采油废水回注处理技术

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采油废水回注处理技术摘要：采油废水经处理后回注是减少环境污染保障油田可持续开发的一个重要途径。较系统地介绍了采油废水处理技术和国内外最新发展动态，着重对膜分离技术处理采油废水方法进行了分析、比较和讨论。认为膜分离技术处理采油废水具有广阔的发展前景。关键词：采油废水处理除油膜分离技术TreatmentTechnologyforRecyclingofWastewaterfromOilExtraction　　Abrtract:Recyclingoftreatedwastewaterfromoilextractionisanimportantwaytoreduceenvironmentalpollutionandensurethesustainabledevelopmentofoilfields.TechnologyforthetreatmentofwastewaterfromoilextractionanditslatestdevelopmentsinsideandoutsideChinaareintroducedsystematicallywithfocusonthe analysis,comparisonanddiscussionofthetreatmentofwastewaterfromoilextractionusingmembraneseparationtechnology.Itisbelievedthatmembraneseparationtechnologyhasbroadprospectsfordevelopmentinthetreatmentofthewastewaterfromoilextraction;　　Keywords:treatmentofwastewaterfromoilextraction;oilremoval;membraneseparationtechnology引言　　采出原油经脱水处理后，水中一般含有一定量的油、硫化物、有机酚、氰、细菌、固体颗粒以及所投加的破乳剂、絮乳剂和杀菌剂等化学药剂。在油田的开发进入中、后期以后，油层压力下降很大，通过注水采油是用来维持油层压力的重要手段。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，采油废水经处理后回注成为减少环境污染、保障油田可持续开发、提高油田的经济效益的一个重要途径。 　　废水中的悬浮物和油是采油废水回注中导致注水井和油层堵塞的两个重要因素，而在除油处理工艺中往往伴随着悬浮物的去除，因此，采油废水的除油问题就成为废水回注处理的一个重要研究课题。1采油废水处理技术　　根据采油废水中油存在的五种形态1，主要有以下几种处理方法：1.1隔油处理法　　隔油处理法主要去除游离态和机械分散态油，靠自然上浮分离。常用的处理构筑物类型有平流式隔油池、平板式隔油池、斜板式隔油池等。1.1.1平流式隔油池(API)　　平流式隔油池其处理过程通常是靠重力作用进行油水分离。合理的水力设计及废水停留时间是影响除油效率的两个重要因素。停留时间越长，除油效果越好[２]。1.1.2平行斜板式隔油池(PPI)与波纹斜板式隔油池(CPI) 　　与平流池相比，平行斜板式与波纹斜板式隔油池的不同之处在分离槽中沿水流方向安装倾斜平行板或波纹倾斜板。这些隔板可有效地缩短油珠垂直上升距离，使油珠在斜板下表面聚集成较大的油滴，不仅增加了有效分离面积，而且也提高了整流效果。其优点是占地面积小、油水分离效果好、停留时间短、投资费用较低。处理低含油量采油废水的处理结果表明[3,4]，API型隔油池要优于CPI隔油池。1.2气浮法　　按照气泡产生的方法，可分为加压溶气气浮(DAF)、叶轮气浮(IAF)、曝气气浮、引风空气气浮、电解气浮等。