海上油井返排液油水高效分離工藝技術(shù)

余建生，喬中山，劉 鵬，劉曉賓

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

未來二十年，石油天然氣將是主要能源供應(yīng)方式，且需求量將持續(xù)增加，因此石油行業(yè)仍有很大的發(fā)展空間[1-5]。面對國內(nèi)油氣需求日益增加，國際局勢錯(cuò)綜復(fù)雜和國內(nèi)原油產(chǎn)量持續(xù)下滑的嚴(yán)峻形勢[6-9]，為持續(xù)加大國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度，全力推動油氣增儲上產(chǎn)，中國海油研究制定了“七年行動計(jì)劃”，打響增油增氣“進(jìn)攻戰(zhàn)”。2019 年是中海油“七年行動計(jì)劃”的開局之年，眾多新開發(fā)油田相繼開啟，如渤中34-9 油田，曹妃甸11-6 油田，旅大16-3 油田，旅大21-2 油田等等，其中渤中34-9 油田是渤海油田落實(shí)“七年行動計(jì)劃”首個(gè)投產(chǎn)的開發(fā)項(xiàng)目。

為了提高油田采收率，完井結(jié)束后需第一時(shí)間進(jìn)行完井液返排，減少完井液浸泡地層時(shí)間至關(guān)重要[10，11]。當(dāng)下，海洋石油開發(fā)的安全環(huán)保形勢越來越嚴(yán)峻，實(shí)現(xiàn)“廢棄物減排”甚至“零排放”是未來發(fā)展的趨勢。導(dǎo)管架開發(fā)井完井作業(yè)結(jié)束后，由于采油平臺組塊還未安裝，無法利用生產(chǎn)流程進(jìn)行完井液返排，大多采用移動變頻柜、艾普油嘴管匯和30 m3儲液罐等返排設(shè)備進(jìn)行完井液返排。返排出的完井液的傳統(tǒng)處理模式為“污油罐回收+拖輪運(yùn)輸+陸地處理”，該方式存在四大局限：第一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，單井返排液量多在100～500 m3，由于污油罐容積?。? 立方米/個(gè)），因此需求數(shù)量龐大，造成占用鉆井平臺甲板和船舶面積較大，影響現(xiàn)場作業(yè)；第二，返排液先進(jìn)艾普30 m3儲液罐，然后再用隔膜泵向污油罐轉(zhuǎn)運(yùn)，往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力；第三，由于現(xiàn)場儲液罐容積有限，導(dǎo)致返排作業(yè)中斷，完井液返排不徹底，影響油井產(chǎn)能發(fā)揮；第四，“污油運(yùn)輸+陸地處理”費(fèi)用高昂。因此為實(shí)現(xiàn)海上完井返排液及時(shí)處理、重復(fù)利用以及解放油氣井產(chǎn)能，同時(shí)減少含油液體處理量和三用工作船運(yùn)輸費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能減排目的，渤海油田針對性地研究了返排液高效分離凈化技術(shù)，并在渤中34-9 油田進(jìn)行探索性應(yīng)用。解決了海上油田導(dǎo)管架鉆完井期間返排液無法現(xiàn)場分離凈化的難題，減少了含油液體運(yùn)輸及處理費(fèi)用，降低了環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場達(dá)標(biāo)排放、井口回注或者復(fù)配回用的目的。

1 返排液特征及處理目標(biāo)

海上油田油井鉆完井結(jié)束后為減少完井液對儲層浸泡時(shí)間，降低儲層污染，完井后需盡快進(jìn)行返排，油井返排液主要有三大明顯特征：返排液含添加劑種類多且污染程度高；污染物含量不穩(wěn)定，變化范圍大；返排液產(chǎn)出量大，對設(shè)備處理能力要求高。

（1）返排液含添加劑種類多且污染程度高。對于常規(guī)的完井液主要含有黏土穩(wěn)定劑、隱形酸螯合劑、緩蝕殺菌劑等，對于采用壓裂充填作業(yè)的油井，壓裂返排液的成分更加復(fù)雜，主要含有增黏劑、破膠劑、殺菌劑、緩沖劑、黏土穩(wěn)定劑、抑制劑、潤滑劑、交聯(lián)劑等多種添加劑[12]，種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離難度大。而且，返排后期含有地層水、地層黏土和原油等多相混合物，污染程度高，進(jìn)一步增加了處理難度。

