油田采油廢水回注處理技術(shù)研究新進(jìn)展
[摘要]隨著國(guó)家節(jié)能減排力度的加強(qiáng)，海洋平臺(tái)污水排放標(biāo)準(zhǔn)將越發(fā)嚴(yán)格，污水回注處理將是今后海洋平臺(tái)污水的唯一出路，文章首先分析了含油污水的性質(zhì)，然后重點(diǎn)介紹了污水回注處理過(guò)程中常用的四種技術(shù)(氣浮選分離技術(shù)、離心旋流分離技術(shù)、精細(xì)過(guò)濾技術(shù)及膜分離技術(shù))及其原理，并介紹了他們最新的研究和應(yīng)用情況，最后對(duì)今后含油污水回注處理技術(shù)的發(fā)展方向發(fā)表了個(gè)人的看法。
[關(guān)鍵詞]氣浮選；乳化油；精細(xì)過(guò)濾；膜分離
隨著開(kāi)采時(shí)間的推移，中國(guó)海洋石油的大部分油田相繼進(jìn)入二次開(kāi)采(即注水開(kāi)采)階段，二次開(kāi)采階段的到來(lái)一方面增大了對(duì)注水量的需求，另一方面也大大增加了油田采出水的量，這些廢水如果不經(jīng)過(guò)處理就直接排放的話(huà)勢(shì)必會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成極其惡劣的影響。相反，如果這些廢水經(jīng)處理后用于回注，不但滿(mǎn)足了日益增大的注水量的需求，還減少了對(duì)環(huán)境的污染；同時(shí)由于油田采油廢水中具有與油藏的良好配伍性，將這些污水深度處理之后用于回注對(duì)提高油田的采收率具有積極的作用。
1采油廢水的性質(zhì)
采油廢水是指從地層中隨原油一起被開(kāi)采出來(lái)的水，經(jīng)歷了原油處理的大部分流程，因此污水中雜質(zhì)種類(lèi)及性質(zhì)都和油藏的地質(zhì)條件，注水水質(zhì)等有很大的關(guān)系。這種污水是一種含有固體雜質(zhì)、液體雜質(zhì)、溶解氣體和溶解鹽類(lèi)等復(fù)雜的多相體系。采油廢水中的油的存在形式主要有5種：
(1)浮油,其粒經(jīng)一般大于100μm，以連續(xù)相的形式漂浮于水面，形成油膜或油層；
(2)分散油，以微小的油滴懸浮于水中，不穩(wěn)定，靜置一段時(shí)間后通常變成浮油，油滴的粒經(jīng)一般介于10~100μm之間；
(3)乳化油，粒徑為0.001~10μm，具有一定的穩(wěn)定性，單純用靜止沉降法無(wú)法去除，是采油廢水的主要處理對(duì)象。
(4)溶解油，以一種化學(xué)方式溶解的微粒分散油，油粒直徑小于0.001μm，一般原水中此部分油僅占總含油量的1%以下，在處理過(guò)程中也有一定比例的去除,但不作為污水處理的主要對(duì)象；
(5)固體附著油，吸附于廢水中固體顆粒表面的油，這種油會(huì)隨著固體顆粒的去除而去除。
2含油廢水回注處理技術(shù)研究新進(jìn)展
在含油污水回注處理中使用和研究得比較多的技術(shù)主要有氣浮選技術(shù)，離心旋流分離技術(shù)，精細(xì)過(guò)濾技術(shù)以及最近新發(fā)展起來(lái)的膜分離技術(shù)，這幾種技術(shù)由于其設(shè)備體積小，效率高，效果好，因此得到了廣泛的應(yīng)用和研究。
2.1氣浮選技術(shù)
氣浮選技術(shù)基本原理是在含油污水中通入大量微小氣泡，并利用其作為載體與污水中的油珠和懸浮絮粒相互粘附，形成整體密度小于水的浮體上浮至水面，使污水中的油珠和懸浮狀等物質(zhì)與污水分離，達(dá)到凈化污水的目的。
在污水處理中，根據(jù)水中形成氣泡的方式的不同可將氣浮法分為四種類(lèi)型，即溶氣氣浮法，誘導(dǎo)氣浮法、電解氣浮法和化學(xué)氣浮法。任連鎖、鄭杰等人[1]采用二級(jí)串聯(lián)電氣浮技術(shù)來(lái)處理油田污水，并對(duì)前置預(yù)處理、一級(jí)自然電氣浮、二級(jí)自然電氣浮和絮凝劑及其投加方法對(duì)處理效果的影響進(jìn)行了研究，取得電氣浮處理技術(shù)的主要影響因素，并在安徽油田歐北聯(lián)合站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二級(jí)電氣浮出口污水中含油量低于20mg/L，基本達(dá)到該油田的注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；另外電氣浮技術(shù)還有很好的殺菌消毒作用。