陳家慶 劉 濤 王春升 張 明 王秀軍 姬宜朋 張敏霞

(1.北京石油化工學(xué)院 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司)

0 引 言

在油氣田開發(fā)過程中，地層水往往會伴隨油氣井產(chǎn)出物一起被舉升至井口，然后經(jīng)過油氣集輸處理系統(tǒng)對其實(shí)施多相分離，分離出來的地層水被稱為油氣田采出水(Produced Water)[1]。隨著國內(nèi)油氣對外依存度的逐漸升高以及油氣增儲上產(chǎn)“七年行動(dòng)計(jì)劃”的推進(jìn)實(shí)施，中國海上油氣產(chǎn)量2020年首次突破6 500萬t油氣當(dāng)量，貢獻(xiàn)了年度國內(nèi)原油增產(chǎn)量的80%以上；與此同時(shí)，采出水處理量約2億m3，較2019年增長約4%。在中海油2019年6月發(fā)布的《綠色發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》中，明確了2020年、2035年和2050年的綠色發(fā)展目標(biāo)，以及推進(jìn)實(shí)施綠色油田、清潔能源和綠色低碳3方面的具體行動(dòng)計(jì)劃。由于海上平臺空間和承載能力有限，采出水處理系統(tǒng)難以模仿陸上油氣田“以更多設(shè)備空間換取更長處理時(shí)間”的做法，在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的大背景下面臨著壓力和挑戰(zhàn)。

本文旨在對海上油氣田采出水常規(guī)單元處理技術(shù)和典型工藝流程進(jìn)行全面介紹的基礎(chǔ)上，闡釋我國海上油氣田采出水處理技術(shù)研發(fā)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注之處，以期推動(dòng)該領(lǐng)域的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 海上油氣田采出水單元處理技術(shù)

除了極少數(shù)輸送回陸上終端處理之外，目前海上油氣田采出水處理后的去向主要有達(dá)標(biāo)排海和達(dá)標(biāo)回注兩種。《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》(GB 4914—2008)僅對海上油氣田采出水排海的含油質(zhì)量濃度有要求，回注標(biāo)準(zhǔn)通常參考《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》(SY/T 5329— 2012)。雖然根據(jù)不同油氣田油藏特性或開采方式的不同，采出水往往被冠以常規(guī)采出水、高鹽采出水、酸性采出水(含H2S/CO2等)、稠油采出水和化學(xué)驅(qū)采出水等個(gè)性化名稱，但其單元處理技術(shù)仍有共性規(guī)律可循[2]。表1給出了油氣田采出水常用各種單元處理技術(shù)與設(shè)備的分離對象和主要優(yōu)缺點(diǎn)，主要包括重力沉降、離心分離(或旋流分離)、藥劑改性、氣浮選、聚結(jié)(粗?；?、過濾、膜分離、吸附和生化法等，暫不涉及電絮凝處理和磁性納米粒子除油等尚未得到工程實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)[3-4]。

表1 油氣田采出水常用單元處理技術(shù)與設(shè)備的分離對象和主要優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 重力沉降

與陸上油田不同，海上油氣田FPSO的水工藝艙(或稱生產(chǎn)水艙)、部分CEP平臺的凈化水緩沖罐和生產(chǎn)水脫氣罐往往扮演重力沉降式除油罐的角色。斜板除油器或斜板撇油器利用淺池原理和粗?；恚ㄟ^增加親油疏水材料的表面積，使分散和乳化油滴聚集上浮，從而達(dá)到從采出水中分離油和凈化水的目的。斜板除油器可分為立式和平流式兩種，海上油田常用平流式斜板除油器，水力停留時(shí)間往往不足10 min[5]?；赥形管的組合分離技術(shù)也在南海海域相關(guān)油田進(jìn)行過現(xiàn)場試驗(yàn)，但迄今并未得到工業(yè)化應(yīng)用。相比立式或臥式罐類容器，目前基于T形管、傾斜單管或雙管的重力沉降技術(shù)在海上油田的應(yīng)用前景似乎更為樂觀[6]。

1.2 離心分離(或旋流分離)

結(jié)構(gòu)最為簡單的離心分離設(shè)備當(dāng)推靜態(tài)水力旋流器。該設(shè)備起源于英國南安普頓大學(xué)Martin Thew教授的開創(chuàng)性研究，第一臺商用高壓Vorotil型靜態(tài)水力旋流器于1983年在澳大利亞Bass Strait油田采油平臺上成功進(jìn)行油水分離試驗(yàn)。中海油聯(lián)合美國阿莫科、美國科麥奇共同開發(fā)的LH11-1油田于1988年應(yīng)用了國內(nèi)首套處理量為125 m3/h的靜態(tài)水力旋流器，取得了很好的應(yīng)用效果。從此這項(xiàng)技術(shù)開始受到國內(nèi)科研院所的關(guān)注，并在20世紀(jì)90年代中后期形成了一股自主研發(fā)的熱潮[7]?？陀^而言，靜態(tài)水力旋流器存在進(jìn)口壓力較高(需要保持在0.35～0.42 MPa)、單體處理量較小、運(yùn)行工況窗口范圍較窄等不足。從入口結(jié)構(gòu)形式來看，已經(jīng)從最初的切向入口發(fā)展出軸向入口和混合流入口等結(jié)構(gòu)形式。軸向入口結(jié)構(gòu)具有壓力損失較小以及單體處理量較大等優(yōu)點(diǎn)，近些年受到的研究關(guān)注較多，除用于采出水處理外，還被用于采出液預(yù)分水[8]。

