新型多功能油水分離技術(shù)在南海油田的應(yīng)用

魏叢達(dá)，崔新安,吳奇霖,劉家國

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067；2.中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心,河南 洛陽 471003)

新型多功能油水分離技術(shù)在南海油田的應(yīng)用

魏叢達(dá)1，崔新安2,吳奇霖1,劉家國2

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067；2.中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心,河南 洛陽 471003)

受空間、質(zhì)量及建造成本限制，海上采油平臺(tái)對(duì)油水分離設(shè)備的效率、尺寸要求比陸上油田更加苛刻。針對(duì)海上油田生產(chǎn)需要，開發(fā)了新型多功能油水分離技術(shù)，并在南海油田進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。該技術(shù)采用新型的電極技術(shù)、電源技術(shù)和改進(jìn)的分離設(shè)備結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新手段，使靜電場脫水技術(shù)能夠適應(yīng)油田水含量高的原油脫水。應(yīng)用結(jié)果表明，處理水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～90%的井液，原油脫后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.5%，排水含油均小于200 mg/L，滿足合格原油的指標(biāo)。該技術(shù)提高了油水分離效率，減少了處理級(jí)數(shù)，降低油田投資成本。

靜電聚結(jié) 多功能油水分離 電脫水 油水分離

海洋石油資源儲(chǔ)量豐富，具有廣闊的開發(fā)前景，但采油平臺(tái)受空間、質(zhì)量及建造成本限制，對(duì)設(shè)備分離效率、尺寸要求比陸上油田更苛刻，加上目前水含量高的油田增產(chǎn)擴(kuò)容改造和邊際油田、深水油田開發(fā)的新形勢，開發(fā)占地空間小、質(zhì)量輕的高效、多功能分離技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)資料[1-3]顯示，針對(duì)油田高含水原油脫水，國外采用絕緣電極開展靜電聚結(jié)脫水技術(shù)的研究較多，并取得了一定成果，代表性的有EIPC(電脈沖感應(yīng)聚結(jié)器)、CEC(緊湊型靜電聚結(jié)器)和VIEC(容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器)。尤其是VIEC技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)油田及FPSO(浮式儲(chǔ)油外輸船)上得到應(yīng)用，采用此技術(shù)，乳化液層厚度減少80%，破乳劑量降低至原來的五分之一，出油口的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%～15%降低至4.8%。

在十二五科研工作中，中海石油(中國)有限公司深圳分公司與中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心共同開發(fā)的新型多功能油水分離技術(shù)，將傳統(tǒng)油水分離器和電脫水器功能有機(jī)結(jié)合，研制出合二為一的高效綜合處理設(shè)備。該技術(shù)在南海生產(chǎn)平臺(tái)上進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～90%井液，處理后能夠達(dá)到原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為小于0.5%的目標(biāo)，同時(shí)排水油質(zhì)量濃度小于200 mg/L。

1 多功能油水分離技術(shù)

多功能油水分離技術(shù)通過采用新型的電極技術(shù)、電源技術(shù)和改進(jìn)的分離設(shè)備結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，使靜電場脫水技術(shù)能夠適應(yīng)水含量高的原油脫水，從而提高油水分離的效率和效果，滿足油田脫水的需要。

