海上斜板除油器的優(yōu)化與實(shí)踐

馬書楠(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

某海上石油平臺(tái)斜板除油器設(shè)計(jì)處理量為 12 000 m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)出口含油率分別為1 200 mg/L 和300 mg/L，當(dāng)前該斜板除油器實(shí)際處理污水10 000 m3/d，進(jìn)出口含油率實(shí)際為1 100 mg/L 和450 mg/L。斜板水質(zhì)處理不達(dá)標(biāo)直接導(dǎo)致下級(jí)污水處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)增大，最終導(dǎo)致注水水質(zhì)不合格，并嚴(yán)重影響了污水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[1]。平臺(tái)污水系統(tǒng)主要接收原油系統(tǒng)各級(jí)分離器分離出來(lái)的生產(chǎn)水，通過(guò)斜板除油器、加氣浮選器、雙介質(zhì)濾器處理合格后進(jìn)入注水緩沖罐。平臺(tái)共有四口水源井，通過(guò)旋流除砂器、注水細(xì)濾器處理后，進(jìn)入注水緩沖罐。注水緩沖罐的水主要用于中心平臺(tái)以及油田小平臺(tái)注水井注水。其中斜板除油器是污水處理的第一級(jí)，可以分離出大于50 μm以上的游離浮油。設(shè)備按板的形式不同可分為平行聚結(jié)板和波紋聚結(jié)板，波紋板與油水接觸的面積大于平行板，小油滴聚結(jié)成大油滴的機(jī)會(huì)多，目前海上采油平臺(tái)多采用波紋鋼板類型的臥式斜板除油器。斜板除油的基本原理是“淺層理論”，又稱“淺池沉淀”，假設(shè)斜板沉積池池長(zhǎng)為L(zhǎng)，池中流體流速為V，沉降速度為V0，根據(jù)L/H=V/V0公式，可見池長(zhǎng)與流體流速值不變時(shí)，池深越淺越小直徑的懸浮物顆?？杀挥行С?。因此提高除油效率就要適當(dāng)降低斜板除油器分離高度。海上油田在備中加設(shè)傾斜波紋板，使分離設(shè)備的工作表面積增大，降低池深度，從而提高設(shè)備除油效率。

1 問(wèn)題分析

某海上油田，注水水質(zhì)化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)注水水質(zhì)不合格，斜板除油器入口水中含油值接近2 200 mg/L，嚴(yán)重影響水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具體造成問(wèn)題如下所示：

問(wèn)題一：影響斜板除油器出口水質(zhì) ，斜板除油器收油量增加。斜板除油器入口含油值高直接導(dǎo)致斜板除油器出口水中含油偏高，直接導(dǎo)致下游設(shè)備水處理能效降低，影響水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致注水含油量超標(biāo)。斜板除油器收油頻率提升、收油量增加對(duì)平臺(tái)流程影響增加。

問(wèn)題二：影響加氣浮選器出口水質(zhì)，氣浮收油頻次增加。斜板除油器入口含油值高可能導(dǎo)致斜板除油器出口水中含油量超標(biāo)，導(dǎo)致加氣浮選器出口水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，收油頻次增加，影響水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。

問(wèn)題三：影響核桃殼濾器出口水質(zhì)，反洗頻次增加，濾料壽命變短。斜板除油器入口含油值高可能導(dǎo)致氣浮出口水中含油量超標(biāo)，導(dǎo)致核桃殼過(guò)濾器壓差上漲過(guò)快，反洗頻次增加，甚至核桃殼濾料受到污染，核桃殼濾料更換頻次增加，耗費(fèi)巨大作業(yè)成本。

問(wèn)題四：影響注水系統(tǒng)正常運(yùn)行，可能導(dǎo)致注水系統(tǒng)超壓運(yùn)行。斜板除油器入口含油值高可能導(dǎo)致核桃殼過(guò)濾器出口水中含油量超標(biāo)，導(dǎo)致注水井地層污染，注入壓力增高，甚至導(dǎo)致注水系統(tǒng)超壓運(yùn)行。