气浮法常作为二级处理技术。为确保最佳除油效果必须结合絮凝法，对于去除胶态油与乳化油，DAF法中的化学处理步骤是非常重要的。1.3凝聚过滤法　　凝聚过滤除油机理是小油珠凝聚和大油珠直接去除两种机理的综合。在适当条件下达到良好的出水水质，特别适用于含机械分散态油类废水的处理。但不同性质的含油废水处理效果相差很大[５]，特别是对低含油废水，不宜采用单一的凝聚过滤方法进行处理。1.4化学处理法和电解法　　化学处理法主要用于去除乳化油。一般是直接用化学药剂来削弱分散态油珠的稳定性。通常是投加无机混凝剂常为铝盐和铁盐，然后通过沉降或气浮法将分离的油去除。投加混凝剂后，气浮除油的效率可提高10%～25%，最高可达95%以上(表1)。 　电解法去除乳化的油效果良好，且没有二次污染。电解法主要有电解气浮法和电解絮凝法。前者利用电解水产生的氧气和氢气形成微气泡，进行气浮。由于气泡微小，能够去除较小的油珠和悬浮粒子，废水处理后可用于回注。后者则采用消耗性电极，外加电压使电极氧化而释放出金属离子。释放出的金属离子的水解产物具有混凝作用。要求被处理的废水有足够的导电性，以使电解池能进行正常工作，并防止电极钝化。1.5生物处理技术　　采油废水经隔油池和气浮处理后，可采用活性泥法、滴滤法、曝气法或接触氧化法等生化方法处理。一种代表性的工艺流程见图1[7]。国外也有报道在经API隔油池和气浮处理后采用氧化塘法进一步处理，气浮单元出水含油量为40mg／L，在氧化塘停留时间超过20天后，出水含油量低于18mg/L。中科院植物研究所和江苏省植物研究所利用凤眼莲生态工程净化处理采油废水[8]，结果表明，最佳控制条件为65mg/L＜COD＜130mg/L，临界有效值为COD=262.6mg/L。1.6吸附法　　吸附法是利用亲油性材料来吸附水中的油。活性炭是常用的吸附材料。此外，煤炭、吸油毡、陶粒、石英砂、木屑、硼泥等也可作为吸附剂[9]。 　　活性炭吸附法由于处理成本高、再生难，使用上受到一定的限制。近年来国外已逐渐用它来对含油废水进行深度处理，以满足日益严格的废水排放标准。日本是较多采用粒状活性炭进行深度处理的国家，现在大约有30套工业装置。美国目前进行着采用粉末活性炭投加到生化曝气池中处理含油废水的技术研究。国内也开展了使用粒状活性炭处理采油废水这方面的研究与实践[10]。由表2可以看出在很低的含油量条件下，活性炭除油效果非常显著，可高达95%以上。1.7膜分离技术　　　　近年来，越来越多的膜分离技术开始用于油田采出水处理。膜分离技术就是利用膜的选择透过性进行分离和提纯的技术。当废水中油粒子粒径为微米量级时，可用机械方法进行前处理。膜法处理可根据废水中油粒子的大小，合理地确定膜截留分子量，且处理过程中一般无相的变化，常温下操作，有高效、节能、投资少、污染小的特点。　　常应用于采油废水处理的五种膜分离技术为反渗透(RO)、超滤（UF）、微滤（MF）、电渗析（ED）和纳滤（NF）。　　微滤由于所需压力小、易清洗、操作费用低等特点，因而应用最为广泛。微滤法处理含油废水时，主要滤掉废水中大颗粒物质及固体悬浮物，也可作为超滤和反渗透的前处理。　　超滤膜技术目前在含油废水处理中应用最多，美国在1991年前后研究了一种陶瓷超滤膜处理采出水用于油田回注[11]。国内华北油田、江汉油田、胜利油田都有应用超滤膜技术的报道[12]。与传统的絮凝分离方法相比，超滤膜处理综合费用更低。但是，用超滤膜处理含油废水时，由于低分子能够穿透滤膜，所以BOD和COD去除率不高，常将超滤透过水再经反渗透（或活性污泥法等生物法）进行深度处理[13]（图2）。 　　超滤膜的污染与清洗是目前超滤膜技术研究的重点问题之一。中科院上海原子核研究所通过使用表面活性剂对超滤膜进行膜表面改性，来改善膜表面的亲水性，从而有效地降低膜表面的污染　　反渗透装置第一次大规模应用于油田采出水处理的是加利福尼亚的圣泡斯废热电站(Mt.PoseCo-generationPlant)。