反冲洗过滤器处理油田采油污水技术

来源: 铭源凯德过滤设备（北京）有限公司

  反冲洗过滤器处理油田采油污水技术

　1 油田采出污水的来源及主要成份
　　目前，我国陆上油田基本都采用注水开发方式，即向地层注入高压水驱动原油
　　使其从油井中被开采出来。经过*段时间注水后，注入水将随原油*起被采出，随着开发时间延长，采出原油含水率不断上升，采出污水在地面经过处理合格，再回注地下，循环使用。
　　采出污水中所含的杂质成份，*般包括以下五类物质：
　　（1） 悬浮固体
　　颗粒直径范围在 1~100μm之间，主要包括：①泥砂：0.05~4μm的粘土、4~60μm的粉砂和大于 60μm的细砂；②各种腐蚀产物及垢：Fe2O3、MgO、FeS、CaSO4、CaCO3等；③细菌：硫酸盐还原菌（SRB）5~10μm，腐生菌（TGB）10~30μm；④有机物：胶质沥青质类和石蜡等重质油类。
　　（2） 胶体
　　粒径为 1×10-3~1μm。主要由泥砂、腐蚀结垢产物和微细有机物构成，物质组成与悬浮固体基本相似。
　　（3） 分散油及浮油
　　采出污水所含的原油，90*左右为 10~100μm 的分散油和大于 100μm 的浮油。
　　（4） 乳化油及溶解油
　　原水中有 10*左右的 1×10-3~10μm的乳化油。此外还有*少的溶解油，其粒径小于 1×10-3μm。溶解油含量很少，不作为污水处理的主要对象，在净化水中主要含有溶解油。
　　（5） 溶解物质
　　在水中处于溶解状态的小分子及离子物质，主要包括：①溶解在水中的无机盐类。基本上以阳离子的形式存在，其粒径都在 1×10-3μm以下，主要包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Cl-、HCO3-、CO32-等；②溶解气体。如O2、CO2、H2S、烃类气体等，其粒径*般为 3×10-4~5×10-4μm。
　　2 油田采出污水处理工艺现状
　　对于注水开发的油田来说，处理采出污水的主要目是为了回注，*般来说，油田注水水质有如下几方面的要求： *是注入水不应携带超标悬浮物、有机淤泥和油；二是要严格限制水中固体颗粒的粒径，以防堵塞地层；三是在运行条件下注入水不应结垢；四是注入水对水处理设备、注水设备和输水管线腐蚀性要小。因此，油田污水处理工艺中，就是以满足注入水质要求为出发点，来选择合适的处理方法，确定技术经济合理的采出污水处理工艺。
　　2.1 油田采出污水常用的处理方法
　　（1） 重力分离除油（自然除油）
　　重力分离除油方法，是根据油和水的密度不同，利用油水密度差使油上浮，达到油水分离的目的。油田上常用的重力分离除油设备有立式除油罐、斜板除油罐和粗粒化除油罐等。
　　立式除油罐是目前应用*为普遍的采出污水除油设备。含油污水经进水管流入罐内中心筒，经配水管流入沉降区。水中粒径较大的油滴在油水相对密度差的作用下首先上浮至油层，粒径较小的油滴随水向下流动。在此过程中，*部分小油滴由于自身在静水中上浮速度不同及水流速度梯度的推动，不断碰撞聚结成大油滴而上浮，无上浮能力的部分小油粒随水进入集水管，经出水系统流出除油罐。
　　斜板除油罐是根据“浅池理论”开发的*种除油设备，其结构与普通立式除油罐基本相同，主要区别是在普通除油罐中心筒外的分离区*定部位加设了斜板组。含油污水从中心筒出来之后，先在上部分离区进行初步的重力分离，较大的油珠颗粒先被分离出来，然后污水通过斜板区，油水进*步分离。分离后的污水在下部集水区流入集水管，汇集后的污水由中心柱管上部流出除油罐。在斜板区分离出的油珠颗粒上浮到水面，进入集油槽后由出油管排出到收油装置。斜板材质在选用上要求在污水中长期浸泡不软化、不变形、耐油、耐腐蚀，主要有聚氯乙烯和不饱和聚酯玻璃钢等。