問(wèn)題五：影響油藏注水開發(fā)效果，導(dǎo)致產(chǎn)油量遞減較快。長(zhǎng)時(shí)間的超標(biāo)注水可能導(dǎo)致，注水井注水壓力逐漸升高。高含油值的生產(chǎn)水長(zhǎng)期注入油藏，影響水驅(qū)油的效果，堵塞油水的滲流通道，最終導(dǎo)致油藏產(chǎn)油量遞減較快。

針對(duì)由斜板除油器入口水質(zhì)含油值偏高對(duì)生產(chǎn)水系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響，選定降低斜板除油器入口含油值這一課題作為研究目標(biāo)，后期隨著水量增大，必會(huì)導(dǎo)致注水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。平臺(tái)人員對(duì)斜板除油器運(yùn)行問(wèn)題展開分析，認(rèn)為隨著平臺(tái)處理液量不斷增大，油井出砂、調(diào)驅(qū)伴隨聚合物返出，以及聚合物與砂質(zhì)、化學(xué)藥劑相互作用形成的懸浮物在系統(tǒng)中大量滯留。而現(xiàn)有斜板除油器因其內(nèi)部設(shè)計(jì)缺陷，不能有效將泥砂及懸浮物有效排除，導(dǎo)致污水處理效果不佳。

1.1 波紋板強(qiáng)度不夠

由于后期油井出砂，進(jìn)入斜除油器的生產(chǎn)污水?dāng)y帶泥砂含量高，對(duì)內(nèi)部波紋板造成沖擊，而平臺(tái)斜板除油器內(nèi)部玻璃纖維波紋板強(qiáng)度不夠，容易塌陷，導(dǎo)致除油效果變差[2]。

1.2 斜板除油器清水室堰板高度局限

斜板除油器清水室堰板高度僅比收油槽堰板高度低50 mm，導(dǎo)致斜板收油不可控，加上為平堰，在水量較大和波動(dòng)幅度較大情況下，水流流經(jīng)隔板上沿會(huì)出現(xiàn)水流上翻的情況，從而形成阻水作用，污水大量進(jìn)入集油槽。而在混合室處于正常收油液位時(shí)，混合室至清水室的過(guò)流面積約為0.7 m2，其水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斜板入口流量，導(dǎo)致斜板正常運(yùn)行時(shí)混合室與清水室存在較高液位差。為避免液位波動(dòng)產(chǎn)生冒罐風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的處理及收油能力，平臺(tái)采取臨時(shí)措施將清水室堰板的工藝人孔蓋拆除，使得斜板混合室與清水室液位差保持在合理高度，設(shè)備能夠恢復(fù)設(shè)計(jì)處理量，但此舉導(dǎo)致清水室堰板失去作用，過(guò)水出現(xiàn)短流，處理前后水質(zhì)混合，失去處理效果，導(dǎo)致混合室中的泥砂大量進(jìn)入清水室，進(jìn)而污染下一級(jí)設(shè)備。

1.3 頂部大量懸浮物堆積

聚合物、化學(xué)藥劑以及泥砂相互作用粘結(jié)形成高穩(wěn)定低流動(dòng)性的懸浮物，在斜板除油器頂部大量堆集，不能通過(guò)日常收油有效排出，嚴(yán)重影響了污水系統(tǒng)的除油效果。

1.4 底部大量泥砂淤積

通過(guò)歷次清罐作業(yè)發(fā)現(xiàn)斜板除油器底部泥砂沉淀非常明顯，幾乎占據(jù)容器容積25%～30%左右，大大降低了設(shè)備的有效處理容積，減少了含油污水的處理時(shí)間，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)水處理設(shè)備的除油效果。而原有排砂管線和排污孔眼尺寸小，易造成管線堵塞，且斜板容器底部也未設(shè)計(jì)有利于泥沙收集外排的機(jī)械裝置，當(dāng)堵塞嚴(yán)重時(shí)不能依靠自身靜壓外排污泥。此時(shí)需要借助外界壓力水源進(jìn)水排污，但是效果仍不理想。

1.5 化學(xué)藥劑注入量不符合要求

由于油田生產(chǎn)水處理量的變化，當(dāng)前藥劑能讀可能不能滿足要求，從而導(dǎo)致斜板除油器處理效果不佳。

1.6 日常收油效果不佳

在日常工作中，由于對(duì)斜板除油器的收油液位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致斜板除油器的不能長(zhǎng)期收油，從而不能處理到斜板除油器里面的污水，從而使斜板除油器處理效果不佳。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)改造