杜新勇、王飛[2]等人利用溶氣浮選技術(shù)對(duì)河南油田下二門(mén)聯(lián)合站分離器出口污水進(jìn)行處理研究，發(fā)現(xiàn)：(1)氣浮選技術(shù)處理聯(lián)合站三相分離器出口污水具有明顯效果，污水含油可由1000±300mg/L降至30mg/L以下。(2)氣浮選技術(shù)用于去除污水中懸浮物時(shí)，須有藥劑配合方可顯出效果。(3)提高溶氣量并不能改善原油和懸浮物的浮選效果，反倒提高了處理水中的含氧量，說(shuō)明溶氣量有一臨界值。于振民[3]采用撫順石油化工研究院開(kāi)發(fā)的一種新型葉輪氣浮設(shè)備對(duì)中石化煉油事業(yè)部污水處理廠(chǎng)的污水進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)葉輪氣浮機(jī)可以達(dá)到與溶氣浮選池相近的除油和除COD效果。與溶氣浮選池相比，葉輪氣浮機(jī)采用低能耗的自引式氣液混合機(jī)作為微氣泡發(fā)生器，并且不需要溶氣回流水，停留時(shí)間短，具有能耗低、占地小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作與維護(hù)方便等特點(diǎn)，可以作為溶氣浮選的替代技術(shù)。文昌奮進(jìn)號(hào)PFSO上使用兩級(jí)氣浮選技術(shù)處理經(jīng)水力旋流器處理后的生產(chǎn)污水，進(jìn)口含油量大于100mg/L，出口含油小于15mg/L，達(dá)到了排放的要求。
2.2離心旋流分離技術(shù)
離心分離是使裝有廢水的容器高速旋轉(zhuǎn)，形成離心力場(chǎng)，因顆粒、油和污水的密度不同，受到的離心力也不同。密度大的受到較大離心力作用被甩向外側(cè)，密度小的廢水則留在內(nèi)側(cè)，各自通過(guò)不同的出口排出，達(dá)到分離污染物的目的。含油廢水經(jīng)離心分離后，油集中在中心部位，而廢水則集中在靠外側(cè)的器壁上，這樣就達(dá)到了油水分離的目的。
液-液分離器是基于固液分離旋流器發(fā)展而來(lái)的。其始于1967年英格蘭海南岸的“TorreyCanyon”油輪遇難事件，1984年液-液旋流器在海洋平臺(tái)上試驗(yàn)成功[4]，次年在英國(guó)北海油田和澳大利亞巴氏海峽油田的海上石油開(kāi)采平臺(tái)使用，正式進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。液-液分離旋流器經(jīng)歷了一個(gè)由單錐到雙錐以及改進(jìn)的單錐，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的發(fā)展過(guò)程，其分離技術(shù)目前主要呈現(xiàn)出兩個(gè)研究發(fā)展趨勢(shì)：一是以英國(guó)Southampton大學(xué)為代表的靜態(tài)旋流分離技術(shù)；二是以法國(guó)TOTALCEP和NEYRTEC為代表的動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)[5]。在靜態(tài)旋流分離方面,英國(guó)Southampton大學(xué)的研究人員主要以含油污水的旋流凈化為對(duì)象，在A型旋流管的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，先后推出了B、C、D、E直到1985年發(fā)展出了F型旋流管，單管條件下的臨界粒徑為60μm，兩管串聯(lián)時(shí)的臨界粒徑為40μm，三管串聯(lián)時(shí)的臨界粒徑為30μm。繼F型旋流管之后，他們又通過(guò)對(duì)液滴粒徑分布、油水密度差等介質(zhì)特性參數(shù)，壓力比、處理量等工況參數(shù)及入口截面、特征直徑、長(zhǎng)徑比、幾何形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選研究，相繼發(fā)展出了G型和K型旋流管。G型旋流管的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、分離能力更強(qiáng)、操作彈性也更大。而K型旋流管在結(jié)構(gòu)上采用了全新的幾何形狀，進(jìn)一步在高效與低阻方面取得新的突破，其在低壓區(qū)性能更佳，分離效果更好，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用表明在氣舉采油等惡劣分離條件和系統(tǒng)壓力僅0.2MPaG的低壓場(chǎng)合下，K型旋流管仍能有效工作。