宋群華 李國勇 王超

延長油田股份有限公司杏子川采油廠

目前國內(nèi)大部分油田已進(jìn)入開采中后期，其采出水要多于采出油量，有些油田的采出液中含水率高達(dá)90%，為解決水資源浪費和采油污水造成的環(huán)境污染問題，采油污水處理達(dá)標(biāo)后需回注地層[1-2]以提高采油率。延長油田某污水處理站污水處理規(guī)模達(dá)到5 000 m3/d，經(jīng)現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)可知，該污水處理站處理的污水尚未達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)，這將對油田可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響[3-4]。

1 出站污水水質(zhì)對油田的影響

國內(nèi)針對油田污水常采用回注、回用及外排三種處理手段，每種手段處理后其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也不同[5-6]。污水處理站處理的污水經(jīng)玻璃鋼管道輸送，再回注至地層，其注水水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到B2級別。表1為該污水處理站出站水質(zhì)化驗結(jié)果。

由表1可看出，出站水質(zhì)中懸浮物含量、腐蝕速率、SRB菌、鐵細(xì)菌和硫化氫等指標(biāo)均超過B2水質(zhì)指標(biāo)。油田污水經(jīng)污水處理站處理后仍未達(dá)標(biāo)將會帶來以下嚴(yán)重危害：①未達(dá)標(biāo)的回注水將導(dǎo)致油田注入狀況差，油藏開發(fā)效果不理想，造成環(huán)境污染，增加開發(fā)成本[7-8]；②未達(dá)標(biāo)的水質(zhì)極易腐蝕注水站、注水管網(wǎng)和注水管柱，極大縮短管道和設(shè)備的使用壽命，給油田生產(chǎn)帶來較大的安全隱患[9-10]。

表1 水質(zhì)化驗結(jié)果Tab.1 Water quality test results

由于污水處理系統(tǒng)中上述含量超標(biāo)，導(dǎo)致系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，引起凈化污水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，故主要任務(wù)是控制腐蝕、結(jié)垢以及細(xì)菌的繁殖，通過采用新技術(shù)與新工藝，結(jié)合水質(zhì)改性技術(shù)藥劑來優(yōu)化污水處理工藝流程。

2 水質(zhì)改性技術(shù)試驗

對污水站污水中離子進(jìn)行了檢測分析，結(jié)果如表2所示。

表2 離子檢測結(jié)果Tab.2 Ion detection results

由表2數(shù)據(jù)可看出：污水處理站污水中碳酸氫根含量較高，其質(zhì)量濃度大于3 000 mg/L，而延長油田采出水中碳酸氫根質(zhì)量濃度小于1 000 mg/L，需將油田污水內(nèi)加入堿液，調(diào)節(jié)污水pH值使酸堿度發(fā)生變化，更加偏堿性，此舉將完成污水水質(zhì)的改性工作。其原理在于高堿度的條件下污水中存在的電解平衡會被破壞，引起碳酸氫根進(jìn)一步電離成氫離子與碳酸根，而碳酸根將會與污水中存在的鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，此外碳酸根還將與污水中存在的三價鐵離子經(jīng)雙水解化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化鐵沉淀，污水中碳酸氫根將被大量消耗，極大減少設(shè)備腐蝕與結(jié)垢等現(xiàn)象的發(fā)生。同時，高堿度環(huán)境下鐵發(fā)生鈍化，SRB菌無法在此環(huán)境下生存?？赏ㄟ^上述手段來實現(xiàn)水質(zhì)改性降低污水對設(shè)備的腐蝕。

2.1 改性藥劑優(yōu)選

利用污水處理站的來液水樣對pH值與液堿用量之間的關(guān)系進(jìn)行評價與表征，實驗結(jié)果見表3。

表3 pH值與液堿用量之間的關(guān)系Tab.3 Relationship between pH value and liquid alkali dosage

從表3數(shù)據(jù)可以看出，液堿用量與pH值呈正相關(guān)。

在水質(zhì)改性的過程中會伴隨有大量污泥的產(chǎn)生，故仍需評價污泥量與pH值之間的關(guān)聯(lián)性，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 污泥量與pH值之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between sludge output and pH value

從圖1可以看出，pH值與污泥量呈正相關(guān)，當(dāng)pH值大于7.5時，污泥量增加幅度較大，表明pH值對污泥產(chǎn)出量影響較大。不同pH值條件下產(chǎn)生的污泥量如圖2所示。

圖2 不同pH值條件下產(chǎn)生污泥量情況Fig.2 Sludge output produced under different pH conditions

由于調(diào)節(jié)回注水的pH值會引起水質(zhì)的變化，故可通過此方法來控制回注水對設(shè)備與管道的腐蝕。對pH值與腐蝕速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，如圖3所示，通過觀察不同pH值（pH值分別為6.4、7.0、7.5和8.0）條件下腐蝕速率發(fā)現(xiàn)：當(dāng)pH值小于7時，隨pH值的增加腐蝕速率降低顯著；當(dāng)pH值大于7時，腐蝕速率幾乎不受pH值的影響。

圖3 腐蝕速率與pH值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between corrosion rate and pH value

