中原油田：清污減渣 油藏暢飲“純凈水”

□楊靜麗 王 峰

從黢黑的采出水到清澈透亮的“純凈水”，在中原油田濮二采出水處理站，每天有近萬立方米的采出水經(jīng)過凈化處理后重新回注地下油藏驅(qū)油。

為解決采出水處理過程中加藥量大、產(chǎn)生殘?jiān)嗟碾y題，中原油田自主研發(fā)東濮老區(qū)油田采出污水低成本處理技術(shù)。新技術(shù)應(yīng)用后，在保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，采出水處理的綜合成本下降近1/5，殘?jiān)漠a(chǎn)生量減少逾1/3。

“接下來，我們還要將這項(xiàng)技術(shù)與老區(qū)其他采出水處理站進(jìn)行適配，從源頭減少含油殘?jiān)?、固廢產(chǎn)生量，實(shí)現(xiàn)水處理工藝高效、低成本運(yùn)行，助推油田效益開發(fā)和綠色低碳發(fā)展?！敝性吞锼畡?wù)分公司水務(wù)技術(shù)專家蘇三寶說。

低成本處理采出水迫在眉睫

油田采出水中含有大量的懸浮物和溶解雜質(zhì)。當(dāng)前水驅(qū)開發(fā)依然是老油田主要的穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)手段，如何高效、低成本、環(huán)保地處理油田采出水，成為老油田面臨的重大課題。

中原油田東濮老區(qū)整體處于高含水、特高含水期，含水率高（平均大于94%）、年產(chǎn)液量大（約2200萬立方米），采出水低成本精細(xì)處理是油田效益開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。東濮老區(qū)現(xiàn)有采出水處理站13座，主要采取“除油-水質(zhì)改性-沉降過濾”三段式水處理工藝。

“油田采出水處理面臨藥劑費(fèi)用高、采出水處理殘?jiān)a(chǎn)量大的問題，給安全環(huán)保工作帶來巨大壓力?！碧K三寶說，“此外，隨著油田開展三次采油，采出水水性日益復(fù)雜，現(xiàn)有工藝難以滿足差異化處理需求?！?/p>

采出水低成本處理迫在眉睫。

2022年3月，中原油田發(fā)揮“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”優(yōu)勢(shì)，由中原油田水務(wù)分公司、石油工程技術(shù)研究院和濮城采油廠聯(lián)合組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，選取藥劑費(fèi)用最高、殘?jiān)a(chǎn)生量最大的“濮二采出水處理站”為試驗(yàn)田，開啟“治水”之路。

經(jīng)典理論失靈？

“如何從源頭減少殘?jiān)?？是不是就像磨豆?jié){，豆子磨得越細(xì)，豆渣越少？”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)第一次集中討論時(shí)，中原油田專家、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)技術(shù)首席黃雪松說，“豆子磨得細(xì)不細(xì)，還得看刀頭鋒利不鋒利，這個(gè)刀頭就是我們的理論認(rèn)識(shí)，鋒利不鋒利就是我們的認(rèn)識(shí)深入不深入?！?/p>

大家決定從水質(zhì)改性技術(shù)機(jī)理開始攻關(guān)，然而，研究剛起步就碰到了棘手問題?！胺治龌?yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)采出水中的溶解酸性氣和殘?jiān)a(chǎn)生量的關(guān)系竟然與1916年就建立的亨德森方程描述的經(jīng)典理論不相符。”蘇三寶說，“這意味著經(jīng)典理論在東濮老區(qū)失靈了?！?/p>

面對(duì)新問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研學(xué)聯(lián)動(dòng)、集智攻關(guān)，反復(fù)優(yōu)化分析方案，選取多座采出水處理站橫向?qū)Ρ龋瑲v時(shí)數(shù)月分析水質(zhì)近千項(xiàng)，層層解析內(nèi)部聯(lián)系、步步探尋普遍規(guī)律。最終，他們創(chuàng)新建立“氣液固”多相水質(zhì)凈化反應(yīng)機(jī)理，明確了溶解酸氣，即游離二氧化碳才是殘?jiān)a(chǎn)生量的主控因素，建立起殘?jiān)a(chǎn)生量隨藥劑正比增加的數(shù)學(xué)關(guān)系；理論認(rèn)識(shí)提升的同時(shí)，明晰了“殘?jiān)薄八巹边@兩個(gè)卡脖子難題“共同一體”的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了去除游離二氧化碳是實(shí)現(xiàn)低成本處理采出水的關(guān)鍵。