其水处理装置包括除油、澄清、过滤、反渗透脱盐装置，处理后的水用于电站锅炉给水。这套水处理装置成功地将含盐3000mg/L,硅6263mg/L,油3.5mg/L,总有机碳(TOC)16～23mg/L的采出水处理到锅炉用水水质。国内有专利报道[13]，将盐析和反渗透结合起来处理乳化油废水，效果良好。　　加拿大环境废水中心自1990年开始，采用电渗析处理油田采出水，进行了一系列的小型试验，并解决了扩大规模中试中的膜污染和处理高温采出水两大问题。1.8高效油水分离设备　　近年来，处于环保和经济两方面的考虑，国外许多大的石油公司开发研究诸多高效油水分离设备以减少过高成本和处理采出水费用，如加拿大工程研究中心(C-FER)开发研究出井下油水分离系统：将水力旋流分离器与经过改进的多流井下泵送系统配套使用，完成产油、油水分离及实现采出水同井回注[15]。这项新技术在加拿大东部艾伯塔省阿莱恩斯油田得到良好地应用[16]。 2采油废水处理技术现状与展望　　由于各油田所处环境不同，油田地层渗透率差别较大，对回注水水质要求不同，国外油田采出水经处理后，主要用于回注，其次用于农田灌溉和用于蒸汽发生器或锅炉给水。国内目前各油田多数采用隔油除油—混凝或沉淀（或气浮）—过滤三段处理工艺，再辅以阻垢、缓蚀、杀菌、膜处理或生化法处理等。由于有时采出水CODcr严重偏高，特别是对于稠油污水、聚合物采出水、高含盐采出水经处理外排时达标率仅为50%左右。也有其它多种原因，致使采出水处理无法再次利用而只能外排。　　国内目前的“老三套”方法虽然有一定的效果，处理后都还存在很多问题，如隔油池只能去除大粒径的油珠，不能去除水中乳化油和溶解油；气浮法要加破乳剂，且油不易回收；活性炭吸附法成本高，活性炭不易再生等；而对于膜法处理则具有效率高、设备小、耗能少、操作简便、易实现自控化，易工业化规模使用等优点，加之国内外对膜法处理油田采出水的研究的重视和深入，膜材料的不断更新，膜成本的逐渐降低，使膜分离技术用于油田采出水的处理成为未来的重要发展方向。参考文献　　[1]W.帕特森工业水处理技术手册[M].北京：化学工业出版社，93.11:286～287． 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据称在美国油井上已安装几万台，节电率达20％。但在我国实测结果是超高转差电机只在轻载30％以下负载时有节电效果。主要原因：首先要使用超高转差率电机节电，对象必须是振动载荷大的井（美国油井的振动载荷惯性载荷都大）。其次要求电机的转差率要适度，不可过高，一般说各大油田，电机转差率的最大值不能超过6％－8％。近些年，采油工艺的发展日趋于大冲程、低冲次，这种工艺本身就能最大限度的减少惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小。2）永磁同步电机这是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于一般异步电机。电机本身是硬特性，运行中无转差。如TYC250M-6，功率37KW，功率因素0.983，额定电流60.6A，堵转电流12.7倍，堵转力矩3.69倍。缺点：和高转差电机比，没有消减振动载荷的能力，反而会增大对减速箱齿轮的冲击损害；釹铁硼材料本身的居里点只在120℃－130℃，一旦电机烧毁就会失磁；此外转子级数已定，不能适用调参的需要实行变极调速。3）双定子电机双定子电机是一种新型的异步电机，做成两部分定子。起动时集两部分的合力矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除一部，留下另一部分运行，以适应低负荷时以低功率来匹配达到节电的目的。缺点电机的制造难度和成本增加。 