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)也對(duì)旋流器進(jìn)行了大量的研究工作，不過(guò)研究的重點(diǎn)主要是分離操作參數(shù)對(duì)分離效果的影響和分離器內(nèi)部流場(chǎng)的研究。西南石油大學(xué)艾志九和牛貴峰[6]采用數(shù)值模擬方法對(duì)各種入口對(duì)應(yīng)的分離效率進(jìn)行比較，結(jié)果表明采用對(duì)稱(chēng)入口和曲線(xiàn)入口，過(guò)渡平穩(wěn),大大降低了液流的局部湍流程度，提高了分離性能。趙立新和蔣明虎[7]以及薛紅兵[8]等均對(duì)操作參數(shù)對(duì)水力旋流器分離性能的影響開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作，得到和MartinThew、Young等基本一致的研究結(jié)果。崔運(yùn)[9]靜等采用了先進(jìn)的LDV技術(shù)來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)流場(chǎng)，獲得較好的測(cè)量結(jié)果，基本上揭示了旋流器的速度分布等內(nèi)流場(chǎng)特性，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比較，希望得出最佳參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.3精細(xì)過(guò)濾技術(shù)
采出水過(guò)濾時(shí)，有以下三種作用：一是協(xié)同作用，油與懸浮物粘成一體，在懸浮物被去除的同時(shí)，附著的油也隨之除去；二是粗粒化作用，濾料使油珠變大吸附在懸浮物上；三是濾料本身對(duì)油具有一定的截留吸附作用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的過(guò)濾后，一部分原油會(huì)殘留在過(guò)濾層中，這時(shí)可以利用反沖洗使濾層再生，使其重新恢復(fù)過(guò)濾能力。
采出水所用的過(guò)濾器有壓力式和重力式兩種。目前我國(guó)油田普遍采用的是壓力式，有石英砂過(guò)濾器、核桃殼過(guò)濾器、雙層濾料過(guò)濾器、多層濾料過(guò)濾器等。尤其是核桃殼過(guò)濾器，由于濾料親油性能好、截污能力大、質(zhì)地較輕、反沖洗能耗小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但是，由于核桃殼濾料粒度小，反沖洗易流失，尤其是其濾料具有親油性，反洗時(shí)必須采用清洗劑，增加了反洗水的處理負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，隨著纖維材料的應(yīng)用和發(fā)展，以纖維材料為濾料發(fā)展起來(lái)的深床高精度纖維球過(guò)濾器，在食品、制藥、釀造等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多。其濾料纖維細(xì)密，過(guò)濾時(shí)可以形成上大下小的理想濾料空隙分布，納污能力大，去除懸浮物的效果高于石英砂、核桃殼濾料，而且反洗時(shí)不會(huì)出現(xiàn)濾料流失的現(xiàn)象。
趙東風(fēng)對(duì)低滲透油田注水特性進(jìn)行了研究，結(jié)合寶浪油田的實(shí)際情況，在壓力過(guò)濾預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用核桃殼濾料精細(xì)過(guò)濾技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一套采油廢水處理組合工藝。這一技術(shù)在寶浪低滲透油田已有應(yīng)用，先將含油污水經(jīng)粗；藓蛪毫Τ两党凸蕹醪匠秃螅M(jìn)入二級(jí)核桃殼過(guò)濾器(預(yù)濾器)，在正常操作條件下，可以濾除95%~98%的懸浮物和90%~95%的未溶解的石油類(lèi)物質(zhì)，然后再進(jìn)入中心濾芯過(guò)濾裝置(精濾器)，濾芯采用聚丙烯纖維制成。試驗(yàn)證明，經(jīng)此裝置濾掉的最小懸浮顆粒粒徑為0.5..m，可以滿(mǎn)足寶浪油田寶北區(qū)塊低滲透油藏的注水要求，采油廢水的回注率可以控制在98%。