旋流氣浮裝置試驗對比分析

朱夢影　程濤　孔冰　王越淇　郭奕杉

摘????? 要：某油田為了緊湊高效解決油田污水處理難題，對A廠家CFU和B廠家CFU樣機進行試驗對比分析。A廠家CFU和B廠家 CFU原理類似，均是基于低強度旋流和氣浮，A廠家CFU內部設計相對簡單。油田根據(jù)生產水處理流程特點，選擇水離心機上游和注水增壓泵下游進行試驗。這兩次CFU測試結果表明，該油田生產水質量變化很大，通過離心機、注水增壓泵等設備剪切作用后，會增加水中含油的穩(wěn)定性，增大水中含油處理難度，CFU設置在上游處理效果優(yōu)于下游;該油田生產水處理的主要問題是小顆粒油滴為主的水包油乳化液和含油固體懸浮物較多，全尺寸設計時需要添加反相破乳劑和適當增加停留時間。

關? 鍵? 詞：旋流氣浮;低強度旋流分離;油田污水處理;海上油田

中圖分類號：TE953?????? 文獻標識碼： A?? ???文章編號： 1671-0460（2020）07-1468-04

Test and Comparative Analysis of CFU Devices

ZHU Meng-ying1， CHENG Tao2， KONG Bing1， WANG Yue-qi1， GUO Yi-shan1

（1. Bohai Oilfield Research Institute of CNOOC Tianjin Branch， Tianjin 300459， China;

2. CNOOC Pengbo Operating Company， Tianjin 300459， China）

Abstract： In order to solve the problem of oilfield sewage treatment compactly and efficiently， A CFU and B CFU prototype were tested and compared. The principle of A CFU is similar to that of B CFU. Based on low intensity cyclone and air flotation， the internal design of A CFU is relatively simple. According to the characteristics of production water treatment process， the upstream of water centrifuge and downstream of water injection booster pump are selected for testing. The two CFU tests show that the quality of produced water varies greatly in this oilfield. After shearing by centrifuges and water injection booster pumps， the stability of oil content in water will be increased， and the difficulty of oil treatment in water will be increased. The effect of compact air flotation device installed in the upstream is better than that in the downstream. The main problem of water treatment in this oilfield is oil-in-water emulsion with small oil droplets as the main part. For oil-bearing solid suspension， reverse demulsifier and residence time should be added in full-scale design.

Key words： Swirl air flotation; Low-intensity swirl separation; Oilfield wastewater treatment; Offshore oilfield

油田含油污水具有含油量高、溫度高、含鹽量大等特點，而且開采過程中為增加產量而大量注入的各種藥劑，也會增加污水處理的難度^[1]。對于海上平臺而言，由于空間、承重等原因，陸地油田所采用的成熟的污水處理技術無法直接在海上平臺應用，目前常用的斜板隔油器+氣浮選器+核桃殼過濾器無法應對污水處理量增大的難題^[2]。由于常規(guī)污水處理技術難以有較大突破，研究人員基于低強度旋流和氣浮原理推出了緊湊型氣浮裝置（Compact Flotation Unit，CFU），希望達到緊湊、高效處理油田含油污水的目的^[3]。

國外早在20世紀就開始旋流氣浮裝置（CFU，下同），以A廠家CFU最為成熟、應用最為廣泛，國內研究多始于2007年之后，其中B廠家CFU，北京石油化工學院BIPTCFU曾在渤海地區(qū)進行試驗^[3]。為了解決海上某油田面臨的含油污水處理難題，對A廠家CFU和B廠家CFU試驗機進行試驗對比，研究污水處理難點，尋找合適的處理工藝。

1 ?旋流氣浮裝置介紹

1.1? A廠家 CFU工作原理

A廠家CFU是一款內筒外旋式旋流氣浮裝置，罐內主要裝置有中空整流桶、螺旋導片等。含油污水注入氮氣和化學藥劑之后，經混合器充分混合、入口管道加速后沿切向進入罐內，在螺旋導片作用下形成弱旋流，浮油等輕組分由于旋流和氣浮作用沿整流桶外壁上升，在罐中心聚集后排出，水相經整流桶從罐底排出^[5]。

1.2? B廠家CFU工作原理

B廠家CFU是一款內筒內旋的旋流氣浮裝置，見圖1，主要由圓柱-圓錐罐體、切向水入口、內筒等組成，含油污水從CFU底部的兩個切向入口進入容器，產生旋流和離心力，在氣浮和離心力作用下，密度較小的油聚集在中間，隨著整體向上運動從容器頂部中間撇油短管被排出。當流體流至容器中上部時，水慢慢向外流動流向外環(huán)腔室，細小油滴和氣泡進一步被分離，處理后的水向下排出容器^[4]。

