（动力工程及工程热物理专业论文）气浮精细过滤法处理油田回注水的试验研究.pdf

o e x p e r i m e n t a ls t u d y o ni n je c t i o nw a t e ro f t r e a t m e n tb yf l o t a t i o na n df i n ef i l t r a at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u nt i n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i ug u o r o n g c o l l e g eo f e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：堂 日期：矽7 年f 月歹矿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：) 。：年f - , y 力日 日期：加l f 年r 月力日 。k h j j e x p e r i m e n t a ls t u d yo ni n j e c t i o nw a t e ro fo i l f i e l d t r e a t m e n tb yf l o t a t i o na n df i n ef i l t r a t i o n s u nt i n g ( p o w e re n g i n e e r i n ga n d e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f l i ug u o r o n g a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fi n j e c t i o nw a t e rh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g ，w i t ht h ed o m e s t i c e x p l o i t a t i o no fo i lf i e l d s t h ep a p e rd e s i g n sae f f i c i e n tf l o t a t i o na n df i n ef i l t r a t i o nd e v i c e u s e dt ot r e a ti n j e c t i o nw a t e r , a n db u i l ds m a l l - s i z e de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，a st ot h et r e a t e d i n j e c t i o nw a t e rc a n n o tr e a c ht h es t a n d a r da n dt h er u n n i n gc o s t so ft r e a t m e n td e v i c e si st o o l l i 曲 t h ep a p e ra n a l y z e st h em e t h o d sa n ds h o r t c o m i n g so fp r o d u c e dw a t e rt r e a t m e n t ，a n d t h ed a m a g ew h e ni n j e c t i o nw a t e r q u a l i t yi sn o tu pt ot h es t a n d a r db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w et e s tt h ef a c t o r so fd i s s o l v e da i rf l o t a t i o nt r e a t m e n te f f e c t ，t h r o u g h s t u d y i n go i lr e m o v a lm e c h a n i s mo ff l o t a t i o n , a n da n a l y z i n gt h ec o n d i t i o n sf o ra c h i e v i n g f l o t a t i o ns e p a r a t i o n f i n a l l y ，t h ep a p e rg a v et