小型化水質(zhì)改善技術(shù)在海上油田的應(yīng)用

楊樹坤 郭宏峰 段凱濱 張博 劉文輝 石先亞

中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部

海上油田某平臺(tái)生產(chǎn)處理系統(tǒng)分為合營(yíng)生產(chǎn)處理系統(tǒng)及自營(yíng)生產(chǎn)處理系統(tǒng)，分別處理來(lái)自不同油田的產(chǎn)出液，其中自營(yíng)生產(chǎn)水處理系統(tǒng)采用水力旋流器+精細(xì)過(guò)濾器(纖維球)的處理工藝，處理量為6500 m3/d，但由于:①平臺(tái)空間有限，處理流程短，無(wú)法保證生產(chǎn)水有效停留時(shí)間;②生產(chǎn)井措施液及鉆井液成分復(fù)雜，水質(zhì)差，波動(dòng)大，對(duì)處理流程沖擊大;③生產(chǎn)水中ρ(H2S)高(50～100 mg/L)，水質(zhì)發(fā)黑等，現(xiàn)有水處理工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足A2級(jí)(ρ(油)＜6 mg/L、ρ(懸浮物)＜2 mg/L、懸浮物粒徑中值＜1.5μm)回注水要求。為此，在生產(chǎn)水水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合海上處理平臺(tái)的實(shí)際情況，進(jìn)行了小型化水處理工藝研究，制定了緊湊型旋流溶氣氣浮(CDFU)+兩級(jí)精細(xì)過(guò)濾器，輔以水處理藥劑的水處理工藝，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 水質(zhì)分析

1.1 水質(zhì)波動(dòng)大

平臺(tái)水力旋流器出口取水樣，連續(xù)4天檢測(cè)懸浮物(比色法)、油含量、粒徑中值，結(jié)果如表1所列。由表1可以看出，生產(chǎn)水水質(zhì)極不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍大。其中，ρ(懸浮物)為54.5～208.2 mg/L，ρ(油)為15～35 mg/L。

表1 現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)檢測(cè)參數(shù)Table 1 Water quality parameters of the field water

1.2 水質(zhì)發(fā)黑

平臺(tái)水力旋流器出口取水樣，敞口觀察水樣變化，如圖1所示。新取水樣相對(duì)清澈透明(表面存在少許浮油)，但很快水樣開始變黑，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜置后水樣黑色消失，底部伴隨有大量黃白色沉淀生成。將水樣過(guò)濾烘干后，化驗(yàn)分析黃色殘留物為單質(zhì)S(見圖2)。

分析原因認(rèn)為:生產(chǎn)水中H2S含量較高，H2S氣體溶于水后形成極其活潑的氫硫酸，其電離生成的S2-對(duì)鐵具有很強(qiáng)的腐蝕性[1-5]，腐蝕產(chǎn)物為FeS黑色膠狀懸浮物，導(dǎo)致水質(zhì)顏色發(fā)黑;隨著接觸空氣時(shí)間增長(zhǎng)，F(xiàn)eS逐漸被空氣氧化，水樣黑色消失，并伴隨有黃色S單質(zhì)沉淀形成。

2 水處理工藝

考慮海上平臺(tái)空間限制，結(jié)合水質(zhì)分析與認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)采用CDFU+兩級(jí)過(guò)濾器，并輔以水處理藥劑的小型化生產(chǎn)水處理工藝，工藝流程如圖3所示。

2.1 CDFU處理

CDFU可高效去除水中的油及懸浮物，保證兩級(jí)過(guò)濾器的進(jìn)水水質(zhì)，避免水質(zhì)波動(dòng)對(duì)兩級(jí)過(guò)濾器的沖擊，延長(zhǎng)過(guò)濾器反洗時(shí)間，增加過(guò)濾器使用壽命;并且該裝置體積小，擺放靈活，滿足平臺(tái)空間限制要求，對(duì)海上油田有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.1.1 作用原理

CDFU是將旋流離心分離技術(shù)、高效溶氣技術(shù)、氣浮分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合于一體，對(duì)含油、含懸浮物污水進(jìn)行高效分離的一種混合型裝置[6-13]，如圖4所示。通過(guò)旋流和大量超微氣泡的綜合作用，極大地提高氣泡浮選的效果，縮短氣浮停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效、快速除油。

