油田采油废水回注处理技术研究新进展

[摘要]随着国家节能减排力度的加强，海洋平台污水排放标准将越发严格，污水回注处理将是今后海洋平台污水的唯一出路，文章首先分析了含油污水的性质，然后重点介绍了污水回注处理过程中常用的四种技术(气浮选分离技术、离心旋流分离技术、精细过滤技术及膜分离技术)及其原理，并介绍了他们最新的研究和应用情况，最后对今后含油污水回注处理技术的发展方向发表了个人的看法。

[关键词]气浮选；乳化油；精细过滤；膜分离

随着开采时间的推移，中国海洋石油的大部分油田相继进入二次开采(即注水开采)阶段，二次开采阶段的到来一方面增大了对注水量的需求，另一方面也大大增加了油田采出水的量，这些废水如果不经过处理就直接排放的话势必会对海洋环境造成极其恶劣的影响。相反，如果这些废水经处理后用于回注，不但满足了日益增大的注水量的需求，还减少了对环境的污染；同时由于油田采油废水中具有与油藏的良好配伍性，将这些污水深度处理之后用于回注对提高油田的采收率具有积极的作用。

1采油废水的性质

采油废水是指从地层中随原油一起被开采出来的水，经历了原油处理的大部分流程，因此污水中杂质种类及性质都和油藏的地质条件，注水水质等有很大的关系。这种污水是一种含有固体杂质、液体杂质、溶解气体和溶解盐类等复杂的多相体系。采油废水中的油的存在形式主要有5种：

(1)浮油,其粒经一般大于100μm，以连续相的形式漂浮于水面，形成油膜或油层；

(2)分散油，以微小的油滴悬浮于水中，不稳定，静置一段时间后通常变成浮油，油滴的粒经一般介于10~100μm之间；

(3)乳化油，粒径为0.001~10μm，具有一定的稳定性，单纯用静止沉降法无法去除，是采油废水的主要处理对象。

(4)溶解油，以一种化学方式溶解的微粒分散油，油粒直径小于0.001μm，一般原水中此部分油仅占总含油量的1%以下，在处理过程中也有一定比例的去除,但不作为污水处理的主要对象；

(5)固体附着油，吸附于废水中固体颗粒表面的油，这种油会随着固体颗粒的去除而去除。

2含油废水回注处理技术研究新进展

在含油污水回注处理中使用和研究得比较多的技术主要有气浮选技术，离心旋流分离技术，精细过滤技术以及最近新发展起来的膜分离技术，这几种技术由于其设备体积小，效率高，效果好，因此得到了广泛的应用和研究。

2.1气浮选技术

气浮选技术基本原理是在含油污水中通入大量微小气泡，并利用其作为载体与污水中的油珠和悬浮絮粒相互粘附，形成整体密度小于水的浮体上浮至水面，使污水中的油珠和悬浮状等物质与污水分离，达到净化污水的目的。

在污水处理中，根据水中形成气泡的方式的不同可将气浮法分为四种类型，即溶气气浮法，诱导气浮法、电解气浮法和化学气浮法。任连锁、郑杰等人[1]采用二级串联电气浮技术来处理油田污水，并对前置预处理、一级自然电气浮、二级自然电气浮和絮凝剂及其投加方法对处理效果的影响进行了研究，取得电气浮处理技术的主要影响因素，并在安徽油田欧北联合站进行现场试验，发现二级电气浮出口污水中含油量低于20mg/L，基本达到该油田的注水水质标准；另外电气浮技术还有很好的杀菌消毒作用。杜新勇、王飞[2]等人利用溶气浮选技术对河南油田下二门联合站分离器出口污水进行处理研究，发现：(1)气浮选技术处理联合站三相分离器出口污水具有明显效果，污水含油可由1000±300mg/L降至30mg/L以下。(2)气浮选技术用于去除污水中悬浮物时，须有药剂配合方可显出效果。(3)提高溶气量并不能改善原油和悬浮物的浮选效果，反倒提高了处理水中的含氧量，说明溶气量有一临界值。于振民[3]采用抚顺石油化工研究院开发的一种新型叶轮气浮设备对中石化炼油事业部污水处理厂的污水进行了试验研究，发现叶轮气浮机可以达到与溶气浮选池相近的除油和除COD效果。与溶气浮选池相比，叶轮气浮机采用低能耗的自引式气液混合机作为微气泡发生器，并且不需要溶气回流水，停留时间短，具有能耗低、占地小，结构简单、操作与维护方便等特点，可以作为溶气浮选的替代技术。文昌奋进号PFSO上使用两级气浮选技术处理经水力旋流器处理后的生产污水，进口含油量大于100mg/L，出口含油小于15mg/L，达到了排放的要求。

