李祖君，代品一

(1.中海石油(中國)有限公司 秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300000；2.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

渤海油田擁有秦皇島、曹妃甸、蓬萊、渤中等大型油田[1]。中海石油(中國)有限公司天津分公司負(fù)責(zé)渤海油田的勘探開發(fā)生產(chǎn)業(yè)務(wù)。

生產(chǎn)水是指在油氣田開采過程中地下儲層的水被帶到地表所產(chǎn)生的廢水，是油氣田開采過程中第一副產(chǎn)品[2]。除事故性溢油外，日常生產(chǎn)排放的生產(chǎn)水是油污染的主要來源?，F(xiàn)階段，渤海大多數(shù)油田進(jìn)入生產(chǎn)中后期，油田含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，含水量劇增[3]。渤海大多數(shù)油田已進(jìn)入高產(chǎn)水階段，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)75%[4]。而且，驅(qū)油加聚技術(shù)的廣泛應(yīng)用使平臺生產(chǎn)水成分更加復(fù)雜，處理難度提高。

渤海大多數(shù)油田為稠油儲存，截至2014年底，探明的稠油石油地質(zhì)儲量占渤海油田總探明儲量的58.0%[5]。其中：秦皇島等油田油質(zhì)密度較高，一般在0.95 g/cm3以上，黏度也較高，即使在50 ℃時一般仍大于200 cP(1 cP=10-3Pa·s)，增加平臺含油污水處理難度；曹妃甸等油田原油密度在0.90 g/cm3左右，屬輕質(zhì)原油，50 ℃時黏度在10 cP左右，生產(chǎn)水處理難度較小[1]。

現(xiàn)階段隨著環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，國家對海洋油田含油廢水的排放愈加嚴(yán)格[6]，對在建渤海油田提出零排放，油田區(qū)塊增產(chǎn)不增污等要求[7]。根據(jù)油田油質(zhì)屬性、處理指標(biāo)、水質(zhì)情況的不同，海洋平臺含油廢水處理方式各有不同。對于黏度低、密度小的原油，由于油水間密度差較大，容易處理，處理級數(shù)相對少，此類輕質(zhì)油田生產(chǎn)水處理方式通常是經(jīng)旋流器-氣浮罐-核桃殼過濾器依次處理。對于黏度高、密度大的原油，水處理難度較大，處理設(shè)備要求更加精細(xì)，此類重質(zhì)油田生產(chǎn)水一般采用斜板除油器-氣浮罐-核桃殼過濾器三段式處理。

目前海上油田含油廢水的處理方式一般包括：(1)達(dá)標(biāo)后直接外排至海洋中；(2)滿足水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行二次回注，回注地殼可減少污水排放，渤海海域一般采用此方案。對于排海生產(chǎn)水，長期以來重點關(guān)注指標(biāo)為水中石油類質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并針對這一指標(biāo)制定嚴(yán)格的法規(guī)限制，如《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值GB 4914—2008》[8]。對于油田回注生產(chǎn)水，一般要求水中固體及油質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法SY/T 5329—2012》[9]。

隨著海洋環(huán)境保護(hù)工作日益嚴(yán)峻，加之鉆井、壓裂以及生產(chǎn)過程中殺菌劑、緩蝕劑等化學(xué)藥劑的添加，不論對于排海生產(chǎn)水還是回注生產(chǎn)水，水質(zhì)指標(biāo)都需得到進(jìn)一步的限制。因此，海上平臺含油生產(chǎn)水高效處理工藝，尤其是生產(chǎn)水達(dá)標(biāo)回注處理工藝是目前油氣田平臺含油生產(chǎn)廢水處理的一項重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 典型處理流程

1.1 輕質(zhì)油田水處理工藝

在渤海油田，采出液經(jīng)過生產(chǎn)管匯開采后，油氣水三相在生產(chǎn)分離器中分離，氣相從生產(chǎn)分離器頂部排出，水相從設(shè)備底部排除。由于輕質(zhì)油田中油質(zhì)密度較低，油水密度差值較大，生產(chǎn)水可進(jìn)入水力旋流器，通過旋流器的離心作用大量去除水中大粒徑油滴和雜質(zhì)，處理效果較好。處理后的含油廢水進(jìn)入氣浮罐，依靠上浮氣泡機(jī)理降低水中油和固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)過旋流器和氣浮罐處理后的水質(zhì)進(jìn)入核桃殼過濾器，去除廢水中微小油滴和懸浮物，達(dá)到外排指標(biāo)。具體流程如圖1所示。

