氣田采出水處理工藝優化及裝置改進

徐 東，馬連偉，李 楠，常 霞，李秋陽，王劉偉，齊 銳

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

子米氣田采出水經過預處理裝置預處理后再進入甲醇再生裝置進行甲醇回收，甲醇氣田采出水預處理后水質控制指標既要滿足甲醇再生裝置的進水要求，又要符合氣田采出水回注指標，這樣回收甲醇后的氣田采出水不再處理直接回注地層。目前子米氣田采出水經過采出水處理裝置處理后，檢測回注采出水水質見表1、表2。

表1 回注采出水指標

表2 子米氣田回注采出水水質化驗結果

通過表1、表2 數據可知，處理后的采出水效果不佳。主要體現在處理后采出水油分、機雜含量較高。針對這一問題，通過工藝裝置運行情況分析以及處理原理進行分析尋求解決問題方法[1-3]。

2.1 氣田采出水預處理工藝

氣田采出水采取“除油-粗濾-精濾”的處理工藝對含醇氣田采出水進行預處理。采出水罐車從各集氣站運來的含醇氣田采出水，儲存在處理廠內的卸車池，經液下泵提升至兩座采出水沉降罐（100 m3）進行初步除油，再由采出水轉水泵進入壓力式斜管除油器去除油和懸浮物，出水加入預處理藥劑（堿、絮凝劑和氧化劑），通過管式混合器充分混合后進入反應罐讓采出水和藥劑充分反應，再加壓進行粗、精兩級過濾凈化后進入甲醇再生單元的甲醇富液罐。

2.1.1 采出水除油處理工藝 自各集氣站運來的含醇氣田采出水儲存在處理廠內的卸車池，經污泥自吸泵提升至立式除油罐進行初步除油，儲存在地埋污油罐中。高效斜管除油器一同將除去的油儲存在地埋污油罐中。

2.1.2 采出水除油除機雜技術 采出水中油分存在的形式有以下五種：

（1）懸浮油：油品粒徑大于100 μm，以連續相浮于水面。

（2）分散油：油品粒徑在15～100 μm，主要以大小不等的油滴分散懸浮在水中，一般靜置一段時間會聚集上浮成浮油。

（3）乳化油：油在水中呈乳化狀態，油滴粒徑小于15 μm，體系較穩定。

（4）溶解油：油溶解在水中，一般為5～15 mg/L。

（5）油濕固體：油黏浮在顆粒表面上。

目前，污水處理比較先進的一種技術是MSBR工藝，其是連續流序批反應工藝的改良版。這種方式處理過后的污水能達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的要求，MSBR工藝能夠有效除去水體中的氮、磷等，但是其效果受到某些因素的影響。

國內外現在普遍采用的除油技術有重力分離技術，氣浮分離技術，膜分離技術，強吸分離技術，離心分離技術。通過對子米氣田采出水中的油分進行檢測，主要以乳化油和溶解油的形式存在，采出水處理除油工藝采用重力分離技術，通過油水密度差，混凝，沉降，聚結除去采出水中的油分和機雜。

2.2 采出水處理中存在的問題

氣田采出水預處理單元主要對氣田采出水進行除油，除機雜，使得油分和機雜達標，滿足甲醇再生單元采出水處理水質要求，處理效果見表3。

表3 氣田采出水預處理后采出水水質結果

從表3 可以看出，處理后的總鐵和pH 達標，油分和機雜超標。根據設計要求預處理后采出水中油分含量≤30 mg/L，機雜≤10 mg/L。

2.3 采出水處理工藝技術原因分析

2.3.1 子米氣田水質影響 子米氣田采出水具有以下特點：（1）礦化度較高，一般在（2.0～9.7）×104mg/L；
（2）Ca2+、Mg2+、Fe2+等高價金屬陽離子含量很高，一般Ca2+含量在3 000～10 000 mg/L、Mg2+含量在100～1 000 mg/L、Fe2+含量在200～700 mg/L；
（3）水中HCO3-含量較高，HCO3-含量一般在900～1 200 mg/L，屬于CaCl2水型。

從子米氣田采出水水質分析可看出。氣田采出水在高價金屬陽離子的影響下，密度較大。

2.3.1.1 高密度采出水對水處理效果的影響 在重力分離過程中，對粒徑dp的油滴來說，依據斯托克定律，其脫油效率與采出水處理量Q、浮升截面積Ap、水和油的密度ρw、ρo及水的黏度μ 有關：

