秦逸涵， 胡 斌， 宮景雯， 矯亞濤

(中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028)

中國(guó)南海具有豐富的油氣資源，約占中國(guó)資源總量的1/3[1]。在已勘探開采的油氣田中，油品密度以輕中質(zhì)油為主，通常生產(chǎn)水采用兩級(jí)處理流程即可達(dá)到排海要求。在早期的輕質(zhì)油氣田中，生產(chǎn)水處理流程多采用簡(jiǎn)單的物理分離和物理沉降的方法去除，以水力旋流器+脫氣除油罐為典型的工藝取得了較好的處理效果[2]。當(dāng)采出物中油、氣、水三相混合物在溫度、壓力、輸送等因素發(fā)生變化時(shí)，在相變的過程中會(huì)產(chǎn)生乳化現(xiàn)象[3]，同時(shí)隨著前端工藝段投加的化學(xué)藥劑配合動(dòng)設(shè)備作用，使水中乳化油現(xiàn)象加劇[4]，而傳統(tǒng)的物理分離和沉降已不能滿足含乳化油生產(chǎn)水的有效處理。綜合考慮設(shè)備尺寸、重量對(duì)平臺(tái)整體方案和施工資源的影響，氣浮工藝中緊湊旋流氣浮裝置(CFU)相比溶氣式氣浮(DGF)和誘導(dǎo)式氣浮(IGF)工藝具有緊湊高效的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，同等條件下水處理效果較好[5-6]，是解決南海中質(zhì)或乳化油的主流工藝。但隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累逐漸發(fā)現(xiàn)：①配氣噴嘴處易堵塞；②加氣量和浮選劑要適應(yīng)不斷變化的來液而人工調(diào)節(jié)用量；③設(shè)備配有動(dòng)設(shè)備和藥劑投入，每年產(chǎn)生動(dòng)耗和藥耗費(fèi)用可觀；④人工運(yùn)維工作量較多；⑤重質(zhì)油品的處理效果不理想[7]。

基于南海油氣田生產(chǎn)水水處理的背景，尋求更好的水處理工藝成為訴求。本文主要研究新型聚結(jié)除油器處理高含乳化油的生產(chǎn)水的效果，以及在工程實(shí)施方面的綜合評(píng)價(jià)，以期為該類技術(shù)在海水油氣田的應(yīng)用提供參考。

1 新型聚結(jié)除油器原理和結(jié)構(gòu)

聚結(jié)除油主要通過聚結(jié)內(nèi)件材料親油疏水特性并以一定方式編織，在材料表面聚結(jié)長(zhǎng)大，經(jīng)過濾和分離，從而去除水中油滴。傳統(tǒng)聚結(jié)介質(zhì)主要采用普通型聚四氟乙烯、聚丙烯等材料[8]，但對(duì)于高速旋流的乳化油較難分離，并且抗沖擊能力較差。

新型聚結(jié)除油器在普通型有機(jī)高分子材料或無機(jī)材料的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改性處理，增強(qiáng)乳化液滴分離性能的同時(shí)允許細(xì)小顆粒通過，從而兼具抗堵性能[9]。新型聚結(jié)除油器由親水疏油和親油疏水的異質(zhì)纖維組合材料，異質(zhì)纖維交叉點(diǎn)通過極性受力差異而發(fā)生破乳分離。設(shè)備內(nèi)部由入口整流、多介質(zhì)聚結(jié)過濾和聚結(jié)分離3個(gè)階段實(shí)現(xiàn)除油。整流段在閃蒸脫氣與離心脫氣共同作用下將溶解氣脫出，同時(shí)穩(wěn)定流體進(jìn)入后續(xù)階段的狀態(tài)。多介質(zhì)聚結(jié)過濾階段油滴和懸浮物通過攔截并聚結(jié)成大顆粒，分離出的廢水再進(jìn)一步進(jìn)入聚結(jié)分離段分離細(xì)小油滴，從而完成脫氣除油過程。該設(shè)備不設(shè)置動(dòng)設(shè)備的輔助?；緲?gòu)造及原理如圖1所示。