圖1 輕質(zhì)油田生產(chǎn)水處理流程

1.2 重質(zhì)油田水處理工藝

重質(zhì)油田原油密度與水相密度差值較小，且黏度高，油水分離難度高。重質(zhì)油田水處理流程如下：經(jīng)過生產(chǎn)管匯開采的采出液經(jīng)過生產(chǎn)分離器進(jìn)行油氣水三相分離，利用密度差，密度較高的富水相從底部流出進(jìn)入后續(xù)水處理流程。富水相(生產(chǎn)水)依次經(jīng)過斜板分離器、氣浮罐和核桃殼過濾器三級處理流程：富水相先經(jīng)過斜板沉降作用去除水中浮油、分散油和大粒徑雜質(zhì)；經(jīng)斜板分離器處理后的含油廢水進(jìn)入氣浮罐進(jìn)行浮選，去除水中乳化態(tài)和小粒徑雜質(zhì)；水系統(tǒng)末端通過核桃殼過濾器對含油廢水進(jìn)行深度過濾，使處理后的水質(zhì)滿足外排或回注指標(biāo)。在各個設(shè)備中回收的油相都收集到儲油罐中等待外排或重新導(dǎo)入流程。重質(zhì)油田水處理流程如圖2所示。

圖2 重質(zhì)油田生產(chǎn)水處理流程

在平臺生產(chǎn)水處理過程中，需要配合注入化學(xué)藥劑，加快處理時間，降低水處理難度。通常使用的化學(xué)藥劑有破乳劑、反向破乳劑、絮凝劑、浮選劑和清水劑等。

2 核心處理設(shè)備

海上平臺核心含油污水處理設(shè)備包括斜板除油器、旋流除油器、氣浮除油器、介質(zhì)過濾器。

2.1 斜板除油器

當(dāng)生產(chǎn)水流過聚結(jié)介質(zhì)時，部分油滴接觸并黏附在介質(zhì)表面，并隨著其他油滴的接觸聚結(jié)而長大，最終油滴會變得足夠大以致在水流曳力作用下從介質(zhì)表面脫離[10]。典型的板式聚結(jié)分離器型式有平行板攔截器、波紋板攔截器、錯流分離器，其都依賴于重力分離，使油滴上升至板塊表面發(fā)生聚合和捕獲。板式分離器除了具有除油功能外還具有較好的除砂功能[11]。板式分離器的優(yōu)勢主要是成本低、模塊安裝拆卸清洗方便、可接受入口油質(zhì)量分?jǐn)?shù)大、除砂尺寸(油滴∶固粒)達(dá)10∶1，劣勢主要是對于油滴的有效去除粒徑僅30 μm。板填料材質(zhì)可為聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃纖維強(qiáng)化聚酯、各種鋼材等，可安裝在單獨(dú)的容器內(nèi)，也可安裝在重力分離設(shè)備內(nèi)。斜板除油器除油原理如圖3所示。

圖3 斜板除油器油氣水三相分離原理[12]

2.2 旋流除油器

旋流分離技術(shù)作為一種成熟的固液/液液/氣液兩相分離技術(shù)[13]，因其結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、設(shè)備體積小、使用方便靈活等特點，一直作為一種成熟的兩相分離技術(shù)被國內(nèi)外海上平臺采用。

旋流器除油原理如圖4所示。在用于油水兩相分離的水力旋流器的基礎(chǔ)設(shè)計中，待分離的混合相通過切向入口進(jìn)入旋流器，該切向入口結(jié)合柱狀壁面曲線的誘導(dǎo)作用產(chǎn)生強(qiáng)旋流場，密度較低的輕相物質(zhì)在該旋流場的作用下遷移至旋流器的軸心線處，密度較高的重相則向壁面遷移，進(jìn)而實現(xiàn)油水兩相(輕重兩相)的快速分離[15]。在設(shè)計過程中，需謹(jǐn)慎選擇圓柱段長度，在以往的研究中有學(xué)者提及過長的圓柱段會因壁面的摩擦力弱化旋流場，為減弱這種弱化作用，通常在旋流器圓柱段的下方設(shè)置圓錐段來維持旋流強(qiáng)度。在旋流器的軸心線處會發(fā)生逆向旋流，并形成低壓區(qū)，輕相部分會在此富集并通過旋流器的頂流口排出。重相則會在外部旋流場的作用下沿壁面通過底流口排出。

圖4 旋流器油水分離原理[14]

2.3 氣浮除油器

氣浮除油原理是在設(shè)備底部產(chǎn)生大量微小氣泡，這些氣泡由于浮力上升，在上升過程中黏附沿途油質(zhì)，實現(xiàn)油質(zhì)的去除[16]。氣浮除油原理如圖5所示。氣浮分離技術(shù)因其在短停留時間內(nèi)處理量大、結(jié)構(gòu)緊湊、對細(xì)微顆粒物的較高分離效率、添加藥劑的情況下可維持高質(zhì)量出水水質(zhì)等優(yōu)點而更適用于對承重及空間要求嚴(yán)格的海上油氣田生產(chǎn)平臺的生產(chǎn)水處理流程。