h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fp r o d u c e dw a t e r t r e a t m e n t t h ep a p e rp r o p o s e saf l o t a t i o na n df i n ef i l t r a t i o nc o m b i n i n gp r o c e s su s e dt ot r e a t i n j e c t i o nw a t e r t h ec o m p a r a t i v es t u d yi sc a r r i e do n , c o m b i n i n gw i t hf i n ef i l t r a t i o np r o c e s s -the p a p e rs t u d i e si m p a c to ft h ef i n a lw a t e rq u a l i t y ，f i l t r a t i o nc y c l ea n df i l t e rr e g e n e r a t i o n ，i f w ec a l t yo np r e f l o t a t i o n w ef i n d s t h e b e s t o p e r a t i n gp a r a m e t e r sb yo r t h o g o n m o p t i m i z a t i o nt e s t ：p r e s s u r eo fd i s s o l v e da i ri s0 3 2 m p a , d i s s o l v e dg a si s3 7 5 m l l ，t h e c h r o m ao fc o a g u l a n ti s4 5 m g l ，p hv a l u ei s7 ，f l o wr a t ei s8 0 l h , w a s t e w a t e ri z a t i o n d e g r e ei s2 5 9 l ，t h ef i l t r a t i o nr a t ei s8 0 l h w eg o tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h i sb a s i s a n dt h em o d e lc a l lb eu s e dt op r o v i d eg u i d a n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f l o t a t i o n ，f i n ef i l t e r , i n j e c t i o nw a t e r ，r a t eo f r e m o v i n go i l l f 门 - 、 目录 第一章前言 1 1 课题来源 1 2 研究背景 1 3 研究意义2 1 4 主要研究内容2 第二章文献综述。4 2 1 注水水质要求及不达标的危害4 2 1 1 油田注水水质要求。4 2 1 2 注水水质不达标的危害。6 2 2 采出水处理方法及存在问题6 2 2 1 物理法6 2 2 2 化学和物理化学法7 2 2 3 生物化学法8 2 2 4 其他新型处理方法9 2 2 5 回注水处理存在的问题9 2 3 气浮法处理采出水的机理研究1 0 2 3 1 气浮理论和原理1 0 2 3 2 实现气浮分离的条件1l 2 3 3 常见气浮工艺1 7 2 4 过滤基本理论1 9 2 4 1 滤饼过滤理论19 2 4 2 澄清过滤理论2 0 2 4 3 非压缩性滤饼恒速过滤理论：2 2 第三章气浮处理采出水试验基础2 3 3 1 油田采出水水质分析及实验室的污水配制2 3 3 1 1 油田采出水水质分析2 3 【 3 1 2 试验污水配制2 3 3 2 加压溶气气浮除油系统2 4 3 2 1 原理2 4 3 2 2 分类2 5 3 2 3 加压溶气气浮效果的影响因素2 7 3 3 试验装置及流程3 0 3 3 1 试验装置3 0 3 3 2 试验流程31 3 4 试验参数的测量3 2 3 4 1 试验参数的测量3 2 3 4 2 有关参数的修正3 2 3 5 校准曲线的绘制3 3 3 5 1 原理。3 3 3 5 2 仪器及试剂3 4 3 5 3 校准曲线的绘制3 4 第四章加压溶气气浮处理采出水试验研究3 6 4 1 气浮除油系统的调试3 6 4 2 样品油含量的测定3 6 4 3 试验结果分析3 7 4 3 1 溶气压力3 7 4 3 2 污水含油浓度3 8 4 3 3 溶气量及气油比4 0 4 3 4 气浮时间4 2 4 3 5p h 值4 3 4 3 6 流量。