海上油田聚結(jié)除油工藝優(yōu)化

張金鵬，吳 威，趙立全

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津

1. 背景

我國(guó)海上油田平臺(tái)的生產(chǎn)水外排渠道有兩種：一種是生產(chǎn)水處理達(dá)標(biāo)后排海；另一種是生產(chǎn)水處理達(dá)標(biāo)后注入到需要注入水開發(fā)的油藏地層。海上油氣田產(chǎn)量的逐年增加，伴隨著海上平臺(tái)生產(chǎn)水處理量不斷增大，對(duì)常規(guī)的生產(chǎn)水處理工藝發(fā)起挑戰(zhàn)，海上平臺(tái)目前使用的生產(chǎn)水除油技術(shù)主要以隔油氣浮過濾組合技術(shù)和水力旋流技術(shù)為主[1]，兩種技術(shù)有其各自優(yōu)劣勢(shì)。

隔油氣浮過濾組合技術(shù)優(yōu)勢(shì)是物料適用性強(qiáng)、除油效果穩(wěn)定、能高效去除乳化油、各設(shè)備易單獨(dú)調(diào)控和改造。劣勢(shì)一是總投資大、總占地空間太大，不適合可用空間小的平臺(tái)；二是電耗大、運(yùn)行運(yùn)費(fèi)高；

水力旋流技術(shù)優(yōu)勢(shì)是占地空間小、投資及運(yùn)行費(fèi)用較低、分離快速、操作簡(jiǎn)單，對(duì)15 μm 以上油滴的分離效率達(dá)90%。劣勢(shì)一是為維持高效分離區(qū)間的旋流場(chǎng)強(qiáng)度，其操作彈性小；二是由于旋流分離原理的限制，無(wú)法分離10 μm 以下的乳化油的要求。

基于海上油田生產(chǎn)水處理現(xiàn)狀，結(jié)合新材料及流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用分級(jí)分步處理的思路，開發(fā)了親疏水異性組合纖維束物理強(qiáng)化破乳為核心的聚結(jié)除油工藝技術(shù)，將游離態(tài)的分散油、懸浮油及乳化油通過分級(jí)分步的方法進(jìn)行快速高效分離。該技術(shù)設(shè)備占地面積小、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、快速高效，有著較好的應(yīng)用前景。但對(duì)于聚結(jié)除油技術(shù)在海上油田的應(yīng)用研究仍需不斷評(píng)價(jià)、深入、優(yōu)化[2]。

2. 聚結(jié)除油裝置簡(jiǎn)介及運(yùn)行存在問題

2.1. 聚結(jié)除油裝置簡(jiǎn)介

聚結(jié)除油裝置采用模塊化設(shè)計(jì)[3]，包括一級(jí)進(jìn)口整流分布器模組、二級(jí)粗?；＝M、三級(jí)改性波紋強(qiáng)化沉降模組、四級(jí)納米改性分離模組，將所有模組通過工藝手段整合在立式容器中，該工藝優(yōu)化了平臺(tái)生產(chǎn)水處理流程，由斜板 + 氣浮兩級(jí)處理可縮減為一級(jí)處理，既保證了水處理效果，也節(jié)省了裝置的占地面積。

Figure 1. Schematic diagram of fluid flow during unit operation圖1. 裝置運(yùn)行流體流動(dòng)示意圖

聚結(jié)除油裝置運(yùn)行時(shí)，裝置內(nèi)流體流動(dòng)示意圖見圖1。其中，棕黃色為生產(chǎn)水，紅色為油相，藍(lán)色為水相。一級(jí)集油腔排放比例1%～3% (1 m3/h～3 m3/h)，預(yù)計(jì)1000 ppm 降至200 ppm 左右(每小時(shí)集油約80 L)；二級(jí)集油腔排放比例0.5%～1% (0.5 m3/h～1 m3/h)，預(yù)計(jì)200 ppm 左降至50 ppm 左右(每小時(shí)集油約18 L)。

聚結(jié)除油裝置反洗時(shí)，為保證反洗效率，通入壓力應(yīng)不小于0.6 MPa 的氮?dú)?，通入時(shí)長(zhǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反洗情況來(lái)定。在來(lái)液含油物性(粘度小于1000 mPa?s；密度 < 0.95 mg/L)非重質(zhì)粘度油品時(shí)，氮?dú)馔ㄈ敕绞綖殚g歇性通入，時(shí)間間隔為1 分鐘或0.5 分鐘。當(dāng)來(lái)液品質(zhì)較差，有堵死纖維床層的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)縮短反洗周期。