圖5 氣浮除油原理[17]

緊湊式氣浮是將氣浮與旋流分離兩種油水分離技術(shù)結(jié)合在一起的一種高效油水分離設(shè)備,分離過程由容器中的內(nèi)部裝置產(chǎn)生或添加的氣體釋放殘余氣體引起的氣浮效應(yīng)輔助。油滴的團(tuán)聚是浮選油的重要特性。使用各種化學(xué)品可能影響或中斷油滴附聚的過程。

2.4 多介質(zhì)過濾器

核桃殼來源廣泛，具有硬度高、耐磨性好、顆粒密度低、易進(jìn)行水力反洗等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于含油廢水處理中[18]。核桃殼在設(shè)備內(nèi)部緊密填充，核桃殼過濾器利用濾料對油滴的附聚作用，過濾含油廢水中粒徑較小的乳化油,并利用顆粒之間的配合整體降低液體中固體顆粒及懸浮物濃度[19]。核桃殼過濾器除油原理如圖6所示。

圖6 核桃殼過濾器除油機(jī)理

海上油田采油污水處理流程短、設(shè)備少、設(shè)施布局緊湊，這種特性決定了各級污水處理設(shè)備不僅需要滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求，而且需要有高效的處理能力。核桃殼過濾器是海上油田生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)的第三級處理設(shè)備。其內(nèi)部采用雙介質(zhì)濾料設(shè)計：上層為核桃殼濾料，粒徑在1.6～2.0 mm；下層為鵝卵石墊層分層分布，粒徑在2.0～30.0 mm。濾料床通過物理和化學(xué)作用除去污水中的油珠和微小懸浮物，以及被殺菌劑殺死的細(xì)菌和藻類。經(jīng)核桃殼過濾器處理后，合格水回注或外排。一些學(xué)者根據(jù)不同材料的特性，對多種材料進(jìn)行組合并將其堆積在床層中，開發(fā)多介質(zhì)過濾器。

常用的濾料有石英砂、硅藻土、無煙煤、玻璃纖維和聚丙烯等。這些材料又可分為過濾材料和聚結(jié)材料兩種。多介質(zhì)過濾器就是在設(shè)備內(nèi)部堆積一種或多種材料組成床層，通常把密度大、粒徑小的材料放置在床層底部，將密度小、粒徑大的顆粒放置在床層頂部[20]。多介質(zhì)過濾器的過濾床層由層狀無煙煤、細(xì)碎的石榴石、石英砂或其他材料組成。其原理為深度過濾，將粒徑較大的輕質(zhì)濾料置于濾層頂部，將粒徑較小、質(zhì)量較大的濾料置于濾層底部。在過濾時，水中較大的污染顆粒在濾層底部被去除，較小的顆粒在濾層較深處被去除。多層濾料提高了過濾器的含污能力，保證出水水質(zhì)。多介質(zhì)過濾在工程應(yīng)用中大多為多介質(zhì)過濾器，較少采用濾池。

3 新型處理技術(shù)

3.1 組合纖維聚結(jié)除油技術(shù)

使用規(guī)整或松散的填料作為聚結(jié)組件的分離器一般稱為填料式聚結(jié)分離器，與板式聚結(jié)器相比常規(guī)填料聚結(jié)具有更高的油滴分離精度，油滴的有效去除粒徑約10 μm。聚結(jié)組件可以是纖維狀或顆粒狀的介質(zhì)，其一般為親油性材料且具有較大的比表面積，油滴在聚結(jié)介質(zhì)表面黏附聚并，這類聚結(jié)器的結(jié)構(gòu)型式類似于過濾器，但其作用是將油滴聚結(jié)長大。結(jié)構(gòu)聚結(jié)填料和松散纖維聚結(jié)填料如圖7所示，隨填料的不同，聚結(jié)器型式多樣且聚結(jié)性能差異較大。該類填料式聚結(jié)器尚沒有形成規(guī)范，其能夠移除的油滴粒徑也沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗圖表可查詢，該類聚結(jié)器的設(shè)計仍以現(xiàn)場中小試驗結(jié)果為主要依據(jù)。目前這種填料式聚結(jié)器在海上平臺的應(yīng)用并不多，但其具有深度發(fā)展的潛質(zhì)，只要填料設(shè)計合理，甚至可有效移除1～10 μm的微小油滴。