圖1 新型聚結(jié)除油器構(gòu)造原理

2 工程概況及存在問題

南海某氣田，油品密度0.83 mg/L，油品屬輕質(zhì)油、含硫低、凝點(diǎn)低、水相無難處理雜質(zhì)。高峰日產(chǎn)水量約2 000 m3/d，井口產(chǎn)出的油氣水3項(xiàng)混合液先經(jīng)氣液分離流程，之后進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行油水分離，分離器水相出口進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)進(jìn)一步油水分離，以滿足排海要求。生產(chǎn)水系統(tǒng)采用水力旋流器+脫氣除油罐的水處理流程，處理能力83.6 m3/h。生產(chǎn)水系統(tǒng)入口含油不超過1 200 mg/L，出口排海指標(biāo)低于30 mg/L。根據(jù)《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》GB 4914—2008要求，出口排海含油指標(biāo)月平均排放濃度不超過45 mg/L。

對(duì)于油氣田開發(fā)全生命周期，本工程生產(chǎn)階段初期和中期處理可達(dá)到預(yù)期。在生產(chǎn)階段后期，由于產(chǎn)液量和產(chǎn)液壓力均大幅降低，前端油水分離器操作壓力大幅降低，實(shí)際測(cè)試中分離器操作壓力從1 723 kPaG降低至1 275 kPaG，其水相出水含油量也從約1 300 mg/L上升至接近2 400 mg/L的水平。另一方面，當(dāng)分離器壓力過低時(shí)，自流進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)流速過低，水相液位下降過慢，與油相界位混合，液位波動(dòng)，將影響出水水質(zhì)?；谝陨蟽牲c(diǎn)，平臺(tái)既有的水處理流程已不再適用生產(chǎn)后期水處理排放指標(biāo)的要求。

3 新型聚結(jié)除油器處理效果分析

3.1 替代水力旋流器對(duì)處理效果的影響

由于新型聚結(jié)除油器聚結(jié)內(nèi)件的親油疏水特性，具有一定耐沖擊負(fù)荷能力。分離器高壓運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入生產(chǎn)水系統(tǒng)含油濃度為1 200 mg/L以內(nèi)。生產(chǎn)后期，前端分離器壓力降低，嘗試對(duì)低壓分離器經(jīng)增壓泵增壓后直接進(jìn)入聚結(jié)除油器處理。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，聚結(jié)除油器平均進(jìn)口含油較改進(jìn)前翻倍，約2 400 mg/L，但出水平均含油28.7 mg/L，仍低于30 mg/L，說明聚結(jié)除油器對(duì)高含油生產(chǎn)水具有較好適應(yīng)性，去油效率在95%以上。替代水力旋流器流程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 替代水力旋流器流程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 啟用水力旋流器對(duì)處理效果的影響

增加聚結(jié)除油器滿足出水要求的改進(jìn)下，設(shè)備前端仍保留水力旋流器的流程對(duì)于生產(chǎn)水系統(tǒng)最終排海是否帶來更優(yōu)的處理效果的問題，對(duì)流程進(jìn)行改進(jìn)，采用將啟動(dòng)水力旋流器仍作為第一級(jí)處理，其后進(jìn)入聚結(jié)除油器作為第二級(jí)處理，最后進(jìn)入脫氣除油罐的三級(jí)流程。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，聚結(jié)除油器平均進(jìn)口含油約330 mg/L，出水平均含油39.3 mg/L。啟用水力旋流器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 啟用水力旋流器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)分析及對(duì)比可知，聚結(jié)除油器進(jìn)水含油濃度遠(yuǎn)低于不設(shè)置水力旋流器的情況，水力旋流器接受分離器的水相來液后，對(duì)浮油進(jìn)行了有效去除。但聚結(jié)除油器出水含油濃度卻比不設(shè)置水力旋流器的情況高，說明經(jīng)水力旋流器處理的前端工序，加劇了油的乳化程度，聚結(jié)除油器在相同條件下，去除率從95%降低至87%。

