效果，又可以保障注水系統(tǒng)水質(zhì)的穩(wěn)定性。具體試驗(yàn)結(jié)果見表4。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置運(yùn)行平穩(wěn)期間，控制出口水中ρ(余氯)維持在0.5～0.7 mg/L，水中細(xì)菌基本上被殺死。試驗(yàn)期間注水站出口水中余氯略有降低，水中細(xì)菌含量略有增加，但基本達(dá)標(biāo)。

表4 系統(tǒng)外輸泵出口、注水站細(xì)菌含量、pH值、瞬時(shí)腐蝕速率檢測結(jié)果

3.4 污水過濾技術(shù)

目前，新疆油田采出水處理中常采用的過濾器主要有雙濾料過濾器和改性纖維球過濾器。其中，雙濾料過濾器一般用做一級過濾，按填裝的濾料分，有“無煙煤+石英砂”和“核桃殼+石英砂”，前者除懸浮物能力強(qiáng)，后者除油效果較好，但是控制顆粒粒徑能力差。一級過濾精度基本可以達(dá)到ρ(懸浮固體)≤3.0 mg/L、懸浮物粒徑中值≤3.0 μm。改性纖維球過濾器由于過濾精度高，一般用做二級過濾，過濾精度可達(dá)2 μm及以下。具體試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)場凈化水通過2級精細(xì)過濾，可將水中粒徑控制在1 μm級左右，而且具有良好的除油效果。室內(nèi)分析表明，過濾器出口水中均未檢出含油。

3.5 污泥脫水減量化技術(shù)

新疆油田自主創(chuàng)新研發(fā)并不斷改進(jìn)的輻流式污泥濃縮池具有較好的污泥濃縮效果，可以將含水99%的污泥體積濃縮為原來的一半甚至更少，使底泥含水37%～48%，現(xiàn)場管理方便。對于濃縮池底部含水97%的底泥，尚需使用機(jī)械干化。目前，新疆各油田污泥處理一般采用脫水干化法，其工藝為：系統(tǒng)排除污泥→濃縮池→脫水工藝→泥餅→外運(yùn)填埋。油田常用的有離心脫水機(jī)、板框壓濾機(jī)[7]?，F(xiàn)場污泥檢測結(jié)果見表5。

表5 某處理站現(xiàn)場污泥性質(zhì)檢測結(jié)果

污泥比阻小于0.4×109s2/g為易脫水污泥，從以上分析結(jié)果可以看出，處理站現(xiàn)場污泥比阻大于0.4×109s2/g，屬于難脫水污泥，需要在脫水前投加污泥脫水劑，降低比阻，以利于脫水。污泥脫水劑加量為20～50 mg/L。

總之，采用離心脫水機(jī)，通過加藥調(diào)質(zhì)，可使污泥中的固體顆粒壓實(shí)，一般可將污泥含水率降低到75%，使污泥體積縮減為原來的4%。

4 結(jié) 語

目前，新疆油田經(jīng)凈化處理的含油污水均100%回注地層,影響水質(zhì)穩(wěn)定性的主要因素是水質(zhì)具有嚴(yán)重的碳酸鹽結(jié)垢趨勢、水中含有還原性金屬離子(S2-、Fe2+)以及管網(wǎng)的二次污染等。這些因素的存在，往往使注水井口水中的懸浮固體顆粒、細(xì)菌含量嚴(yán)重超標(biāo)，注水管網(wǎng)中結(jié)垢腐蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重。為了提高、改善注水水質(zhì)穩(wěn)定性，現(xiàn)場采用原油處理系統(tǒng)投加阻垢劑，污水系統(tǒng)采用源頭脫鈣預(yù)處理凈化技術(shù)，優(yōu)化電解殺菌和腐蝕控制工藝參數(shù)，一級、二級污水過濾技術(shù)以及污泥脫水減量化技術(shù)，為油田長期穩(wěn)定注水進(jìn)而提高注水開發(fā)效果提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐麗.離子調(diào)整旋流反應(yīng)法污水處理技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2012,2(14)：4-8.

[2] 商莉，李素芝.中原油田污水中鐵離子對注入水質(zhì)的影響[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012(16):39-40.

[3] 朱義吾.油田開發(fā)中的結(jié)垢機(jī)理及其防治技術(shù)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[4] 陶濤，黃戰(zhàn)飛，蔣雄,等.用射流曝氣預(yù)處理高濃度硫化染色廢水[J].工業(yè)水處理,1991，11(1)：27-28.

[5] 丁慧，陳文峰,王海亮.油田采出水電解殺菌技術(shù)[J].油氣田地面工程，2003，6(22):31-32.

[6] 嚴(yán)忠,莊術(shù)藝,馬曉峰,等.曝氣脫硫技術(shù)在新疆油田含油污水處理中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2013,42(5):540-544.

[7] 楊岳，李文新,王海亮,等.含油污泥干化處理[J].環(huán)境工程，2008，26(6)：568-570.