高效旋流分離技術(shù)在氣田采出水處理中的應(yīng)用

＊車軍杰 王周恒 張國棟 何順安 范敏強(qiáng) 郭筱

（1.君集環(huán)境科技股份有限公司 湖北 430065 2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠 陜西 710016）

氣田采出水的回注效率是影響采氣效率的因素之一，解決時(shí)投入的財(cái)力、人力、精力最小，但是處理后可以極大的緩解回注壓力，顯著增大采氣效率。氣田采出水成分復(fù)雜，含有大量有機(jī)物、無機(jī)鹽，如未進(jìn)行處理就回注，危害巨大。主要表現(xiàn)在：（1）堵塞管道和回注井?；刈⑺挠头?、懸浮物含量比較高，在回注過程中容易堵塞回注井，增加了機(jī)械維修的頻率；管徑變化還會(huì)影響回注水量；（2）堵 塞精餾塔。水中的化學(xué)物質(zhì)經(jīng)加溫后結(jié)垢，堵塞精餾塔塔盤，影響甲醇回收效率，造成系統(tǒng)的大量維護(hù)和清理工作；（3）安全隱患?；刈⒕氯麑?dǎo)致回注壓力變大，存在安全隱患等[1]。

從安全性來說，不管是對氣田采出水進(jìn)行二次利用，還是將采出水進(jìn)行排放，都需要對采出水進(jìn)行凈化處理，降低氣田采出水的危害，提高氣田采出水的綜合利用率。從投資方面來說，提高注水效率，延長注水井壽命，可以減少投資，降低成本，同時(shí)提高生產(chǎn)，達(dá)到降本增效的目的[2]。

常用的氣田采出水處理技術(shù)有重力除油、氣浮除油、過濾等，工藝成熟，隨著日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，采出水回注指標(biāo)也越來越嚴(yán)格，在舊工藝不能滿足新要求的情況下，高效旋流技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

旋流分離技術(shù)利用離心沉降原理，懸浮液切向進(jìn)入裝置，固體顆粒受離心力影響被甩向裝置內(nèi)壁，受重力影響進(jìn)入裝置底部；分離后的液體向上運(yùn)動(dòng)，通過水和油的密度差，再次進(jìn)行分離，達(dá)到對污水中“固—液分離”及“液—液分離”的效果。由于氣田區(qū)塊不同，采出水水質(zhì)也不同，但都有污染物成分復(fù)雜、成垢性高、腐蝕性高的特點(diǎn)。高效旋流分離技術(shù)繼承了傳統(tǒng)旋流分離技術(shù)分離連續(xù)、操作簡單、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)了其處理不徹底、出水效果差的缺點(diǎn)。

1.高效旋流分離器者簡

高效旋流分離器是針對油氣田采出水懸浮物的特點(diǎn)研發(fā)而成，將原本旋流分離技術(shù)的分離不徹底、出水效果差的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，通過采用特定離子絮凝劑與污水混合，產(chǎn)生壓縮雙電層，使廢水中的懸浮微粒失去穩(wěn)定性，膠粒物相互凝聚使微粒增大，形成絮凝體、礬花?；旌弦和ㄟ^切向入口進(jìn)入旋流分離器，促使混合液在分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下利用兩相或多相間的密度差來實(shí)現(xiàn)分離，同時(shí)使分散的固相懸浮物聚集形成成層沉淀，實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速的三相分離。高效旋流分離器構(gòu)造，如圖1所示。

圖1 高效旋流分離器的構(gòu)造

該裝置的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）高度集成化、自動(dòng)化、穩(wěn)定化，能夠?qū)崿F(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)回注；

（2）能夠適應(yīng)各種含有油分、機(jī)雜、細(xì)菌、鐵離子等污水，并且能夠穩(wěn)定解決污水的結(jié)垢、腐蝕、堵塞三大問題；

（3）處理時(shí)間短，整個(gè)工藝流程實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，裝置進(jìn)、出水與排渣排泥同步進(jìn)行，極大的降低了污水的停留時(shí)間，從而減少了污水在前置管網(wǎng)中的結(jié)垢問題；

（4）工藝自動(dòng)化程度高，可真正實(shí)現(xiàn)無人操作，流程簡單便于維護(hù)；

（5）高效的泥水分離技術(shù)，保證水質(zhì)的穩(wěn)定性，出水不會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間的氧化現(xiàn)象或混注造成水質(zhì)改變；

（6）設(shè)備占地面積小，集成化高。

進(jìn)入裝置前，采出水原水和化學(xué)藥劑進(jìn)行反應(yīng)，根據(jù)水型不同，可選擇投加破乳劑/氧化劑/pH調(diào)節(jié)劑/絮凝劑等化學(xué)藥劑，廢水中的懸浮物質(zhì)失穩(wěn)后形成的絮狀物和液體混合并切向自進(jìn)水口進(jìn)入裝置，受離心力和重力影響，固相積累至裝置底部，通過排污口定期排污，保證處理效果。