4 4 4 3 7 混凝剂4 5 4 3 8 采出水矿化度4 7 4 3 9 原油种类4 8 - 、 l ， 4 3 1 0 其它因素 4 4 本章小结 第五章气浮处理后含油污水的过滤特性研究 5 1 工艺流程5 1 5 2 气浮处理对过滤的影响5 2 5 2 1 气浮处理对过滤特性的影响5 2 5 2 2 气浮处理对滤芯再生性能的影响5 4 5 3 正交试验研究5 6 5 3 1 建立正交试验表5 6 5 3 2 正交试验结果分析5 7 5 3 3 最佳操作参数实验分析6 2 5 4 过滤过程模型的推导6 3 5 4 1 模型推导6 3 5 4 2 模型的回归效果检验6 5 5 4 - 3 模型准确度6 5 5 5 本章小结6 6 主要结论6 8 参考文献6 9 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 2 致谢7 3 主要符号表 符号 意义单位 u 气浮上升速度 c m s d 固体颗粒的粒径c m p 密度 g c m 3 粘滞系数p a s k l 液相总传质系数m 3 ( m 2 h ) c 浓度 k g m 3 厨溶解度系数l ( k p a m 3 ) p 溶气压力 m p a 盯 界面张力l o 。5 l 恍m q流量lh r 时间 m i n p hp h 值 l 中国祗油人学( 华东) 硕上学位论文 1 1 课题来源 第一章前言 本课题来源于华北油田公司与中国石油大学( 华东) 合作项目“高效污水处理工艺 技术”。 1 2 研究背景 随着各油田的不断开采，国内大部分油田已经进入到开采的中后期，注水开发、 以水换油已成为主要的开发方式，而且各油田提高原油采收率的措施几乎都与水有关。 因此，油田注水量大幅度增加，这不仅带来了寻找稳定水源的问题，而且采出原油中 含水率已经达到7 0 8 0 ，有些油田甚至高达9 0 ，油水分离后产生大量的含油污 水，这些污水中含有大量污染物。给油田采出污水的处理带来问题，因此含油污水处 理问题就成为各油田关心的重要问题。 注水水质好坏是注水目标能否实现的关键，影响着油田二次采油的开发水平，关 系着油田的降本增效和持续稳定发展。油田注水不达标可能引发储油层机械堵塞、膨 胀性粘土矿物膨胀、渗透率下降，从而导致注水压力增大，影响油田的正常生产。水 源通常有以下几种：( 1 ) 油层的采出水；( 2 ) 地下淡水或盐水；( 3 ) 海洋、湖泊、水池、河 流水；( 4 ) 浅蓄水层井水。而随着世界淡水资源的r 益枯竭以及严重的环境污染问题， 据统计，现在超过7 0 的油田采用油田采出水回注【1 捌。 华北油田也面临着含油污水的处理问题，且更加突出。华北油田在2 0 世纪9 0 年代 以来新建的产能区块中，多数为小断块，这些油田均为多层系砂岩油藏，断块小、分布 零散，大多数为低渗透油田。由于砂岩油层小层多、埋藏深、孔喉小、堵塞趋势大，对 注入水的水质有更高的要求( 含油量要求小于5 m g l ，悬浮物浓度要小于l m g l ，有的 甚至要求注入水中的颗粒粒径不大于0 5 岬) 。而要实现如此高的要求标准，必须进行 污水的精细处理。 纵观国内外油田采出水的处理工艺及设备，发现国内能较好地满足油田回注要求的 精细处理工艺还极少；而国外一些发达国家开发的处理装置尽管构思新颖、设计先进、 1 第一章前言 适用范围宽，但由于价格，不适于大规模的引进。 经过课题组长时间的调查及大量的实验研究，我们已经掌握了油田 过滤处理技术，并已有成功的案例。但含油污水中含有大量油及固体悬浮物，易造成滤 芯的污染和堵塞，致使滤芯寿命短、过滤周期短、成本高，所以选择一种合适的工艺对 油田含油污水进行预处理，然后进行精细过滤二级处理，设计含油污水的组合处理工艺 已成为当务之急。 1 3 研究意义 随着对现有油田的开采，对注水水质要求越来越高。而油田建设初期所建设的污水 处理装置已经不能满足处理要求；同时由于各种油田开采助剂的使用，油田采出水水质 的变化幅度增大，导致部分区块处理后的回注水水质很难达标。而回注水未达标却仍然 回注，则会堵塞地层出油通道，降低注水效率和石油开采量。 本课题以气浮工艺处理油田采出水为主要研究对象，探讨气浮除油系统的工艺和运 行状况。通过试验系统分析了各种因素( 如溶气压力、溶气量、溶气时间、p h 值、废 水含油量等) 对除油效率的影响，对整个气浮工艺流程的各个操作参数进行优化，确定 新的气浮参数，对油田采出水进行预处理，减轻滤芯的污染和堵塞，延长滤芯寿命及过 滤周期，配合实验室已有的的精细过滤工艺，使处理后的水质达到回注水要求，进行回 注，不仅可达到降低成本的目的，还可实现环保节能的目的，其产生的经济效益、社会 效益与环境效益都是巨大的。 