動(dòng)態(tài)旋流油水分離設(shè)備包括動(dòng)態(tài)水力旋流器和離心機(jī)兩大類。雖然法國Total石油公司和NEYRTEC公司于1984年聯(lián)合研發(fā)了采出水處理用動(dòng)態(tài)水力旋流器試驗(yàn)樣機(jī)，國內(nèi)先后也有3家單位進(jìn)行研發(fā)，但迄今并未得到工程應(yīng)用[9]。用于油水分離處理的離心機(jī)主要為碟式離心機(jī)，我國PL 19-3油田“蓬勃號”FPSO為其提供了全球難得的工程應(yīng)用場景?？紤]到該油田高酸、高膠質(zhì)和瀝青質(zhì)原油的比重大、乳化嚴(yán)重，剛投產(chǎn)時(shí)在原油脫水、采出水處理和油砂處理環(huán)節(jié)采用了德國Westfalia公司生產(chǎn)的碟式離心機(jī)共計(jì)42臺，其中13臺ODB260-71型碟式離心機(jī)用于采出水處理?！芭畈枴盕PSO于2009年夏天投產(chǎn)后，離心機(jī)在1年多的生產(chǎn)過程中就出現(xiàn)了不少問題。由于存在運(yùn)行維護(hù)成本較高等不足，目前該離心機(jī)已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)行了很多改進(jìn)[10]。

1.3 氣浮選

氣浮選是利用氣泡作為載體去黏附水中的分散相油顆粒，使其隨氣泡浮升到水面后再設(shè)法予以去除。添加浮選劑主要是為了改善氣泡與油顆粒的黏附特性，有時(shí)也希望起破乳促進(jìn)油顆粒聚集的作用[11]。氣泡產(chǎn)生方式是氣浮選工藝的核心，可以據(jù)此分為溶氣氣浮(Dissolved Gas Flotation，DGF)、引氣氣浮(Induced Gas Flotation，IGF)、微孔散氣氣浮和電解氣浮(Electrolytic Flotation)等。為避免溶解氧含量過高而造成管線腐蝕，采出水處理場合的發(fā)泡氣源往往不采用空氣而采用氮?dú)饣蚓诎樯鷼?。兩級氮?dú)饷荛]氣浮工藝已被遼河油田率先成功應(yīng)用于稠油聚驅(qū)采出水處理。考慮到結(jié)構(gòu)緊湊性要求，海上油田目前主要采用基于文丘里射流器發(fā)泡的臥式氣浮選設(shè)備，而不采用加壓溶氣氣浮選設(shè)備。當(dāng)然，受文丘里射流器產(chǎn)生氣泡粒徑較大的制約，即便采用多艙室串聯(lián)運(yùn)行模式，相應(yīng)設(shè)備的除油效率仍有較大提升空間，解決之道為設(shè)計(jì)研發(fā)緊湊高效的管式微細(xì)氣泡發(fā)生器[12]。

1.4 聚結(jié)(粗?；?

嚴(yán)格意義上講，聚結(jié)(粗粒化)并非一種獨(dú)立的單元處理技術(shù)，而是一種利于后續(xù)重力沉降或離心分離進(jìn)行的輔助技術(shù)，可分為水力碰撞聚結(jié)和材料潤濕聚結(jié)兩大類。材料潤濕聚結(jié)是利用油水兩相對聚結(jié)材料親合力相差懸殊的特性，當(dāng)采出水通過聚結(jié)材料床層時(shí)，分散相油顆粒被材料(吸附)捕獲而滯留于材料表面或孔隙內(nèi)，然后逐漸聚集成油團(tuán)或較大粒徑油顆粒，從而便于后續(xù)重力沉降或離心分離的進(jìn)行。斜板除油器和聚結(jié)分離器堪稱將材料潤濕聚結(jié)與重力沉降作用一體化組合的典范，前者往往將聚結(jié)材料制作成平行板和波紋板，波紋板因與油水兩相的接觸面積大而使用較多；后者則在海上氣田采出水處理中應(yīng)用較多。Aker Kvaerner Systems公司于2008年申請了緊湊型管式聚結(jié)器(Compact Tubular Coalescer, CTC)專利，主要是基于水力碰撞聚結(jié)作用機(jī)理，雖然開展了相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，但未見其工程應(yīng)用。英國Opus公司同期開展了Mare’s Tail管式聚結(jié)器的研究開發(fā)，產(chǎn)品已經(jīng)得到了工程應(yīng)用[13]。

1.5 膜分離技術(shù)