（2）污染物含量不定，變化范圍大。不同井之間或者同口井不同返排的時(shí)間段，污水含油和懸浮物均會有較大波動，含油量波動范圍達(dá)0～95%。

（3）返排液產(chǎn)出量大，對設(shè)備處理能力要求高。統(tǒng)計(jì)開發(fā)井油田已返排井?dāng)?shù)據(jù)，單井返排液量多在100～500 m3，海上平臺沒有足夠的儲存能力，因此對處理設(shè)備實(shí)時(shí)處理能力要求較高。

根據(jù)海洋環(huán)保政策和法規(guī)以及海上油田平臺面積受限的特點(diǎn)，返排液的高效處理應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）達(dá)標(biāo)排放。深度除油和固相顆粒后，可滿足排海標(biāo)準(zhǔn)。

（2）井口回注。達(dá)到碎屑巖地層水回注標(biāo)準(zhǔn)或者對應(yīng)油田區(qū)塊注水指標(biāo)，有效回注地層。

（3）復(fù)配回用。經(jīng)處理后的水質(zhì)達(dá)到復(fù)配鉆完井液及洗井的標(biāo)準(zhǔn)（濁度值NTU≤30）。

2 返排液油水高效分離工藝技術(shù)

2.1 返排液油水高效分離裝置

通過對陸地大型污水處理設(shè)施的功能、工藝流程和機(jī)理進(jìn)行借鑒和創(chuàng)新，保留常規(guī)油水分離功能，再進(jìn)行小型化、集成化設(shè)計(jì)，并輔以PWS（Purified Water System）系統(tǒng)，再綜合考慮到海洋石油開發(fā)特點(diǎn)，本著“低成本、連續(xù)不間斷快速處理返排液以及設(shè)備移運(yùn)方便”三大原則，進(jìn)行了針對海洋石油開發(fā)的返排液油水高效分離裝置設(shè)計(jì)，采用撬體上下組合安裝方式，最大限度節(jié)省甲板空間。

返排液油水高效分離裝置主要包括上下兩層，兩個(gè)撬塊為積木式結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸中拆卸分運(yùn)，工作時(shí)候采用上下層疊置，大大的節(jié)省了甲板面積。上下層設(shè)備連接處需采用角件孔，然后用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱鎖件固定兩撬。返排液油水高效分離裝置（見圖1），油水分離裝置分為上下兩層，上層撬塊主要包括：緩凝攪拌系統(tǒng)、平流式除油器和加藥系統(tǒng)等部分，下層撬塊主要包括：一級氣浮罐、二級氣浮罐、氣浮溶氣罐、緩沖水箱、電氣控制柜等部分。工藝流程為一級氣浮平流式除油+一級氣浮豎流式除油+二級氣浮豎流式除油+一級微濾膜過濾。采用多級化學(xué)+多級物理技術(shù)，以多相流氣浮技術(shù)為基礎(chǔ)，通過微氣泡加速油水分離；利用各種化學(xué)藥劑，實(shí)現(xiàn)藥劑、氣體、返排液的充分混合，達(dá)到返排液中固液及油水的有效分離；結(jié)合膜過濾技術(shù)，進(jìn)一步降低水中含油量和懸浮物含量，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場進(jìn)行油水快速分離及水質(zhì)凈化的目的。原油去除率高達(dá)99%，出口原油含量可低至10 mg/L，滿足循環(huán)使用的要求；懸浮物去除率高達(dá)95%，出口懸浮物含量低至5 mg/L，滿足大部分地層的回注要求。