在掌握油田采出水水質(zhì)凈化反應(yīng)機(jī)理這一核心要點(diǎn)后，團(tuán)隊(duì)成員結(jié)合各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，分組建成化學(xué)法、物理法、原位封存法3個(gè)減少游離二氧化碳影響研究方向的攻關(guān)小組，全力破解高含二氧化碳的采出水處理難題。

“相同的藥劑種類配比不同，產(chǎn)生殘?jiān)臄?shù)量就不同，就像走平衡木，我們需要找尋到最佳平衡點(diǎn)?！碧K三寶介紹，“經(jīng)過多輪測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把酸堿度控制在6.7±0.1時(shí)，可實(shí)現(xiàn)油田水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)條件下殘?jiān)孔钌??！?/p>

智能化支撐成果落地

新的挑戰(zhàn)接踵而來。即便掌握了最佳控制參數(shù)，團(tuán)隊(duì)還是在如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控方面犯了難。濮二采出水處理站有大小水罐13座，其中4座容量1000立方米，要想精細(xì)控制水質(zhì)酸堿度，依靠人工調(diào)節(jié)無異于蚍蜉撼大樹。

“既然人工調(diào)節(jié)做不到，那就交給智能化。”蘇三寶說，“智能化是支撐我們科研成果落地的載體?！?/p>

搭乘建設(shè)“數(shù)智賦能型油田”的東風(fēng)，聯(lián)手中原油田邢同征技師工作室自控團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同步開展水質(zhì)在線檢測(cè)儀表選型、控制模塊選型和機(jī)柜組裝、控制方法優(yōu)化和程序編寫等工作；集中攻關(guān)多功能人機(jī)界面，完善遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控程序，一系列工作有條不紊地展開。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新建立多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和藥劑自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)投加技術(shù)，全部實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)和施工，做到了水質(zhì)監(jiān)測(cè)看得清、控制方法算得準(zhǔn)、反饋調(diào)節(jié)做得實(shí)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)酸堿值精細(xì)控制。

濮東采油廠胡狀采油管理區(qū)胡狀集采出水處理站是最早裝上智能調(diào)控系統(tǒng)的站場(chǎng)。“以前，一天要爬很多次三四米高的儲(chǔ)罐?，F(xiàn)在，足不出‘室’，我們就可以完成從加藥到調(diào)控一系列的操作?！彼畡?wù)分公司油區(qū)水務(wù)服務(wù)項(xiàng)目部員工王桂臣感慨。通過值班室的電腦及安裝在加藥泵房的可邏輯控制柜，員工能實(shí)時(shí)、清晰地看到采出水處理的參數(shù)變化規(guī)律、水質(zhì)波動(dòng)情況等，并在線自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)。

當(dāng)前，中原油田已實(shí)施了胡狀、明二、濮二等采出水處理站的藥劑投加自動(dòng)化改造，開展藥劑自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)建設(shè)，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和控制點(diǎn)，安裝在線監(jiān)控儀表84臺(tái)（套），大幅降低了崗位員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

應(yīng)用新技術(shù)，中原油田采出水處理實(shí)現(xiàn)水質(zhì)優(yōu)、藥耗減、殘?jiān)鼫p和腐蝕受控，綜合成本降低顯著，出站水質(zhì)達(dá)標(biāo)率100%。“下一步，我們將繼續(xù)在低碳綠色處理技術(shù)上發(fā)力，全力化解傳統(tǒng)混凝劑需要較高堿度與高含二氧化碳采出水為酸性水之間的矛盾，努力做到在采出水處理過程中不直接或不間接增加二氧化碳排放量，以實(shí)現(xiàn)二氧化碳在采出水中原位封存?！碧K三寶說。

