高效自適應(yīng)微氣浮除油技術(shù)在海上重質(zhì)油田生產(chǎn)水處理中的應(yīng)用

王亞儒，盧大雁，張金鵬，代品一，劉懿謙，楊 強(qiáng)*

1中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津

2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津

3華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海

1. 背景

渤海油田1985 年投入開(kāi)發(fā)，是目前中國(guó)海上最大的油田，也是全國(guó)第二大原油生產(chǎn)基地[1]。迄今為止，渤海油田已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)億噸級(jí)大油田，形成四大生產(chǎn)油區(qū)和八個(gè)生產(chǎn)作業(yè)單元，在生產(chǎn)油田超過(guò)50 個(gè)，擁有各類(lèi)采油平臺(tái)100 余座。經(jīng)過(guò)三十五年的開(kāi)發(fā)，渤海油田已經(jīng)進(jìn)人高含水期，部分油田采出液中含水量超過(guò)90% [2] [3]，多數(shù)平臺(tái)擬對(duì)生產(chǎn)水系統(tǒng)擴(kuò)能進(jìn)而提升原油產(chǎn)量。

由于我國(guó)渤海油田大多為稠油油田，因此現(xiàn)有的生產(chǎn)水中含有以石油類(lèi)為主的種類(lèi)復(fù)雜的有機(jī)物，以及膠質(zhì)懸浮物、大顆粒物[4]等，處理較為困難。目前處理流程大致分為四段：預(yù)處理、達(dá)標(biāo)除油處理、深度凈化處理和回注，對(duì)應(yīng)技術(shù)設(shè)備分別為三相分離器、斜板除油器、氣浮除油器以及核桃殼過(guò)濾器[5]。

近年來(lái)隨著研究人員對(duì)旋流場(chǎng)的理解逐漸深入，發(fā)現(xiàn)旋流場(chǎng)可以應(yīng)用于分散相的分選及排序，并進(jìn)一步協(xié)助提高分離性能[6]。將旋流離心場(chǎng)與不同形式的電場(chǎng)相結(jié)合，使得旋流器對(duì)油水混合物的分離進(jìn)一步強(qiáng)化，廣泛應(yīng)用于油水兩相分離[7] [8] [9]；通過(guò)引入弱旋流場(chǎng)和氣浮技術(shù)融合在一臺(tái)設(shè)備中，形成了氣浮旋流一體化設(shè)備(CFU)新型氣浮工藝[10]。CFU 實(shí)現(xiàn)了氣浮和旋流分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步降低油滴直徑去除下限，提高油水分離效率，已經(jīng)在海上平臺(tái)獲得廣泛的工業(yè)化應(yīng)用，并取得了良好的效果[11]。由于生產(chǎn)水中油滴密度大、粘度大，為了滿足進(jìn)氣浮處理的要求，保證油含量和懸浮物濃度，一般選用斜板除油器作為氣浮除油器的預(yù)處理設(shè)施。但斜板除油器存在體積大、除油效率低的問(wèn)題，限制了舊平臺(tái)水系統(tǒng)的擴(kuò)能提產(chǎn)，而對(duì)于新平臺(tái)來(lái)說(shuō)存在綜合造價(jià)高的問(wèn)題。

本工作介紹了一種新式高效自適應(yīng)微氣浮除油技術(shù)(Adaptive Mini-swirl Flotation Deoil，簡(jiǎn)稱(chēng)AMFD)在渤海某重質(zhì)油田平臺(tái)生產(chǎn)水?dāng)U能改造中的應(yīng)用。研究了進(jìn)口流量、壓力、含油量，以及清水劑的使用量對(duì)該技術(shù)處理效果的影響，并討論了海上平臺(tái)核心指標(biāo)處理量及占地空間的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)FA、FV [12]與傳統(tǒng)斜板除油技術(shù)的比較。