1 4 主要研究内容 本课题研究以出水水质达到碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法中的a 1 级标准为前提，通过研究气浮除油机理，建立一套小型试验装置，通过试验设计新的 气浮工艺参数，并结合精细过滤技术，研制出适合高效处理油田采出水的组合工艺。 以达到保护自然环境、有效增加污水处理效率、降低污水处理成本的目的。具体来说， 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 对气浮除油及悬浮颗粒机理进行研究； ( 2 ) 对华北油田不同污水水质进行研究，污水的水质特性分析以及油在污水中的 2 不同存在 ( 3 ) 溶气量、 宜的操作 ( 4 ) 工艺流程 ( 5 ) 数学模型 3 第- 二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义陬琢殓 2 1 注水水质要求及不达标的危害 油田为了提高原油采收率的，向油井中注入了大量水，而且在油、气的生产过程 中也将产生大量的地层伴生水。为了获得合格的油、气产品，需要将伴生水以及注水 与油、气进行分离，分离所产生的水中，仍然含有一定量的油、气以及其他的固体或 液体杂质，这些含有一定量油、气以及其他杂质的水被称为含油污水3 1 。油田注水和 地层伴生水是油田含油污水的主要来源。 2 1 1 油田注水水质要求 注水水质的好坏是决定油f f i 能否稳定生产的主要因素之一。油田采出水经过净化 处理后，要作为回注水进行回注或者直接排放，油田采出水的处理目的就是使处理后 的水达到回注或排放标准。而国内目前各油田进行回注的水中都含有一定量的油以及 其它杂质，这样下去，必然会造成地层裂缝或孔隙堵塞，进而使油田产能下降。因此， 必须对油田回注水进行相应处理，使水质达到相关回注标准的要求。归纳起来，下面 主要介绍注水水质所要达到标准4 】： ( 一) 注水水质的基本要求； ( 1 ) 水质要稳定，配伍性好，不会对回注层产生伤害，并且不与地层伴生水产生 沉淀； ( 2 ) 注入到地下后，不会引起粘土矿物发生水化膨胀； ( 3 ) 控制水中的有机淤泥、油、悬浮物以及乳化液含量，防止造成渗流通道和断 面的堵塞； ( 4 ) 不会对注水设备造成严重的腐蚀； ( 二) 推荐水质主要控制指标 根据碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法( s y t 5 3 2 9 - - 9 4 ) 中的水质标准， 不同油田应达到的水质主要指标如表2 1 所示。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 1 注水水质主要指标 t a b l e 2 - 1m a i nq u a l i t yo fi n j e c t i o nw a t e r 注入层平均空气渗 o 6 透率( g m 2 ) 标准分级 a la 2a 3b lb 2b 3c 1c 2c 3 悬浮同体含量 5 1 0翌09 09 0g 0 5 0 5 0g 05 1 0 0 ( m g l ) 悬浮颗粒直径 - 1 05 1 5受0翌0雯59 o9 09 5g 0 中值( 岬) 含油量( m g l ) 5 0 郢0 垫0垫0 1 0 0s 1 5 0s 1 5 02 0 0 9 0 0 控平均腐蚀率 0 0 7 6 制 ( m m a ) 指a 1 、b i 、c i 级：试片各面都无点腐蚀； 标 点腐蚀a 2 、b 2 、c 2 级：试片有轻微点蚀； a 3 、b 3 、c 3 级：试片有明显点蚀； s r b 菌( 个m l ) 0 2 50 l o 2 5o 1 0 2 5 1 0 铁细菌( 个m l )n 1 0 2n 1 0 3r t x l 0 4 腐生菌( 个m l ) n x l 0 2 n x l 0 3n 1 0 4 ( 三) 注水水质的辅助指标 辅助指标主要包括h ：s 、溶解氧、侵蚀性c 0 2 、铁、p h 值等。 ( 1 ) 如果主要控制指标已经达到标准要求，注水顺利时，可以不考虑辅助指标； 若达不到要求，则可进一步测定辅助指标，以查明原因； ，( 2 ) 水中硫化物含量过高会导致悬浮物增加，应控制其浓度小于2 0 m g l ； ( 3 ) 溶解氧会引起腐蚀加剧，因此腐蚀率不达标时，首先应测定溶解氧量； ( 4 ) 侵蚀性c o ，含量大于零时，此水会腐蚀注水设备；小于零时，会析出碳酸盐 沉淀；等于零时，此水稳定。