勝利油田：生化處理 深度凈化采出水

□任厚毅 于丹丹

用功能菌去除有機(jī)物

面對(duì)油田開發(fā)中后期采出水量激增的挑戰(zhàn)，勝利油田聚焦石油微生物技術(shù)，利用微生物的特性和功能，不僅解決了采出水處理的難題，還實(shí)現(xiàn)了無副作用、低能耗、原料可再生的綠色處理方式?？蒲腥藛T篩選出高效菌種，通過生化工藝，將原油等有機(jī)物降解為二氧化碳和水，再結(jié)合超濾和反滲透膜技術(shù)，徹底去除采出水中的懸浮物和無機(jī)離子，實(shí)現(xiàn)了采出水的深度凈化。

“如果把微生物排成1500行1500列的方陣，大概有一粒芝麻的大小?！痹陲@微鏡實(shí)驗(yàn)室，勝利油田微生物技術(shù)首席專家汪衛(wèi)東介紹微生物樣品在顯微鏡下的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀況。

生化工藝就是利用細(xì)菌降解水中的有機(jī)物，原生動(dòng)物捕食細(xì)菌，維持生態(tài)平衡，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。生化水處理的技術(shù)核心是功能細(xì)菌的選取，并進(jìn)行培養(yǎng)馴化。培養(yǎng)馴化后的功能菌可去除大部分原油等有機(jī)物，再配合適合的過濾、脫氧和殺菌等處理工藝，經(jīng)過來水、氣浮、冷卻、生化、沉降、超濾等流程，從根本上去除采出水中的有機(jī)物。此外，還要考慮降低后續(xù)精細(xì)處理設(shè)備的膜污染問題，進(jìn)一步提高精細(xì)處理效率。

2018年，勝利油田首次建成達(dá)到工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的生化精細(xì)水處理工藝流程，篩選的高效菌降解原油速率是文獻(xiàn)記錄最高速率的1.5倍，并且在國(guó)內(nèi)首次將生化工藝中的生物膜工藝與管式中空纖維超濾結(jié)合應(yīng)用于工業(yè)水處理。

2019年，工藝進(jìn)一步升級(jí)，形成目前最先進(jìn)的采出水處理工藝——生化雙膜技術(shù)。其原理是通過微生物的作用，將原油等有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，利用超濾和反滲透膜去除采出水中的懸浮物和無機(jī)離子，收到最佳采出水處理效果。

勝利油田濱南采油廠管理六區(qū)單14注水站的生化+雙膜工業(yè)化處理流程日處理油田采出水200立方米，穩(wěn)定運(yùn)行已超3年，出水水質(zhì)穩(wěn)定，采出水利用率達(dá)95%。

采出水變身清水

“經(jīng)過生化處理的采出水，礦化度、硬度等方面指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于自來水，甚至可以飲用，更不用說鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)了。”在單14注水站，勝利油田石油工程技術(shù)研究院微生物所副研究員潘永強(qiáng)接了一杯地下采出水介紹。

聯(lián)合站采出水負(fù)荷高，而熱采鍋爐清水需求量大。對(duì)此，2020年初，勝利油田石油工程技術(shù)研究院微生物所科研人員立項(xiàng)“油田采出水注汽鍋爐資源化利用技術(shù)研究”課題，開展了生化處理工藝規(guī)模化應(yīng)用研究，包括生化處理系統(tǒng)的快速建立、高效菌種菌群的優(yōu)化、提高生化效率、提高污水COD（化學(xué)需氧量）去除率，以及超濾膜的應(yīng)用適應(yīng)性研究、反滲透適應(yīng)性研究等，均取得突破性進(jìn)展。

科研人員開展了采出水注汽鍋爐資源化利用試驗(yàn)。截至目前，試驗(yàn)流程已平穩(wěn)運(yùn)行超3年，經(jīng)處理的水礦化度由19000毫克/升降到110毫克/升，硬度由1450毫克/升降為0，各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于自來水，完全符合鍋爐用水的標(biāo)準(zhǔn)。