1.3? 兩種CFU比較

對兩種CFU運行參數(shù)等進行比較，如表1所示。

2? CFU現(xiàn)場試驗

某油田進入高含水期，油田產水量逐年增加，含油污水的性質也發(fā)生了變化，固體懸浮物含量增多、乳化程度加重等導致污水處理難度加大，需要對現(xiàn)有的污水處理工藝進行改造和優(yōu)化。該油田FPSO水處理流程如圖2所示，來自各生產分離器和砂處理系統(tǒng)的含油污水進入閃蒸罐，經閃蒸罐脫氣撇油處理之后通過雙螺桿式水泵增壓、濾器過濾掉較大顆粒物質之后進入碟片式水離心機進行處理，在離心機中除去油和懸浮物之后進入緩沖罐，經離心式注水泵增壓后與海水混合進入下游平臺。

不同廠家的CFU裝置分別在FPSO上試驗，試驗點選擇如圖2所示，分別為生產水濾器下游（0.35 MPa，87 ℃）和注水增壓泵下游（0.12 MPa，85 ℃），每4 h對入口和出口取樣做水中含油化驗，使用Turner Designs（特納）500D便攜式紫外熒光水中油測定儀，利用異己烷作為萃取物。

3? 試驗結果

3.1? A廠家CFU測試結果

A廠家CFU在第一個接入點試驗結果如圖3所示，可以看出CUF入口污水含油較多，而且變化較大，測試期間最大含油率3 900 μg·g^-1，最小含油率410 μg·g^-1。A廠家CFU一級處理之后含油率降至300 μg·g^-1左右，經過第二級處理，出口含油率能穩(wěn)定在25 μg·g^-1左右。A廠家CFU除油率經過前期調整，能穩(wěn)定在98%左右。測試期間由于分離器沖砂，污水含油率增至3 900 μg·g^-1，該CFU仍保持良好的處理效果，出口水中含油率穩(wěn)定在25 μg·g^-1左右。

A廠家CFU在第二個接入點試驗結果如圖4所示，經過水離心機處理，水中含油相對穩(wěn)定，最大質量分數(shù)460 μg·g^-1，最小質量分數(shù)380 μg·g^-1，平均含油質量分數(shù)427 μg·g^-1;經過兩級CFU處理，優(yōu)化化學藥劑注入量后水中含油質量分數(shù)最低可以處理到90 μg·g^-1，最大除油率80%，平均除油率67.2%，表現(xiàn)出較好的除油效果。

3.2? B廠家CFU測試結果

該油田在A廠家CFU測試之后對閃蒸罐進行了改造，增強了其撇油功能，污水中無明顯浮油，改造之后對B廠家CFU性能進行測試，其注入氮氣但上游不注入化學藥劑，測試結果如圖5所示。入口含油率由于上游流程進行了改造，含油質量分數(shù)比較穩(wěn)定，最大317 μg·g^-1，最小157 μg·g^-1，平均含油質量分數(shù)197 μg·g^-1，經過B廠家CFU一級處理，流程穩(wěn)定之后含油質量分數(shù)能穩(wěn)定在60 μg·g^-1左右，除油率也能穩(wěn)定在60%左右。

由于上游流程改造優(yōu)化，第二個接入口水中含油質量分數(shù)也顯著降低，最高112 ?μg·g^-1，最低34 μg·g^-1，平均含油質量分數(shù)60 μg·g^-1。與A廠家CFU表現(xiàn)類似，B廠家CFU在改點表現(xiàn)不如第一個接入點，最低除油率6%，最高除油率43%，平均除油率21%，見圖6。

4? 結果分析

4.1? 水包油乳化液

通過兩組試驗可知，油田采出水中沒有嚴重的水包油乳化液問題，B廠家CFU在不添加化學藥劑的基礎上，在第一個接入點通過一級處理水中含油率能穩(wěn)定在60 μg·g^-1左右，A廠家CFU通過添加化學藥劑，一級處理之后含油率降至300 μg·g^-1左右，經過第二級處理，出口含油率能穩(wěn)定在25 μg·g^-1左右。

生產水閃蒸罐改造之后，CFU入口水質取樣可以看出，水中的油懸浮物由非常細小的液滴組成，這些油滴無法自主漂浮液面從而被撇除。無色CFU出口樣品表明，該懸浮液中的游離油滴大多數(shù)被CFU去除了，兩種CFU出口排放管線取樣表明，排管管線內含油量較大，油在排放口管線高度濃縮。