2.2离心旋流分离技术

离心分离是使装有废水的容器高速旋转，形成离心力场，因颗粒、油和污水的密度不同，受到的离心力也不同。密度大的受到较大离心力作用被甩向外侧，密度小的废水则留在内侧，各自通过不同的出口排出，达到分离污染物的目的。含油废水经离心分离后，油集中在中心部位，而废水则集中在靠外侧的器壁上，这样就达到了油水分离的目的。

液-液分离器是基于固液分离旋流器发展而来的。其始于1967年英格兰海南岸的“TorreyCanyon”油轮遇难事件，1984年液-液旋流器在海洋平台上试验成功[4]，次年在英国北海油田和澳大利亚巴氏海峡油田的海上石油开采平台使用，正式进入工业应用阶段。液-液分离旋流器经历了一个由单锥到双锥以及改进的单锥，由静态到动态的发展过程，其分离技术目前主要呈现出两个研究发展趋势：一是以英国Southampton大学为代表的静态旋流分离技术；二是以法国TOTALCEP和NEYRTEC为代表的动态旋流分离技术[5]。在静态旋流分离方面,英国Southampton大学的研究人员主要以含油污水的旋流净化为对象，在A型旋流管的基础上不断改进，先后推出了B、C、D、E直到1985年发展出了F型旋流管，单管条件下的临界粒径为60μm，两管串联时的临界粒径为40μm，三管串联时的临界粒径为30μm。继F型旋流管之后，他们又通过对液滴粒径分布、油水密度差等介质特性参数，压力比、处理量等工况参数及入口截面、特征直径、长径比、几何形状等结构参数的优选研究，相继发展出了G型和K型旋流管。G型旋流管的结构更简单、分离能力更强、操作弹性也更大。而K型旋流管在结构上采用了全新的几何形状，进一步在高效与低阻方面取得新的突破，其在低压区性能更佳，分离效果更好，现场的实用表明在气举采油等恶劣分离条件和系统压力仅0.2MPaG的低压场合下，K型旋流管仍能有效工作。与此同时，国内也对旋流器进行了大量的研究工作，不过研究的重点主要是分离操作参数对分离效果的影响和分离器内部流场的研究。西南石油大学艾志九和牛贵峰[6]采用数值模拟方法对各种入口对应的分离效率进行比较，结果表明采用对称入口和曲线入口，过渡平稳,大大降低了液流的局部湍流程度，提高了分离性能。赵立新和蒋明虎[7]以及薛红兵[8]等均对操作参数对水力旋流器分离性能的影响开展了相应的研究工作，得到和MartinThew、Young等基本一致的研究结果。崔运[9]静等采用了先进的LDV技术来测量内流场，获得较好的测量结果，基本上揭示了旋流器的速度分布等内流场特性，并将测量结果进行分析比较，希望得出最佳参数，实现最优化设计。

2.3精细过滤技术

采出水过滤时，有以下三种作用：一是协同作用，油与悬浮物粘成一体，在悬浮物被去除的同时，附着的油也随之除去；二是粗粒化作用，滤料使油珠变大吸附在悬浮物上；三是滤料本身对油具有一定的截留吸附作用。经过一段时间的过滤后，一部分原油会残留在过滤层中，这时可以利用反冲洗使滤层再生，使其重新恢复过滤能力。

采出水所用的过滤器有压力式和重力式两种。目前我国油田普遍采用的是压力式，有石英砂过滤器、核桃壳过滤器、双层滤料过滤器、多层滤料过滤器等。尤其是核桃壳过滤器，由于滤料亲油性能好、截污能力大、质地较轻、反冲洗能耗小等优点而得到广泛应用。但是，由于核桃壳滤料粒度小，反冲洗易流失，尤其是其滤料具有亲油性，反洗时必须采用清洗剂，增加了反洗水的处理负担。近年来，随着纤维材料的应用和发展，以纤维材料为滤料发展起来的深床高精度纤维球过滤器，在食品、制药、酿造等工业领域应用较多。其滤料纤维细密，过滤时可以形成上大下小的理想滤料空隙分布，纳污能力大，去除悬浮物的效果高于石英砂、核桃壳滤料，而且反洗时不会出现滤料流失的现象。