填料層為質(zhì)量輕、吸附能力強(qiáng)、耐腐蝕、不易破碎的泡沫濾珠或陶粒，可截留粒徑較小的污染物并吸附油分和色度。

裝置頂部有收油收渣裝置，積累至裝置頂部，通過排油口和排渣口定期排污。

處理后的清液通過收水口收集，自出水口排出裝置，進(jìn)入后續(xù)工藝。

2.高效旋流分離技術(shù)的應(yīng)用

(1)在乳化型采出水的應(yīng)用

①乳化型采出水的特點(diǎn)

因?qū)嶋H需要，氣田采氣工藝需在井口投加泡排劑，達(dá)到控水穩(wěn)氣的效果，提高了采氣產(chǎn)量，但是消泡后的采出水乳化現(xiàn)象大多非常穩(wěn)定，幾乎不與常規(guī)藥劑進(jìn)行反應(yīng)，給乳化采出水的處理和回注造成困難[3]。

②乳化型采出水的解決方案

目前行業(yè)在用的處理工藝為沉降除油或過濾，如蘇里格氣田采出水原水中懸浮物含量平均為376.85mg/L，最高含量為1116mg/L；原水中石油類含量平均為361.17mg/L，最高為2466mg/L，經(jīng)沉降除油后，采出水系統(tǒng)水質(zhì)有所改善，但是達(dá)不到設(shè)計(jì)圖紙中《氣田水回注方法（SY/T6596-2004）》的要求（懸浮固體≤15mg/L，含油≤30mg/L）的要求[4]。

乳化型采出水是采氣過程中因投加泡排劑使多種不相溶的液體混合形成的乳狀液，處理重點(diǎn)在于造成乳化不穩(wěn)定。改進(jìn)的方法為先對乳化型采出水進(jìn)行破乳，常用的辦法有靜置、離心、加熱、加化學(xué)藥劑等。因采出水處理的特殊性，需快速，穩(wěn)定地達(dá)到破乳效果，可選擇使用破乳劑進(jìn)行破乳。通過選擇不同廠家的多種破乳劑進(jìn)行試驗(yàn)，以“破乳時(shí)間短、分層效果好”為目標(biāo)，選定一種最適合的藥劑，破乳后，混合液進(jìn)入高效旋流分離裝置進(jìn)行高效分離，達(dá)到預(yù)期處理效果。

③項(xiàng)目案例

榆林某天然氣處理廠日產(chǎn)采出水90～120m3，采出水懸浮物平均值為206mg/L，油份平均值為237mg/L，采出水乳化現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致廠區(qū)原沉降罐無法達(dá)到設(shè)計(jì)的除油和收集懸浮物的效果。由于乳化型采出水與常規(guī)藥劑反應(yīng)效果差，須進(jìn)行破乳后進(jìn)行后續(xù)處理。根據(jù)水質(zhì)，我們選取了六種破乳劑進(jìn)行試驗(yàn)，包含西安某破乳劑1#，西安某破乳劑2#，西安某破乳劑3#，天津某破乳劑1#，天津某破乳劑2#，天津某破乳劑3#，經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)天津某破乳劑2#和原水反應(yīng)時(shí)，礬花上浮速度快，間歇水清澈透亮，最終選定天津某破乳劑作為針對性投加藥劑。

水處理工藝選擇“預(yù)反應(yīng)器破乳+高效旋流分離”，設(shè)計(jì)處理量5m3/h，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為懸浮物≤15mg/L，含油≤30mg/L。預(yù)反應(yīng)器選用三腔室旋流加藥裝置，尺寸為φ500mm，H=2000mm；高效旋流分離器選用中進(jìn)上出型，尺寸為φ1300mm，H=5800mm。設(shè)備運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格控制進(jìn)水流量為5m3/h，同時(shí)控制破乳劑濃度為2.5%。

下列數(shù)據(jù)及折線圖為水處理設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月以上，節(jié)選部分?jǐn)?shù)據(jù)資料制作而成（數(shù)據(jù)來于項(xiàng)目運(yùn)行日報(bào)）。

圖2 進(jìn)出水懸浮物折線圖

圖3 進(jìn)出水油份折線圖

小結(jié)：使用“破乳＋高效旋流分離”工藝對乳化型采出水的處理，在連續(xù)1個(gè)月的運(yùn)行過程中，原水感官為黃褐色不透亮，出水為清澈透亮。懸浮物平均值由206mg/L降至出水平均值9.7mg/L；油分平均值由237mg/L降至13mg/L。出水達(dá)標(biāo)率100%。

采出水處理裝置在記錄的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定，無異常情況。

(2)在高含醇型采出水的應(yīng)用

①高含醇型采出水的特點(diǎn)