2. AMFD 技術(shù)簡(jiǎn)介

在海上重質(zhì)油田，由于生產(chǎn)水中油滴密度大、粘度大以及生產(chǎn)水來(lái)液波動(dòng)，旋流分離器不適用，因此一般選用斜板除油器作為緊湊氣浮除油器(CFU)的預(yù)處理技術(shù)，其除油原理源于Boycott 效應(yīng)[13]，即在傾斜通道中，可以增大顆粒的沉降面積，減少沉降距離，明顯地促進(jìn)礦粒在懸浮液中的沉降，從而增大處理量。設(shè)計(jì)方法多采用多組斜板平行放置的TPI 形式[14] [15]，設(shè)計(jì)指標(biāo)一般要求從進(jìn)口2000 mg/L降低到300 mg/L 以內(nèi)，靜止分離時(shí)間一般為10～15 分鐘，占地面積大。華東理工大學(xué)楊強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)利用生產(chǎn)水中存在的溶解氣降壓時(shí)可產(chǎn)生微米級(jí)氣泡，將旋流、氣浮有機(jī)結(jié)合在一起，研發(fā)了AMFD 技術(shù)，原理如圖1(a)所示。

AMFD 基于粒徑分級(jí)分離，分為主分離腔及副分離腔兩部分。油水氣從主分離腔的底部進(jìn)入分離器內(nèi)部，在旋轉(zhuǎn)葉片作用下，形成旋轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)，大粒徑氣泡、油滴在旋流作用下被快速分離，從主分離腔的上部排出；而未分離的小粒徑油滴及氣泡進(jìn)入旋轉(zhuǎn)半徑較小的副分離腔，在較大離心力作用下實(shí)現(xiàn)快速分離。當(dāng)所處流場(chǎng)較低時(shí)，主分離腔旋轉(zhuǎn)流速較小，只起到分配作用，副分離腔起到主要分離作用，因此可適應(yīng)較大的流量波動(dòng)范圍，從而保證了AMFD 分離器對(duì)大粒徑和小粒徑的氣泡、油滴均具有較高的分離效率以及對(duì)入口工況變化的適應(yīng)性。AMFD 與水力旋流器類(lèi)似，通過(guò)多芯管并聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)較大的處理量，如圖1(b)，具有在入口流量波動(dòng)大、油含量范圍寬的條件下保持高效的除油性能的優(yōu)勢(shì)。

Figure 1. AMFD. (a) Structural schematic diagram; (b) Multi-tube integrated device diagram 圖1. AMFD。(a) 結(jié)構(gòu)原理圖；(b) 多管集成設(shè)備圖

3. AMFD 應(yīng)用效果

渤海某油田平臺(tái)為中心處理平臺(tái)，新舊共兩套水處理系統(tǒng)，可處理生產(chǎn)水總量為54,000 m3/d。采出液原油密度0.92～0.96 g/cm3，含烴、苯、醚、酮、醛等百余種有機(jī)物，大量的顆粒懸浮物以及氣泡。其中，舊系統(tǒng)應(yīng)用斜板除油器技術(shù)，生產(chǎn)水處理量36,000 m3/d；新系統(tǒng)采用了AMFD 技術(shù)，生產(chǎn)水處理量18,000 m3/d，處理流程如圖2 所示。含油污水從AMFD 分離器進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)AMFD 內(nèi)件分離后，油相從頂部油包排出；水相從底部排出進(jìn)入下一級(jí)分離。

Figure 2. AMFD water treatment process 圖2. AMFD 水處理流程

3.1. 進(jìn)口流量對(duì)處理效果的影響

AMFD 分離器設(shè)計(jì)處理流量為250 m3/h，為驗(yàn)證設(shè)備的操作彈性，研究了在相同壓力下，不同流量對(duì)分離效率的影響。流量與分離效率關(guān)系曲線如圖3 所示。

由圖可以看出，當(dāng)流量在80～280 m3/h 波動(dòng)范圍內(nèi)，設(shè)備平均分離效率為90.2%，且分離效率穩(wěn)定在87.0%以上。當(dāng)處理流量發(fā)生變化時(shí)，不僅停留時(shí)間改變，設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)以及流體流態(tài)也在變化。其中，當(dāng)流量為200～260 m3/h 時(shí)，設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)以及流體流態(tài)達(dá)到實(shí)驗(yàn)壓力下的較佳狀態(tài)，此時(shí)，設(shè)備分離效率最高可達(dá)到96.1%。因此，AMFD 分離器在設(shè)計(jì)處理范圍內(nèi)，該技術(shù)能有效對(duì)平臺(tái)含油生產(chǎn)水進(jìn)行處理。