赵东风对低渗透油田注水特性进行了研究，结合宝浪油田的实际情况，在压力过滤预处理的基础上，采用核桃壳滤料精细过滤技术，开发出一套采油废水处理组合工艺。这一技术在宝浪低渗透油田已有应用，先将含油污水经粗粒化罐和压力沉降除油罐初步除油后，进入二级核桃壳过滤器(预滤器)，在正常操作条件下，可以滤除95%~98%的悬浮物和90%~95%的未溶解的石油类物质，然后再进入中心滤芯过滤装置(精滤器)，滤芯采用聚丙烯纤维制成。试验证明，经此装置滤掉的最小悬浮颗粒粒径为0.5..m，可以满足宝浪油田宝北区块低渗透油藏的注水要求，采油废水的回注率可以控制在98%。张伟[10]针对萨北油田进入高含水开发后期，油田深度污水处理难度日益加大的问题，引进改性纤维球滤料，通过试验，优化深度污水处理站的过滤组合，选用“一级石英砂单向过滤、二级改性纤维球过滤”组合工艺，使滤后水含油≤5.0mg/L、悬浮物含量≤5.0mg/L，减少了占地面积，并节省了投资。涠洲12-1A平台采用改性纤维过滤器取代已经老化废弃的核桃壳过滤器对经水力旋流分离器处理后的污水进行处理，进口含油30mg/L，出口含油小于5mg/L，达到了回注的水质要求。

2.4膜分离技术

膜处理技术是利用微孔膜拦截油粒，它主要用于去除乳化油和溶解油。滤膜又可分为超滤膜、反渗透膜和混合滤膜。超滤膜的孔径一般为0.005~0.01..m，比乳化油粒要小的多，反渗透膜的孔径比超滤膜的还要小。因此，在受压情况下含油废水中的油粒无法通过滤膜而被截留下来，这两种膜常被制成中空纤维管过滤器，以增大膜的过滤面积。随着膜技术的日益发展和水平的提高，采出水的膜处理工艺已引起了人们的广泛关注。由于采用膜分离方法处理的含油污水可以达到低渗透油田注水或外排标准，并且适用于工业化规模生产。因此，人们对其进行了大量的研究。Mueller等[11]用AL2O3陶瓷膜处理原油污水，探讨了不同操作条件下膜通量的变化。试验表明陶瓷膜具有很好的截留性能。ChenAS[12]及Humphery等[13]采用Membralox陶瓷膜进行陆上和海上采油平台的采出水处理，适当的预处理后的含油废水经过陶瓷微滤膜处理，出水油含量在5mg/L以下，固体悬浮物含量在1mg/L，远低于低渗透油田的回注水标准。刘立军、陈雪梅[14]等人利用自制的内压式聚砜中空纤维超滤膜对含油污水进行处理研究，并结合自动控制技术完成油水分离的全过程。研究结果表明：中空纤维超滤膜能够将含油污水中95%以上的油分子进行截留，较好地完成了油水分离，同时发现采用洗涤剂清洗含油污水造成的膜污染，恢复率可以达到95%以上。李发永[15]采用外管式聚砜超滤膜装置现场处理采油污水，研究了操作压力、膜面流速等操作条件对超滤膜通量的影响及膜污染的清洗方法，处理过的污水达到低渗透油田注水标准。石油大学蔺爱国等人采用荷电膜(一种通过改性往膜材料接枝上与水中颗粒带相反电荷的膜)处理胜利辛一站污水，进口污水悬浮物含量20~100mg/L，含油量2~20mg/L，悬浮物粒径4~17μm，出口悬浮物含量0.8mg/L，含油量0.5mg/L，悬浮固体粒径中值0.72μm，达到标准SY/T5329-94D的A1级。

3展望

无论是何种分离技术，其都不是万能的，不同的分离技术适用于不同的含油污水水质情况，只有将几种技术有机结合、取长补短，合理运用才能使得这些技术发挥最大的效果。因此，开发出多种组合工艺及多功能集成的一体化设备，集高效、经济、简单易用等特点于一体的小型采油废水处理装置将在区块采油开发中发挥重要作用，将是今后一段时间的研究热点。