橫向流聚結-氣浮工藝處理強堿三元采出水試驗研究

李鐵軍

大慶油田設計院有限公司

三元（alkaline/surfactant/polymer，ASP）復合驅油技術因其可以大幅度提高原油采收率而被廣泛研究[1]。三元復合驅油技術是聯合使用堿、表面活性劑和聚合物作為驅替劑驅替原油的技術，這三種化學試劑在提高原油采收率（EOR）過程中起著不同的作用[2-4]，且相互協同提高采收率。三元復合驅油技術的廣泛應用導致采出水量明顯增大，且三元采出水的處理也是一個不可忽視的問題[5-6]。ASP采出水中殘留的堿、表面活性劑、聚合物等物質增加

了采出水的穩定性，導致油水界面的特性發生改變，使油滴更穩定[7]。

現階段對ASP 采出水進行處理的技術包括物理、化學和生物方法[8]。常規水驅采出水處理技術又包含沉降[9]、氣浮[10]、破乳[11]、膜分離[12]等多種處理工藝，但對三元復合驅采出水處理的研究報道并不多。近年來，在斜板隔油池的基礎上，設計出了橫流聚結式隔油池用于油田污水處理，取得了良好效果[13]。氣浮的作用在于去除工業和城市廢水中的油、膠體和懸浮固體。1998 年在克拉瑪依油田首次使用氣浮技術處理大規模的石油石化廢水，在運行期間有效去除了乳化油和懸浮固體。因此，本研究開展了橫向流聚結-氣浮組合工藝對三元污水處理試驗，分析該工藝對三元污水中的油和懸浮固體的去除情況，并評價處理效能，旨在為油田三元污水處理技術提供一個新的工藝組合。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用水

試驗用水為大慶油田南五處理站三元復合驅采出水，pH值為9.87，其他水質特性見表1。試驗用水中油和懸浮固體質量濃度（以下簡稱濃度）分別為160～250 mg/L 和380～460 mg/L，堿、表面活性劑和聚合物濃度分別為3 200～4 000 mg/L，60～120 mg/L和600～900 mg/L，黏度為2～6 mPa·s。采出水中COD 和 BOD5濃度分別為 1878.20 mg/L 和310.45 mg/L，由于BOD5和COD 含量之比為0.165，所以具有較低的可生物降解性。采出水中氨氮（NH3-N）濃度高達38.24 mg/L，硫化物濃度為22.2 mg/L，硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌的濃度分別為3.20 mL-1、1.56 mL-1和2.25 mL-1，鹽度為6‰，為中等鹽度工業廢水。

表1 三元復合驅采出水水質分析

1.2 檢測方法

含油量的測定參照SY/T 0530—2011《油田采出水中含油量測定方法分光光度法》，懸浮固體含量的測定參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》。

1.3 橫向流聚結-氣浮組合工藝示意圖

圖1為橫向流聚結-氣浮組合工藝的示意圖，所用系統主要由橫向流聚結（TFC）區、第一階段氣浮、第二階段氣浮組成。三元復合驅采出液經管道進入橫向流聚結（TFC）區，在該區域中進行初步油水分離，分離后的污水進入兩級氣浮裝置，進一步完成油水分離，并對污水中懸浮固體進行有效處理。

圖1 橫向流聚結-氣浮工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of transverse flow coalescence-air flotation process flow

1.3.1 橫向流聚結工藝參數

系統處理能力為100 L/h，沉降試驗持續時間為24 h，每4 h測定一次含油量和懸浮固體含量。

1.3.2 氣浮試驗參數

系統處理能力為2m3/h，容積負荷為3.75m3/m2·h，水力停留時間為1 h，其中一級氣浮水力停留時間（HRT）為0.5 h，二級氣浮水力停留時間為0.25～0.5 h。在對照試驗中，在沒有輔助條件的情況下關閉氣浮裝置，同時評估油和懸浮固體的去除效率，該試驗的持續時間為48 h。