Figure 3. Area chart: AMFD separation efficiency at different flow rates 圖3. 不同流量下AMFD 分離效率面積圖

3.2. 進(jìn)口油含量對(duì)處理效果的影響

在進(jìn)口流量為250 m3/h 條件下，研究了進(jìn)口油含量對(duì)處理效果的影響，如圖4 所示。

Figure 4. Effect of inlet oil content on separation efficiency 圖4. 進(jìn)口油含量對(duì)分離效率的影響

進(jìn)口生產(chǎn)水油含量從800 mg/L 逐漸提升至2700 mg/L，出口油含量隨之由70 mg/L 逐漸緩慢增長(zhǎng)至160 mg/L，平均進(jìn)口油含量1565.6 mg/L，平均出口油含量106.1 mg/L。測(cè)試中，出口最低油含量28 mg/L，出口最高油含量224 mg/L，平均分離效率93.0%。

AMFD 技術(shù)主要針對(duì)懸浮態(tài)、分散態(tài)和粒徑在3 μm 以上的乳化態(tài)油滴的去除，在分離精度上無(wú)法對(duì)粒徑小于3 μm 的油滴進(jìn)行高效分離。隨著油含量的升高，更多的油是以前者存在，因此，出口油含量雖然隨著進(jìn)口油含量增加而有所增加，但分離效率卻在穩(wěn)步增長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)口油含量增長(zhǎng)到2000 mg/L 以上，分離效率能夠穩(wěn)定在95%以上。

3.3. 進(jìn)口壓力對(duì)處理效果的影響

AMFD 分離器設(shè)備進(jìn)口壓力決定了生產(chǎn)分離器與AMFD 設(shè)備之間的差壓，進(jìn)而影響了生產(chǎn)水進(jìn)入AMFD 設(shè)備的氣體的體積流量及氣泡尺寸，因此AMFD 分離器設(shè)備進(jìn)口壓力波動(dòng)對(duì)分離性能影響較大。生產(chǎn)分離器與AMFD 分離器不同差壓下的分離效率曲線參見(jiàn)圖5。

Figure 5. Curve: separation efficiency under different pressure difference 圖5. 不同壓差下分離效率曲線圖

依圖可知，生產(chǎn)水分離器與AMFD 分離器實(shí)驗(yàn)壓力差在450 kPa～765 kPa 分布。隨著AMFD 分離器進(jìn)口壓力的降低，壓差逐漸升高，分離效率先增加后降低。當(dāng)壓力差較低時(shí)，進(jìn)入AMFD 分離器氣體量較少，且未分離的氣體以微小氣泡形式存在流體中，黏附并夾帶大量油滴從水相出口外排，導(dǎo)致分離效率降低。當(dāng)壓力差較大時(shí)，進(jìn)入AMFD 分離器氣體量增加，大量氣體無(wú)法及時(shí)外排，導(dǎo)致分離效率下降。當(dāng)壓力差超過(guò)760 kPa 時(shí)，進(jìn)入AMFD 分離器氣體量過(guò)大超過(guò)設(shè)計(jì)排放流量。當(dāng)壓力差為705 kPa 時(shí)，進(jìn)入AMFD 分離器氣體量剛好全部被排出，因此設(shè)備分離效率最高，為94.9%。表明此狀態(tài)下AMFD 分離器對(duì)生產(chǎn)水處理效果最佳。由此得出，與上游壓差產(chǎn)生的閃蒸氣量是影響AMFD 分離器的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)備與上游生產(chǎn)分離器最佳差壓為705 kPa。

3.4. 進(jìn)口增加清水劑對(duì)處理效果的影響

藥劑在海上平臺(tái)生產(chǎn)水處理中起到重要的作用，清水劑尤為關(guān)鍵[16]。清水劑分散在水中，中和微小的原油粒子和固體懸浮物的表面電荷，使其利用粒子和粒子之間的范德華吸引力而凝結(jié)，小油滴凝結(jié)成大油滴，并在重力的作用下上浮，以達(dá)到除油的效果。為探究清水劑對(duì)AMFD 技術(shù)處理效果的影響，在設(shè)備進(jìn)料管線增設(shè)清水劑加藥點(diǎn)，保證設(shè)備加藥前后進(jìn)液一致、操作參數(shù)一致，對(duì)比分析增加清水劑前后設(shè)備分離效率。

