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延长油田属于低压、低产、低渗(特低渗)和微裂缝发育的油田,主体开采储层为延安组和延长组(包括长2和长6),主要通过CO2泡沫驱、羟丙基胍胶水力压裂等措施提高原油采收率,随着各种稳产增产措施的不断实施,采出水成分越来越复杂,处理难度逐渐增大,现有的采出水处理工艺难以满足低渗(特低渗透)回注水水质要求。基于延长特低渗透油田采出水的水质特性和注水标准要求,研究分析了采出水处理难度大和处理后水质不稳定原因,构建了“涡流多相协同臭氧氧化+臭氧溶气混凝气浮”体系,简称为涡流多相协同臭氧溶气混凝气浮(DOCF体系),优化了 DOCF体系操作参数并对氧化过程进行了动力学分析,深入探讨了臭氧氧化、紫外、混凝在涡流状态下协同机理,最终开发了 DOCF体系-无机炭膜处理工艺。分析了杀菌剂1227、异噻唑啉酮、缓蚀剂SW-639、压裂返排液等添加剂对油田采出水乳化稳定性影响,结果表明随着添加剂浓度增加,油水界面张力逐渐降低,Zeta电位增大,悬浮颗粒粒径中值变小,破乳脱水率下降、混凝处理后水透光率下降,采出水体系稳定性增强。研究了处理后水质劣化原因有物理化学因素、腐蚀性因素和结垢性因素,物理化学因素包括温度、压力的变化、处理后水中乳化油含量及投加混凝剂过量导致了延迟絮凝;采出水腐蚀性因素及影响大小顺序为pH值>Fe3+>SRB>侵蚀性C02>HCO3->溶解氧>SO42->TGB>S2-。结垢性因素主要是结垢性离子在不同压力温度下产生CaC03、硫化物等结垢物质。这些因素均直接或间接的导致处理后水质不稳定,注水井口悬浮物含量增大,造成了地层伤害。构建了涡流多相协同臭氧气浮(DOCF体系),优化了涡流反应器开孔个数、内外筒直径比、最佳气液比等结构参数,建立了 DOCF体系室内实验装置,考察臭氧氧化、紫外强度、混凝反应、臭氧气浮与采出水处理稳定达标的水质指标的关联性,研究了体系中混凝剂加量、臭氧浓度、接触时间、入口压力等因素的交互作用,通过正交实验和响应面分析法优化工艺参数最佳条件:pH值为8.0、臭氧浓度为55mg/L,入口压力为0.3MPa,混凝剂PAC加量为29.5mg/L,接触时间为5min,紫外强度为110W、阴离子聚丙烯酰胺(APAM)加量为2.0mg/L,温度为30-40℃。系统产生的O2、O3尾气进一步循环使用,使尾气达到最大利用。利用模拟采出水氧化前后COD浓度变化考察了各关键因素对DOCF体系氧化反应的表观反应动力学的影响,通过反应速率常数与关键因素之间的关联分析建立经验动力学方程。即当絮凝剂聚合氯化铝(PAC)投加量≤30mg/L,PAC对模拟采出水氧化反应速率为正关联,此时氧化动力学经验方程式为C=C0 exp(-3.14× 10-5Q0.7095G0.2048W0.0549),当 PAC 投加量≥30mg/L 时,PAC 对模拟采出水氧化反应速率为负关联,动力学经验方程式为C=C0 exp(-4.02×10-4Q0.7095G-0.5474W0.0549),其中C为t时刻模拟采出水COD浓度,C0为采出水初始COD浓度,Q为臭氧投加量,G为PAC投加量,W为紫外强度。剖析了DOCF体系实现破乳降浊、杀菌除铁、脱硫、阻垢防腐反应机理,探讨了 DOCF体系氧化脱稳机理、去除腐蚀结垢性因素机理和臭氧氧化协同机理。设计开发出了 DOCF体系多功能高效预处理装置并进行了抗冲击、抗污染现场评价实验,结果表明该装置可以实现将400-898mg/L油含量和74-368mg/L的悬浮物含量的来水分别降至20-30mg/L和5-40mg/L之间,去除率分别达到95%和89.2%以上,且运行稳定。通过膜材料接触角、化学稳定性分析选用了无机炭膜作为末端处理,考察了运行通量、反洗流量、反洗周期、反洗时间、跨膜压差等操作参数,通过处理前后含油量和悬浮物含量变化评价了无机炭膜抗污染抗冲击性能。结果表明在处理来水油含量高达30mg/L,悬浮物高达60mg/L,进水流量为5.0m3/h,初始浓水排放流量为1.5L/h,初始制水周期为30min,反洗流量为4.5m3/h,脉冲间隔为20s,循环流量为45m3/h的条件时,处理后水油含量和悬浮物含量均低于1.0mg/L,且跨膜压变化较小,运行稳定,抗污染抗冲击性能强。采用DOCF体系-无机炭膜工艺处理延长油田××联合站采出水,结果表明处理后水能满足延长特低渗透油田采出水回注指标要求,即出水悬浮物≤1.Omg/L、含油量≤1.0mg/L、粒径中值≤1.0μm、腐蚀速率≤0.076mm/a、SRB细菌含量≤10个/mL、TGB细菌含量≤100个/mL、未检测出铁细菌、铁含量≤0.5mg/L、硫化物≤2.0mg/L、侵蚀性CO2≤1.0mg/L,且与地层配伍性良好。对模拟井口水进行物理指标(含油量、悬浮物、粒径中值)分析、离子稳定性能评价、腐蚀结垢稳定性等分析得出处理后水质稳定,不会产生二次污染。从技术对比、工艺运行成本和社会效益等方面,对化学氧化-溶气气浮处理工艺和DOCF体系-无机炭膜处理工艺进行了技术经济比较,结果表明该工艺在运行成本、出水水质以及抗冲击负荷能力方面均优于化学氧化-溶气气浮处理工艺,处理成本低至1.345元/吨,且具有抗冲击能力强、处理效率高、运行稳定、运行处理成本低的特点,处理后水能达到延长油田低渗、特低渗透油田注入水水质要求,提高油田注水开发采收率,具有很好的应用价值和前景,值得进一步推广应用。