2.2 凈化劑優(yōu)選

由上述試驗結(jié)果可知，當(dāng)pH值小于7.0且隨著pH值的增加腐蝕速率顯著降低，因此在進(jìn)行凈化劑篩選之前需使用改性劑將水樣pH值調(diào)節(jié)到7.0，將各實驗組中加入40 mg/L絮凝劑，再加入不同濃度的混凝劑，所得實驗結(jié)果如圖4所示。隨后將混凝劑的用量統(tǒng)一加入100 mg/L，再加入不同加入量的絮凝劑，結(jié)果如圖5所示。

由圖4和圖5可看出，在水質(zhì)已完成改性后用少量的凈化劑即達(dá)到除油效果；但水質(zhì)改性后凈化時會生成大量懸浮物，需結(jié)合水樣中懸浮物含量來評價凈化效果。綜合含油量與懸浮物結(jié)果，混凝劑和絮凝劑的最佳加入量分別為100 mg/L和40 mg/L。

圖4 不同濃度混凝劑的凈化效果Fig.4 Purification effect of different concentration of coagulant

圖5 不同濃度絮凝劑的凈化效果Fig.5 Purification effect of different concentration of flocculants

通過上述對改性藥劑及凈化劑的優(yōu)選及最佳加量的確定，可初步確定現(xiàn)場水質(zhì)改性技術(shù)的配方及濃度，藥劑加入類型及濃度如表4所示。

表4 水質(zhì)改性技術(shù)藥劑配方方案Tab.4 Pharmaceutical formula scheme of water quality modification technology

2.3 殺菌緩蝕劑優(yōu)選

針對腐蝕的主要原因，在室內(nèi)進(jìn)行了殺菌緩蝕劑的優(yōu)選，結(jié)果如表5所示。

通過表5中數(shù)據(jù)可看出，HBHS系列的殺菌緩蝕劑僅在30 mg/L的濃度下對污水的緩蝕率便達(dá)到98%，而現(xiàn)場所用殺菌緩蝕劑要加量為40 mg/L時才可達(dá)到98%的污水緩蝕率的效果，表明室內(nèi)殺菌緩蝕劑的殺菌效果優(yōu)異。在延長油田污水站腐蝕速率較高的條件下，只有當(dāng)室內(nèi)緩蝕率高于95%時，才能保證污水腐蝕速率小于0.076 mm/a。同時由表中數(shù)據(jù)可以看出，在相同加藥濃度下殺菌緩蝕劑HBHS-4的緩蝕效果要優(yōu)于其他三種，故推薦現(xiàn)場選用殺菌緩蝕劑HBHS-4，從效果與經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，建議加藥濃度為30 mg/L。

表5 殺菌緩蝕劑效果Tab.5 Bactericidal corrosion inhibitor effect

3 處理站改造方案

處理站存在以下問題：

（1）富含CO2的酸性水質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，腐蝕速率嚴(yán)重超標(biāo)，將嚴(yán)重腐蝕處理罐及管線，出現(xiàn)堵塞、排泥困難等問題，從而極易造成污水量在未達(dá)設(shè)計規(guī)模時發(fā)生溢流；同時可為細(xì)菌大量滋生繁殖提供條件，加速污水處理站懸浮物含量超標(biāo)。

（2）設(shè)備內(nèi)部過濾器及其他構(gòu)件因腐蝕而遭到損壞，造成濾料漏失及設(shè)備使用效率低下，對污水中的污油及懸浮物無法做到有效去除，導(dǎo)致處理后的污水水質(zhì)不符合B2級標(biāo)準(zhǔn)。

（3）外輸泵泵體腐蝕嚴(yán)重，泵軸、葉輪磨損嚴(yán)重，泵效低。

通過分析上述污水處理站出站水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)懸浮固體含量、腐蝕速率、SRB菌含量、鐵細(xì)菌和硫化氫含量均超標(biāo)。針對上述含量超標(biāo)的原因、進(jìn)站水質(zhì)特點及現(xiàn)階段污水處理工藝的情況，提出從水質(zhì)凈化與穩(wěn)定兩個方面出發(fā)對處理站進(jìn)行改造：即對進(jìn)站來水進(jìn)行水質(zhì)凈化處理，將污水中所含懸浮物、污油及細(xì)菌等有害物質(zhì)做到有效去除，并新建多介質(zhì)過濾器和雙濾料自動過濾器，及時更換外輸泵；控制污水在系統(tǒng)內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)，控制腐蝕速率、結(jié)垢及細(xì)菌的繁殖。

改造方案流程為兩級除油+化學(xué)混凝+逆流沉降+多層濾料過濾處理。污水主要處理流程如圖6所示。

其中除油、沉降和過濾是改造工程處理工藝的核心，采用重力除油，除去污水中的油及懸浮物，并在流程前段、中段和后段加入不同種類化學(xué)藥劑進(jìn)行緩蝕、防腐、殺菌、凈化、穩(wěn)定等。本文設(shè)計改造工藝的最大特點在于采用大型除油罐來進(jìn)行重力除油工藝，其具有沉降時間充足，水力停留時間長，可承受較大壓力的沖擊，適應(yīng)大量水質(zhì)及水量變化，操作管理簡便等優(yōu)點。投加點的藥劑控制和計量可實現(xiàn)減少藥劑浪費的目的，節(jié)省藥劑與治水成本；此工藝產(chǎn)生的污泥量較少，且污泥處理所用費用較少，功耗低。