從式中可以看出，脫油效率ηi只與油水的物理性質，油滴粒徑dp有關。由于較高的礦化度使原水的密度變高，采出水的密度高使油水密度差增大，雖然提高了以斯托克斯分離效應為主的重力分離系統的除油效果，但是機雜與水體的密度差變小，降低了懸浮物的分離效果。

2.3.1.2 采出水含鐵對水處理效果的影響 子米氣田采出水處理系統中的采出水鐵含量在15～75 mg/L。水中的鐵鹽95%以上是以亞鐵鹽的形式存在。亞鐵鹽存在的狀態與pH 值有很大的關系，Fe（OH）2和Fe（OH）3都是良好的混凝劑。這種大量絮體的存在使得采出水中的膠體已經處于脫穩狀態，在水動力條件合適的情況下就會沉淀下來。子米氣田采出水預處理加藥位置相同，均在調節罐至高效斜管除油器處加入，所加氫氧化鈉，雙氧水和絮凝劑同采出水進入處理設備后，由于氫氧化鈉與采出水中的亞鐵，高價鐵形成Fe（OH）2和Fe（OH）3，影響絮凝劑的絮體穩定性，從而影響處理效果。

2.3.2 除油方式問題 立式除油罐除油利用油水密度差，當采出水轉至除油罐，采出水中的油分由于密度小處在上層，當油液位達到排油口位置時，油從出油口溢流至地埋污油罐。目前立式除油罐已經安裝了油水界位儀，取得了一定效果。但除油時仍然需要現場手動操作除油，增加了人為因素對除油的影響。

2.3.3 藥劑藥效問題 根據目前藥劑配制方法及加藥制度，當一次裝置運行后，所配制藥劑沒有用完，將在下次裝置運行中繼續使用，由于米脂處理廠含醇采出水處理裝置間歇運行，一般情況啟運一次間隔時間3～5 d，這樣所配制的藥劑在藥箱中就會失效，影響處理效果。

2.3.4 絮凝劑選用問題 絮凝劑的凈水機理：一般情況下，油珠或懸浮物顆粒（膠粒）在采出水中呈電負性。當膠粒的電負性較大時，膠粒與膠粒之間相互排斥，難以靠近，細小膠粒難以聚結為大顆粒，上浮或沉降速度非常低，甚至在水中既不沉也不浮。

電性中和：加入混凝劑是帶正電荷的離子或聚合離子，消除膠粒表面的電負性，使懸浮顆粒能夠靠近、聚結為較大顆粒，提高上浮或沉降速度。

吸附架橋：帶異性電荷的高分子絮凝劑與膠體顆粒具有強烈的吸附作用，形成“膠粒－高分子－膠?！钡男躞w。

無機高分子絮凝劑成本低，對各種復雜水質適應性強，可有效除去細微的懸浮顆粒，但生成的絮體有機高分子絮凝劑小，吸附架橋作用不如有機高分子絮凝劑。有機高分子絮凝劑的相對分子質量大，官能團多，具有很強的吸附架橋能力。與無機絮凝劑相比，有機高分子絮凝劑生成的絮體大，沉降速度快，處理過程短。僅用無機型或者有機型絮凝劑處理，往往難以發揮最佳絮凝效果?，F將聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）復配進行實驗。

將白色固體粉末陽離子聚丙烯酰胺配制成0.1%的溶液，則此溶液1 mL 含有PAM 1 mg。分別取此溶液0.1 mL，0.3 mL，0.5 mL，0.7 mL，1 mL，3 mL，5 mL，10 mL，20 mL 加入100 mL 采出水中，混凝后產生的絮體不明顯，實驗結果見表4。

表4 不同PAM 加量下的處理效果

將固體粉末狀的聚合氯化鋁配制成1%的溶液，則此種溶液1 mL 含PAC 10 mg。分別取此種溶液2 mL、5 mL、8 mL、10 mL 倒入試管中，在上述溶液中加入100 mL 待測采出水，實驗結果見表5、表6。