無機(jī)陶瓷膜因具有耐油耐酸堿、親水性好以及出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)很早就被嘗試用于含油污水處理，雖然迄今發(fā)表的研究文獻(xiàn)較多，但用于陸上油氣田采出水處理的工程案例并不多，用于海上油氣田采出水的更是鳳毛麟角。中海油天津化工研究院近幾年在渤中34-24油田和南海西部低滲透油田開展了工業(yè)化應(yīng)用試驗(yàn)，且多用于回注水的末端處理[14]。究其原因，膜污染和濃差極化造成的運(yùn)行穩(wěn)定性差是應(yīng)用中的“卡脖子”問題，雖然強(qiáng)化采出水預(yù)處理、膜材料表面改性、操作參數(shù)優(yōu)化、水力條件誘導(dǎo)(附加湍流器或曝氣氣液兩相流)剪切和機(jī)械誘導(dǎo)(振動(dòng)或旋轉(zhuǎn))剪切等強(qiáng)化傳質(zhì)方法得到了不同程度的嘗試，但成效并不顯著[15]。近幾年來，德國率先研制了軸盤式旋轉(zhuǎn)陶瓷超濾膜，陶瓷膜片隨著中空軸一起旋轉(zhuǎn)，在膜表面形成高剪切旋流掃流，進(jìn)而有效避免膜污染和濃差極化，有望為采出水處理帶來驚喜[16]。

1.6 其他單元技術(shù)

藥劑改性(化學(xué)法)主要通過在采出水處理工藝流程的適當(dāng)部位添加一定濃度的化學(xué)藥劑，起凝聚-絮凝或破乳等作用而提高油水可分離性[17]。藥劑類型、投加量和投加時(shí)機(jī)等因素往往會直接影響處理效果。由于海上平臺甲板空間緊張，采用靜態(tài)混合器類管式加藥混合設(shè)備更受青睞，但在海上稠油聚驅(qū)油田則暴露出容易堵塞及壓力損失較大等不足。因此對海上油氣田采出水處理而言，除了關(guān)注研發(fā)綠色可降解藥劑之外，還應(yīng)該關(guān)注研發(fā)內(nèi)構(gòu)件簡單、不易堵塞、凝聚-絮凝階段水力條件匹配的管式靜態(tài)混合器。美國Westfall Manufacturing公司Model 7000型靜態(tài)混合器的相關(guān)設(shè)計(jì)理念值得學(xué)習(xí)借鑒。

雖然生化法在油氣田采出水處理中的應(yīng)用相對較少，但陸上油田已有高礦化度采出水生化處理達(dá)標(biāo)外排和回注的工程案例，例如采取“兩級除油+生化法(水解酸化+接觸氧化)+精細(xì)過濾”、“兩級除油+生化法(水解酸化+接觸氧化/氧化塘)+外排”等組合工藝流程[18-19]。在海上平臺，生化法僅有用于生活污水處理的案例。渤海綏中(SZ)36-1油田陸上終端采用CASS工藝將輸送到陸地的重油聚驅(qū)采出水處理達(dá)標(biāo)后外排，以滿足《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 21/1627—2008)的相關(guān)要求。當(dāng)然，海上油田采出水在陸上終端達(dá)標(biāo)排放處理時(shí)，多數(shù)還需要高級氧化，如芬頓和臭氧等工藝配合。

2 海上油田采出水的代表性處理工藝流程

人們往往根據(jù)油氣田采出水凈化處理程度的差異，將處理工藝流程劃分為一次分離(Primary Separation)、二次分離(Secondary Separation)和三次分離等階段。一次分離通常包括重力沉降和離心分離，二次分離通常包括氣浮選和聚結(jié)除油，三次分離通常包括過濾、膜分離和生化法等。不同油氣田采出水處理工藝流程的設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合具體水質(zhì)特點(diǎn)，同時(shí)考慮特殊的針對性、處理后的出路或去向。表2給出了國內(nèi)海上油氣田采出水的典型處理工藝流程。渤海海域2020年底前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了采出水全部回注，北部灣海域還需努力。除了某些陸上油氣田采出水單元處理設(shè)備一般不會被海上油氣田考慮選用之外，相同單元處理設(shè)備的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間(HRT)也往往比陸上油氣田偏小。以開采密度為0.954 g/cm3(20 ℃)重質(zhì)原油的QHD 32-6油田為例，“渤海世紀(jì)”號FPSO水工藝艙的HRT為2.5 h，斜板除油器的HRT為7～9 min，臥式射流氣浮選器的HRT為8～10 min，核桃殼過濾器的HRT為8～10 min。此外，由于基本上不存在采出水處理后的長距離輸送問題，所以無需考慮水質(zhì)穩(wěn)定事宜。