4 改造效果

當(dāng)含油質(zhì)量濃度小于350 mg/L、懸浮質(zhì)量濃度小于120 mg/L的油站污水在除油罐內(nèi)進(jìn)行6 h除油和沉降處理后，水中含油和懸浮物質(zhì)量濃度可分別控制在100 mg/L和70 mg/L；隨后進(jìn)行混凝沉降后上述含量將進(jìn)一步降低，分別達(dá)到40 mg/L和25 mg/L以下；經(jīng)過濾后，水中懸浮物的質(zhì)量濃度低于4 mg/L，含油質(zhì)量濃度低于104 mg/L，懸浮固體粒徑中值低于2.5 μm，處理后的水質(zhì)可滿足B2水質(zhì)指標(biāo)。

圖6 改造后的污水處理流程Fig.6 Modified sewage treatment process

本文以處理1 m3污水所需的投資成本來衡量處理工藝的經(jīng)濟(jì)性，計算出工藝流程費用的年折算值，用該折算值與工藝流程處理水量的比值來評價污水處理工藝流程的經(jīng)濟(jì)效益。污水處理工程投資回報期為10 a，大修折舊率為0.08，費用折算值的計算公式為

式中：Wn為費用折算值，元；Ci為每單元的基建投資，元；M為運行費用，元。

上式的計算與水處理規(guī)模直接相關(guān)，需根據(jù)具體工程進(jìn)行不同水處理工藝比較。

延長油田目前水處理規(guī)模為5 000 m3/d，處理工藝改造投資和運行費用有著不同的經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)情況如表6所示。由表6可看出，重力沉降工藝較其他改造工藝投資相比最低，同時運行費用最少，相比其他處理工藝具有較強(qiáng)優(yōu)勢。水質(zhì)指標(biāo)由B級降為C級，指標(biāo)降級后每平方米可節(jié)省投資300元左右，而水質(zhì)指標(biāo)由A級降為B級，指標(biāo)降級后每平方米可節(jié)省投資400元，可見水質(zhì)指標(biāo)的確定可帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 不同處理工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比Tab.6 Comparison of technical and economic indicators for different treatment processes

由表6可看出，本文改造方案在滿足水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下，投資和運行費要低于原處理工藝和其他處理工藝的費用，故上述方案屬經(jīng)濟(jì)且工藝可行的設(shè)計方案。

將工藝改造與化學(xué)藥劑有效結(jié)合后，可使處理后水樣達(dá)到SY/T 5329—2012規(guī)定的B2級水質(zhì)指標(biāo)，同時又可減少因水質(zhì)未達(dá)標(biāo)引起的地層堵塞和注水壓力增加等問題。此外污水處理站腐蝕結(jié)垢問題可從加強(qiáng)和加快相關(guān)藥劑的研究、采用物理和化學(xué)措施等方面出發(fā)，既可減少對水質(zhì)的二次污染，又能降低相關(guān)維修成本。經(jīng)改造后長期存在的注采矛盾得到很大程度的改善，油田穩(wěn)定生產(chǎn)基礎(chǔ)得到增強(qiáng)，老井遞減情況得到緩解。

5 結(jié)論

（1）延長油田污水處理站水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，包括懸浮物含量、腐蝕率、細(xì)菌含量等各項超標(biāo)，引起服務(wù)區(qū)塊吸水指數(shù)下降、注水壓力升高及生產(chǎn)成本增加，對油田穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)影響較大。

（2）通過水質(zhì)改性技術(shù)試驗可知，液堿用量、污泥量與pH值呈正相關(guān)；pH值小于7時，腐蝕速率隨pH值的升高而顯著降低，pH值大于7時，腐蝕速率幾乎不受pH值變化的影響；從綜合含油量與懸浮物結(jié)果來看，混凝劑和絮凝劑的最佳加入質(zhì)量濃度分別為100 m/L和40 mg/L；現(xiàn)場選用殺菌緩蝕劑HBHS-4，同時從效果與經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，建議加藥質(zhì)量濃度為30 mg/L。

（3）污水站進(jìn)行改造后將對油田穩(wěn)產(chǎn)提供有力保障。采用“兩級除油+化學(xué)混凝+逆流沉降+多層濾料過濾處理流程”等改造工藝后，處理后的水質(zhì)可滿足回注地層地質(zhì)要求和B2級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時可有效解決污水處理站腐蝕結(jié)垢及對水質(zhì)二次污染問題。

（4）完成工藝改造后需定期對污水系統(tǒng)中腐蝕及水質(zhì)情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，及時掌握水質(zhì)的變化，并根據(jù)水質(zhì)的變化來對設(shè)備的運行參數(shù)及所加藥劑進(jìn)行調(diào)整，使水質(zhì)穩(wěn)定且符合標(biāo)準(zhǔn)。