1.4 優化氣浮部分的回流比

在優化試驗中設定了30%（回流流量0.6 m3/h，泵出口壓力0.5 MPa）、40%（回流流量0.8 m3/h，泵出口壓力0.75 MPa）和50%（回流流量1.0 m3/h，泵出口壓力1.0 MPa）三種不同的回流比，試驗時間為48 h。

2 采出水油水分離特性分析

圖2a 為連續沉降試驗中三元復合驅采出水中油的去除情況。經過24 h沉降，采出水中的含油濃度從208.82 mg/L 降至83.28 mg/L，總去除率為60.12%。在前4 h，含油濃度明顯下降，去除率為32.33%；在接下來的20 h，含油濃度的降低速度變得緩慢。研究表明，隨著含油濃度降低到100 mg/L以下，三元采出水在沉淀池中的沉淀時間需要長達26 h，而在注水系統中需要4 h。這是由于三元復合驅體系中使用了堿、表面活性劑和聚合物，采出水中殘留的大量化學劑改變了油水界面的特性，形成穩定的乳化狀態，因此三元復合驅采出水的處理比水驅采出水的處理更加困難。

圖2b 為連續沉降試驗中三元復合驅采出水中懸浮固體的去除情況。采出水中懸浮固體濃度為424.68 mg/L，經過24 h連續沉降，懸浮固體濃度降至182.96 mg/L，總去除率為56.92%。在試驗的前4 h，懸浮固體濃度降至335.38 mg/L，去除率為21.03%；在接下來的20 h，懸浮固體含量降低速度變得緩慢。與水驅系統相比，三元復合驅采出水中懸浮固體含量更高，粒徑更大，處理難度更大。近年來，大慶油田現有的水驅采出水的自然沉降和混凝沉降系統已不能滿足處理三元復合驅采出水的要求，應開展技術優化和創新以滿足三元復合驅采出水的處理要求。

圖2 連續沉降實驗中三元復合驅采出水中油和懸浮固體的去除情況Fig.2 Removal rates of oil and suspended solids in the ASP produced water during the continuous sedimentation experiment

3 組合工藝處理效能分析

3.1 除油效能分析

3.1.1 油水分離試驗

首先進行對照試驗，關閉氣浮裝置，并對油的去除率進行評價。圖3a 為關閉氣浮裝置下含油量和懸浮固體的去除情況。在運行的第一個24 h，橫向流聚結區和氣浮段的平均除油率分別為2.60%和20.41%，平均總除油率為23.01%；在隨后的24 h運行中，裝置進入穩定運行階段，橫向流聚結區和氣浮段的平均除油率分別為4.18%和29.20%，平均總去除率為33.38%。圖3b 為氣浮試驗，在開啟氣浮裝置條件下油和懸浮固體的去除情況。在運行的第一個24 h，橫向流聚結區和氣浮段的平均除油率分別為2.40%和42.61%，平均總除油率為45.01%；在隨后的24 h運行中，裝置進入穩定運行階段，橫向流聚結區和氣浮段的平均除油率分別為2.53%和48.64%，平均總去除率為51.17%。結果表明，在未開啟氣浮裝置條件下，工藝穩定階段，油去除率為33.38%；在開啟氣浮裝置條件下，工藝穩定階段，油去除率為51.17%，較未開啟時提高20%左右，說明氣浮可顯著提高三元復合采出水油水的分離效率。

圖3 橫向流聚結-氣浮工藝對三元采出水含油去除情況Fig.3 Removal rates of oil content in the ASP produced water by transverse flow coalescence-air flotation process