2.2. 裝置運(yùn)行存在問題

1) 裝置高頻次反洗

自海上油田某平臺(tái)生產(chǎn)水處理系統(tǒng)擴(kuò)容改造完成后，經(jīng)調(diào)試聚結(jié)除油裝置投入運(yùn)行。但由于油田油品性質(zhì)屬高粘重質(zhì)稠油(密度955 kg/m3)，生產(chǎn)分離器水相出口(聚結(jié)除油裝置入口)油含量長(zhǎng)期高于2000 mg/L，甚至超過3000 mg/L，為保證出口水質(zhì)，需要對(duì)聚結(jié)除油裝置頻繁反洗，給平臺(tái)操作人員增加工作強(qiáng)度，同時(shí)產(chǎn)生的大量反洗水給平臺(tái)污水罐、污水泵等設(shè)備帶來(lái)壓力。為保證處理效果，聚結(jié)除油裝置不同處理量下反洗頻次見表1。

Table 1. Coalescence degreasing unit backwashing cycle表1. 聚結(jié)除油裝置反洗周期

2) 裝置出口伴有含油絮團(tuán)

因進(jìn)液水質(zhì)指標(biāo)高于裝置入口設(shè)計(jì)值，同時(shí)由于地層采出液與各類水處理藥劑的綜合作用所產(chǎn)生含油絮團(tuán)[4]，導(dǎo)致反洗周期較短。含油絮團(tuán)基本形態(tài)見圖2，絮團(tuán)不呈現(xiàn)連續(xù)油膜或球形油滴形狀，表現(xiàn)為表面粗糙的不規(guī)則團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，而絮團(tuán)內(nèi)的多孔結(jié)構(gòu)為原油提供了大量附著點(diǎn)位。此類含油絮團(tuán)形成主要原因如下：

① 原油為高粘重質(zhì)稠油，油品密度高達(dá)955 kg/m3，聚結(jié)除油裝置出水口離四級(jí)納米改性分離模組較近，四級(jí)納米改性分離模組二次捕集后釋放的油滴未充分沉降，同時(shí)受模組表層及內(nèi)部含油絮團(tuán)擾動(dòng)，部分上浮、部分被出水夾帶。

② 聚結(jié)除油裝置四級(jí)納米改性分離模組內(nèi)含油絮團(tuán)，逐漸累積、充滿、脫落，絮團(tuán)在緊湊空間內(nèi)上浮困難，四級(jí)納米改性分離模組設(shè)計(jì)為深度分離功能，其強(qiáng)化沉降功能較弱，導(dǎo)致部分含油絮團(tuán)被夾帶。

③ 絮狀物流動(dòng)性差，導(dǎo)致在四級(jí)納米改性分離模組腔體內(nèi)累積，部分氣泡推動(dòng)絮狀物隨水相排出，造成出口含油波動(dòng)性超標(biāo)。

Figure 2. Basic morphology of oil floc in fourth stage module圖2. 水相出口含油絮團(tuán)基本形態(tài)

3. 工藝優(yōu)化及評(píng)價(jià)

針對(duì)海上油田某平臺(tái)新增生產(chǎn)水處理系統(tǒng)所反映的問題，計(jì)劃從聚結(jié)除油裝置入手，以設(shè)備改造為主，處理藥劑濃度調(diào)整為輔，兩方面共同開展優(yōu)化聚結(jié)除油工藝，滿足平臺(tái)生產(chǎn)需求，具體如下：

3.1. 裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1) 將聚結(jié)除油裝置的四級(jí)納米改性分離模組進(jìn)行調(diào)整改造，將具備深度分離的纖維模塊見圖3 更換為具備快速沉降功能的強(qiáng)化模塊見圖4。

Figure 3. Fiber module圖3. 纖維模塊

Figure 4. Reinforcement module圖4. 強(qiáng)化模塊

2) 通過三級(jí)改性波紋強(qiáng)化沉降模組壓力表口引入氣相吹脫管線，緊貼四級(jí)納米改性分離模組進(jìn)口布置，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，利用作業(yè)平臺(tái)現(xiàn)有氮?dú)?純氣相，非溶氣水)，間歇性吹脫存留在強(qiáng)化模塊內(nèi)的含油絮團(tuán)；同時(shí)在四級(jí)納米改性分離模組蓋板下方100 mm 處加裝傘狀收油槽，收集到的油通過四級(jí)納米改性分離模組壓力表口排出見圖5。

Figure 5. Schematic diagram of fourth stage module modification圖5. 四級(jí)模組改造示意圖

3.2. 工藝評(píng)價(jià)及藥劑優(yōu)化

為了驗(yàn)證優(yōu)化后模組的處理效果，制造模擬四級(jí)納米改性分離模組小試裝備，在聚結(jié)除油裝置三級(jí)改性波紋強(qiáng)化沉降模組出口(四級(jí)納米改性分離模組入口)接入小試設(shè)備，開展為期13 天現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)調(diào)整水處理藥劑BHQ08 及BHQ133 的濃度。