应控制其浓度为- 1 0 m g l c o o 1 0 m g l ； ( 5 ) 7 t ( d 0 含铁时，由于细菌作用可将f e 2 + 转化为f e 3 + 而生成f e ( o h ) 。沉淀； ( 6 ) 水的p h 值应控制在7 + 0 5 。 5 第二章文献综述 2 1 2 注水水质不达标的危害 随着各油田的不断开采，以前建造的水处理系统已经达不到回注水水 求，况且因为各种开采助剂的普遍使用，使采出水处理更加困难，处理后 难达标【5 1 。而将未达标的水进行回注，水中的油、悬浮物、细菌及其产物以及聚合物 等会在井眼附近和近井地带造成堵塞，使渗透率降低，注水压力升高，导致注水量下 降，地层能量得不到补充，严重时会造成油层污染。而且注水压力的升高还会带来其 它的负面作用：一是对注水设备及管线安全造成威胁；二是增加了注水的能耗；三是 注水压力太高会使储层产生裂缝，致使主力吸水层吸水量下降而非主力吸水层吸水量 升高，发生储层油水不恰当流动以及驱替现象，导致注水开发效果降低【6 】。 2 2 采出水处理方法及存在问题 高效的采出水处理工艺在油田的正常生产以及环境保护等方面具有重要作用。由 于地理位置的不同以及各种助采剂的使用，各油田采出水水质差异很大，因此处理工 艺以及处理后水质也各不相同。而且不同的油田开发时期，对注水水质的要求标准也 不尽相同。所以各油田应根据自己实际情况来确定采出水处理工艺。目前，常见的采 出水处理方法大致可分为物理法、化学和物理化学法以及生物化学法三种，实际生产 中又常用各方法的交叉结合。下面简要介绍国内外几种常见的处理方法。 2 2 1 物理法 物理法就是采用物理的方法，在基本不改变采出水化学性质的情况下，降低采出水 中的油及悬浮物含量。主要可分为沉降分离技术、气浮浮选技术、离心分离技术、过滤 技术等【7 - 15 1 。 ( 1 ) 沉降分离技术是一种利用密度差进行分离的技术，这种方法可以除去污水中 6 0 以上的油以及大部分固体悬浮颗粒。其最常用设备为隔油池，主要用于将污水中浮 油以及破乳后的乳化油去除。隔油池的形式主要有平流式( a p i ) 、波纹斜板( c p i ) 、 平行板式( p p i ) 等。a p i 是根据斯托克斯公式设计的，当表面积确定时由斯托克斯公式 可得隔油池所能去除的最小油珠直径。除油效果在很大程度上受隔油池内水流状态的影 响，层流状态便于油珠的上浮和悬浮物的沉降，因此它是最好的水流状态。进而设计出 了c p i 式、p p i 式以及i p i 式( 斜板式) 等高效的隔油池。这几种类型与a p i 式相比，除油、 6 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 排油能力更强，占地面积更小，并且在安全方面也有明显提高。沉降分 易操作，除油效果稳定，但对未破乳的乳化油或溶解油效果不好。 ( 2 ) 气浮浮选技术是进行液液或固液分离的一种技术。它的原理是产生大量微小 气泡吸附在要除去的油或悬浮颗粒上，利用浮力将其带至水面刮除，以达到分离的目 的。此方法油水分离效率高，对乳化油和胶态油有很好的去除作用，但对稠油污水和 乳化严重的采出水处理效果并不好。 ( 3 ) 离心分离技术就是利用两相高速旋转时产生的离心力大小不同而达到分离目 的一种技术。这种方法设备结构简单、占地少，可单级和多级串联使用，处理效率高， 但流速太高时会剪碎部分分散油，变成更小的分散物，从而影响分离效率。非洲、北 海、西欧等地区的油田应用此方法。 ( 4 ) 过滤技术是指使污水流过过滤器，利用过滤介质或滤饼的拦截作用，除去水 中的油或悬浮颗粒的一种技术，按过滤介质的不同，分为传统的过滤方法和膜过滤。 此方法除油效率高，出水水质能够达到低渗透油田的注水标准，工艺设备简单，并且 还可降低b o d 和c o d ，但处理量较小，运行时易造成过滤介质的污染、堵塞和损害， 过滤介质的再生困难，并且当处理水规模较大时，对来水水质要求较高，需要进行严 格的预处理。 2 2 2 化学和物理化学法 化学和物理化学法主要用来处理不能单独用物理法或生物法处理的油田采出水， 这些污水中含有溶解性物质以及胶体。现在常见的化学和物理化学法主要有吸附法、 混凝沉淀法、盐析法和电化学法等【1 6 1 3 1 。 ( 1 ) 吸附法主要指利用比表面积比较大的材料来吸附废水中的油及悬浮颗粒。对 于采用其它方法难以处理的大分子有机污染物，使用吸附法处理效果非常显著，因此近 年来吸附法在油田采出水的处理中被广泛地应用。现在较常见的吸附材料是活性炭，但 其吸附容量有限，对油的吸附容量大约为3 0 8 0 m g g ，而且处理成本高，再生困难。