油田采出水处理技术进展

Posted 2023-01-11 水处理

篇首语：出门莫恨无人随，书中车马多如簇。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了油田采出水处理技术进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

采油污水经处理后资源化利用，成为节省水资源、减少环境污染的一个重要途径。综合评述了油田采出水的特性、处理方式、处理技术及其工艺，并对各处理技术进行比较和分析评价。采出水处理得好坏直接关系到自然生态环境，人类健康和经济持续发展，社会各界对采出水的处理极为关注，它是一项难度极大的技术课题。
随着油田开发时间的延长，原油含水率不断上升。目前国内各油田均进入了高含水开采期，原油综合含水率一般都在80%以上，为保证原油合格(含水率<0.5%)外输，必须脱水，也就意味着每生产1t原油就有近4t采出水。胜利油田原油综合含水率已达90%以上，日产废水7119万。
可见，采出水处理是否得当是油田能否持续发展的重要保证。
1油田采出水特性
采油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较为复杂的多相体系，细小杂质大概可分为5大类：悬浮固体、胶体、分散油、乳化油及一些溶解物质3。其中悬浮固体(颗粒直径1—100μm)主要包括：泥砂、各种腐蚀产物及垢、硫酸盐还原菌、腐生菌和重质油类等；胶体(1×10-3—1.0μm)主要由泥砂、腐蚀结垢产物和细菌有机物构成。采出水中一般含有1—5g/L的原油，其中90%左右为分散油(10—100μm)和浮上油(大于100μm)，约有10%乳化油(1×10—10μm)。溶解物质主要包括溶解盐类(1×10-3μm以下，如Ca2+、Mg2+、Cl-)和溶解气体(3×10-4—5×10μm如溶解氧、硫化氢)。由于各油田地质条件、原油特性、集输及分离条件等的差异，各地油田采出水的水质不尽相同，但有共性，一般具有以下特点：含油量高、成分复杂、矿化度高、水温较高、具有放射性。
2油田采出水处理方式
石油工业是一个用水量和产水量都较大的行业，除产生大量的采出水外，油田同时还需要回注大量的水来驱油。大量的采出水外排既造成了环境污染，又浪费了宝贵的水资源。因此，采油污水经处理后回注采油成为减少环境污染，提高油田经济效益的一个重要途径。另外采油污水矿化度高、温度高，且与油层的配伍性好，回注有利于驱油。
采油污水可以资源化再利用，例如用作农田灌溉用水、锅炉用水等一些其他工业生产环节；回注目前已无开采价值的枯竭油藏；排人外部水域或周边土壤，排放必须考虑环境的容量与自净能力。但是这些处置方式都要经过必要的预处理。加拿大狼湖油田稠油污水资源化回用每年经济效益可达400万美元；冷湖油田处理水量较大(5.2万/d)，每年可产生900万美元的经济效益。
3油田采出水处理方法
采油污水处理既要处理水中的大量油类，同时兼顾去除水中溶解的有机物、悬浮物与硫化物等。如果这些杂质处理不当，再回注过程中会堵塞地层、腐蚀管线、结垢，还会加快微生物繁殖，外排则会造成更大的污染。不同类型的采油污
水要采用不同的处理方法，目前国内外含油污水的处理技术按处理原理可分为4种：物理法、化学法、物理化学法和生物化学法[5-11]。
3.1物理法
物理处理法的重点是去除采出水中的矿物质和大部分固体悬浮物、油类等。包括重力分离法、离心分离法、粗粒化法、过滤法、膜分离法等。
(1)重力分离法。重力分离法是初级处理方法，它利用油和水的密度差及油和水的不相溶性，在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。重力除油的主要设备有立式除油罐和斜板式隔油池等。
(2)离心分离法。离心分离法是使装有采油污水的容器高速旋转，形成离心力场，因颗粒和污水的质量不同，受到的离心力也不同。相对密度大的水受到较大的离心作用被甩到外侧，相对密度小的油珠则被留在内侧，并聚结成大的油珠而上浮达到分离目的，常用的设备有水力旋流器。
(3)粗粒化法。粗粒化法是利用油—水两相相对聚结材料亲和力的不同来进行分离。当采油污水流经过一些疏水亲油物质时，油珠在其润湿、聚结、碰撞聚结、截流、附着等联合作用下聚集成较大的油滴。该装置分为固定床式和流化床式两种类型，常用的粗粒化材料是石英砂、无烟煤、蛇纹石、陶粒、树脂等。