當(dāng)然，雖然表2給出了海上平臺建造投產(chǎn)初期的采出水處理工藝流程，但并不意味著這些工藝流程完全科學(xué)合理、投運(yùn)后完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。例如，越來越多的生產(chǎn)運(yùn)營人員開始意識到，即便是在油水密度差相同的情況下，靜態(tài)水力旋流器在南海海域的總體處理效果優(yōu)于渤海海域。近來有文獻(xiàn)對中國南海及渤海灣近50個(gè)油田油品物性參數(shù)進(jìn)行比較后認(rèn)為，油溫偏低、密度較大、膠質(zhì)/瀝青質(zhì)含量較高以及黏度太大的油品，不適合選用靜態(tài)水力旋流器作為采出水處理單元設(shè)備[20]。另一方面，隨著油氣田開采年限的逐漸延長以及采出液含水體積分?jǐn)?shù)的不斷升高，加上油田擴(kuò)建、油田群(綜合)調(diào)整類工程項(xiàng)目的實(shí)施、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求升級等原因，往往會使已建采出水處理系統(tǒng)不再滿足要求。因此，相關(guān)人員應(yīng)該主動(dòng)重新審視反思，不斷優(yōu)化采出水處理系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)或流程設(shè)計(jì)，在確保油氣田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益最大化的同時(shí)關(guān)注社會(環(huán)保)效益。

表2 國內(nèi)海上油氣田采出水的典型處理工藝流程

3 我國海上油氣田采出水處理技術(shù)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注之處

3.1 瞄準(zhǔn)“零環(huán)境污染排放”，推出新型高效采出水單元處理技術(shù)

15個(gè)東北大西洋國家及歐盟1992年共同簽署了《奧斯陸巴黎保護(hù)東北大西洋海洋環(huán)境公約》(OSPAR)，要求采取一系列措施減少石油與天然氣行業(yè)的排放物。挪威污染防治局(SFT)、挪威石油董事會(NPD)和挪威石油工業(yè)協(xié)會(OLF)在政府支持下，有步驟、有計(jì)劃、有目標(biāo)地開展了環(huán)境污染控制工作。眾多新技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，使北海挪威海域2003年外排采出水中的平均含油質(zhì)量濃度已經(jīng)下降到了16.9 mg/L；而且希望在去除分散性油(脂)的同時(shí)，還能去除其他一些溶解烴類污染物，真正實(shí)現(xiàn)“零環(huán)境污染排放”。這里主要介紹國內(nèi)仍處于空白的大孔隙聚合物萃取(Macro Porous Polymer Extraction，MPPE)和天然氣凝析液注入聚結(jié)(CTour)技術(shù)。

3.1.1 大孔隙聚合物萃取技術(shù)

MPPE技術(shù)最初由荷蘭阿克蘇諾貝爾(Akzo Nobel)公司研制開發(fā)，目前已被世界第一大水務(wù)公司法國Veolia集團(tuán)兼并。MPPE技術(shù)的工藝流程如圖1所示，整套系統(tǒng)主要由兩個(gè)填充有大孔隙聚合物顆粒的立式罐、冷凝器、重力沉降分離器、污染物儲罐、采出水提升泵以及必要的管線閥門等組成。疏水性大孔隙聚合物顆粒的粒徑為400～1 000 μm，孔隙尺寸為0.1～10.0 μm，孔隙度為70%～80%，沸點(diǎn)在200 ℃以上，聚合物顆粒內(nèi)部孔隙中含有不易揮發(fā)的特殊疏水性萃取劑。工作過程中，采出水自下而上地流經(jīng)裝滿大孔隙聚合物顆粒的立式罐，由于大孔隙聚合物顆粒材料和萃取劑都具有較強(qiáng)的疏水性，對非極性化合物的親和力很強(qiáng)，所以使分散或溶解的油類等污染物被萃取到聚合物顆粒的孔隙內(nèi)，這樣便完成了污染物的單向萃取傳質(zhì)，凈化后的采出水從罐頂排出。兩個(gè)立式罐交替輪流進(jìn)入萃取凈化和汽提再生階段，簡單的連續(xù)操作運(yùn)行方式為各自設(shè)定工作延時(shí)1 h。汽提再生時(shí)，低壓蒸汽從立式罐頂部自上而下注入，隨著大孔隙聚合物顆粒逐漸受熱，污染物從孔隙內(nèi)的萃取劑中蒸發(fā)逸出，與蒸汽一起從立式罐下部流出。流出立式罐的污染物和蒸汽混合物通過冷凝器變成液態(tài)，冷凝液在重力的作用下大致分為重質(zhì)有機(jī)物、蒸汽冷凝液和輕質(zhì)有機(jī)物3層。輕/重質(zhì)有機(jī)物可以被重新回收利用，蒸汽冷凝液則循環(huán)回流到系統(tǒng)入口處，與采出水混合后再次進(jìn)入立式罐凈化處理[21]。

圖1 MPPE技術(shù)的工藝流程示意圖

MPPE技術(shù)在原法國Elf Petroland公司天然氣加工廠成功進(jìn)行了首次示范應(yīng)用后，Akzo Noble公司便開始著手將該技術(shù)推廣應(yīng)用到其他工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，法國Veolia集團(tuán)收購該版塊的業(yè)務(wù)后更是加大了其在油氣田采出水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用力度[22]。到目前為至，法國道達(dá)爾(Total)石油公司、荷蘭天然氣生產(chǎn)商N(yùn)AM(Nederlandse Aardolie Maatschappij)公司、挪威國家石油公司(Equinor)、美國雅保(Albemarle)公司、比利時(shí)索爾維(Solvay)公司及法國燃?xì)夤?EDF)等都訂購過MPPE水處理裝置，知名安裝場合包括挪威Ormen Lange深水凝析氣田和全球最大浮式液化天然氣裝置(FLNG)“前奏號”(Prelude)等。