2.1 更換高強(qiáng)度波紋板

波紋板使用套管連接，將斜板內(nèi)部原有的玻璃纖維波紋板更換為強(qiáng)度更高的SS316L 材質(zhì)的波紋板，解決了因波紋板強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致的塌陷問(wèn)題。

2.2 清水室堰板改造可調(diào)三角堰，封堵人孔

設(shè)計(jì)處理量：500 m3/h。

出水堰采用90°三角堰自由出流，取堰上水頭為h堰為0.10 m，每個(gè)堰過(guò)堰流量q(m3/s)由計(jì)算公式(1)求得：

設(shè)計(jì)水位宜位于齒高的2/3 處，齒高為公式(3)：

齒寬W齒為0.30 m。

因?yàn)閃齒×32=0.30×32=9.6 m＜11.8 m 所以說(shuō)明所選堰上水頭可以正常滿足過(guò)流要求。

校核處理量為300 m3/h 時(shí)的，三角堰過(guò)水高度：

水位接近于齒高的1/2 處。

采用伯努利方程方程進(jìn)行核算：

(1)設(shè)計(jì)處理量：500 m3/h。

(2)斜板入口管線為12″，截面積S=π×0.152= 0.070 7 m2，斜板接觸區(qū)水流的速度v=500/3 600/0.070 7 =1.96 m/s。

(3)波紋板區(qū)的橫截面積S=1.686×11=18.546 m2

在處理量恒定，設(shè)備內(nèi)液面穩(wěn)定的情況下，水通過(guò)波紋板區(qū)的流速v1=500/3 600/18.546=0.007 m/s。雷諾系數(shù)Re=68 000 查圖得折流板的阻力系數(shù)ζ= 2.5。

(1)采用阻力系數(shù)法計(jì)算集水管阻力，查表得阻力系數(shù)ζ= 2.5，水頭損失：

(2)根據(jù)伯努利方程：

取堰上水頭為h堰為0.10 m，z1-z2=50 mm；接觸區(qū)與清水室聯(lián)通，所以p1=p2，設(shè)v′1=0 m/s，則：

由此可知，當(dāng)液位到達(dá)預(yù)設(shè)溢流位時(shí)，仍具有1 m/s的速度，滿足介質(zhì)在三角堰處溢流的要求。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，將斜板清水室的平板堰切除500 mm，預(yù)制完成的斜板三角堰，其高度可向下調(diào)節(jié)300 mm，向上調(diào)節(jié)60 mm。這樣就解決了斜板收油不可控和泥砂進(jìn)入清水室進(jìn)而污染下一級(jí)處理設(shè)備的問(wèn)題，如圖1 所示。

圖1 斜板除油器三角堰示意圖

2.3 斜板混合室增加大尺寸排懸浮物管線

斜板混合室上部增加一根12 寸排懸浮物管線，將斜板中上部富集的懸浮物外排至污油水罐。經(jīng)計(jì)算，12 寸排污口上沿兒距罐頂高度在157.5～215.0 mm間均可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，大尺寸外排懸浮物管線的安裝解決了懸浮物堆積問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)外排，使混合室能夠有效收油。

2.4 底部增加導(dǎo)流板

斜板混合室內(nèi)部四個(gè)排沙口下方分別增加波紋導(dǎo)泥板，在排砂口附近增加坡度便于泥砂聚積排出。

2.5 調(diào)整收油方式，最優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作制度

根據(jù)目前生產(chǎn)流程，制定定量收油、定時(shí)收油及24 h 在線的斜板除油器收油工作制度，進(jìn)行試驗(yàn)。在最優(yōu)加注濃度的前提下，每種工作制度下，連續(xù)試驗(yàn)一周。對(duì)水室收油2 h、4 h 后的化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)對(duì)比(表1～表3)。

表1 定量收油生產(chǎn)分離水相出口含油數(shù)據(jù)記錄(第一周)

表3 定量收油生產(chǎn)分離水相出口含油數(shù)據(jù)記錄(第三周)