如果采出水沉積在油井周圍，時(shí)間長(zhǎng)了大部分的輕質(zhì)、易降解石油烴組分完全揮發(fā)，難降解的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等組分與泥砂黏附在一起，會(huì)形成老化油泥。針對(duì)這些油田退役井場(chǎng)、站庫土壤鹽堿度高、污染物黏度大等處置難題，科研人員研發(fā)了以微生物強(qiáng)化修復(fù)為核心的修復(fù)技術(shù)，通過開發(fā)耐鹽堿高效石油烴降解菌株，配套淋洗等處理工藝，實(shí)現(xiàn)無害化處置。目前已形成針對(duì)落地油泥、罐底泥、改性污泥和油污土壤等四大類油田產(chǎn)出水沉積物的處置技術(shù)體系，并逐步進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

用微生物“打敗”微生物

6月10日，一批生物制劑被送到孤島采油廠孤四注水站，用于采出水配制聚合物溶液。不久，該區(qū)塊的聚合物溶液黏度由30毫帕·秒上升到50毫帕·秒，效果立竿見影，產(chǎn)油量逐步提升。

在聚合物驅(qū)油技術(shù)中，硫酸鹽還原菌的存在導(dǎo)致聚合物溶液黏度下降，影響采油效率。硫酸鹽還原菌存在于土壤、海水、河水、地下管道及油氣井等環(huán)境。采出水中硫酸鹽還原菌的滋生使硫化氫含量增加，導(dǎo)致聚合物溶液黏度損失。不解決這個(gè)問題，采出水配制聚合物溶液難以被有效利用。

歷經(jīng)多年攻關(guān)，科研人員形成了“勝利化學(xué)驅(qū)聚合物溶液保黏關(guān)鍵技術(shù)”，其中“微生物脫硫抑硫提高化學(xué)驅(qū)聚合物溶液黏度技術(shù)”最為關(guān)鍵。

“這是一種利用微生物來抑制微生物的方法?！蓖粜l(wèi)東解釋，“通過營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，扶植有益的細(xì)菌，抑制有害的細(xì)菌生長(zhǎng)。”

科研人員通過研究找到了一系列對(duì)化學(xué)驅(qū)溶液配制有除硫抑硫功能的“益生菌”，可以針對(duì)不同區(qū)塊采出水特性進(jìn)行優(yōu)選復(fù)配，使其發(fā)揮最大功效，將“益生菌”制成微生物制劑添加到聚合物溶液中后，這些細(xì)菌能夠完全適應(yīng)化學(xué)驅(qū)開發(fā)的苛刻油藏條件，去除硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)生的有害產(chǎn)物，占領(lǐng)它們的營(yíng)地，擠壓它們的生存空間，有效降低它們的活性，顯著遏制聚合物溶液黏度下降。

勝利油田應(yīng)用該技術(shù)處理采出水規(guī)模達(dá)68000立方米/日，提升聚合物溶液黏度超過40%，由于聚合物黏度提升，每年節(jié)約聚合物干粉超9000萬元。這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)目前已被推廣到勝利油田90%以上的化學(xué)驅(qū)項(xiàng)目，助力我國(guó)Ⅱ類、Ⅲ類油藏化學(xué)驅(qū)技術(shù)升級(jí)迭代。

新聞會(huì)客廳

問：采出水處理和資源化利用如何幫助油田實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展？

岳勝輝：采出水處理和資源化利用在幫助油田實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用。首先，通過高效處理技術(shù)將富余采出水轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的清水和回注水，減少了對(duì)清水資源的依賴和消耗，降低了水資源消耗的壓力，有利于水資源的可持續(xù)利用。

其次，資源化利用過程中還充分利用了采出水中的熱能，降低了熱能消耗和碳排放，有助于減少油田生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放。

再次，采出水處理和資源化利用還降低了采出水輸送過程中的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，減少了采出水長(zhǎng)距離輸送可能引發(fā)的環(huán)境污染問題，保護(hù)了油田周邊的生態(tài)環(huán)境。