3.1.2 不同氣浮回流比下除油效能分析

圖4a、圖4b 和圖4c 分別為氣浮裝置回流比為30%、40%和50%情況下的除油情況。當回流比為30%時，整個工藝中油的平均總去除率為69.09%，去除率的提高主要集中在氣浮段，在運行初始24 h內油去除率從42.61%提高到62.66%；穩定運行階段（24～48 h），平均總去除效為71.11%，橫向流聚結區和氣浮段的去除率也分別提高到6.30%和64.81%?；亓鞅葹?0%時，平均總除油率提高到76.79%，這是由于TFC 工藝區的油去除率升高到14.52%，整個工藝中油的去除率顯著升高。當回流比為50%時，整個工藝的油去除率呈現下降趨勢，整個試驗周期內油的平均去除率為41.90%。因此，不同回流比對整個工藝油的去除率有明顯影響，當氣浮裝置回流比為40%時，橫向流聚結-氣浮組合工藝對三元復合驅采出水的油去除效果最佳。

圖4 不同回流比下橫向流聚結-氣浮組合工藝對三元采出水油的去除情況Fig.4 RemovalratesofoilcontentintheASPproducedwaterbytransverseflowcoalescence-airflotationprocessunderdifferentreflux atios

3.2 懸浮固體的去除特性分析

3.2.1 懸浮固體去除效能分析

圖5a 為對照試驗，關閉了氣浮裝置。在對照試驗中，調試運行階段內24 h的橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別為22.26%和18.60%，平均總去除率為40.86%；在穩定運行階段的24 h內，橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體去除效率分別為20.88%和17.96%，平均總去除率為38.84%。如圖5b 所示，在氣浮試驗中，初始運行24 h內，橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別為19.06%和19.67%，平均總去除率為38.73%；在穩定運行的24 h內，橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體去除率分別為18.16%和20.45%，平均總去除率為38.61%。

圖5 橫向流聚結-氣浮組合工藝對三元采出水懸浮固體去除情況Fig.5 Removal rates of suspended solids in the ASP produced water by transverse flow coalescence-air flotation group process

3.2.2 不同氣浮回流比條件下懸浮固體去除效能分析

圖6a、圖6b 和圖6c 分別為氣浮裝置回流比在30%、40%和50%條件下懸浮固體的去除情況。當回流比為30%時，初始運行的24 h內，懸浮固體的平均總去除率提高到58.44%，橫向流聚結區和氣浮段的去除率也分別提高到26.93%和31.51%；在穩定運行的運行24 h，平均總去除效率增加到59.32%，橫向流聚結區和氣浮段的去除效率分別為26.93%和32.39%?；亓鞅葹?0%時，在運行第一個24 h 內，懸浮固體的平均總去除率增加到69.15%，橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別增加到32.37%和36.78%；在隨后的24 h運行中，橫向流聚結區和氣浮段的平均懸浮固體去除率分別為32.97%和38.13%，平均總去除率為71.10%。當回流比固定在50%時，初始運行24 h內的橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體平均去除率分別下降到19.24%和23.05%，懸浮固體平均總去除率為42.29%；隨后穩定運行24 h，橫向流聚結區和氣浮段的懸浮固體去除率分別為19.64%和24.18%，平均總去除率為43.83%。

圖6 不同回流比下橫向流聚結-氣浮工藝對三元采出水懸浮固體去除情況Fig.6 Removal rates of suspended solids in the ASP produced water by transverse flow coalescence-air flotation process under different reflux ratios

4 結論

三元復合驅采油技術是一項重要的三次采油技術，但由于化學品的使用，使得三元采出水更難處理。油和懸浮固體含量對于評價采出水的處理效果非常重要。

橫向流聚結-氣浮工藝對三元復合驅采出水中油的去除效能顯著。不同氣浮回流比能夠影響工藝處理效能，在回流比為40%時除油效果最佳，整個工藝穩定運行階段對污水中油和懸浮固體的平均總去除率分別為78.36%和71.10%。

橫向流聚結-氣浮工藝對采出水中油的去除主要集中在氣浮裝置段，橫向流聚結區除油效果不明顯。整個工藝中，氣浮段對懸浮固體的去除效果與橫向流聚結區基本一致。

橫向流聚結-氣浮組合技術可以節省大量時間，對三元采出水處理效果好，可以作為一種替代傳統沉降工藝的采出水處理方法。