表5 不同PAC 加量下的處理效果

從表5、表6 可以看出，單用PAC 時，500 g/L 的PAC 透光率為69.0%，最佳投加量800 g/L 的PAC 透光率為90.0%。而單用PAM 效果更差。當PAC 與PAM進行復配時，先加入500 g/L 的PAC，PAM 的投加量8～10 g/L 時，獲得很好的處理效果，透光率達到99%。明顯的改善處理效果，這是由于陽離子有機絮凝劑中陽離子能夠中和電荷，壓縮雙電層，其分子鏈大，起到了很好的橋架作用，改善了絮凝體的性能。所以說PAC和PAM 的復配方式較單獨使用一種絮凝劑效果好，能夠改善氣田采出水預處理效果，有效的降低機雜。在實驗過程中發現先加PAC 再加PAM 效果比先加PAM后加PAC 效果更好，所以在復配時，先加PAC 后加PAM。

表6 500 g/L的PAC+相對應PAM 的處理效果

2.3.5 微孔陶瓷過濾器濾料失效（表7）從表7 數據分析可以看出，含油量，懸浮物含量基本保持不變，說明在現有工藝條件下，粗過濾器截留效果較差，粗過濾器中的濾料失效，無法截留絮體。

表7 粗過濾器前后采出水的組成性質分析結果

3.1 增加自動排油控制閥改造

為了有效除去采出水中的凝析油，避免人為因素影響，提高采出水的預處理效果，建議增加自動排油裝置。在出油口增加自動控制閥與油水界位儀聯鎖，當油水界位達到設定值時，自動控制閥自動打開，除去立式除油罐上層凝析油，排至油水界位時，控制閥自動關閉，提高自動化程度，避免人為因素影響采出水處理效果。

3.2 優化預處理藥劑加藥改造

3.2.1 改造加藥位置 子米氣田采出水處理三種藥劑同時在調節罐和高效斜管除油器之間加注（圖1）。

圖1 采出水處理加藥示意圖

由前面水質原因分析可知，子米氣田水質特點無法改變對采出水處理的影響。結合采出水處理技術及存在問題原因分析。對NaOH 加藥位置進行改造，將NaOH 加藥位置改在卸車池和調節水罐之間。有兩點原因：（1）NaOH 與水中的鐵離子結合形成高聚物，形成絮體沉降至調節罐底，通過排污方式排掉。這樣消除了采出水中鐵離子對加入絮凝劑的影響。（2）通過大量的實驗得出，采出水中的絮凝劑效果在堿性環境最佳，因此提出了對加藥位置的改造（圖2）。

圖2 采出水處理加藥改造

3.2.2 合理配置預處理藥劑加注量 根據目前的運行方式，氣田采出水預處理裝置間歇運行，可以規定好處理采出水量，根據規定的采出水處理量，結合預處理藥劑配比量，確定出每次裝置運行一次所配置的藥量，從而保證每次預處理藥劑完全使用，避免預處理藥劑過期而影響采出水處理效果。

3.2.3 復合選用無機和有機絮凝劑 根據前面合理選擇絮凝劑的分析，通過實驗確定出復合使用無機絮凝劑和有機絮凝劑，對于采出水處理效果更佳。復合絮凝劑加藥改造見圖3。

圖3 復合絮凝劑加藥改造示意圖

3.3 檢修高效聚結斜管除油器、粗過濾器

針對設備出現過濾效果差的問題，對高效聚結斜管除油器，粗過濾器定期檢修。制定此兩種設備反沖洗制度，規定每周需對高效斜管除油器，核桃殼過濾器進行反沖洗一次。

3.4 塔底水進一步處理改進建議

在對采出水處理工藝及加藥問題改造后，由于人為、設備等不可預知的因素，為提高回注采出水水質達標率，建議對塔底采出水進采出水回注罐前進行二次處理。通過調研，纖維球過濾器是一種性能先進的纖維填料式過濾器，廣泛用于油田含油采出水處理，它采用了一種新型的束狀軟填料（纖維）作為過濾器的濾元，其濾料直徑可達幾十微米甚至幾微米，并具有比表面積大，過濾阻力小等優點，解決了粒狀濾料的過濾精度受濾料粒徑限制等問題。微小的濾料直徑，極大地增加了濾料的比表面積和表面自由能，增加了水中雜質顆粒與濾料的接觸機會和濾料的吸附能力，從而提高了過濾效率和截污容量。

（1）通過對子米氣田采出水處理技術分析，找出了影響采出水處理效果不好的原因，通過合理確定藥劑加注量，加藥工藝改造，絮凝劑的合理選擇，可以改善采出水處理效果。

（2）通過實驗，無機絮凝劑PAC 和有機絮凝劑PAM復合使用，可以相互促進彼此的絮凝效果，得到很好的處理效果。

（3）對于精餾塔塔底水處理改造建議需要進一步論證。