考慮到海上平臺(tái)空間限制，CDFU在常規(guī)旋流溶氣氣浮基礎(chǔ)上作了多方面的技術(shù)改進(jìn)，減小設(shè)備占地面積，并進(jìn)一步提升了處理性能，相關(guān)創(chuàng)新如下。

2.1.1.1 雙切向入口旋流技術(shù)設(shè)計(jì)

(1)通過(guò)合理雙切向入口和適當(dāng)旋流速度設(shè)計(jì)，產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)速度，離心加速度更大，旋流更為穩(wěn)定，有利于氣泡和油滴相互作用，加速氣泡和油滴向旋流中間區(qū)域聚結(jié)，提高氣浮效果，縮短停留時(shí)間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊。

(2)CFD仿真工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋流全流場(chǎng)精準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)具體需求，優(yōu)化出最佳入口旋流位置、切向速度、旋流強(qiáng)度，抗來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)性更強(qiáng)，可以適應(yīng)水質(zhì)50%的變化。

2.1.1.2 雙氣浮區(qū)域設(shè)計(jì)，浮選空間有效利用

在氣浮罐中心位置設(shè)計(jì)中心筒，將氣浮隔分成中心筒內(nèi)浮選區(qū)和筒外浮選區(qū)。

(1)入口從內(nèi)筒切向進(jìn)入，能夠產(chǎn)生更大的離心力，離心加速度更大，更有利于氣泡和油滴向中間集聚，氣浮效果更好。

(2)內(nèi)外筒設(shè)計(jì)細(xì)化了污水在氣浮罐體內(nèi)的流動(dòng)，形成不同的氣浮區(qū)域，避免出水夾帶油滴，降低氣浮效果，同時(shí)空間利用率更高，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

2.1.1.3 旋流除沙設(shè)計(jì)

中心筒底部錐形設(shè)計(jì)，能夠起到一定的除沙效果。

(1)較大和較重的顆粒在離心力的作用下，逐步被甩到內(nèi)筒壁，并沿著內(nèi)筒壁向下流入錐形區(qū)域，始終保持旋流狀態(tài)，沙粒不易堆積，更容易去除。

(2)定期流態(tài)化排沙，不易堵塞。

2.1.1.4 預(yù)浮選混合設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高效混合裝置，實(shí)現(xiàn)溶氣水在進(jìn)入氣浮之前和污水充分混合，均勻分布。

2.1.1.5 微氣泡生成技術(shù)

采用進(jìn)口多相流泵和專有微氣泡釋放技術(shù)為核心的微氣泡生成系統(tǒng)。微氣泡采用大尺寸管道釋放，可調(diào)節(jié)，不易結(jié)垢和堵塞;注氣量小，僅為處理水量的2%～3%(體積比，標(biāo)態(tài)氣體)，不需要配套龐大的輔助制氮系統(tǒng);微氣泡粒徑小(5～30μm)，均勻性好，可實(shí)現(xiàn)微氣泡純物理破乳，無(wú)需化學(xué)藥劑，不產(chǎn)生含油污泥。

2.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

CDFU相對(duì)于傳統(tǒng)溶氣氣浮，在設(shè)備體積、停留時(shí)間、處理效果等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表2。

由表2技術(shù)指標(biāo)對(duì)比可以看出，CDFU具有以下特點(diǎn):①少運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝快捷，操作、運(yùn)用和維護(hù)費(fèi)用低;②除油效率高(單級(jí)＞90%)，去除粒徑小(最小去除粒徑3μm)，停留時(shí)間短(僅1～5 min);③占地面積少，體積小，僅為傳統(tǒng)溶氣氣浮的1/3，質(zhì)量輕;④穩(wěn)定性強(qiáng)，無(wú)濾網(wǎng)、聚結(jié)板或者少運(yùn)動(dòng)部件，不存在對(duì)結(jié)構(gòu)的依賴，不容易堵塞等，能夠保證處理效果的穩(wěn)定;⑤無(wú)需加入化學(xué)藥劑，有效去除乳化油，能夠去除2～3μm的乳化油和懸浮顆粒。

2.2 緩沖罐

緩沖罐可保證兩級(jí)過(guò)濾器進(jìn)水量穩(wěn)定，同時(shí)增加來(lái)水滯留時(shí)間，更好地發(fā)揮水處理藥劑效果，提高出水水質(zhì)。同時(shí)，為保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，避免H2S泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，緩沖罐頂部設(shè)有排氣口，并連接排氣管線，將水中揮發(fā)出的H2S排至海面。