在藥劑調(diào)整優(yōu)化前，聚結(jié)除油工藝水處理藥劑濃度BHQ08 為30 mg/L，BHQ133 為10 mg/L，為使聚結(jié)除油工藝處理效果達(dá)到最佳，調(diào)整兩種水處理藥劑的濃度，使其達(dá)到最優(yōu)使用濃度，由表2 可以看出，不同藥劑濃度下小試裝備出口水質(zhì)情況，因此處理藥劑的最優(yōu)濃度BHQ08 為15 mg/L，BHQ133 為15 mg/L。

Table 2. Outlet water quality of small-scale test equipment with different reagent concentrations表2. 不同藥劑濃度小試裝備出口水質(zhì)情況

將兩種處理藥劑濃度調(diào)至在15 mg/L 后，對(duì)小試裝備、聚結(jié)除油裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，取樣點(diǎn)分別設(shè)置在聚結(jié)除油裝置入口、聚結(jié)除油裝置出口，小試裝備入口、小試裝備出口，對(duì)四個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣化驗(yàn)，由圖6 可以看出，聚結(jié)除油裝置入口來(lái)液性質(zhì)不穩(wěn)定，水中含油量超出裝置設(shè)計(jì)能力，最高水中含油為3409 mg/L，平均水中含油為2944 mg/L，經(jīng)未優(yōu)化改造的聚結(jié)除油裝置處理后，聚結(jié)除油裝置出口平均水中含油為94 mg/L，處理效果欠佳，經(jīng)優(yōu)化后的小試裝備和處理藥劑共同作用下，小試裝備入口平均水中含油為137 mg/L，小試裝備出口油含量平均值在30 mg/L 左右，滿足生產(chǎn)需要。

Figure 6. Comparison diagram of oil content in water at each position of small-scale test圖6. 小試試驗(yàn)各位置水中含油對(duì)比圖

4. 優(yōu)化后的應(yīng)用效果

完成聚結(jié)除油裝置優(yōu)化改造工作后，恢復(fù)生產(chǎn)處理流程，處理藥劑BHQ08 濃度設(shè)定為15 mg/L，處理藥劑BHQ133 濃度設(shè)定為15 mg/L，調(diào)試運(yùn)行45 天，通過監(jiān)測(cè)不同流量下的聚結(jié)除油裝置進(jìn)出口水中含油量以及反洗周期的變化，對(duì)聚結(jié)除油裝置優(yōu)化后的效果進(jìn)行再評(píng)估[5]。

依照流量的變化，整個(gè)調(diào)試運(yùn)行過程可分三個(gè)階段：

1) 第一階段：處理流量170 m3/h，聚結(jié)除油裝置在此階段調(diào)試運(yùn)行15 天，入口平均水中含油為2815 mg/L，出口平均水中含油為39.5 mg/L，反洗周期13 天。

2) 第二階段：處理流量200 m3/h，聚結(jié)除油裝置在此階段調(diào)試運(yùn)行15 天，入口平均水中含油為2799 mg/L，出口平均水中含油為44.3 mg/L，反洗周期10 天。

3) 第三階段：處理流量230 m3/h，聚結(jié)除油裝置在此階段調(diào)試運(yùn)行15 天，入口平均水中含油為2803 mg/L，出口平均水中含油為49.8 mg/L，反洗周期9 天。

綜上所述，由表3 和圖7 可以看出，在不同流量下，聚結(jié)除油裝置在改造后，反洗周期顯著增長(zhǎng)；入口平均水中含油相差無(wú)幾，出口平均水中含油由94 mg/L 降至44.6 mg/L。

Table 3. Comparison of backwashing cycles before and after modification of coalescence degreasing unit表3. 聚結(jié)除油裝置改造前后反洗周期對(duì)比

Figure 7. Application effect drawing after device modification圖7. 裝置改造后應(yīng)用效果圖

5. 結(jié)論

由于海上油田“高含水”以及平臺(tái)作業(yè)空間受限等因素，聚結(jié)除油工藝應(yīng)運(yùn)而生，聚結(jié)除油裝置在應(yīng)用過程中，存在高頻次反洗、處理效果不理想的問題，通過對(duì)聚結(jié)除油裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造，更換了四級(jí)模組的功能模塊，加裝氣相吹脫管線、收油槽；同時(shí)優(yōu)化了處理藥劑濃度，使聚結(jié)除油裝置達(dá)到處理要求。

1) 將四級(jí)納米改性分離模組中纖維模塊更換為強(qiáng)化模塊，突出四級(jí)模組的快速沉降功能。

2) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，處理藥劑BHQ08 和BHQ133 最優(yōu)濃度均為15 mg/L，生產(chǎn)水處理效果達(dá)到最優(yōu)。

3) 在額定處理量230 m3/h 運(yùn)行情況下，聚結(jié)除油裝置反洗頻次由1 次/1 天降到1 次/9 天，減輕了操作人員的作業(yè)任務(wù)。

4) 在聚結(jié)除油裝置入口水中含油為2900 mg/L 左右時(shí)，出口平均水中含油由94 mg/L 降到44.6 mg/L，平均除油效率達(dá)到98.4。