4.2? 反向破乳劑注入

通過試驗也證明，注入反乳化劑可以明顯去除水中的乳化油。反向破乳劑是帶有小電荷的極性化合物，其目的是中和油滴的電荷并促進聚結^[6]。生產過程中由于各種藥劑和閥門節(jié)流等共同作用形成穩(wěn)定的小液滴乳化液，小液滴比大液滴更具極性，因此增加了水處理難度，由于小液滴存在，通過CFU或者離心機處理，殘余油濃度保持在一定的位置。

如果已知乳狀液只能通過剪切形成非聚結和高能液滴而產生細液滴從而保持物理穩(wěn)定，那么反向破乳劑化學物質可能能夠破壞界面并促使液滴聚結。

4.3? 含油固體

細顆粒作用于油/水界面，阻礙油滴的沉降，由于砂粒、粉砂、黏土以及水垢等細小固體的存在，油性物質覆蓋在固體顆粒表面，從而使乳化油更加穩(wěn)定，更加難以處理^[7]。通常，如果油覆蓋在懸浮固體表面，表面油具有高密度、大分子或者高黏度，聚結這些油性固體可導致油和固體混合物形成大團塊，從而堵塞工藝設備，而這種固體懸浮物在油田的采出水中很明顯。

在第一個接入點，CFU主要問題是含油固體的存在，A廠家CFU第20個測試點時，由于分離器沖砂，進口污水中含油固體增多，導致一級出口含油率明顯增多，通過二級處理之后含油率基本符合要求。B廠家CFU測試期間也遇到類似問題，該CFU第5個測試點入口含油固體增多，導致分離器除油率只有8%。這表明盡管CFU技術能除去大部分細小的游離油，但高密度的固體不能被去除，其中很大一部分在水相中離開了容器。

在樣品中觀察到的大部分固體呈不規(guī)則形狀，這表明它們可能不僅僅包含沙子，一些可能是重烴相某些組分的結垢或沉淀的結果。在油水分析過程中，溶劑萃取之后，溶劑相包含大量可能沉淀的重烴化合物。

降低通過容器的流速可使含油固體有足夠的停留時間被去除。出口樣品的外觀與較高流速下的樣品相比差異很大。大部分懸浮的含油固體已被移入油相，并通過排出口從容器中排出?？傊?，盡可能為含油固體的漂浮提供足夠的停留時間，并使其遠離容器出口，然而這需要一個更大的容器來獲得額外的時間。

5? 結 論

1）通過觀察這兩次CFU測試可以看出，該油田生產水質量變化很大。CFU在生產水濾器下游的表現(xiàn)優(yōu)于其在生產水注水增壓泵下游的表現(xiàn)。兩個測試點試驗表明：通過離心機、注水增壓泵的混合作用，生產水中的乳化液在第二個測試點變成穩(wěn)定的乳化液，只是通過調節(jié)化學藥劑和氮氣的注入量，CFU很難將其分離出來。所以全尺寸的CFU最好安裝在生產水濾器下游，這樣不僅有更好的CFU除油率，而且為水離心機提供更好的水質保障。

2）通過比較這些CFU的測試結果，A廠家表現(xiàn)出最好的除油率和穩(wěn)定性。沖砂作業(yè)是蓬勃的一項日常工作，沖砂期間，生產水中含油砂量快速增長，使水中含油率增長至3 000 μg·g^-1，比平時條件高得多。

3）通過比較這些CFU技術，兩個廠家的原理是類似的，基于氣液比重不同的機械分離、結合氣浮和誘發(fā)性離心力這些原理作用在流體上，停留時間大概為30 s。A廠家的CFU內部設計最簡單，B廠家的CUF有油水分離復雜的環(huán)空。A廠家CFU有兩個相同的一級容器，一個序列有兩級，內部空間包括一個葉輪來引導水在一個可控的油氣界面，氣液界面通過排放管線保持穩(wěn)定。

4）通過試驗表明，該油田生產水處理的主要問題是小顆粒油滴為主的水包油乳化液和含油固體懸浮物，全尺寸設計時需要添加反向破乳劑和增加停留時間。

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基金項目：國家科技重大專項，渤海油田高效開發(fā)示范工程（項目編號：2016ZX05058004-003）。

收稿日期：2020-03-16

作者簡介：朱夢影（1990-），女，天津市人，工程師，碩士學位，2015年畢業(yè)于中國石油大學（北京）石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：海上平臺工藝及海管設計。E-mail：zhumy6@cnooc.com.cn。