(4)过滤法。过滤法是将采油污水通过设有孔眼的装置或通过由某种介质组成的滤层，使污水中的悬浮物得以去除，主要是利用颗粒介质的截流、惯性碰撞、筛分、表面黏附、聚并等作用，将水中油分去除。一般所用过滤器有压力式和重力式两种，目前我国油田过滤器普遍采用的是压力式，例如石英砂过滤器、核桃壳过滤器、多层滤料过滤器等。
(5)膜分离法。膜分离法是利用膜的选择透过性对采油污水进行分离和提纯的方法。其机理是用1张(或1对)多孔滤膜，利用液一液分散体系中两相与固体膜表面亲和力不同而达到分离的目的。常应用的膜分离技术有反渗透、超滤、微滤、电渗析和纳滤5种，通常使用的材料有醋酸纤维素系、乙烯系聚合物和共聚物、聚亚酰胺等。
3.2化学法
化学处理法主要用于处理采油污水中不能单独用物理方法或生物方法去除的一部分胶体和溶解性物质(特别是乳化油)，还可以通过化学作用将采出水中的污染物转化为无害物质，使水质达到标准。常用的方法有化学破乳法、化学氧化法等。
(1)化学破乳法。化学破乳法包括盐析法、酸化法、凝聚法，最传统和常用的药剂是铝盐及铁盐系列。乳化油呈稳定状态，要达到油水分离首先要破乳。破乳是向水中投入化学药剂，药剂在水中水解后能形成带正电荷的胶团，并能与带
负电荷的乳化油发生电中和作用，降低其表面电位，再经过处理使油粒聚集，粒径变大，浮力也随之增大，可达到油水分离的目的。
(2)化学氧化法。化学氧化法是转化采油污水中污染物的有效方法，能将污水中呈溶解态的无机物和有机物转化为微毒、无毒物质或转化成容易与水分离的形态，分为氧化剂氧化法，电解氧化法和光化学催化氧化法。氧化剂氧化法是指利用强氧化剂氧化分解污水中的油和COD等污染物质以达到净化采油污水的一种方法；电解氧化法是指在污水中插入电极并通过一定的直流电，污水中的油和COD等污染物质在阳极发生电氧化作用或与电解所产生的氧化性物质发生作用以达到净化采油污水的一种方法；光化学催化氧化法是用半导体材料来利用太阳光能或人造光能以达到净化采油污水的一种方法。
3.3物理化学法
物理化学法主要包括气浮法、吸附法、电化学法、超声波分离法等，这些方法一般都适应性较强，选择性广，处理较彻底，但有些方法工艺未成熟且能耗大。
(1)气浮法。气浮法是依靠气泡能表面吸附油粒或悬浮物以达到分离的目的。在采油污水中通入空气或其他气体产生微细气泡，使水中的一些细小悬浮油珠及固体颗粒附着在气泡上，形成水—气一油粒三相混合体系，随气泡一起上浮到水面形成浮渣，然后使用适当的撇油器将油撇去。按照气泡产生的方式，可分为加压溶气气浮、叶轮气浮、曝气气浮、引风空气气浮和电解气浮等。
(2)吸附法。吸附法是利用吸附剂的多孔性和大的比表面积，将采油污水中的溶解油和其他溶解性有机物吸附在表面从而达到分离。根据固体表面吸附力的不同，吸附可以分为表面吸附、离子交换吸附和专属吸附3种类型。
(3)电化学法。电化学法包括电凝聚、电气浮和电火花法。电凝聚是利用溶解性电极电解采油污水，从溶解性阳极溶解出金属离子，金属离子水解生成氢氧化物，它能吸附和凝聚乳化油与溶解油，然后沉淀可除去油；电气浮是利用不溶性电极电解采油污水，在电解分解作用和初生态的微小气泡的上浮作用下，使乳化油破坏，并使油珠附着在气泡上；电火花法是利用交流电来去除采油污水中的乳化油和溶解油，在电场作用下筒内的导电颗粒间会产生电火花，在电火花和水中均匀分布的氧的作用下，油分被氧化和燃烧分解。
(4)超声波分离法。超声波(频率一般为2×l04—5×l0s)在水中可以发生凝聚、空穴或空化效应。当超声波通过采油污水时，会使微小油滴与水一起振动。但由于大小不同的粒子具有不同的相对振动速度，油滴将会相互碰撞、粘合，使油滴的体积增大。随后由于粒子已变大，不能随声波振动，只作无规则运动，最后水中小油滴凝聚并上浮，再用其他设备分离。
3.4生物化学法