　　所谓粗粒化，就是使含油污水通过*个装有填充物（也叫粗粒化材料）的装置，在污水流经填充物时，使油珠由小变大的过程。经过粗粒化后的污水，其含油量及污油性质并不变化，只是更容易用重力分离法将油除去。粗粒化的对象主要是水中的分散油，粗粒化除油是粗粒化及相应的沉降过程的总称。关于粗粒化的机理，目前有两种观点，*种是建立在亲油性粗粒化材料（如聚丙烯塑料球、无烟煤等）基础上的“润湿聚结”理论，*种是建立在疏油材料（如蛇纹石、陶粒等）基础上的“碰撞聚结”理论。当然，无论是亲油还是疏油材料，两种聚结都是同时存在的，只是前者以“润湿聚结”为主，后者以“碰撞聚结”为主。
　　（2） 混凝处理法
　　经过自然除油后，污水中的浮油基本上被全部去除，10μm以上的分散油也大部分去除，水中主要含有乳化油及小颗粒的悬浮物，这些需要用混凝方法来去除，从投加混凝剂起到水中产生大颗粒的凝聚体即矾花为止，总称为混凝过程。

　　（3） 过滤
　　目前，油田采用的过滤方法多属于深床过滤，即污水流经*个较厚（*般为700mm 左右）而多孔的石英砂或者其它粒状物质的过滤床，杂质被留在这些介质的孔隙里或表面，从而使水得到进*步净化。滤床不但能够去除水中的悬浮物和胶体物质，而且还可以去除细菌、藻类、病毒、油类、铁和锰的化物、重金属、以及预处理中加入的化学药品等很多物质。
　　过滤机理包括多种作用：
　　*是吸附作用，即把悬浮颗粒吸附到滤料颗粒表面。影响吸附的化学因素包括
　　悬浮颗粒、悬浮液水体以及滤料的化学性质，其中电化学性质和范德华力是两个*重要的化学性质。
　　二是絮凝作用，即通过加入混凝剂使水中产生小而致密的絮凝体，使之能穿透表面而进入滤床，絮体的形成大大增加了其与滤料颗粒表面接触的机会，使之与滤料颗粒粘接在*起而被去除。
　　三是沉淀作用，小于孔隙空间的颗粒的过滤去除，与*个布满大量浅盘的水池中的沉淀作用是相类似的。
　　四是截留作用，也就是筛滤，即大于孔隙直径的悬浮颗粒被截留在滤层的表面而被去除。
　　按照不同的分类方法，过滤罐可分多种类型：
　　*是按水流通过滤床的方向来分，可分为下向流、上向流、双向流、辐射流和
　　水平流等类型；
　　二是按所用的滤料来分，可分为砂、煤（或无烟煤）、煤-砂、多层、混合滤料、
　　硅藻土、核桃壳等类型；
　　三是按滤速来分，可分为慢滤池、快滤池和高速滤池等；
　　四是按过滤水的水流性质来分，可分为压力式和重力式两种。
　　（4） 化学处理方法
　　1） 防垢剂
　　油田采出污水中垢的种类很多，其中危害*大的是：CaCO3垢、CaSO4垢、BaSO4垢等。油田污水处理中应用的防垢方法有两类，*类是化学防垢法，另*类是物理防垢法。目前，应用比较广泛的是化学防垢法，即向污水中加入防垢剂来防垢。油田上常用的防垢剂有：无机磷酸盐、有机磷酸及其盐类、聚合物及复配型聚合物等。
　　2） 缓蚀剂
　　由于油田采出污水中含有O2、H2S和CO2等腐蚀性气体，对污水处理及注水系统的金属管线及设施易造成腐蚀。不同油田的采出污水中，溶解氧含量、pH值及含盐量（总矿化度）也会有所不同，所以腐蚀性也存在差别。在水处理过程中，可以通过向水中加入缓蚀剂，来减轻水的腐蚀性。缓蚀剂的种类可分为 6 种：①铬酸盐，主要有铬酸钠、铬酸钾、重铬酸钠和重铬酸钾等；②锌盐，主要有ZnCl2、ZnSO4和Zn（NO3）2等；③聚磷酸钠；④水玻璃；⑤缓蚀阻垢剂；⑥有机胺类。
　　3） 杀菌剂
　　在适宜的条件下，大多数细菌在污水中都可生长繁殖，其中危害*大的是硫酸盐还原菌（SRB）和腐生菌（TGB）。SRB 在厌氧环境下能够将水中的无机硫酸盐还原成硫化氢，从而对钢罐及管线形成腐蚀，腐蚀产物 FeS 随注入水回注地层时还会引起堵塞。TGB 大量繁殖的结果是形成细菌膜，致使水中的悬浮物大量增加，从而堵塞注水系统及地层。因此，对污水进行杀菌处理是十分必要的。
　　2.2 油田采出污水处理工艺
　　2.2.1 国内油田采出污水处理工艺
　　（1） 水驱采出水常规处理工艺，处理后水质达到水驱高渗透注水水质指标