所 以开发经济高效的吸附材料是目前吸附法研究的重点。 对新吸附材料方面的研究，最近有不少报道。其中近年发展起来的吸附树脂是一种 新型的有机吸附材料，它的吸附性能良好，而且易于再生，可以重复使用，有取代活性 炭的可能。此外，吸油毡、木屑、陶粒、稻草、石英砂等也具有吸油的性能，可以用来 7 一 第二章文献综述 作为吸附材料【3 1 。曹乃珍等对石墨进行吸附试验研究，结果表明膨胀石墨对单纯油类、 乳化油以及浮油的吸附量高于活性炭，并且在再生时，不会因大量吸水而浪费吸附材料。 吴敦虎等对硼泥的吸附性能进行研究，也得到较好的研究效果。实验室对粉煤灰在油田 采出水处理中的应用，也进行了大量试验研究，此吸附材料对污水的适应范围很广，对 油的去除率很高。 ( 2 ) 混凝沉淀法是指用混凝剂除油的方法。目前，比较常用的无机混凝剂一般有 铁盐或铝盐，近年来新出现的高分子混凝剂，如聚合氯化铝、聚合硫酸铁等，有效率高、 用量少的优点，但污泥生成量较多，而且药剂较贵。因此现在有机高分子混凝剂的研究 得到迅速发展，但是目前有机高分子混凝剂在油田采出水处理方面仍然主要是用来作为 其它处理方法的辅助剂。 ( 3 ) 盐析法是指向污水中加入一定量盐，压缩水界面与油珠处的双电层厚度，从 而使油珠脱稳、长大，进而去除的一种方法。该方法由于工艺简单，操作费用较低，应 用较多，尤其是作为初级处理更为广泛，但其投药量大( 1 5 ) ，设备占地面积大，聚 析速度慢，分离时间一般都在一天以上，而且对表面活性稳定的含油乳状液的处理效果 较差。 ( 4 ) 电化学法是指以金属铁或铝作为阳极电解处理油田采出水的方法，在机械加 工厂冷却润滑液的二级处理中应用最为广泛。目前在处理开采海洋油田时所产生的含 油废水中，该方法己被广泛使用。李海涛等采用电化学法处理某海洋油田采出水，能 使采出水的c o d 值降到一级排放标准以下。 2 2 3 生物化学法 油田采出水经隔油等处理后，仍然达不到国家规定注水或者排放标准，因此需进 行生物滤池法或者活性污泥法等二级处理。生物法是指利用微生物，使污水中的有机 污染物分解为无害物质的方法，可以分厌氧生物处理和好氧生物处理两种。近年来又 有不少新的发展，如纯氧曝气、深井曝气以及曝气塔等，都不同程度地提高了对油田 采出水的处理效率。如张利平等对孤岛油田的采出水进行气浮浮选处理后，分别采用 生物接触氧化法和直接投加菌液方法进行了试验，研究结果表明都能有效地去除油田 采出水中的污染物，使出水指标都达到规定标准。 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 2 4 其他新型处理方法 随着科技的发展，以及对油田采出水处理标准的变化，目前又出现了其他的新型处 理方法，如磁分离法和超声波法【1 9 】。 ( 1 ) 磁分离法是指将含油废水与磁性颗粒相混合，利用磁性颗粒的磁化效应，将 油珠吸附在磁性颗粒上，并以磁性颗粒作为载体，然后将含油磁粒分离，从而实现油水 分离的方法。但是动力消耗大，而且设备昂贵，磁种再生循环使用困难，目前应用尚不 广泛。 ( 2 ) 超声波法可以破乳，研究表明破乳剂与超声波具有非常好的协同作用，可以 显著提高破乳效率，降低破乳剂的用量，特别是对那些原油乳状液具有较好的破乳脱 水效果。但是跟其他处理方法比，存在着费用高、处理量小等问题。 2 2 5 回注水处理存在的问题 随着国际油价的不断上涨，对石油需求的增加，低渗透区块和油田的开采也在不 断增加。但是由于一般低渗透油田的地层渗透率低、埋藏深、油藏物性差，要求注水 水质达到a 1 级标准。但现在各油田注水水质达标率低，注入水中含有大量油、有机 物以及悬浮物等污染物，这些污染物很容易堵塞或污染地层，致使注水压力不断升高， 影响注水开发效果，增加油田开发的成本和难度。而且由于在油田的开采中，大量使 用表面活性剂、聚合物等药剂，导致采出水的表面活性、张力以及粘度等都有很大变 化，因此现有的处理设施已经不能使出水水质达到回注标准。油田采出水处理中存在 的问题主要有【2 0 l ： ( 1 ) 我国现有的油田采出水处理技术，大部分是借鉴国外的技术，经过处理后油 含量基本能够达标，但固含量基本不能达到要求，一是因为我国现有的处理设备精度低、 效率不高，而且使用寿命短，使用一段时问后，处理效果便不能达标，二是因为我国生 产的元件品质不能满足油田采出水处理的工况条件。 ( 2 ) 随着对油田的不断开采，对注水水质要求达到的标准越来越高，以前所建设 的采出水处理装置已不能满足回注水处理的要求。 ( 3 ) 设备陈旧，处理工艺单一。 ( 4 ) 设备、管线的腐蚀现象严重。 ( 5 ) 稠油油田的采出水处理难度大，我国现在对这类油田采出水的处理精度仍然 9 达不 2 3 的微 重力 液液 浮， 2 3 1 气浮理论和原理 ( 一) 气浮理论 早在上世纪7 0 年代就有学者对气浮理论进行研究，后来随着在溶气设备以及释放器 上的技术突破，气浮技术在国内的应用逐渐推广开，从而气浮理论也随着不断丰富和发 展，现在主要可以分为动力学、热力学以及流体力学三种理论【2 1 之6 1 。 ( 1 ) 动力学理论 动力学理论主要是从粘附的微观过程开始，研究微小气泡与颗粒( 油珠或悬浮颗粒) 的粘附速度大小的问题。该理论认为，颗粒与气泡的粘附是下面几个因素综合作用的结 果：气泡与颗粒相互碰撞并粘附；颗粒自身的包卷、网捕以及架桥；表面活性剂 的作用；微小颗粒与微小气泡间的共聚长大。可以通过动力学模型来对粘附现象进行 理解，动力学模型主要有轨迹理论模型和群体平衡理论模型。 ( 2 ) 热力学理论 热力学理论主要由表面自由能和接触角角度开始，研究微小气泡与颗粒的粘附机 理。动力学理论认为：溶气水通过释放器析出的微小气泡，在气泡的外层有一层透明的 水膜，水膜的外层排列疏松，在上浮的过程中受阻力与浮力影响发生流动，而水膜内层 与气体一起构成了稳定的微小气泡宁并且上浮；经过混凝剂脱稳凝聚，从而形成的柔性 絮粒，一般具有一定的过剩憎水基团以及自由能；气泡与絮粒间的粘附结合完全是体系 自由能降低的自发过程。 ( 3 ) 流体力学理论 流体力学理论则主要由气浮池的水力学特点开始，研究使颗粒与气泡粘附以及分离 1 0 中国石油人学( 华东) 硕l ：学位论文 的水力学条件。气浮池也因此经历了由矩形狭长浅池，逐渐发展到圆形深池；表面负荷 也由原来的2 3 m 3 h 增加到现在的2 5 4 0 m 3 i l ，有的甚至更大；最为重要的是，分离区 的流态由以前的层流发展为现在的紊流。在这个阶段，浮沉池、浮滤池、紊流气浮池等 也应运而生。n s j f a w c e e t 、j h a a r h o 趿m l u n d h 等用计算流体力学对气浮池内水流的 水力学特点进行模拟与观测，发现分离区上部存在三维流动以及分层流。 ( 二) 气浮原理 气浮的基本原理就是水中的污染物颗粒( 油珠或悬浮颗粒) 粘附在气泡上，并随气 泡一起上升，而它们的上升符合斯托克斯定律： 甜：型尘! 二型 ( 2 1 ) 1 8 u 式中：z 卜_ 污染物颗粒的上升速度，c m s ； 蜥染物颗粒的有效直径，c m ； p 旷污染物颗粒的密度，g c m 3 ； 肌广- 水的密度，g e m 3 ； ，卜一水的粘滞系数，p a s o 由公式( 2 1 ) 可知，当重力加速度与水的密度不变，粘滞系数为常数时，污染物 颗粒的上升速度与其直径平方以及密度差成正比。 污染物颗粒的密度应该比水的略小，一般情况下，它们处于上升或悬浮状态；由于 气体的密度比水的更小，仅为水的1 7 7 5 ，因此当气泡粒径与油珠及悬浮颗粒相同时，它 的上升速度要远远高于油珠或悬浮颗粒，于是产生一个速度差，这样油珠及悬浮颗粒与 气泡就有可能发生碰撞。碰撞时油珠及悬浮颗粒与气泡产生相互吸附，从而使被吸附的 油珠或悬浮颗粒长大，而其有效直径的增大，密度的减小，加快了他们上升的速度，降 低停留时间，提高设备的处理效率1 2 7 1 。 2 3 2 实现气浮分离的条件 气浮一般有三个过程，即微小气泡的产生；气泡与颗粒( 油珠或悬浮颗粒) 的粘结， 形成整体密度比水小的“颗粒气泡 复合体；颗粒随气泡一起上浮分离。因此，实现 气浮分离的必要条件有三个：一是必须使水中产生大量高度分散的微小气泡；二是必须 1 1 气在水中的传质速率提高，就必须提高液相总传质系数鼠或者是通过提高水的紊动程 度或流速来降低液膜厚度。提高鼠的主要途径是使用高效的填料溶气罐，原水以喷淋 方式从压力溶气罐顶部进入，空气通过水泵叶轮或者射流器切割为气泡后从溶气罐顶 部经喷头或经多孔板从溶气罐低部通入。这样，就可以使空气在水中的溶解量在一定 的溶气时间内最接近饱和。如果采用空罐时，也可以采用上述的进水布气方法，并且 应尽量提高喷淋的密度。 在溶气压力并不很高而水温一定的情况下，空气在水中的溶解度y 与压力p 的关 系可用亨利定律表示为： v = k r p( 2 3 ) 式中：阻空气在水中的溶解度，l m 3 ； j 岛一溶解度系数，与温度有关，其值见表2 2 ； 1 2 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 尸l 溶气的绝对压力，l 【p a 。 