3.3 啟用生產(chǎn)水增壓泵對(duì)處理效果的影響

系統(tǒng)改造前后設(shè)置增壓泵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)分離器壓力相同的條件下，聚結(jié)除油器平均進(jìn)口含油量相當(dāng)，設(shè)置增壓泵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4(a)所示，其出水平均含油20.8 mg/L；不設(shè)置增壓泵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4(b)所示，其出水平均含油19.9 mg/L。設(shè)備去除率均達(dá)到95%以上。由此可知，當(dāng)分離器壓力及其他條件相同時(shí)，增壓泵對(duì)聚結(jié)除油器處理效果的影響不成為首要限制因素。

圖4 設(shè)置與不設(shè)置增壓泵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.4 聚結(jié)內(nèi)件壽命對(duì)處理效果的影響

聚結(jié)內(nèi)件使用3～5年，存在一定老化或持續(xù)受到腐蝕影響，聚結(jié)除油器出水平均含油43.2 mg/L，當(dāng)月一次最大出水含油50 mg/L。仍采用脫氣除油罐，即聚結(jié)除油器+脫氣除油罐的兩級(jí)流程。經(jīng)測(cè)定，出水月平均含油32.2 mg/L，好于聚結(jié)除油器直接排海情況。在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.5 效果及創(chuàng)新

幾種方案對(duì)比研究結(jié)果表明：新型聚結(jié)除油器接收高乳化油生產(chǎn)水具有耐受性，生產(chǎn)水增壓泵對(duì)聚結(jié)除油器的除油效率改變不大，除油效果較好；在生產(chǎn)水增壓泵和水力旋流器的作用下會(huì)加劇其乳化性，除油效果變差；隨著聚結(jié)內(nèi)件老化，滿足排海要求的情況下出水含油指標(biāo)有所上升。

南海通常采用水力旋流器作為一級(jí)水處理工藝去除浮油的技術(shù)方法較為成熟[10]，而本工程聚結(jié)除油器通過改性材料的除油特性，嘗試取代水力旋流器，從前端工藝出水后直接進(jìn)入聚結(jié)除油器的方案更加提高了除油率，降低排海指標(biāo)，對(duì)去除浮油和乳化油均取得較好效果。

4 南海油氣田工程應(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)近年來在南海開發(fā)運(yùn)行的13個(gè)油田中，油品密度在0.83～0.94 kg/m3區(qū)間，CFU、脫氣除油罐和聚結(jié)除油器均有采用[11]。其各自在相同水平下的工程規(guī)模，以某中質(zhì)油田為例進(jìn)行對(duì)比。最高日產(chǎn)水量高于20 000 m3/d，油田油品密度約0.883 kg/m3，含硫低、含蠟高、凝點(diǎn)高以及無難處理雜質(zhì)，排海含油指標(biāo)月平均排放濃度不超過45 mg/L[12]。

4.1 處理指標(biāo)分析

前端分離器停留時(shí)間為5 min，分離器水相出口進(jìn)入生產(chǎn)水含油量理論值不大于1 000 mg/L，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一般在500～700 mg/L的區(qū)間，脫氣除油罐對(duì)分散油和乳化油的抗沖擊負(fù)荷能力低于CFU和聚結(jié)除油器，因此在相同停留時(shí)間時(shí)，除油效率將略低，約在50%以上。采用技術(shù)成熟可靠的CFU和聚結(jié)除油器，除油效率約在75%以上。根據(jù)對(duì)比，脫氣除油罐要達(dá)到合格的處理指標(biāo)要求，需適當(dāng)增加停留時(shí)間以增加其處理可靠度。

4.2 設(shè)備規(guī)模及運(yùn)行分析

4.2.1 靜設(shè)備規(guī)模對(duì)比

脫氣除油罐和聚結(jié)除油器兩種設(shè)備相比CFU均為靜設(shè)備，設(shè)備本身不需要回流泵。對(duì)比國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品，停留時(shí)間控制在3～5 min可滿足臨界流速要求。脫氣除油罐靠物理沉降分離，停留時(shí)間至少要達(dá)到5 min及以上較為可靠。為了良好的脫氣除油效果，設(shè)備尺寸主要考慮長(zhǎng)徑比、設(shè)備運(yùn)輸限制、占地面積等要求。經(jīng)廠家反饋，罐體直徑控制在3.8～4.2 m，按照設(shè)計(jì)水量1 000 m3/h的工程規(guī)模。根據(jù)計(jì)算，脫氣除油罐要達(dá)到處理效果，長(zhǎng)度20 m以上，占地面積80 m2以上，而聚結(jié)除油器可控制在17 m以內(nèi)，占地面積68 m2以內(nèi)。脫氣除油罐在規(guī)模和投資上不具備優(yōu)勢(shì)。兩種設(shè)備在不同停留時(shí)間下的設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 不同停留時(shí)間下兩種設(shè)備尺寸對(duì)比