圖1 返排液油水高效分離裝置示意圖

該系統(tǒng)裝置技術(shù)參數(shù)如下：

（1）設(shè)備尺寸：6.6 m×2.54 m×5 m；

（2）設(shè)備空載12.7 t；滿載37.7 t；承重2.3 t/m2；

（3）設(shè)計(jì)處理水量：≤10 m3/h；

（4）進(jìn)液指標(biāo)：oil≤30 000 mg/L；

（5）出液指標(biāo)：oil≤20 mg/L；

（6）出液色度：無色透明液體；

（7）設(shè)備功耗：27 kW；

（8）防護(hù)等級：IP56；

（9）防爆等級：dllBT4。

2.2 返排液油水高效分離工藝流程

海上油田返排液油水高效分離工藝技術(shù)利用返排系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備和場地，最大化去除浮油，根據(jù)淺池原理結(jié)合微納米氣泡技術(shù)高效除油，通過高效復(fù)合破乳混凝系統(tǒng)有效降低固體顆粒污染物含量，利用機(jī)械式微納米溶氣起泡吸附裹挾作用有效分類水中絮體污染物，再經(jīng)過終端過濾工藝有效控制最終出水水質(zhì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場達(dá)標(biāo)排放、井口回注或復(fù)配回用。主要工藝流程由以下五部分組成：緩沖撇油、調(diào)質(zhì)除油、復(fù)合混凝、氣浮分離、精細(xì)過濾。

2.2.1 緩沖撇油 充分利用返排系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)備和場地，有效緩沖減少系統(tǒng)波動影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，撇出浮油，初步回收返排液中含有的高濃度原油，最大化的去除浮油。

2.2.2 調(diào)質(zhì)除油 采用平流氣浮，結(jié)合微納米氣泡作用，將廢液中大量的原油除去，調(diào)節(jié)水質(zhì)穩(wěn)定性，破膠以減小下游設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)及減少化學(xué)藥劑用量。

2.2.3 復(fù)合混凝 高效復(fù)合混凝系統(tǒng)，分層級加入酸/堿、混凝劑和絮凝劑，通過化學(xué)凝聚作用，使懸浮物和原油聚集在一起。利用各種化學(xué)藥劑，實(shí)現(xiàn)藥劑、氣體、返排液的充分混合，使返排液與化學(xué)藥劑充分反應(yīng)，達(dá)到返排液中固液及油水的有效分離，澄清水體。

2.2.4 氣浮分離 以多相流氣浮技術(shù)為基礎(chǔ)，通過化學(xué)藥劑和微氣泡加速油水分離。機(jī)械式微納米溶氣，通過起泡吸附裹挾作用有效分類水中絮體污染物，使原油、懸浮物、水得到高效分離。

2.2.5 精細(xì)過濾 結(jié)合膜過濾技術(shù)，進(jìn)一步除去水中含油量和懸浮物含量。終端精細(xì)過濾工藝，嚴(yán)格控制出水水質(zhì)。處理后的返排液，原油去除率高達(dá)99%，出口原油含量可低至10 mg/L，滿足大部分海域的排海要求；懸浮物去除率高達(dá)95%，出口懸浮物含量低至5 mg/L，滿足大部分地層的回注要求；處理液濁度NTU≤30，滿足完井作業(yè)復(fù)配回用要求。

2.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

返排液油水高效分離技術(shù)具有以下四大特點(diǎn)：

（1）優(yōu)異的處理效果。與其他處理方式相比，油水高效分離技術(shù)可以使化學(xué)藥劑的效能達(dá)到最佳，使廢液達(dá)到較好的處理效果，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜廢液中油類、懸浮物和其他特定污染物的去除。

（2）模塊化設(shè)計(jì)，占甲板面積小。有別于其他復(fù)雜龐大的工藝設(shè)備，針對海上平臺空間限制的特點(diǎn)，進(jìn)行模塊化豎向設(shè)計(jì)，整體緊湊集約，占地空間小，單位面積處理效率高，不影響海上平臺正常生產(chǎn)作業(yè)。

（3）可擴(kuò)展性強(qiáng)。針對不同的廢液處理需求，該工藝可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，增加化學(xué)藥劑注入、氧化、生化及膜過濾等功能，滿足回注、回用及排放等各類要求。

（4）經(jīng)濟(jì)效益顯著。通過油水高效分離可實(shí)現(xiàn)返排液中水的回注、再利用或者直接排放，節(jié)省返排液回收的運(yùn)輸及處理成本。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

目前該套返排液油水高效分離工藝技術(shù)在渤中34-9 油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。其中，B5 井首次采用返排液高效分離凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了返排作業(yè)連續(xù)、徹底，且處理后水質(zhì)檢測含油量為0.04 mg/L，懸浮物固相含量為2.12 mg/L，且投產(chǎn)后該井產(chǎn)能較鉆后配產(chǎn)提高42%。充分釋放產(chǎn)能的同時(shí)，取得較好的儲層保護(hù)效果。