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以明顯看出，定量收油效果在2 h 后效果顯著，但效果很難保持較長(zhǎng)時(shí)間；定時(shí)收油效果4 h 后的效果比定量收油效果好；但與24 h在線收油的工作制度下生產(chǎn)分離器處理效果相比仍然存在不小差距。因此，采用24 h 在線收油的工作制度。

表2 定量收油生產(chǎn)分離水相出口含油數(shù)據(jù)記錄(第二周)

2.6 藥劑加注濃度調(diào)整

通過(guò)調(diào)整BHQ-433 的加藥濃度，來(lái)對(duì)斜板除油器出口含油進(jìn)行化驗(yàn)，從化驗(yàn)結(jié)果可知(表4)，當(dāng)清水劑的注入量在90 mg/L 時(shí)，斜板除油器處理效果最佳，從而能降低下游設(shè)備的處理壓力，從而增加了注水水質(zhì)。

表4 斜板除油器出口含油結(jié)果

3 流程優(yōu)化調(diào)整

斜板作為污水處理系統(tǒng)的第一級(jí)設(shè)備，對(duì)水質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。它接收上游一級(jí)分離器、電脫水器的生產(chǎn)污水來(lái)液，而來(lái)液是由LV 閥自動(dòng)調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)的，并不能保證來(lái)液的穩(wěn)定性。當(dāng)污水流量波動(dòng)較大時(shí)，在層流水流的作用下泥砂懸浮物容易被推至斜板混合室。要避免污水系統(tǒng)出現(xiàn)大量泥砂懸浮物，就要從源頭上解決，因此減少污水系統(tǒng)入口泥砂懸浮物的含量，是斜板除油器提效的另一個(gè)突破口。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多方實(shí)踐，油田決定對(duì)電脫水相流程作調(diào)整，將原來(lái)至斜板除油器入口的流程隔離，導(dǎo)通回流至一級(jí)加熱器入口的流程，使電脫水器生產(chǎn)污水不再進(jìn)入污水處理流程，并保持一級(jí)、二級(jí)分離器混合室油水界面高液位，保證看窗有兩個(gè)干凈水，與此同時(shí)精細(xì)化污水系統(tǒng)上游設(shè)備沖排砂作業(yè)制度，加強(qiáng)沖排砂、排懸浮物頻次和力度，使泥砂懸浮物外排，無(wú)法在流程中滯留，從而在源頭上解決了污水流程泥砂懸浮物堆積的問(wèn)題。

4 效果對(duì)比

經(jīng)過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)改造、流程調(diào)整等措施，斜板除油器出口含油率降至100 mg/L，達(dá)到啟設(shè)計(jì)處理標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)污水流程水質(zhì)也有明顯改善，如圖2 所示。

圖2 措施改造前后

5 結(jié)語(yǔ)

(1)斜板除油器處理效果不達(dá)預(yù)期，造成后續(xù)處理設(shè)備裙帶影響。綜合原因是由于采出液復(fù)雜多樣，泥砂懸浮物含量高，超出設(shè)備處理能力，同時(shí)設(shè)備本身的設(shè)計(jì)缺陷也使水質(zhì)處理效果不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多番實(shí)踐，綜合分析，找到了適合本平臺(tái)斜板除油器的改造方案。通過(guò)更換高強(qiáng)度波紋板、底部導(dǎo)流板改造、清水室堰板改為可調(diào)式三角堰以及混合室增加外排懸浮物管線，有效提高了斜板除油器的除油效果。

(3)對(duì)于生產(chǎn)多年的老油田，伴隨著油井出砂、聚合物返出和化學(xué)藥劑不配伍等多因素造成的采出液復(fù)雜多樣，通過(guò)流程整體調(diào)節(jié)，精細(xì)化沖排砂排懸浮物管理制服，使泥砂懸浮物外排，避免流程富集，也是提高水質(zhì)效果的一個(gè)有效手段。

(4) 調(diào)整收油方式，最優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作制度，最大限量地降低了斜板除油器出口水相含油的，從而減低了下游生產(chǎn)水處理設(shè)備的處理壓力。

(5)通過(guò)對(duì)化學(xué)藥劑濃度進(jìn)行調(diào)整，提供了當(dāng)前工況下的，藥劑最佳注入濃度，保證了斜板除油器的處理效果。