多功能油水分離技術(shù)，與上述靜電聚結(jié)脫水技術(shù)相比有如下特點(diǎn)：(1)在流程上采用氣液分離和油水分離分別進(jìn)行的設(shè)計(jì)，避免了氣量波動(dòng)對(duì)油水分離效果的影響，同時(shí)保證絕緣電極長周期安全使用；(2)采用下進(jìn)上出的流動(dòng)方式。油水分離時(shí)采用由下而上流動(dòng)，使全部物料經(jīng)過電場脫水，流速緩慢，利于水滴沉降。而在傳統(tǒng)分離器內(nèi)為水平流動(dòng)，流速快，易擾動(dòng)。(3)采用了雙電場結(jié)構(gòu)，布置金屬和絕緣兩種高壓電極，上部布置金屬電極，形成強(qiáng)電場區(qū)；金屬電極下面布置絕緣電極，形成弱電場區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水含量高的井液的多級(jí)脫水。由于絕緣電極處在高含水層，不會(huì)發(fā)生短路而且加速脫水，金屬電極處在低含水區(qū)域，強(qiáng)化脫水，達(dá)到深度脫水的目標(biāo)；(4)采用智能控制與調(diào)節(jié)的供電系統(tǒng)。由于絕緣電極抗沖擊電壓較弱，損壞后不能修復(fù)，因而絕緣電極的施加電壓應(yīng)采取先施加低電壓，再緩慢升高電壓至合適水平。采用PLC(可編程邏輯控制器)微電腦控制技術(shù)開發(fā)了變壓器的智能控制與調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，配合電脫水專用變壓器，保證了絕緣電極平穩(wěn)而長周期的使用。

2 工業(yè)試驗(yàn)

2.1 平臺(tái)及試驗(yàn)裝置概況

試驗(yàn)平臺(tái)有26口油井，總產(chǎn)液量為15 233 m3/d，產(chǎn)油量為1 378 m3/d，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)91%左右。根據(jù)開采時(shí)間的不同，油井水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由98.5% 到48%不等。平臺(tái)采用一臺(tái)分離器和一臺(tái)電脫水器進(jìn)行脫水，分離器脫水后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%左右，電脫水器脫水后質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%。

試驗(yàn)裝置采用撬裝式，由上部氣液分離罐和下部油水分離罐組成。上部氣液分離罐尺寸為φ1 000 mm×1 500 mm(T/T)，下部油水分離罐尺寸為φ2 200 mm×4 500 mm(T/T)。設(shè)計(jì)處理量：最大液體處理量為1 900 m3/d，氣體處理量為240 m3/d。

試驗(yàn)裝置流程見圖1。從油井來的原料油，經(jīng)過減壓閥，壓力下降至300～400 kPa，溫度為80～90 ℃，進(jìn)入上部氣液分離罐中進(jìn)行氣液分離。分離出來的天然氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)去處理，而分離后的液體進(jìn)入下部油水分離罐中，經(jīng)過沉降分離、絕緣電極脫水、金屬電極脫水等過程，凈化的原油從罐體頂部流出，沉降出來的含油污水從罐底部流出。為了減少本次試驗(yàn)對(duì)平臺(tái)現(xiàn)場生產(chǎn)裝置的影響，凈化的原油與含油污水合并成一路由增壓泵增壓后去生產(chǎn)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

圖1 多功能油水分離裝置工藝流程及控制示意

2.2 工藝參數(shù)

溫度：80～90 ℃

壓力：300 kPa (200～650 kPa)

氣液界位：500 mm (350～650 mm)

油水界位：450 mm (250～650 mm)

2.3 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

選取不同水含量的油井進(jìn)行組合，配比成水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～90%井液直接進(jìn)入試驗(yàn)裝置脫水。在設(shè)計(jì)處理量下，經(jīng)過試驗(yàn)裝置脫水后，應(yīng)達(dá)到以下指標(biāo)：

(1)脫后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5 %。

(2)排水中油的質(zhì)量濃度不大于200 mg/L。

3 工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)行過程及結(jié)果分析

3.1 運(yùn)行情況

2014年10月24日開始試驗(yàn)，起初進(jìn)液量較小，進(jìn)液量在560～720 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%左右，處理后原油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%，排水中油的質(zhì)量濃度在100 mg/L以下。12月5日，進(jìn)液量由560 m3/d逐步增加到1 900 m3/d和2 200 m3/d，井液中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由90%改為80%，70%和60%進(jìn)行了試驗(yàn)，處理后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.4%，排水中油的質(zhì)量濃度在200 mg/L以下。電壓運(yùn)行在3 000～5 000 V，電流很小，運(yùn)行非常平穩(wěn)。12月22日停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 多功能油水分離器運(yùn)行效果