4.2.2 動(dòng)設(shè)備與靜設(shè)備對(duì)比

考慮控制設(shè)備工程規(guī)模的因素，CFU與聚結(jié)除油器具備選擇條件。對(duì)于CFU要實(shí)現(xiàn)好的處理效果要靠循環(huán)泵的回流并不斷產(chǎn)生浮選氣，嚴(yán)格控制氣水比是運(yùn)行中的關(guān)鍵要素，由于來液量的波動(dòng)，運(yùn)行中要不斷調(diào)整氣水比。當(dāng)乳化程度較高時(shí)，還需輔助一定量的浮選劑以達(dá)到良好的處理效果。以高峰水量1 000 m3/h的生產(chǎn)水為例。

1)當(dāng)CFU選用國(guó)產(chǎn)品牌，CFU成翹總重量、總占地面積與聚結(jié)除油器相比，成撬費(fèi)用可節(jié)省70%～80%。經(jīng)對(duì)比，CFU在工程規(guī)模和初始投資方面都比聚結(jié)除油器有優(yōu)勢(shì)。但每年約產(chǎn)生259 m3的藥劑量，折合費(fèi)用至少130萬～150萬元藥劑費(fèi)，并配有每噸水60 kW·h的電耗。

2)當(dāng)CFU擴(kuò)大采辦范圍時(shí)，投資將發(fā)生顛覆，初始投資約為聚結(jié)除油器初始投資的1.92倍，同時(shí)附加動(dòng)力能耗和藥劑費(fèi)，明顯存在劣勢(shì)。

3)聚結(jié)除油器檢修概率低、無須藥耗或較低藥耗、無須動(dòng)設(shè)備消耗等方面優(yōu)勢(shì)，對(duì)于油田全壽命周期的無人化或少人化改造、提升智能化水平和臺(tái)風(fēng)模式應(yīng)對(duì)都將具有適應(yīng)性。

5 結(jié)語

1)針對(duì)生產(chǎn)后期生產(chǎn)水高乳化油現(xiàn)象，在生產(chǎn)水增壓泵和水力旋流器的作用下會(huì)加劇其乳化性，對(duì)除油效果產(chǎn)生一定影響，去除率從95%降低至87%。通過采用新型聚結(jié)分離器作為水處理系統(tǒng)第一級(jí)工藝替代水力旋流器的改進(jìn)方法，去除效率可達(dá)95%以上。

2)同等條件下，聚結(jié)除油器相比脫氣除油罐可節(jié)省約至少67%的占地空間。當(dāng)聚結(jié)內(nèi)件保持良好狀態(tài)下，系統(tǒng)無須增加化學(xué)藥劑和回流泵的工程投入，可每年節(jié)省約20%的運(yùn)維費(fèi)。當(dāng)聚結(jié)內(nèi)件使用年限超過一定年限時(shí)，出水月平均含油濃度從低于30 mg/L上升至43.2 mg/L，應(yīng)增加清洗頻度。當(dāng)內(nèi)件編織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，考慮更換內(nèi)件。

新型聚結(jié)除油器可有效去除乳化油的同時(shí)降低大量生產(chǎn)水排海含油的累積效應(yīng)。對(duì)于廣闊的南海油氣田開發(fā)前景，由于其簡(jiǎn)化操作的運(yùn)行特點(diǎn)，在南海智能油田中實(shí)現(xiàn)有人平臺(tái)少人化和無人平臺(tái)智能化建設(shè)具有應(yīng)用潛力，未來可進(jìn)一步研究其在南海臺(tái)風(fēng)模式改造方面的應(yīng)用。