　　1） 两*沉降、**过滤的三段处理工艺
　　均采用两*沉降、**过滤的三段处理工艺。通过多年实际应用证明，该工艺具有除油效率高，出水水质稳定，维护管理方便等优点。
　　2） **沉降、**过滤的二段处理工艺
　　随着破乳剂质量的提高及脱水技术的发展，原油脱水站脱出的采出污水含油量已较大幅度降低，含油量在正常情况下已能达到 1000mg/L 以下，因此，为降低基建投资，将三段流程简化为二段流程。主要有以下四种流程：
　　①**沉降、**过滤工艺。
　　②粗粒化+混凝沉降+重力过滤流程
　　③斜板沉降罐+重力过滤流程
　　④粗粒化+斜板沉降+重力过滤流程
　　在上述四个流程中，流程②比流程①停留时间减少*半；流程③比流程①停留
　　时间减少*半；流程④比流程①停留时间减少四分之三。
　　（2） 水驱含油污水深度处理工艺，处理后水质达到低渗透注水指标
　　随着外围油田、老区“表外储层”等低渗透油层的开发，为了满足低渗透油层的注水水质要求，大部分深度处理站是对处理过的已达到高渗透油层注水水质指标的采出污水进行再处理，主要采用两次压力过滤处理工艺。
　　1） 单向压力过滤处理工艺
　　经过常规工艺处理后的采出水，再经两*石英砂慢速过滤（**滤速 8m/h，二*滤速 4 m/h），出水可达到低渗透油层注水水质标准。其特点是流程简单、操作管理方便、处理效果好，但同时也存在着滤速低、滤罐多、占地大等缺点。
　　近年来，开始采用无烟煤、石英砂、磁铁矿等多层介质滤料代替单*介质的石英砂滤料。由于多层滤料*配合理、滤床利用率高，可以提高滤罐截污能力，将滤速提高了*倍，节省了工程投资和占地。
　　2） 双向压力过滤处理工艺
　　双向过滤器工业性试验研究，完成低渗透污水水质双向过滤技术研究。双向过滤器与石英砂慢速过滤工艺相比较，滤速提高了 3 倍，与多层滤料过滤工艺相比，滤速提高了 1 倍。双向过滤工艺在节省基建投资、节省占地方面具有显*优势。但由于双向过滤器的上、下滤速比必须采用计算机程序控制，控制系统所占投资的比例较大，且对管理、维护要求高，近几年在新建站中已不再采用。
　　（3） 聚合物采出水常规处理工艺，处理水质达到高渗透层水质指标
　　采用高分子聚合物注入地下驱油后，采出水中含有*定浓度的聚合物，导致采出水的粘度增加，油水乳化程度加大，油、水、泥的分离难度增大，且原水中含油量、含泥量也较多，进*步加大了含油污水的处理难度。
　　目前，大庆油田主要通过延长污水沉降时间来保证水质达标，将*次沉降罐的停留时间由 4 h 延长为 8 h，二次沉降罐的停留时间由 2 h 延长为 4 h，即总停留时间由 6 h 延长为 12 h。
　　2.2.2 油田采出污水处理技术的发展趋势
　　为解决油田采出污水处理中面临的新课题，近年来，新型污水处理技术及工艺，成为油田开发*域的研究热点，就研究方向来看，主要包括以下三个方面：
　　*是研究开发高效除油技术与设备，提高除油效率，解决高粘度、强乳化三次
　　采油采出污水在除油方面存在的困难。在旋流及气浮除油方面进行了较多地研究与试验。
　　二是研究精细过滤技术，提高对污水中小粒径悬浮物颗粒的去除效果，以减轻回注水因悬浮颗粒粒径超标，对地层的堵塞伤害。核桃壳、纤维球等新型滤料得到应用，膜技术在油田采出污水中应用也开始得到研究。
　　三是以集成化、高效化、小型化和撬装化为研究目标，确定技术上合理、经济上可行的采出污水高效净化回用工艺，以满足“三低”油藏低成本开发的要求。
　　3.1 旋流技术研究进展及其在油田上的应用
　　3.1.1 旋流分离技术简介
　　水力旋流器是*种离心分离装置，当混合介质由切向入口进入旋流腔后，在旋流腔内高速旋转，产生强烈的涡流。在后面连续而来的液体推动下，旋流腔内的液体边旋转边向下运动，其运动路径呈螺旋形。旋转的液体向下进入锥段，旋流器的内径逐渐缩小，液体旋转速度相对加快。由于两相介质的密度差，使两相介质所受的离心力不同，轻质分散相（水及少部分颗粒）向轴线附近的低压区移动，聚集在轴线附近，边旋转边向上移动，从溢流口排出；分离出的颗粒（及*部分水）则由底流口排出。