從圖2可看出，處理后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.4%，與平臺(tái)分離器處理后原油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%左右相比，說明多功能油水分離器分離效果比傳統(tǒng)分離器脫水效果好很多；處理后原油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.5%，滿足電脫水指標(biāo)，進(jìn)一步說明了多功能油水分離器達(dá)到了傳統(tǒng)分離器與電脫水器二者合一的脫水效果。

多功能油水分離器不施加電壓時(shí)與平臺(tái)分離器采用沉降脫水效果對(duì)比見圖3。

圖3 多功能油水分離器與平臺(tái)分離器運(yùn)行效果對(duì)比

從圖3可以看出：多功能油水分離器在不加電的情況下，其脫水效果優(yōu)于平臺(tái)的油水分離器。這可能與內(nèi)部物料流動(dòng)形式有關(guān)，多功能油水分離器內(nèi)物料流動(dòng)為從下而上流動(dòng)，流速較慢，平臺(tái)分離器內(nèi)物料為水平流動(dòng)，流速較快，為前者的幾倍和十幾倍，影響了水滴的沉降。

3.2 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 不同處理量的脫水效果

為了保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，處理井液從560 m3/d開始，逐步增大，最大處理量達(dá)到2 200 m3/d。井液處理量與脫后原油水含量之間的關(guān)系見圖4。

從圖4可看出，隨著井液處理量的增大，脫后原油水含量呈增加趨勢，井液從560 m3/d增加到2 200 m3/d，脫后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.11%增加到0.36%和0.29%，這與原油乳化液在罐內(nèi)的沉降時(shí)間的減少和上升速度的增加相對(duì)應(yīng)。當(dāng)未加電沉降脫水時(shí)，脫后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.305%～1.1%，比平臺(tái)分離器脫水后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.4%小很多，說明多功能油水分離器比傳統(tǒng)分離器在結(jié)構(gòu)上更加合理；當(dāng)加電脫水時(shí)，脫后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%～0.36%，小于脫后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的電脫水指標(biāo)。

圖4 井液處理量與脫后原油水含量之間關(guān)系

3.2.2 不同水含量的脫水效果

在設(shè)計(jì)處理能力下，多功能油水分離裝置對(duì)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90%，80%，70%和60%的井液進(jìn)行試驗(yàn)。

井液處理量為2 020 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，處理后原油水含量分析結(jié)果見圖5。

圖5 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的井液處理效果

井液處理量為1 660 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，處理后原油水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果見圖6。

圖6 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的井液處理效果

井液處理量為1 260 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，處理后原油水含量分析結(jié)果見圖7。

圖7 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的井液處理效果

井液處理量為840 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，處理后原油水含量分析結(jié)果見圖8。

圖8 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的井液處理效果

從圖5至圖8可看出，多功能油水分離器處理水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90%，80%，70%和60%的井液時(shí)，處理后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.5%，運(yùn)行平穩(wěn)，效果穩(wěn)定。

3.2.3 不同停留時(shí)間的脫水效果

水滴沉降速度與原油中水滴的半徑的平方成正比，與油水密度差成正比，與原油黏度成反比。因而不同性質(zhì)的原油，所需的沉降時(shí)間不同。不同停留時(shí)間運(yùn)行效果見圖9。

圖9 不同停留時(shí)間的井液處理效果

從圖9可看出，隨著停留時(shí)間的增加，多功能油水分離器處理后原油含水呈下降趨勢，當(dāng)停留時(shí)間從13 min增加到55 min，處理后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.29%下降至0.11%。當(dāng)未加電沉降時(shí)，隨著停留時(shí)間的延長，原油含水也隨之降低。

3.2.4 不同電壓的脫水效果

從破乳效果來考慮，微小水滴聚結(jié)效率隨施加電場強(qiáng)度的增加而提高，但高電場強(qiáng)度會(huì)使電耗上升，同時(shí)容易使絕緣電極發(fā)生擊穿。因而提高脫水電壓且保證絕緣電極不擊穿是保證脫水效果的關(guān)鍵因素。針對(duì)原油乳化液，考察絕緣電極的脫水電壓及脫水效果。