需要強(qiáng)調(diào)的是，要想真正實(shí)現(xiàn)“零環(huán)境污染排放”，吸附法之類的深度水處理技術(shù)與設(shè)備必不可少，而研發(fā)具有良好吸附能力和容易再生的吸附劑就顯得至關(guān)重要。美國ProSep公司在2018年左右推出了基于OSORB吸附顆粒介質(zhì)的OMS采出水處理技術(shù)。該技術(shù)處理目標(biāo)與MPPE技術(shù)有一定相似之處，但吸附劑可以通過蒸汽再生和凝析液物理再生兩種方法來實(shí)現(xiàn)[23]。美國MYCELX Technologies公司MYCELX采出水處理技術(shù)(包含MYCELX Polisher和MYCELX REGEN)的目標(biāo)是去除粒徑小于1 μm的乳化油，并使處理出水含油質(zhì)量濃度小于1 mg/L。其中MYCELX Polisher主體采用濾芯式過濾器結(jié)構(gòu)，但在每根濾芯表面沉積固化有能對烴類污染物發(fā)揮特殊吸附作用的聚合物薄膜。

3.1.2 天然氣凝析液注入聚結(jié)技術(shù)

美國ProSep公司CTour技術(shù)的基本工作原理如圖2所示。將井口天然氣或伴生氣壓縮冷凝后產(chǎn)生凝析液，注入混合到采出水中，注入比在0.5%～1.0%之間；然后基于萃取以及相似親和原理，可使得分散相油顆粒聚結(jié)長大，利于后續(xù)分離。CTour技術(shù)可以作為一種增大分散相油滴粒徑的預(yù)處理手段，與靜態(tài)水力旋流器和氣浮選設(shè)備等處理單元串聯(lián)組合使用，提高目標(biāo)設(shè)備的工作性能。能使分離設(shè)備出油口的總石油烴(TPH)質(zhì)量濃度小于5 mg/L，同時(shí)去除80%～95%的溶解性有害有機(jī)物，如PAH和BTEX等[24]。目前，CTour技術(shù)在挪威北海海域油氣開發(fā)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，近70%的采出水使用該工藝處理。

圖2 CTour技術(shù)的基本工作原理示意圖

除了壓縮冷凝設(shè)備之外，CTour技術(shù)的前端工作設(shè)備主要是凝析液注入及其與采出水混合設(shè)備，混合設(shè)備應(yīng)該在實(shí)現(xiàn)凝析液與采出水均勻混合的同時(shí)不加重油水乳化程度。從目前美國ProSep公司官網(wǎng)上有關(guān)混合技術(shù)的介紹來看，該公司研發(fā)了ECLIPSE(Enhanced Center Located Injection Pipe Spool)、MAX+(Multiphase Adjustable Xtreme Mixer)、AIM(Annular Injection Mixer)和EBS(Enhanced Blending System)4種在線管式混合設(shè)備，配套使用MAX+混合器的可能性較大[25]。

3.2 發(fā)揮耦合協(xié)同作用，推出基于常規(guī)單元處理技術(shù)集成的高效處理技術(shù)