表2 - 2 不同温度下空气在水中的溶解度系数 t a b l e 2 2 s o l u b i l i t yc o e f f i c i e n to fa i ri nw a t e ra td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 温度0 1 02 03 04 05 0 厨值0 2 8 5 0 2 1 80 1 8 0o 1 5 80 1 3 50 1 2 0 由上式( 2 3 ) 可见，空气在水中的溶解度与温度及压力有关，并且气体的溶解过 程还与水的状态有关。在实际生产应用中，因为溶气压力的增加受到能耗的限制，并 且空气的溶解度与溶气的利用效率相比，在气浮过程中并不是十分的重要，所以溶气 压力一般控制在4 9 0 k p a ( 表压) 一下就可以。 在条件一定的情况下，空气在水中的实际溶解量比上平衡溶解量的比值，被称为 空气的饱和系数。其大小与压力溶气罐结构和溶气时间有关。标准大气压下，水中空 气的平衡溶解量数值如表2 3 所示。 表2 - 3 标准大气压下空气在水中的平衡溶解量 t a b l e 2 - 3d i s s o l v e do fa i ri nw a t e ri nt h es t a n d a r da t m o s p h e r i cp r e s s u r e ( 2 ) 溶气水中空气的释放2 8 。o 】 溶气水中气体以气泡的形式释放出来，这个步骤一般可以分为两个过程：消能过程 和气泡并大过程，是在减压释放单元内完成的。一般的释放单元，气泡在消能过程中合 并较小，但压力损失较大，达至m j 9 5 左右，气泡直径可长大到3 5 9 m ：而在并大过程中 压力损失较小，为5 左右，气泡直径可合并长大到3 0 5 0 岬。释放单元一般包括溶气 管路与减压释放装置。减压释放装置( 如释放器、减压阀) 主要是将溶气水减压，以使 溶气水中的过饱和空气能够以微小气泡的形式释放出来。溶气管路主要是将已减压的溶 气水以及产生的气泡送入气浮池。通常要求释放器提供的微小气泡直径范围在2 0 - - l o o g m 。下面以国产t s 释放器为例，说明释放器的工作原理，如图2 1 所示。 1 3 图2 - 1t s 型溶气释放器结构 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r eo f t h et & 坶p ed i s s o l v e da i rr e l e a s e r 当溶气水经过释放器进水孔进入孔盒时，在极短的时间( 约0 1 s ) 内，反复地受 到收缩、撞击、扩散、挤压、返流及漩涡等作用，其压力能迅速消失，压力损失约为 9 5 左右，从而压力下降，进而溶气水中的空气得以释放。 溶气设备以及释放设备是气浮系统中非常重要的辅助性设备，气浮分离的处理效 果受到这两类设备各自效率的直接影响。 ( 二) 疏水性的液态或固态悬浮体的形成 物质不易被水润湿的性质被称为疏水性，反之，容易被水润湿的性质被称为亲水 性。气浮浮选的基本条件是水中液态或固态悬浮物为疏水性物质。一般情况下，亲水 性颗粒不易与气泡粘附，而疏水性颗粒则容易与气泡粘附。如果要用气浮浮选法来分 离亲水性颗粒，那么必须用浮选剂使其表面特性发生改变，成为疏水性颗粒。下面简 单介绍一下常见的浮选剂种类。 ( 1 ) 捕收剂 由于油田采出水中有许多各种各样的污染物颗粒，有的颗粒表面是亲水性、不易 浮选，因此需要投加一定浮选剂，改变颗粒表面的性质，提高颗粒的可浮性，这类药 剂被称为捕收剂。捕收剂一般是由非极性一极性分子组成的，结构用符号“o 一 来 表示，圆头代表极性基，易溶于水，尾端代表非极性基，不易溶于水，如脂肪酸、硬 脂酸及其盐类等都是捕收剂。极性基团可有选择性地吸附在污染物颗粒的表面上，而 非极性基团则朝外，这样，颗粒表面就能够转化为疏水性，从而可以粘附在气泡上。 ( 2 ) 起泡剂 1 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 气浮过程中，为了带动大量颗粒快速上浮，需要大量的气泡，而起泡 大量气泡的浮选剂。起泡剂的机理是降低污水的表面自由能，使其易于产 且微小的气泡，并且防止气泡相互兼并长大。一般是含有疏水性或者亲水 面活性剂。必须注意的是，起泡剂虽然可以降低污水的表面自由能，但同 性指标降低，对气浮浮选产生不利影响。因此，起泡剂不可使用过多。 ( 3 ) 调整剂 为了提高捕收剂的作用，改善浮选条件，并提高气浮过程的选择性，在气浮过程 中常需要使用到调整剂。调整剂一般可分为活化剂、抑制剂与介质调整剂三大类。 浮选剂的分类与作用是相对的，某一种浮选剂在这种条件下是捕收剂，而在那种 条件下可能就是调整剂。比如硫化钠( n a 2 s ) 在处理有色金属硫化矿时的复选过程中 属