條件A：井液處理量為680 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，電壓為4～6 kV時(shí)脫水效果；條件B：處理量為1 300 m3/d，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，電壓為6～8 kV時(shí)的脫水效果，兩種條件下脫水效果見圖10。

圖10 不同電壓的井液處理效果

從圖10可看出，電壓在4～8 kV時(shí)，電壓的變化對(duì)脫水效果影響不大，說明對(duì)于此油田原油乳化液，施加4 kV左右的電壓時(shí)，可以滿足脫水要求。

3.2.5 排水含油

試驗(yàn)期間，對(duì)于不同井液處理量，排水含油情況進(jìn)行了觀察，當(dāng)油水界位控制在450～550 mm時(shí)，排水較清，沒有發(fā)現(xiàn)大量含油的現(xiàn)象。

排水含油的分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 排水含油分析結(jié)果(2014年)

從表1可看出，多功能油水分離器處理不同處理量的油田井液時(shí)，排水含油控制較好，均小于200 mg/L。

4 結(jié)論

綜合分析本次工業(yè)試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

(1)多功能油水分離器處理水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～90%的井液，處理后原油水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.5%，達(dá)到了電脫水指標(biāo)。

(2)多功能油水分離器處理水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的井液，處理量為設(shè)計(jì)負(fù)荷的115%，處理后原油水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%。

(3)多功能油水分離器運(yùn)行環(huán)保，排水含油不大于200 mg/L，達(dá)到技術(shù)要求。

(4)多功能油水分離器結(jié)構(gòu)合理，控制靈活方便，操作彈性大，運(yùn)行平穩(wěn)。

(5)多功能油水分離器可以替代傳統(tǒng)分離器和電脫水單獨(dú)使用，滿足油田脫水的要求。

[1] 陳家慶,常俊英,王曉軒,等.原油脫水用緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)技術(shù)(一)[J].石油機(jī)械,2008,36(12):75-80.

[2] 陳家慶,初慶東,張寶生,等.原油脫水用緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)技術(shù)(二)[J].石油機(jī)械,2009,37(5):77-82.

[3] 陳家慶,朱玲,丁藝,等.原油脫水用緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)技術(shù)(三)[J].石油機(jī)械,2010, 38 (8): 82-86.

(編輯 張向陽)

Application of New Multi-function Oil-water Separation Technology in South China Sea Oil Field

WeiCongda1,CuiXin’an2,WuQilin1,LiuJiaguo2
(1.CNOOCShenzhenCompany,Shenzhen518067,China; 2.SEGLuoyangR&DCenterofTechnology,Luoyang471003，China)

Due to the limitations of spacing, quality and manufacturing cost, the efficiency and size of oil and water separation equipment for offshore oil production platform are much more stricter than those in on-shore oil fields. To meet the requirements of operation of off-shore oil fields, new multi-function oil-water separation technology has been successfully developed and commercially tested in South China Sea oil field. In this technology, the state-of-art electrode technology, electric power technology and new structure of separation equipment have been applied to improve the dehydration efficiency of electro-static dehydration technology for the high-water crude oils. The results of application show that, for the well liquid containing over 60 m%～90 m% water, the water in the dehydrated crude oil is less than 5.0 m% and the oil in the discharged water is lower than 200 mg/L, which meet the required crude oil specifications. The application of this technology has improved the separation efficiency of oil and water, reduced the stages of treatment and minimized the investment of oil field.

electro-static coalescence, multi-function oil and water separation, electro-static dehydration, oil and water separation

2016-07-11；修改稿收到日期：2016-09-27。

魏叢達(dá)，高級(jí)工程師，1991年7月畢業(yè)于中國石油大學(xué), 主要從事海上油氣田生產(chǎn)研究與管理工作。E-mail:weicd@cnooc.com.cn