已有研究人員[21-23]開發(fā)適用于深度除油的組合纖維介質(zhì)編織方法，通過調(diào)節(jié)組合纖維的比例、編織型式等來實現(xiàn)纖維聚結(jié)介質(zhì)對微小乳化油滴的深度聚結(jié)，并且提出將不同尺寸的油滴分步分級脫除的組合纖維聚結(jié)(Combination Fiber Coalescence，CFC)除油設(shè)備，包括多級組合纖維編織段、波紋強(qiáng)化分離段，通過各除油模塊的組合(見圖8)，可適應(yīng)進(jìn)料1 000～5 000 mg/L的油質(zhì)量濃度波動，將出口生產(chǎn)水含油質(zhì)量濃度脫除至20 mg/L以內(nèi)。該CFC除油設(shè)備具有適應(yīng)能力強(qiáng)、快速高效的優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于空間有限的海上平臺生產(chǎn)水深度除油工藝中，其在海上油氣田生產(chǎn)水處理中已得到成功應(yīng)用。

圖8 新型模塊化聚結(jié)分離設(shè)備原理示例[21-23]

3.2 CFC分離設(shè)備在輕質(zhì)油田生產(chǎn)水處理工藝升級改造中應(yīng)用

中海石油(中國)有限公司某輕質(zhì)油田井口平臺因生產(chǎn)進(jìn)入中后期，為保證油田產(chǎn)量，采出液量有顯著提升，造成流程瓶頸，對油田的正常生產(chǎn)及增產(chǎn)造成壓力。平臺通過流程改造(見圖9)，增設(shè)CFC除油設(shè)備(下文簡稱“設(shè)備”)，該平臺生產(chǎn)水除油工藝處理流程如下：采出液自油井采油樹采出后進(jìn)入立式重力沉降罐，重力沉降罐中大量富油相及生產(chǎn)水通過海管輸送至浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)，部分生產(chǎn)水由井口平臺自身處理以緩解FPSO處理壓力。采出液經(jīng)立式重力沉降罐簡單分離后，水相中平均油質(zhì)量濃度為500～800 mg/L，由水力旋流器進(jìn)行處理。經(jīng)水力旋流器處理后，水相中平均油質(zhì)量濃度為300～500 mg/L，水相進(jìn)入設(shè)備。設(shè)備水出口平均油質(zhì)量濃度降低至22 mg/L，經(jīng)設(shè)備處理后的水相進(jìn)入注水緩沖罐，再次經(jīng)簡單重力沉降后油質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)(20 mg/L以下)通過注水泵回注至井下。水力旋流器、設(shè)備、注水緩沖罐的油相均排放至閉排罐。設(shè)備自2018年9月投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定。

圖9 渤海某輕質(zhì)油田改造工藝流程

3.3 CFC分離設(shè)備在重質(zhì)油田生產(chǎn)水處理擴(kuò)容改造中應(yīng)用

渤海某油田為滿足平臺內(nèi)掛油井和油藏最新提液計劃，增設(shè)新處理系統(tǒng)作為外設(shè)擴(kuò)容系統(tǒng)。新生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)采用CFC除油器和纖維球過濾兩段式處理工藝。在新增工藝流程中，利用新型CFC除油器代替?zhèn)鹘y(tǒng)斜板除油器和氣浮除油器，不僅有效地減少設(shè)備占地空間，有利于平臺擴(kuò)容改造，而且能夠降低生產(chǎn)成本，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。該平臺生產(chǎn)水處理流程如下：油井采出液經(jīng)過生產(chǎn)分離器重力沉降，實現(xiàn)油氣水三相分離，富油相通過海管輸送至陸地，富水相依次經(jīng)過設(shè)備和纖維球過濾器處理，逐步降低水中油含量及懸浮物含量，滿足回注指標(biāo)。設(shè)備、纖維球過濾器的油相均排放至污油罐中。設(shè)備自2019年12月投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定，CFC除油設(shè)備進(jìn)口平均油質(zhì)量濃度不大于2 000 mg/L,設(shè)備出口平均油質(zhì)量濃度小于60 mg/L，滿足設(shè)計指標(biāo)。具體流程如圖10所示。

圖10 渤海某重質(zhì)油田擴(kuò)容改造工藝流程

4 結(jié) 論

綜述海上油氣田生產(chǎn)水的來源、特征及其處理技術(shù)。在生產(chǎn)水處理工藝的選擇時，需考慮水質(zhì)特性、成本效益，以及排放、回注或再利用等因素，將多種處理技術(shù)有機(jī)組合，以期達(dá)到最佳處理效果。

對于油氣田開采進(jìn)入中后期之后會面臨的一系列難題，如生產(chǎn)水中油品乳化程度增大、多次修井作業(yè)后采出液可能含砂、含聚污水的深度處理等，亟須依據(jù)各油氣田平臺實際生產(chǎn)情況選用合適的傳統(tǒng)生產(chǎn)水處理技術(shù)進(jìn)行組合，并嘗試采用新技術(shù)，如CFC除油技術(shù)形成合理的生產(chǎn)水處理工藝流程。