張偉[10]針對(duì)薩北油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)后期，油田深度污水處理難度日益加大的問(wèn)題，引進(jìn)改性纖維球?yàn)V料，通過(guò)試驗(yàn)，優(yōu)化深度污水處理站的過(guò)濾組合，選用“一級(jí)石英砂單向過(guò)濾、二級(jí)改性纖維球過(guò)濾”組合工藝，使濾后水含油≤5.0mg/L、懸浮物含量≤5.0mg/L，減少了占地面積，并節(jié)省了投資。潿洲12-1A平臺(tái)采用改性纖維過(guò)濾器取代已經(jīng)老化廢棄的核桃殼過(guò)濾器對(duì)經(jīng)水力旋流分離器處理后的污水進(jìn)行處理，進(jìn)口含油30mg/L，出口含油小于5mg/L，達(dá)到了回注的水質(zhì)要求。
2.4膜分離技術(shù)
膜處理技術(shù)是利用微孔膜攔截油粒，它主要用于去除乳化油和溶解油。濾膜又可分為超濾膜、反滲透膜和混合濾膜。超濾膜的孔徑一般為0.005~0.01..m，比乳化油粒要小的多，反滲透膜的孔徑比超濾膜的還要小。因此，在受壓情況下含油廢水中的油粒無(wú)法通過(guò)濾膜而被截留下來(lái)，這兩種膜常被制成中空纖維管過(guò)濾器，以增大膜的過(guò)濾面積。隨著膜技術(shù)的日益發(fā)展和水平的提高，采出水的膜處理工藝已引起了人們的廣泛關(guān)注。由于采用膜分離方法處理的含油污水可以達(dá)到低滲透油田注水或外排標(biāo)準(zhǔn)，并且適用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Mueller等[11]用AL2O3陶瓷膜處理原油污水，探討了不同操作條件下膜通量的變化。試驗(yàn)表明陶瓷膜具有很好的截留性能。ChenAS[12]及Humphery等[13]采用Membralox陶瓷膜進(jìn)行陸上和海上采油平臺(tái)的采出水處理，適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后的含油廢水經(jīng)過(guò)陶瓷微濾膜處理，出水油含量在5mg/L以下，固體懸浮物含量在1mg/L，遠(yuǎn)低于低滲透油田的回注水標(biāo)準(zhǔn)。劉立軍、陳雪梅[14]等人利用自制的內(nèi)壓式聚砜中空纖維超濾膜對(duì)含油污水進(jìn)行處理研究，并結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)完成油水分離的全過(guò)程。研究結(jié)果表明：中空纖維超濾膜能夠?qū)⒑臀鬯?5%以上的油分子進(jìn)行截留，較好地完成了油水分離，同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用洗滌劑清洗含油污水造成的膜污染，恢復(fù)率可以達(dá)到95%以上。李發(fā)永[15]采用外管式聚砜超濾膜裝置現(xiàn)場(chǎng)處理采油污水，研究了操作壓力、膜面流速等操作條件對(duì)超濾膜通量的影響及膜污染的清洗方法，處理過(guò)的污水達(dá)到低滲透油田注水標(biāo)準(zhǔn)。石油大學(xué)藺愛(ài)國(guó)等人采用荷電膜(一種通過(guò)改性往膜材料接枝上與水中顆粒帶相反電荷的膜)處理勝利辛一站污水，進(jìn)口污水懸浮物含量20~100mg/L，含油量2~20mg/L，懸浮物粒徑4~17μm，出口懸浮物含量0.8mg/L，含油量0.5mg/L，懸浮固體粒徑中值0.72μm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)SY/T5329-94D的A1級(jí)。
3展望
無(wú)論是何種分離技術(shù)，其都不是萬(wàn)能的，不同的分離技術(shù)適用于不同的含油污水水質(zhì)情況，只有將幾種技術(shù)有機(jī)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，合理運(yùn)用才能使得這些技術(shù)發(fā)揮最大的效果。因此，開(kāi)發(fā)出多種組合工藝及多功能集成的一體化設(shè)備，集高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)于一體的小型采油廢水處理裝置將在區(qū)塊采油開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用，將是今后一段時(shí)間的研究熱點(diǎn)。
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