4）电磁调速电机在抽油机既定的负荷条件下，通过仅改变其绕组结构完成6/8极，8/12极的单绕组非倍极改型设计，使其运行在原井抽油机上，其负荷率从20％－80％变化，电机都运行在高效区，这种方式既适用于旧电机改造，又适用于新电机生产。2.2节能配电箱1)定子绕组Y-△转换调压电机正常运行时，定子绕组为△接法，起动时为Y接法。起动时绕组电压为电网额定线电压的根号3分之一，起动电压降低，待接近额定转速时，定子绕组转换为△接法，控制简单，但每次起动需要人工干预，减压范围一定，用途受到限制。2)电容器动态无功补偿及静态无功补偿 无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一个系统中,能量在两者之间互相转换。这样,感性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供,功率因数也提高了,也减小了无功损耗,还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损失。根据以上的想法,如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容器,同样可以补偿起动时的无功功率,减小起动电压降。其工作原理是:在启动高压电动机时,同时将电容器投入,经过适当的时间,迅速退出电容器组。整个过程可理解为无功功率的就地补偿,只是时间很短。电容补偿起动的优点在于起动时,电动机的端电压不降低同样可以减少起动电流,并且不减少起动转矩,缩小起动时间。图1电容补偿起动控制系统图3)可控硅调压（软起动）一般称之为电机的软起动，通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大小。如图2所示：图2晶闸管调压电路 虽然采用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化的连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重，另外在油田的恶劣环境下，其可靠性等都受到制约。同时结构复杂，成本较高。4)液态电阻软起动在起动过程中,将可变电阻串入定子,实现限流,在起动完成后将它短接。电阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的。电解液电阻箱串入定子的方法在本质上属于降压起动,它是以牺牲起动力矩为代价的。电阻值随着电机转速的升高而均匀减少,借以不断增加起动力矩,并为短接时不产生电流冲击准备条件。其系统如图3所示。图3液态电阻软起动在定子回路中串入电液变阻起动器的三相电阻,其中QF1为主机运行断路器,QS为隔离开关,QF2为星点短接断路器,RS为电液变阻起动器。电液变阻器由三个相互绝缘的电液箱构成,内部分别盛有电液及一组相对应的导电极板,导电极板为一动一定,动极板组通过传动机构及伺服控制系统控制运行。起动开始后,根据电动机起动电流的大小可自动地调整液阻值, 使整个起动过程控制在较小起动电流下均匀升速,而液阻无级切除,从而实现电动机的软起动。优点成本低，易于维护，工作环境要求不高；缺点：体积大，占地面积大。5)变频电源随着大功率半导体器件的发展，研制具有高性能价格比的抽油机专用变频电源是有发展前途的油田节能产品。如采用基于双PWM变频电路的电源系统，实现电能的双向流动，同时具有输入功率因素校正作用。电压型双SPWM变频器主电路如图4，双SPWM变频器控制策略如图5。图4电压型双SPWM变频器主电路以上新型双SPWM变频电源实现了能量的双向流动，且功率因素接近1，是抽油机类频繁可逆、快速制动负载的最佳电源选择，其节电效率可达15％。其缺陷是设备成本较高，控制系统复杂，在油田的恶劣环境下工作，其可靠性防盗等都成问题。但长远来看，应该是发展方向。 图5双SPWM变频器控制策略3．