問：當(dāng)前在油田采出水處理技術(shù)方面，有哪些突破和創(chuàng)新？

蘇三寶：中原油田油藏特征決定必須立足水驅(qū)開發(fā)，當(dāng)前處于精細(xì)調(diào)整減緩遞減期，含水率高、產(chǎn)液量大，采出水精細(xì)處理是油田效益開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。

針對(duì)東濮老區(qū)采出水腐蝕性強(qiáng)、處理藥劑消耗量大、殘?jiān)a(chǎn)生量多等難題，創(chuàng)新形成“緩沖中和水質(zhì)改性，耦合局部沉淀生渣”理論，明確殘?jiān)a(chǎn)生量主控因素是：游離二氧化碳含量高，二氧化碳水解和多級(jí)電離導(dǎo)致污水弱酸性且緩沖能力強(qiáng)，消耗了99%以上的酸度調(diào)節(jié)劑。

創(chuàng)新建立了殘?jiān)a(chǎn)生定量數(shù)學(xué)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新建立“精準(zhǔn)”水質(zhì)改性技術(shù)，開發(fā)基于酸堿度、ORP（氧化還原電位）和濁度的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立前饋加反饋串級(jí)PID藥劑加量調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥劑精準(zhǔn)自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)投加。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好，腐蝕速率僅為標(biāo)準(zhǔn)上限要求的1/3，藥劑單耗下降27.8%，殘?jiān)a(chǎn)生量減少35.4%，綜合成本下降19.67%。

岳勝輝：勝利油田在采出水處理技術(shù)方面取得了多項(xiàng)重要的突破和創(chuàng)新：通過篩選高效采出水處理菌群，優(yōu)化生化處理工藝和參數(shù)，顯著提高了溶解油的降解效率，其降解原油速率是文獻(xiàn)記錄最高速率的1.5倍，使生化停留時(shí)間大幅縮短至10小時(shí)以內(nèi)，減少了前期設(shè)備投資，提高了整體處理效率；結(jié)合超濾和反滲透膜技術(shù)，形成油田采出水制備注汽鍋爐用水的完整工藝流程，不僅解決了常規(guī)工藝難以處理的溶解油問題，還延長(zhǎng)了膜工藝的使用壽命，確保采出水的水質(zhì)指標(biāo)滿足鍋爐進(jìn)水要求，甚至優(yōu)于目前使用的清水標(biāo)準(zhǔn)。

問：油田采出水如何資源化利用？

岳勝輝：油田采出水通過完整的生化處理工藝流程，產(chǎn)出的濃水水質(zhì)也遠(yuǎn)優(yōu)于回注水A1標(biāo)準(zhǔn)，可以回注地層，滿足超低滲區(qū)塊的增注需求；產(chǎn)出的清水可滿足鍋爐進(jìn)水要求，用于熱采鍋爐的注汽用水，實(shí)現(xiàn)水資源的再利用。在此過程中，采出水的熱能也被充分利用，降低了熱能消耗。

目前，勝利油田石油工程技術(shù)研究院與濱南采油廠合作的4000立方米/日油田采出水注汽鍋爐資源化利用項(xiàng)目，為油田綠色低碳發(fā)展提供了有力支撐。

問：未來，油田采出水處理工藝技術(shù)的發(fā)展方向是什么？

蘇三寶：隨著非常規(guī)油氣資源開發(fā)逐漸深入，對(duì)回注水水質(zhì)提出了更高要求，水處理新工藝必須與之適應(yīng)，因此具備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制工廠化、施工模塊化、作業(yè)機(jī)械化、裝置小型化、運(yùn)行智能化等特征的水處理工藝必將大發(fā)展、快進(jìn)步，例如，目前中原油田正在攻關(guān)的“氣浮除油+預(yù)氧化除鐵+磁混凝高效澄清+陶瓷膜過濾”橇裝水處理工藝，因其具有停留時(shí)間短、出水水質(zhì)好、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)、綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿^大。