3.1 B5 井基本信息

渤中34-9 油田B5 井為一口177.8 mm 尾管生產(chǎn)井，目的層位為東營組，屬正常溫壓系統(tǒng)。該井人工井底3 445.96 m，最大井斜44.83°，采用平衡射孔負(fù)壓返涌工藝，不防砂，采用電纜下分層封隔器實(shí)現(xiàn)分層開采，生產(chǎn)管柱下入Y 分氣密管柱，射孔液和工作液均采用隱形酸，詳細(xì)配方主要由過濾海水、NaOH、黏土穩(wěn)定劑PF-HCS、隱形酸螯合劑PF-HTA、防腐殺菌劑PFCA101、防膨劑PF-JWY（F）組成。完井液和射孔液性能參數(shù)：采用二級過濾（10 μm/2 μm）海水配制，基液固相含量≤2 μm，密度1.03 g/cm3，基液濁度NTU≤30，腐蝕速率<0.076 mm/a。

完井結(jié)束后返排液通過電泵舉升到達(dá)地面，依次經(jīng)過采油樹、井口油嘴管匯、30 m3儲液罐、油水高效分離設(shè)備多級處理。返排液油水高效分離技術(shù)處理流程示意圖（見圖2）。

圖2 返排液油水高效分離現(xiàn)場施工流程圖

技術(shù)人員通過精密計(jì)算，對不同階段、不同類型的廢液進(jìn)行取樣，并采用配制的化學(xué)藥劑進(jìn)行小試，優(yōu)選各類化學(xué)藥劑的加藥量配比、加藥順序等，以達(dá)到最佳處理效果，得出試劑最佳配比，現(xiàn)場處理藥劑配制實(shí)驗(yàn)（見圖3）。

從圖3 可以看出，B5 井配伍實(shí)驗(yàn)結(jié)果3#藥劑配比顯示效果最好：次氯酸鈉（NaClO）4 mL+PAM-3 mL，比例4:3 為最佳配比。以藥劑最佳配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行分工協(xié)作、添加藥劑、氣浮壓力調(diào)試，反應(yīng)池絮狀體觀察，刮渣調(diào)節(jié)等一系列工作，處理完的污油水流入撬內(nèi)污水緩存箱，經(jīng)污水泵輸入污油罐內(nèi)運(yùn)回陸地處理，處理后的清水經(jīng)過檢測合格后直接回泥漿池備用。

圖3 返排液現(xiàn)場取樣化學(xué)藥劑配伍實(shí)驗(yàn)

3.2 應(yīng)用效果

B5 井完井期間累計(jì)漏失完井液55 m3，連續(xù)返排至取樣化驗(yàn)含油量達(dá)90%結(jié)束，期間累計(jì)返排完井液96 m3。經(jīng)油水高效分離裝置處理后的返排液含油量低至0.04 mg/L，懸浮物固相含量為2.12 g/L，均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，并且B5 井投產(chǎn)后，產(chǎn)量穩(wěn)定在188 m3/d，較鉆后配產(chǎn)（132 m3/d）增幅高達(dá)42%，充分釋放了產(chǎn)能。

4 結(jié)論

（1）返排液油水高效分離裝置采取雙層模塊分體式、輕量化設(shè)計(jì)理念，便于陸海運(yùn)輸及海上平臺吊裝，易于現(xiàn)場連接，在安全前提下減少占用甲板面積，不影響海上平臺正常生產(chǎn)作業(yè)。

（2）通過對油井返排階段產(chǎn)生的返排液進(jìn)行處理，可有效降低含油廢液帶來的海洋環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省含油廢液運(yùn)回陸地的船舶運(yùn)輸及處理費(fèi)用，提高含油廢液中原油的利用率，有助于降本增效。

（3）該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)海上完井返排液及時(shí)處理，解決海上平臺空間有限和完井液返排不充分污染儲層問題，釋放油氣井產(chǎn)能，對開發(fā)新油田完井液的返排具有重大參考意義。另外，該技術(shù)還可應(yīng)用于測試液、修井液、酸化液、壓裂液等返排液的處理，應(yīng)用范圍較廣，推廣價(jià)值較高。