鑒于常規(guī)單元處理技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，基于耦合效應(yīng)和協(xié)同作用，將其進(jìn)行一體化有機(jī)集成以揚(yáng)長避短，自然早就引起了研究人員的廣泛關(guān)注?？赡艿募煞绞桨ǎ孩賹⒅亓Τ两岛蜌飧∵x兩種單元處理技術(shù)集成，代表性做法就是在現(xiàn)有水工藝艙、外排水緩沖罐和重力沉降罐內(nèi)增配氣浮選功能[19]；②將粗?；?聚結(jié))和重力沉降兩種單元處理技術(shù)集成，代表性做法除了前面已經(jīng)提及的壓力斜板除油器(罐)和聚結(jié)分離器外，美國MYCELX Technologies公司的MYCELX Coalescer、美國ProSep公司的TORRTM以及華東理工大學(xué)的組合纖維聚結(jié)除油器(Combined Fiber Coalescence，CFC)都屬于此類，區(qū)別在于聚結(jié)材料的理化特性及其外觀結(jié)構(gòu)形式[26-27]；③將粗?；?聚結(jié))和靜態(tài)旋流分離兩種單元處理技術(shù)集成，代表性做法就是原英國Cyclotech公司推出的PECT-F技術(shù)(現(xiàn)為美國Schlumberger公司擁有)，將聚結(jié)材料填充在多管并聯(lián)靜態(tài)水力旋流器入口區(qū)域的空隙處，主要基于材料潤濕聚結(jié)增大進(jìn)入靜態(tài)水力旋流器單體內(nèi)的油顆粒粒徑，從而改善油水分離效果；④將粗?；?聚結(jié))和氣浮選兩種單元處理技術(shù)集成，代表性做法就是高梯度聚結(jié)氣浮(HCF)；⑤將靜態(tài)旋流分離和重力沉降兩種單元技術(shù)集成，代表性做法就是旋流與重力沉降一體化技術(shù)，其中“罐中罐”技術(shù)在國內(nèi)煉化污水處理領(lǐng)域已有不少工程案例[28]；⑥將靜態(tài)旋流分離和氣浮選兩種單元技術(shù)集成，代表性做法就是離心氣浮和緊湊型氣浮裝置(Compact Flotation Unit，CFU)等；⑦將靜態(tài)旋流分離和過濾兩種單元技術(shù)集成，代表性做法就是錯(cuò)流過濾水力旋流器(CFFH)；⑧將靜態(tài)旋流分離、氣浮選和粗?；?聚結(jié))3種單元技術(shù)集成，代表性做法就是旋流氣浮聚結(jié)一體化技術(shù)，如原美國NATCO公司的TridairTMVersafloTM立式誘導(dǎo)氣浮(IGF)裝置、德國Siemens Energy公司的VorsepTM緊湊型氣浮裝置和美國Energy Speciaties International(ESI)公司的VertiFloat緊湊型氣浮裝置等。此外，國內(nèi)陸上油田還使用過微渦旋氣浮過濾技術(shù)，特點(diǎn)是在過濾器內(nèi)集成微渦旋和氣浮技術(shù)，提高過濾效果。當(dāng)然，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、體積緊湊性、加工制造成本和運(yùn)行維護(hù)成本等方面綜合考慮，并非集成的單元處理技術(shù)越多就代表技術(shù)水平越高，國內(nèi)陸上油田正在推廣的懸浮污泥凈化裝置(SSF)、高效成套極化過濾裝置和分級多重聚結(jié)裝置未必能夠適用于海上油氣田。相比較而言，過去十多年在海上采出水處理領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用的高效集成處理技術(shù)首推緊湊型氣浮裝置(CFU)，因此這里予以重點(diǎn)介紹。

3.2.1 國外緊湊型氣浮裝置的正本溯源

從技術(shù)溯源的角度來看，第一臺CFU產(chǎn)品由1999年成立的挪威EPCON Offshore AS公司研發(fā)，2000年推出海上試驗(yàn)樣機(jī)，2001年在Brage和Troll C油田進(jìn)行全尺寸現(xiàn)場試驗(yàn)，短短數(shù)年便在以歐洲北海海域?yàn)橹鞯暮Ｉ掀脚_實(shí)施了幾十個(gè)工程應(yīng)用案例[29]。Epcon CFU(見圖3a)在國內(nèi)的首個(gè)應(yīng)用案例出現(xiàn)在西江(XJ)30-2油田，該油田2007年的采出水排放量高達(dá)4 600萬t，為緩解采出水量不斷上升但平臺空間有限的矛盾而不得不考慮選用Epcon CFU。2007年1月完成了Epcon CFU的前期現(xiàn)場試驗(yàn)，兩級除油率都大于90%；2008年第三季度末在XJ 30-2平臺上安裝了價(jià)值800多萬美元的CFU。得益于Epcon CFU緊湊的占地面積和良好的運(yùn)行效果，很快引發(fā)了一股CFU設(shè)計(jì)研發(fā)熱潮，先后出現(xiàn)了包括英國Cyclotech公司DeepSweepTM、法國Veolia集團(tuán)CophaseTM、美國CETCO Energy Services公司CrudeSep?、英國Enhydra公司Vortixx?、美國Enviro-Tech Systems公司的Enviro-Cell CFUTM等在內(nèi)的10多種產(chǎn)品。由于國內(nèi)缺乏對不同公司CFU內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的深入探究，或者由于缺乏組織統(tǒng)籌等，DeepSweepTM和CrudeSep?等CFU產(chǎn)品在2010年后通過代理商在國內(nèi)海上油田得到了使用，但運(yùn)行效果存在較大差異。