2.3 兩級(jí)過(guò)濾器

采用兩級(jí)精細(xì)過(guò)濾裝置[14-15]，進(jìn)水指標(biāo)要求ρ(油)≤30 mg/L、ρ(懸浮物)≤30 mg/L;出水指標(biāo)可達(dá)到ρ(油)≤5 mg/L、ρ(懸浮物)≤2 mg/L、粒徑中值≤1.5μm，確保出水指標(biāo)達(dá)到A2標(biāo)準(zhǔn)。

表2 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比(同傳統(tǒng)旋流氣浮、溶氣氣浮)Table 2 Technical comparison of the traditional dissolved air flotation and the compact cyclone dissolved air flotation(CDFU)

2.4 水處理劑

前面的水質(zhì)分析得出，水質(zhì)發(fā)黑主要是由過(guò)量的H2S造成的，要想保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需要將水中過(guò)量硫化物除去。目前，常用的除硫技術(shù)有物理法、化學(xué)法、生化法[16-22]，綜合考慮成本及現(xiàn)場(chǎng)條件，本研究采用化學(xué)法除硫技術(shù)。

2.4.1 水處理劑優(yōu)選

氧化法除硫主要是利用氧化劑的氧化能力差異將水中還原性的硫化物氧化成單質(zhì)硫沉淀和可溶性的硫代硫酸鹽、硫酸鹽等，單質(zhì)硫可通過(guò)精細(xì)過(guò)濾裝置去除。油田常用的氧化劑有 O2、H2O2、KMn O4、Cl2、ClO2、NaClO、Ca(ClO)2等，本 研 究 選 取 H2O2、NaCl O和Cl O23種氧化劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)篩選適合該水質(zhì)的除硫劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，3種氧化劑都具有良好的除硫效果，隨著氧化劑濃度的增加，除硫率明顯增大，當(dāng)氧化劑濃度達(dá)到一定程度后除硫率不再變化，說(shuō)明氧化劑氧化效果基本飽和。3種氧化劑的氧化效果為:Cl O2＞NaClO＞H2O2。因此，優(yōu)選ClO2作為水處理工藝的添加劑，使用質(zhì)量濃度為50 mg/L，在此質(zhì)量濃度下除硫率可達(dá)到95%。

Cl O2是一種強(qiáng)氧化劑，常用作油田高效殺菌劑，同時(shí)具有去除污水中硫化物的作用，主要的除硫機(jī)理是利用其強(qiáng)氧化特性將污水中的H2S、FeS等還原性硫化物氧化為可溶于水的硫酸鹽，從而解決污水中高含量H2S帶來(lái)的管線腐蝕及黑色膠體沉淀問(wèn)題。同時(shí)，ClO2相較于其他氧化除硫劑，具有很強(qiáng)的p H環(huán)境適應(yīng)性，在p H值為5～9范圍內(nèi)均可高效發(fā)揮除硫作用。

除硫化學(xué)反應(yīng)如下:

2.4.2 加藥點(diǎn)選擇

加藥點(diǎn)設(shè)計(jì)在CDFU設(shè)備出口端。CDFU設(shè)備脫氣效率較高，生產(chǎn)水經(jīng)CDFU處理后，可在一定程度上降低水中H2S含量。因此，加藥點(diǎn)設(shè)計(jì)在CDFU后端，可減少藥劑使用量，保證除硫效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程如圖6所示，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理量為100 m3/d，水處理設(shè)備保持24 h穩(wěn)定運(yùn)行，累計(jì)試驗(yàn)20天。試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)出水水質(zhì)情況，每隔8～10 h對(duì)兩級(jí)過(guò)濾器反洗一次。按照回注水指標(biāo)要求，主要對(duì)處理流程進(jìn)、出水油含量、懸浮物含量、粒徑中值3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)參照SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)》。