研究結(jié)果如圖6(a)中所示，加入清水劑前，AMFD 分離器僅依靠物理內(nèi)件對(duì)油水兩相進(jìn)行分離，分離效率約87%～90%。加入清水劑后，促進(jìn)了懸浮物和油滴的絮凝、沉降，因此增加了AMFD 的分離效率，平均分離效率增加了3.5%，達(dá)到90%以上。此外，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，采出液成分、氣含量實(shí)時(shí)波動(dòng)，如圖5 中所述影響設(shè)備的分離效率，因此，圖6(a)中分離效率曲線存在一定的波動(dòng)。

Figure 6. (a) Curve: comparison of separation efficiency before and after dosing; (b) Inlet water sample; (c) Outlet water sample before dosing; (d) Outlet water sample after dosing 圖6. (a) 加藥前后分離效率對(duì)比曲線；(b) 進(jìn)口水樣；(c) 加藥前出口水樣；(d) 加藥后出口水樣

如圖6(b)所示，設(shè)備進(jìn)口生產(chǎn)水油含油2000 mg/L，外觀渾濁，表面有大量浮油；在加清水劑前，設(shè)備出口水樣顏色渾濁發(fā)黃，表面有微量浮油，油含量約為200 mg/L，取樣發(fā)現(xiàn)，設(shè)備出口水樣較加藥前更為澄清，表面幾乎無(wú)浮油，油含量在150 mg/L 以下。

因此，增加清水劑對(duì)AMFD 技術(shù)起正作用，在測(cè)試250 m3/h 流量下，清水劑BHQ-133 用量控制在11 mg/L，設(shè)備分離效果最佳，為96.07%。

3.5. 設(shè)備處理量及占地空間的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

設(shè)備處理量及占地空間的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)能反應(yīng)生產(chǎn)水處理設(shè)備的緊湊高效性，是海上平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)之一[12]。數(shù)值越大說(shuō)明在相同處理規(guī)模下設(shè)備占地越小，具體計(jì)算方法如下： 面積評(píng)價(jià)參數(shù)FA 及體積評(píng)價(jià)參數(shù)FV 計(jì)算公式如(1) (2)所示：

Qave 代表平均流量，A 代表設(shè)備撬體面積，V 代表設(shè)備撬體體積。

Table 1. Equipment performance comparison data of 12,000 m3/d processing flow 表1. 12,000 m3/d 處理流量下設(shè)備性能對(duì)比數(shù)據(jù)

按照計(jì)算數(shù)據(jù)所得見(jiàn)表1，AMFD 分離器面積評(píng)價(jià)參數(shù)FA 是斜板除油器的2.58 倍，旋流除油器的1.06 倍；AMFD 分離器體積評(píng)價(jià)參數(shù)FV 是斜板除油器的6.10 倍，旋流除油器的1.68 倍。在同等處理流量下，AMFD 分離器比斜板除油器和旋流除油器可提升分離效率約10%～12%。

若將AMFD 分離器獨(dú)立成撬，12,000 m3/d 處理流量下設(shè)備尺為3 m × 3.3 m × 9 m，則AMFD 分離器占地面積評(píng)價(jià)指標(biāo)FA 為50.51 m/h。適用于平臺(tái)狹小空間內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的擴(kuò)能改造。

4. 結(jié)論

本文總結(jié)了AMFD 技術(shù)在渤海某重質(zhì)油田平臺(tái)生產(chǎn)水處理過(guò)程中的應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，該技術(shù)對(duì)處理流量、進(jìn)口油含量有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。且AMFD 分離器進(jìn)口壓力是影響該技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，在壓力250 kPa，清水劑BHQ-133 用量11 mg/L 條件下，除油效率最高，達(dá)95%以上。

與此同時(shí)，該技術(shù)的占地空間的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)FA 是斜板除油器的2.58 倍，F(xiàn)V 是斜板除油器的6.10倍。較水力旋流器固定操作參數(shù)區(qū)間擴(kuò)大了1 倍，可有效替代現(xiàn)有斜板除油設(shè)施，為海上油田擴(kuò)能改造，或者新建高效海油處理平臺(tái)提供了一種新穎可靠的技術(shù)途徑。