從Epcon CFU的發(fā)展歷程來看，Epcon Offshore AS公司經(jīng)歷了多次兼并重組：2006年2月23日被專業(yè)鉆井液公司M-I SWACO正式宣布收購，改名為M-I Epcon AS公司；2010年8月，M-I SWACO被美國Schlumberger(斯倫貝謝)公司兼并。開發(fā)Epcon CFU的骨干技術(shù)人員J?rn Folkvang于2009年左右離開挪威Epcon Offshore公司，加盟挪威Technology Solutions Group(簡稱TS-Group)公司，研制開發(fā)了其技術(shù)生涯中的第二代CFU產(chǎn)品，簡稱為TST-CFU(見圖3b)，TS-Group公司后來被美國Cameron公司兼并[30]。面對TST-CFU的市場競爭，美國Schlumberger公司于2014年底在其官方網(wǎng)站上宣稱，研制開發(fā)了第二代緊湊型氣浮裝置Epcon Dual CFU，以便在總體結(jié)構(gòu)和外廓尺寸基本不變的情況下進(jìn)一步提高除油效率。2016年2月4日，美國Schlumberger公司在兼并美國Cameron公司后，同時(shí)擁有了Epcon CFU(包括Epcon Dual CFU)和TST CFU兩大系列CFU技術(shù)[31]。2014年下半年，J?rn Folkvang以技術(shù)經(jīng)理的身份成立了挪威Stauper Offshore公司，并啟動(dòng)了其技術(shù)生涯中第三代CFU產(chǎn)品(見圖3c)的研發(fā)工作，第三代CFU簡稱Stauper CFU。在國內(nèi)代理公司的協(xié)助下，目前該產(chǎn)品已經(jīng)在南海海域文昌(WC)油田群“海洋石油116”FPSO以及渤海海域曹妃甸(CFD)11-1/11-6油田得到了使用。J?rn Folkvang參與研發(fā)的Epcon CFU、TST-CFU以及Stauper CFU雖然都采取立式結(jié)構(gòu)布局，但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在著較大不同。

圖3 三代緊湊型氣浮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 國內(nèi)緊湊型氣浮裝置的自主研發(fā)

CFU在國內(nèi)又被稱為旋流氣浮組合裝置、旋流氣浮一體化裝置或氣旋浮裝置，筆者較早在國內(nèi)撰文對其出現(xiàn)背景、研發(fā)應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行了介紹。雖然迄今國內(nèi)有近20家單位申請了相關(guān)專利，部分單位還推出了試驗(yàn)樣機(jī)甚至得到了安裝應(yīng)用，但從研究工作的系統(tǒng)性和深入度來看，應(yīng)該首推北京石油化工學(xué)院-中海油研究總院聯(lián)合團(tuán)隊(duì)；從工程應(yīng)用案例的角度來看，當(dāng)推原寧波威瑞泰默賽多相流儀器設(shè)備有限公司、巨濤海洋石油服務(wù)有限公司以及研發(fā)人員從其離職后創(chuàng)立的深圳科力邇科技有限公司。

深入分析CFU的本質(zhì)內(nèi)涵，其技術(shù)關(guān)鍵主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：①CFU罐體結(jié)構(gòu)方案布局和內(nèi)構(gòu)件尺寸優(yōu)化。旋流首先是為了促進(jìn)氣泡和分散相油顆粒的碰撞黏附，然后才是為了促進(jìn)大粒徑重相機(jī)械雜質(zhì)的去除。系統(tǒng)梳理國內(nèi)各家單位業(yè)已公開的專利結(jié)構(gòu)方案不難看出，結(jié)構(gòu)方案布局總體上可以分為不設(shè)內(nèi)筒式、內(nèi)筒內(nèi)旋式和內(nèi)筒外旋式氣旋浮3大類[32]。②高效緊湊型管式微細(xì)氣泡發(fā)生器的設(shè)計(jì)研制，無論采用氣液多相混合泵、文丘里管式氣泡發(fā)生器還是基于微孔介質(zhì)管的氣泡發(fā)生器，都存在不足。反觀J?rn Folkvang先后在挪威設(shè)計(jì)研發(fā)三代CFU過程，都配套使用瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司的薄板型靜態(tài)混合器進(jìn)行注氣分散，目前正進(jìn)一步完善以保持流量波動(dòng)下成泡質(zhì)量的穩(wěn)定性[33]。

從公開申請的專利和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文來看，國內(nèi)迄今在上述兩個(gè)方面的關(guān)注與投入不足，重視市場訂單而疏于“跟跑→并跑→領(lǐng)跑”式研發(fā)工作，致使目前國內(nèi)海上油田所安裝的CFU運(yùn)行效果普遍不夠理想，有時(shí)甚至出現(xiàn)入口和出口含油質(zhì)量濃度基本持平的現(xiàn)象。

3.3 關(guān)注海油發(fā)展大勢，努力攻克高效緊湊型稠油聚驅(qū)采出水處理技術(shù)

稠油在我國海洋石油開發(fā)中占主導(dǎo)地位，但目前水驅(qū)采收率僅18%～20%，提高采收率潛力巨大，同時(shí)也面臨著極大挑戰(zhàn)。從中海油已經(jīng)實(shí)施了聚驅(qū)強(qiáng)化采油的幾個(gè)油田來看，在解決了開發(fā)模式、驅(qū)油體系及配注技術(shù)等問題后，目前的瓶頸性問題在于平臺聚驅(qū)采出液的全流程達(dá)標(biāo)處理。海上稠油聚驅(qū)采出水具有污水穩(wěn)定性高、含油量高以及油泥量高等特點(diǎn)，尤其是含油量往往數(shù)十倍于“斜板除油器→臥式氣浮選器→核桃殼過濾器”工藝流程的入口設(shè)計(jì)指標(biāo)[34]。