　　在长期大量的应用实践中，水力旋流器显示出*些突出的优点；①结构简单，成本低廉，易于安装和操作，几乎不需要维护和附属设备；②体积小，处理能力大，可以节省现场空间；③旋流中存在着较高的剪切力，可以破坏颗粒间的凝聚，有利于固相颗粒分*与洗涤，④用途广泛，可完成液体澄清、料浆浓缩、固体颗粒分*、分类与洗涤、液体除气与除砂以及非互溶液体的分离等。在工业技术日新月异的今天，水力旋流器也正在逐步发展为具有高技术意义上的分离装备。
　3.2 气浮技术研究进展及其在油田上的应用
　　3.2.1 气浮技术简介
　　（1） 气浮基本原理
　　气浮就是在含油污水中通入空气，设法使水中产生微细气泡，有时还需要加入浮选剂或混凝剂，使污水中粒径为 0.25~25μm的乳化油和分散油或水中悬浮颗粒粘附在气泡上，随气体*起上浮到水面并加以回收，从而达到含油污水除油除悬浮物的目的。同样，界面能也等于界面张力乘界面面积，界面能也有减小至*小的趋势，所以水中油呈圆球形。当把空气通入含有分散油的污水中，形成大量微小气泡，油粒同样具有粘附到气泡上的趋势以减少其界面能。但并非所有的物质都能吸附到气泡上，这取决于该物质的润湿性，接触角 θ>90o 的疏水性物质容易被气泡粘附，接触角θ<90o 的亲水性物质不易从水中向气泡粘附。为使污水中有些亲水性的悬浮物用气浮法分离，则应在水中加入*定量的浮选剂使悬浮物表面变为疏水性，从而易于粘附在气泡上去除。浮选剂是由*性-非*性分子组成，为表面活性物质。有时水中乳化油含量较高时，气浮之前还需加混凝剂进行破乳，使水中的油呈分散油状态以便于气泡粘附易于用气浮法分离。
　　（2） 气浮类型
　　根据产生微细气泡的方法，气浮法可分为：电解气浮、分散空气气浮、溶解空气气浮三种。
　　1） 电解气浮
　　电解气浮是将正负相间的多组电*浸泡在废水中，当通以直流电时，废水电解，
　　正负两*间产生氢和氧的细小气泡粘附于悬浮物上，将其携带致水面而达到分离的目的。电解气浮法产生的气泡小于其它方法产生的气泡，故特别适用于脆弱絮状悬浮物。电解气浮的表面负荷通常低于 4m3/m2.h。电解气浮，主要用于工业废水处理方面，处理水量约在 10~20m3/h。由于电耗高、操作运行管理复杂及电*结垢等问题，较难适用于大型生产。
　　2） 分散空气气浮
　　分散空气气浮，主要有微气泡曝气气浮与剪切气泡气浮两种形式。主要用于矿物浮选，也用于含油脂、羊毛等污水的初*处理及含有大量表面活性剂的污水。
　　3） 溶解空气气浮
　　溶解空气气浮包括真空气浮与加压溶气气浮两种形式。真空气浮的缺点是其空气的溶解是在常压下进行，溶解度很低，气泡释放量很有限，此外，为形成真空，处理设备需要密闭，其运行和维修较困难。加压溶气气浮是目前常用的气浮法，其原理是使空气在加压的条件下溶解于水，然后通过将压力降至常压而使过饱和的空气经细微气泡形式释放出来。加压溶气气浮的主要设备为水泵、溶气罐、气浮池等。加压溶气气浮有三种基本流程：全溶气流程、部分溶气流程、回流溶气流程。
　　　3.3 膜技术在油田水处理中的应用
　　膜分离技术就是利用膜的选择透过性进行分离和提纯的技术。膜由合成的高分子材料制成，具有形态较整齐的多孔结构，孔径分布均匀。过滤时，所有大直径的粒子全部拦截在滤膜表面上。膜法处理可根据废水中油粒子的大小，合理地确定膜截留分子量，且处理过程中*般无相的变化，常温下操作，有高效、节能、投资少、污染少的特点。近年来，越来越多的膜分离技术开始用于油田采出水的处理。常应用于采油废水处理的膜，包括反渗透（RO）、超滤（UF）、微滤（MF）、电渗析（ED）和纳滤（NF）等。目前，在国内外各大油田应用较多的是超滤膜技术。