生化处理法是利用微生物的生物化学作用，将复杂的有机物分解为简单物质，将有毒物质转化为无毒物质，使采油污水得到净化。微生物可将有机物作为营养物质，使其一部分被吸收转化成为微生物体内的有机成分或增殖成新的微生物；其余部分可被微生物氧化分解成简单的有机或无机物质，如甲烷、二氧化碳和水等。生化法可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。从过程形式上可分为：污泥法、生物过滤法和氧化塘法。Gi～xtT研究了活性污泥法处理采油污水，表明停留时间为20d时能去除采油污水中98%一99%的碳氢化合物，使液相中悬浮物总体质量浓度下降为730mg/L，能量消耗大约花费1.25美元/t。
近来关于土地处理法的研究比较多，该法是利用土壤中的微生物和植物根系来吸收分解采油污水中的污染物。其净化功能主要由3要素构成：植物根系的吸收转化、降解和生物合成作用；土壤中细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物固化作用；土壤的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用。哥伦比亚Kelt公司以芦苇为基础的根区过滤系统去除采油污水中污染物，处理后的水用于灌溉稻田。该方法1年后能去除9o%的苯酚等污染物，3年后发挥全部效果，并且SS、COD都有不同程度的下降。
4油田采出水处理技术评价及工艺

采油污水处理方法较多，各有优缺点(见表1)，单一方法处理效果不佳，在实际应用中通常是两三种方法联合使用，才能使水质达到标准。处理手段大体是以物理方法分离，以化学法去除，再以生物法降解。在工艺流程中，常见的一级处理有沉降、浮选和离心分离，主要除去浮油和油湿固体；-级处理有过滤、粗粒化、化学处理等，主要是去除分散油；深度处理有超滤、活性炭吸附、生化处理等，主要去除微细的分散油和溶解油。
目前国内各油田采油污水处理工艺多数采用隔油除油一混凝(沉淀或气浮)一过滤3段处理工艺，再辅以阻垢、缓蚀、杀菌、膜处理或生化法处理等。英国北海ULa油田采出水回注的工艺流程为：采出水一油水分离器一(加乳化剂)一水力旋流器一回注水。科威特北部油田采出水处理工艺流程为：电脱盐原油污水一AH油水分离器一倒油水分离器一IGF气浮一出水，该工艺处理后的水可以用作回注地层的净化水。
美国Texas的PermianBasin油田采油污水处理工艺流程为：采出水一水力旋流器一一级过滤一汽提塔脱硫一石灰软化一二级过滤一阳离子交换一蒸汽锅炉，出水各指标可达到锅炉给水水质标准。国内辽河工程公司经过研究实践也形成了1套可靠适用的回用于注汽锅炉的稠油污水处理工艺：采出水一调节一混凝沉降一溶气浮选一吸附除硅一粗滤一精细过滤一弱酸软化一回用注汽锅炉。
应该合理地对采油污水处理工艺进行选择，在满足水质标准的前提下应力求简单、管理方便、运行可靠，组成最佳工艺流程，必须进行经济技术比较，合理选定。挪威国家石油公司对采油污水处理技术评价标准有：处理量大；较低的重量和高度；造成的影响很小；低资本和运作费用；少产生或不产生废物；化学药剂的使用量少；最重要的是非常有效地去除危害环境的各种因素。
5油田采出水危害[19-22]
油田采出水最理想的出路是处理达标后回注，但由于种种原因仍有大量采油污水不得不外排，流入外部水域或渗入到周边土壤，采油污水主要污染物有石油类、化学耗氧量、重金属、硫化物、悬浮物、挥发酚、氨氮等，据统计全国油田外排水量大约为3万m3/dh3。
采油污水进入水体后，不仅使水体的化学需氧量升高，而且由于油类等物质的降解消耗大量的溶解氧，同时水表层的油膜阻止了空气中的氧向水中扩散，造成局部水域的嫌氧状态，使水生动物因缺氧而死亡，水生植物的光合作用也会
遭到破坏，并且还能影响饮用水资源和地下水资源，破坏大气和水体的界面上的能量和物质平衡。
采油污水渗入土壤的量超过土壤的自净容量后，积累的油类等物质将长期残留于其中，破坏土壤结构，影响土壤通透性，损害植物根部，阻碍根的呼吸和吸收，对土壤植物和土壤微生物生态系统甚至地下水都造成危害，严重影响土壤的
生产力和农作物产量。污染物还能进入食物链，影响人类健康。
6结语
为保护自然生态环境与人类健康，保持经济持续发展，采油污水的处理成为油田开发中亟待解决的问题。同时由于采油技术的改变，在采油过程中还需加入碱、聚合物、表面活性剂等化学品，这些组分的加人，使采油污水处理更加困难。要彻底改变这一现状，必须针对各环节中存在的问题，采取相应的措施，同时积极吸取国外的先进技术经验，从技术与工艺两方面使油田采出水处理不断完善与发展。