解決稠油聚驅(qū)采出水達(dá)標(biāo)處理的首要切入點(diǎn)應(yīng)該放在“斜板除油器→臥式氣浮選器→核桃殼過濾器”工藝流程的前端而非中后段，而且從單元處理技術(shù)來看，除重力沉降外也僅有離心分離可供選擇[35]。結(jié)合圖4所示BIPTVAS系列管式動(dòng)態(tài)旋流分離器進(jìn)行的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)定處理流量為1.0 m3/h、分散相油滴粒徑為158 μm，采出水中油相相對密度為0.871、0.900、0.934、0.970和0.985時(shí)，所對應(yīng)的除油效率分別為99.9%、99.3%、91.6%、52.9%和25.8%；設(shè)定處理流量為1.0 m3/h、油相相對密度為0.871，采出水中分散相油滴粒徑為158、120、100、80和50 μm時(shí)，所對應(yīng)的除油效率分別為99.9%、98.5%、94.4%、82.9%和39.2%。由此可見，旋流分離效果與待去除分散相的等效密度和粒徑大小密切相關(guān)[36]。對于稠油聚驅(qū)采出水處理而言，只有充分發(fā)揮“設(shè)備+藥劑+氣浮”的協(xié)同作用，在通過化學(xué)破乳實(shí)現(xiàn)分散相油滴粒徑聚并變大的同時(shí)，促使微細(xì)氣泡與大粒徑油滴顆粒發(fā)生有效黏附，進(jìn)而形成等效密度較小的“攜氣復(fù)合體”，才能夠在旋流場中實(shí)現(xiàn)“攜氣復(fù)合體”的有效分離[37]。上述理念已經(jīng)于2020年下半年得到證實(shí)，將BIPTVAS系列管式動(dòng)態(tài)旋流分離器安裝在某海上稠油聚驅(qū)油田一級和二級三相分離器的出水口運(yùn)行，當(dāng)處理量為5.6～7.5 m3/h、轉(zhuǎn)速為800 r/min、注氣比為4%、分流比為5%、加BH531C和水相清水劑兩種藥劑時(shí)，除油效率可達(dá)70%以上，入口含油質(zhì)量濃度4 000～2 000 mg/L時(shí)，出口含油質(zhì)量濃度可降低到1 000 mg/L以下。

1—葉柵；2—輪轂；3—旋流增強(qiáng)錐臺；4—分離機(jī)筒；5—渦控制臺。

值得一提的是，美國Schlumberger公司于2017年推出了Voraxial葉片誘導(dǎo)旋流分離器(Voraxial Impeller-induced cyclonic separator)，通過使用無剪切、無堵塞三維螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)，誘導(dǎo)多相混合物產(chǎn)生徑向和軸向的流動(dòng)，從而實(shí)施水、油以及固相的分離。美國Baker Hughes公司于2018年開始研發(fā)與BIPTVAS系列管式動(dòng)態(tài)旋流分離器類似理念的油、氣、水三相動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)，并有可能將其推廣應(yīng)用于井下油水分離(DOWS)[38]。

4 結(jié)論和建議

(1)在油氣田采出水常規(guī)單元處理技術(shù)的高效化以及不同單元處理技術(shù)的集成化方面，目前國內(nèi)外的差距較為明顯。軸盤式旋轉(zhuǎn)陶瓷超濾膜分離、非活性炭類材料吸附處理、天然氣凝析液注入聚結(jié)和緊湊型氣浮等技術(shù)理應(yīng)在“十四五”期間得到更多關(guān)注，尤其應(yīng)該抓好消化吸收再創(chuàng)新工作。當(dāng)然，任何一項(xiàng)技術(shù)都難以徹底去除油氣田采出水通常包含的各種污染物，推廣應(yīng)用時(shí)必須減少誤導(dǎo)性宣傳。

(2)隨著對海上高含水油田和深水油氣田開發(fā)力度的不斷加大，建議更加關(guān)注單元處理技術(shù)的緊湊化、一體化集成以及對已有處理工藝流程的評價(jià)優(yōu)化，必須盡量降低建造投資成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，建議關(guān)注原油集輸處理流程中三相分離器和電脫水器等設(shè)備的高效運(yùn)行，在從源頭降低采出水含油質(zhì)量濃度的同時(shí)盡量減少藥劑投加量，諸如電場強(qiáng)化三相分離器等新技術(shù)能夠在這方面發(fā)揮重要作用。

(3)海洋油氣開發(fā)歷來是集多學(xué)科、多領(lǐng)域于一體的龐大系統(tǒng)工程，因此建議關(guān)注工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型、設(shè)備研發(fā)和藥劑配方等不同專業(yè)之間的協(xié)同配合，在關(guān)注實(shí)現(xiàn)采出水“零排海”的同時(shí)關(guān)注實(shí)現(xiàn)采出水的“零環(huán)境污染排放”；同時(shí)關(guān)注對海上邊際斷塊油氣田井口平臺預(yù)處理能力的挖掘、對水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下井口預(yù)分離以及海底分離回注處理的創(chuàng)新，減輕中心平臺或水面平臺的處理載荷。最后建議減少技術(shù)研發(fā)環(huán)節(jié)的內(nèi)卷化現(xiàn)象，助推低油價(jià)新常態(tài)下采出水處理的降本增效。