解决方案基于以上分析，结合实际。拟订以下解决方案。1）研制和生产节能型抽油机专用电机针对油田情况，设计和生产油田抽油机专用特种电机：抽油机用永磁同步电机，电磁调速电机和双定子电机可以在很短的时间内，得到相关产品，并推向市场。2）研制和生产液态电阻软起动系统液态软起动技术，其研究成本较低，周期短，能适应油田恶劣的工作环境，维修简单。容易为广大的油田用户所接受。场地问题在油田不是很突出，以此为相关电机的起动解决方案，结合特殊设计的油田抽油机电机，可以较快的赢得市场和客户。3）研究和试推广双SPWM变频系统 此项系统是较为先进的技术，其工业化和市场化的时间较长，但其无疑代表了油田抽油系统未来的发展方向，目前看来，由于成本较高，控制技术复杂，可靠性等问题，油田用户接受还需要一个过程，但可以相信，会有越来越多的客户选择这一技术。以上方案，仅是针对油田抽油机提出，但它同样可以适用于其他行业类似负载的解决方案，如电厂，钢铁企业等，所以可以预见，一旦我们有系列化的产品，所面对的市场将是非常广阔的。 摘要:游梁式抽油机是石油开采工程中应用最多、最重要的设备之一,减速箱是游梁式抽油机的重要设备,减速器长期在野外运转,油质变差、内部润滑油道堵塞等原因会造成润滑油的渗漏,文章通过对漏油部位和原因的分析,提出改进措施,以延长减速器的使用寿命。减速器漏油是一个普遍而又后果较严重的问题,因此,文章针对这个问题进行了探讨。　　关键词:减速箱;漏油;原因分析;技术改进　　齿轮减速器是把机械传动中的动力机与工作机联接起来,通过不同齿形和齿数的齿轮以不同级数传动,实现定传动比减速(或增速)的机械传动装置,减速时称减速器。目前油田抽油机普遍采用JLH、CJH、ZLH、JS等系列减速器,它是抽油机系统中最重要的设备之一。作用是将电动机的高速转动通过三轴两极减速变为输出轴的低速转动,从而带动整个抽油机系统运转。减速器采用油浴润滑,齿轮从油池浸油润滑,轴承靠飞溅润滑,其特点是承受载荷大,适应长期的野外运转,但由于各种原因影响,会造成各个部分发生漏油,这不仅影响了其本身的正常工作,也增加了日常的管理和维修工作量。　　1、漏油的危害　　机油是保证减速器正常运转不可缺少的,它对减速器齿轮起到清洗、润滑、降温、防腐等作用。漏油的主要危害有:　　1.1、造成润滑油的浪费。　　1.2、污染机体及周围环境。 　　1.3、漏油严重者,会因缺油而加速齿轮的粘合、剥离,会因减速箱内齿轮无法正常润滑而造成齿轮损坏,严重的甚至会造成机械事故。　　2、造成漏油的原因　　在封闭的减速机里,每一对齿轮相啮合发出热量,使减速箱内温度升高,油箱内压力增加。油便从密封不严处渗透出来。　　2.1、减速器配件松动。加速器在组装时,合箱口、油封挡板螺栓紧固力矩达不够,螺栓松动造成漏油。　　2.2、减速机结构设计不合理引起漏油,如设计的减速机没有通风罩,减速机无法实现均压,箱内压力升高造成漏油。　　2.3、重使用,轻保养,未按要求及时添加或更换润滑油。多数减速器自运行以来,一直没有更换润滑油,造成油料乳化变质严重。　　2.4、呼吸器堵,造成减速器内部压力升高造成漏油。　　2.5、润滑油过多,润滑油飞溅严重造成漏油。　　2.6、合箱口密封不严。　　2.7、减速器回油槽堵。　　2.8、油封失效或唇口磨损严重。　　3、渗漏的部位　　在调查中,随机选择76台在用游梁式抽油机进行研究,其中47台存在减速器漏油现象:其中中缝接合面漏油16台,轴承(包括输入轴、输出轴、中间轴)处渗漏20台,螺栓处漏油5台,放油孔、观察孔渗漏4台,其他部位漏油2台。　　4、渗漏原因分析 　　4.1、中缝接合面渗漏的主要原因　　4.1.1、由于螺栓紧固程度差或由于振动造成松动,使合箱口产生缝隙,使润滑油外溢。　　4.1.2、由于润滑油长期使用得不到及时更换脏或含杂质较多,堵塞了合箱口的回油孔道,回油不畅,使润滑油外溢。　　4.1.3、减速器组装时合箱口无垫片,未抹箱口密封胶。　　