3.1 水處理效果分析

處理流程穩(wěn)定運(yùn)行后，每日定期對(duì)設(shè)備進(jìn)、出水油含量、懸浮物含量、粒徑中值進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，進(jìn)水油含量、懸浮物含量、粒徑中值波動(dòng)很大，其中ρ(油)為15.0～61.0 mg/L，ρ(懸浮物)為3.5～46.5 mg/L，粒徑中值為2.60～5.19 μm。經(jīng)小型化水處理工藝處理后，出水ρ(油)全部低于6 mg/L，平均ρ(油)為4.25 mg/L;出水ρ(懸浮物)基本控制在2.0 mg/L以內(nèi)(個(gè)別樣品因試驗(yàn)誤差導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果超標(biāo))，平均ρ(懸浮物)只有0.45 mg/L;出水懸浮物粒徑中值基本控制在1.5μm以內(nèi)(個(gè)別樣品因試驗(yàn)誤差導(dǎo)致稍微超標(biāo))，平均值為1.35μm。出水水質(zhì)滿足A2級(jí)回注水指標(biāo)要求。

3.2 CDFU效果分析

取CDFU進(jìn)、出口水樣，通過(guò)檢測(cè)油含量、懸浮物含量的變化，評(píng)價(jià)CDFU處理效果。

3.2.1 除油效果

試驗(yàn)期間，CDFU進(jìn)出水含油情況如圖8所示。由圖8可以看出:①CDFU具有較好的除油效果，最高除油率可達(dá)74%;②CDFU體現(xiàn)了抗沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)大(ρ(油)為15～61 mg/L)的情況下，有效保證了出水ρ(油)＜30 mg/L，滿足后面兩級(jí)精細(xì)過(guò)濾器對(duì)進(jìn)水含油的要求，有效避免進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)對(duì)過(guò)濾器的沖擊;③CDFU除油效果與來(lái)水中油含量有很大關(guān)系，來(lái)水油含量越高，除油率越高;④氣源改為天然氣后，CDFU除油效果變好，這主要是因?yàn)樘烊粴庀噍^于N2在水中溶解度更大，可增加水中溶氣量，更有利于將油帶出。

3.2.2 除懸浮物效果

試驗(yàn)期間，CDFU進(jìn)出水懸浮物含量情況如圖9所示。

由圖9可以看出，CDFU起到了一定除懸浮物的作用，但去除效果一般，最高去除率只有55%。分析原因認(rèn)為，CDFU主要用于高油含量生產(chǎn)水的處理，且只對(duì)粒徑＞3μm的懸浮物具有一定的去除效果，對(duì)于油含量較低、懸浮物粒徑較小的生產(chǎn)水處理效果一般。

3.3 水處理藥劑效果分析

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中水處理藥劑的質(zhì)量濃度為50 mg/L，加藥點(diǎn)位于CDFU出口端。取加藥前后出水水樣，分別在室溫及80℃加熱3 h后觀察水質(zhì)情況，如圖10所示。

由圖10可以看出:水處理藥劑未加入前流程出水水樣發(fā)黑，加熱3 h后出現(xiàn)黃色沉淀;加入水處理藥劑后流程出水水樣清澈、透明，加熱3 h后未出現(xiàn)黃色沉淀，說(shuō)明水處理藥劑有效去除了水中硫化物。

4 結(jié)論

(1)CDFU+兩級(jí)過(guò)濾器，并輔以少量水處理藥劑的小型化水處理工藝能夠有效解決該油田水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中出水平均ρ(油)為4.25 mg/L，平均ρ(懸浮物)為0.45 mg/L，平均粒徑中值為1.35 μm，滿足A2回注水指標(biāo)要求，工藝可行性得到驗(yàn)證。

(2)CDFU在應(yīng)用過(guò)程中體現(xiàn)了很好的抗沖擊能力，在試驗(yàn)來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)較大(ρ(油)為15.0～61.0 mg/L，ρ(懸浮物)為20.3～46.5 mg/L)的情況下，出水水質(zhì)滿足兩級(jí)精細(xì)過(guò)濾器進(jìn)水要求(ρ(油)≤30 mg/L，ρ(懸浮物)≤30 mg/L)，有效保證了過(guò)濾器使用壽命及處理效果。

(3)CDFU占地面積小，放置靈活，運(yùn)行穩(wěn)定，氣源既可以選擇N2又可以利用平臺(tái)天然氣，對(duì)海上平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)。

(4)水處理藥劑Cl O2有效解決了過(guò)量硫化物造成的水質(zhì)發(fā)黑問(wèn)題，保證了工藝流程處理效果。