天然氣從地底的高壓狀態(tài)轉(zhuǎn)移到地面的非高壓狀態(tài)，這一過程需要吸收大量熱量，導(dǎo)致隨天然氣采出的采出水降溫到零下遂結(jié)冰，冷凍管線對后續(xù)的開采造成極大影響。防止冰凍的辦法就是在開采時(shí)投加甲醇，利用甲醇不易結(jié)冰的-97.8℃的熔點(diǎn)且與水完全互溶的性質(zhì)，有效解決這一問題。

隨之而來的就是高含醇型采出水。高含醇型采出水一般含醇率為8%～15%，有刺激性氣味，有毒、遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。

高含醇型采出水一般伴隨著進(jìn)入甲醇再生塔進(jìn)行甲醇回收，資源再利用。若對高含醇型采出水不進(jìn)行處理，一方面是資源的浪費(fèi)，另一方面會(huì)造成甲醇再生塔的堵塞，影響甲醇回收系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行與回收效率，同時(shí)清理甲醇再生塔需要花費(fèi)大量人力物力，影響廠區(qū)的整體運(yùn)行[5]。

②高含醇型采出水的解決方案

高含醇型采出水源自底層深處，水質(zhì)成分復(fù)雜，成垢離子如鈣離子、鎂離子、鐵/亞鐵離子含量高；腐蝕性離子-氯離子含量高，對管線和裝置有很大的危害。在高含醇型采出水的處理中，通常采用混凝沉降，重力除油，浮選，過濾等方法進(jìn)行處理[6]。如榆林天然氣處理廠采用“重力除油+過濾”的工藝對采出水進(jìn)行處理。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)存在甲醇回收裝置管線、設(shè)備堵塞頻次高，精餾塔內(nèi)壁及附件腐蝕嚴(yán)重的情況。

高含醇型采出水因水中含有綠色的亞鐵離子，通常存在處理不徹底，導(dǎo)致處理后返黃的現(xiàn)象，同鈣鎂離子進(jìn)入甲醇回收裝置，易形成堵塞。處理時(shí)考慮去除鈣鎂離子和鐵離子，可通過投加氧化劑和pH調(diào)節(jié)劑，待采出水中的成垢離子去除后，進(jìn)入后續(xù)工藝的水質(zhì)不易成垢，易于處理。

③項(xiàng)目案例

榆林某天然氣處理廠采出水日均接受采出水量為200～ 260m3/d，最高接受量為300m3/d，由于建廠較早，采出水水質(zhì)較好，早期采出水工藝為“靜置收油—重力除油—甲醇回收—回注”，處理過程中罐底污泥排入指定位置，自然干化后外運(yùn)處理。

隨時(shí)間推進(jìn)，當(dāng)下水質(zhì)經(jīng)初步靜置除油沉淀后，油份數(shù)據(jù)一般在50～500mg/L，平均為150mg/L左右；懸浮物數(shù)據(jù)一般在50～500mg/L，平均為200mg/L左右，現(xiàn)有工藝無法滿足當(dāng)下較差的水質(zhì)。水處理工藝運(yùn)行期間，存在甲醇回收塔堵塞頻率高，清塔周期約15d/次，造成極大的人力物力財(cái)力支出，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

根據(jù)其水質(zhì)特點(diǎn)及與甲方的友好協(xié)商，決定將采出水預(yù)處理工藝由原重力除油更換為高效旋流分離工藝，經(jīng)分離后的出水進(jìn)入甲醇回收裝置。預(yù)處理裝置設(shè)計(jì)處理量為10m3/h，設(shè)計(jì)出水指標(biāo)達(dá)到懸浮物≤30mg/L，含油≤30mg/L。

水處理裝置預(yù)處理選用5%雙氧水為氧化劑，5%氫氧化鈉為pH調(diào)節(jié)劑，1‰聚丙烯酰胺為助凝劑，高效旋流分離器選用中進(jìn)上出型，尺寸為φ1800mm，H=5800mm。運(yùn)行過程中嚴(yán)格確保藥劑投加量，同時(shí)控制高效旋流分離器排污，排污頻率為2d/次，時(shí)間控制在每次設(shè)備啟動(dòng)前。

記錄數(shù)據(jù)并制成圖表（數(shù)據(jù)來于項(xiàng)目運(yùn)行日報(bào)）。

圖4 進(jìn)出水油份折線圖

圖5 進(jìn)出水懸浮物折線圖

小結(jié)：在記錄的14天內(nèi)，原水感官黑褐色渾濁，出水感官清澈透亮。原水油份平均值為274.6mg/L，出水油份平均值為13.2mg/L，合格率100%；原水懸浮物平均值為329.1mg/L，出水懸浮物平均值為14.2mg/L，合格率100%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

采出水處理設(shè)備交付后，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月以上，進(jìn)入甲醇回收塔的水質(zhì)良好，運(yùn)行期間，清塔頻率顯著下降，由每半個(gè)月清塔一次延長至兩個(gè)月以上清塔一次。