4.2、轴承处渗漏的主要原因　　4.2.1、由于润滑油脏或杂质多,堵塞了轴承处回油孔道,使回油不畅。　　4.2.2、由于长时间运转,使油封老化,磨损严重,甚至实效。　　4.2.3、轴下沉,由于轴承齿轮使油封的密封效果受到影响。　　4.3、放油孔、观察孔处渗漏原因:　　为防止盗油者从减速器放油丝堵和观察孔中放油,通常将丝堵与减速器本体焊在一起。由于丝堵未紧固好,或在焊接时将密封材料损坏,从而产生了渗漏。　　4.4、螺栓漏油的原因　　螺栓处渗漏同缝接合面渗漏原因基本相同,只是润滑油由螺栓处渗漏出来,而未从接合面渗漏,或由于以前中缝处做过堵漏的部位,润滑油不能从原部位流出,而改由螺栓处渗漏。　　4.5、其他渗漏为减速器本身制造缺陷造成。 　　通过分析,减速器漏油的主要原因是:润滑油性能变差,加上杂质以及齿轮磨损的铁屑进入油中,使得润滑油变粘,润滑效果变差。飞溅润滑过程中,齿轮将含有杂质的润滑油带入减速器的润滑油道将油道堵塞,导致油从中缝或螺栓处渗漏;在轴承部位,刮油舌将含杂质的润滑油刮下,使杂质堆积在轴承附近,造成回油不畅,导致轴承部位漏油发生。5、止漏技术方法　　5.1、O型圈治理技术:用橡胶圈替换油封,一般能封堵10天至一个月。　　5.2、油封换取技术:是对密封效果变差的油封进行更换,适用于三轴,该措施现场操作难度大。　　5.3、胶封技术:用高性能弹性胶对接合面、机油观察孔、放油孔。　　5.4、注胶技术:用高性能弹性胶对对接合面螺栓处进行封堵。　　5.5、疏导技术:采用疏通管对轴承处的渗漏进行导流。在轴根部加装一个铝制圆盘扁型盒,盒底部倒出一根导油铜管,在减速箱轴下部钻孔将导油铜管穿近减速箱内,把漏出的油再送回减速箱。　　5.6、C型油封止漏技术。　　6、减速器漏油的改进措施　　6.1、减速器机油按规定的适用周期定期进行清洗更换。　　6.2、在减速器制造维修时在合箱面处先涂抹密封胶。 　　6.3、减速器油位过高,润滑油飞溅严重增加漏油机会,而且导致油温不断升高,使润滑油年度下降,降低润滑性能,增加油的流动性和漏失量,直接影响齿轮和轴承的润滑,降低使用寿命。为此,在使用时必须保持正常的油位高度。　　6.4、在视油孔和放油丝堵处加装密封垫,拧紧螺栓,使用正确的防盗措施。　　6.5、加大回油孔道,防止漏油。　　6.6、保证抽油机平衡率,降低抽油机上、下冲程的负荷差异,减小三轴的跳动量,延长油封的使用寿命。　　7、经济效益分析　　7.1、直接经济效益:　　7.1.1、按标准减速箱机油的加注量应为180-200公斤,每公斤机油为11.0元,如果机油漏失需额外加注每年平均大约50公斤左右。27台抽油机减速箱杜绝机油渗漏,每年可节约机油量约1350公斤,合计人民币约为14850元。　　∑=11.0*1350=14850元　　7.1.2、可有效减少减速器的更换费用,每台抽油机减速器每台大修一次2.48万元,车辆、劳务费用8000余元。　　∑=2.48+0.8=3.28万元　　7.2、社会效益:　　有效实施减速器止漏技术,可遏制抽油机减速箱内机油渗漏现象,延长减速箱的使用寿命,减少职工劳动强度,保持机体及周围环境的清洁,有利于井站管理水平的提高。　　8、结论 　　减速器是抽油机的主要工作部位,修理难度大、费用高。按使用规定减速器在正常情况下,不同季节应更换不同型号的润滑油,但在现场管理中,由于各种因素的影响,这一点难以实现,长期的运行造成润滑油油质变差甚至变质失效。同时由于减速器使用期限较长,漏油现象也比较严重,目前采用的止漏措施很多都不能从根本解决问题,治标不治本,最多只能保证1-2年不漏。因此有必要逐步开展减速器的检修工作,对达到一定使用年限的减速器进行开箱清洗、更换润滑油等工作,这可以有效的延长减速器的使用寿命,提高机采设备的使用效率。　　　　参考文献:　　1.姜典进、房长兴、刘安昌、刘兴《科技创新与实践》　　2.郭东、苏金洋、白雪明《石油机械