海上平臺(tái)生產(chǎn)水處理的工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)研究

熊 泰，代品一，孟全意，鄭文強(qiáng)，侯 旺，楊 強(qiáng)

（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司惠州油田，廣東深圳 518067）

海洋油氣資源開(kāi)發(fā)是我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要 組成部分，關(guān)系國(guó)家能源安全〔1〕?！吨袊?guó)海洋石油集團(tuán)有限公司2020 可持續(xù)發(fā)展報(bào)告》指出，2020 年中國(guó)海油國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)量首次突破6 500 萬(wàn)t，其中國(guó)內(nèi)原油同比增產(chǎn)240 萬(wàn)t，占全國(guó)原油增幅的80%以上，海上油氣生產(chǎn)已經(jīng)成為重要能源增長(zhǎng)極。我國(guó)近海大約有200 余個(gè)石油開(kāi)采平臺(tái)，生產(chǎn)水是油氣開(kāi)采最大的副產(chǎn)物。排海生產(chǎn)水從21 世紀(jì)初的不足5 000萬(wàn)t/a，增長(zhǎng)到目前每年超2 億t，如不達(dá)標(biāo)處理，會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成較大威脅〔2〕。

隨著我國(guó)對(duì)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)石油需求量的不斷加大，各平臺(tái)現(xiàn)有的生產(chǎn)量已無(wú)法滿足實(shí)際需求，石油二次開(kāi)采加速，導(dǎo)致采出液的含水率越來(lái)越高，部分油田采出液含水率達(dá)到90%以上〔3〕。過(guò)高的含水率增加了平臺(tái)負(fù)荷，提高了處理流程的復(fù)雜性，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)水排海指標(biāo)的下滑。此外，由于我國(guó)各油田地質(zhì)條件、開(kāi)發(fā)方式、注水水質(zhì)、油層改造措施、技術(shù)工藝等均不相同，導(dǎo)致各油田的采油污水性質(zhì)差異較大〔4〕，且部分年久的海上平臺(tái)生產(chǎn)水處理工藝還存在依賴進(jìn)口的問(wèn)題。為解決現(xiàn)有油水分離設(shè)備體積大、效率低以及應(yīng)用面窄等問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了小型CFC 組合纖維聚結(jié)油水分離器〔5〕和AMFD 高效微氣浮除油分離器〔6〕，并前往中海石油南海某海上平臺(tái)進(jìn)行連續(xù)性的小規(guī)模工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的油水分離性能。

1 油水分離側(cè)線試驗(yàn)

1.1 CFC 油水分離器側(cè)線試驗(yàn)

本試驗(yàn)擬探究CFC 油水分離器用于油水精細(xì)分離的性能，嘗試用1 臺(tái)CFC 油水分離器取代“水力旋流器+撇油罐”兩級(jí)設(shè)備在不同流量下連續(xù)運(yùn)行，達(dá)到經(jīng)一級(jí)裝備分離后生產(chǎn)水可直接排海的目的。

CFC 油水分離器裝置主要內(nèi)件為安裝于設(shè)備前端的異質(zhì)纖維聚結(jié)模塊，該模塊由親水疏油纖維和疏水親油纖維以一定比例編織成X 型或Ω 型，其中聚四氟乙烯（PTFE）纖維用作親油纖維，銀纖維用作高疏油纖維，尼龍纖維用作低疏油纖維〔7-9〕。單臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)處理量5 m3/h，設(shè)計(jì)壓力1.25 MPa，總?cè)莘e0.25 m3，裝置示意見(jiàn)圖1。

異質(zhì)纖維聚結(jié)模塊的基本原理為微細(xì)分散油在親油纖維表面的快速聚并分離以及乳化油在親/疏水異質(zhì)纖維交叉節(jié)點(diǎn)處的極性受力破乳。如圖2 所示，水中微細(xì)分散油滴在親油纖維上發(fā)生碰撞捕獲-快速聚并長(zhǎng)大，隨著大油滴的脫離，纖維表面得以更新，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)油滴的快速聚并分離；油水乳化液滴在流經(jīng)異質(zhì)纖維交叉節(jié)點(diǎn)時(shí)，因液滴在親油、親水纖維上的極性受力差異，油滴向親油性纖維遷移，水滴向親水性纖維遷移，實(shí)現(xiàn)乳液的高效物理破乳。

圖1 CFC 油水分離器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of CFC oil-water separator device

圖2 纖維聚結(jié)分離原理Fig.2 Principle of fiber coalescence and separation

CFC 油水分離器側(cè)線試驗(yàn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 CFC 油水分離器側(cè)線試驗(yàn)流程Fig.3 Sideline test process of CFC oil-water separator

如圖3 所示，從生產(chǎn)流程中分流出一部分生產(chǎn)水進(jìn)行CFC 油水分離器試驗(yàn)，設(shè)備入口與生產(chǎn)分離器出口相連，出口與沉箱相連，分別在設(shè)備進(jìn)出口取樣測(cè)定水中油含量，考察設(shè)備油水分離效果。

1.2 AMFD 高效分離器側(cè)線試驗(yàn)

本試驗(yàn)擬探究一級(jí)AMFD 高效分離器用于油水粗分離的性能，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化作參考，以達(dá)到一級(jí)或兩級(jí)AMFD 高效分離器處理后生產(chǎn)水直接排海的目的。

如圖4 所示，AMFD 高效分離器采用旋流離心分離式設(shè)計(jì)，一根主管帶三根副管、多主管并聯(lián)形成分離模塊，用于實(shí)現(xiàn)氣、固、液三相的快速分離分散。單臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)最大處理量5 m3/h，設(shè)計(jì)壓力1.38 MPa，總?cè)莘e0.157 m3。AMFD 高效分離器基于粒徑分級(jí)分離，主體結(jié)構(gòu)分為主分離腔及副分離腔2 個(gè)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和氣泡進(jìn)入旋轉(zhuǎn)半徑較小的副分離腔，利用旋流腔體內(nèi)形成的壓力梯度場(chǎng)（邊壁壓力高，中心壓力低），在徑向截面內(nèi)形成壓力梯度場(chǎng)，而在溢流口形成負(fù)壓場(chǎng)，在壓力梯度場(chǎng)和離心場(chǎng)的綜合作用下，使氣泡攜油從邊壁區(qū)域運(yùn)動(dòng)到中心負(fù)壓場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液體脫氣除油過(guò)程〔10〕。

圖4 AMFD 內(nèi)件主管裝置示意Fig.4 Schematic diagram of AMFD inner core tube device

AMFD 高效分離器側(cè)線試驗(yàn)流程見(jiàn)圖5。

圖5 AMFD 高效分離器側(cè)線試驗(yàn)流程Fig.5 Sideline test process of AMFD high-efficiency separator

如圖5 所示，此階段試驗(yàn)中，用一臺(tái)AMFD 高效分離器進(jìn)行生產(chǎn)水側(cè)線試驗(yàn)，由生產(chǎn)分離器連接水力旋流器的管線引出小部分生產(chǎn)水接設(shè)備入口，將設(shè)備出口再匯入此沉箱中，保證排海水質(zhì)免受污染。

1.3 油含量測(cè)試

參照《海上碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》（Q/HS 2042—2008），使用wilks Infra Cal2 TOG/TPH Analyzer 測(cè)油儀測(cè)量生產(chǎn)水中總石油烴含量。

1.4 除油率計(jì)算

除油率E 的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：E——除油率，%；

ωin——設(shè)備入口生產(chǎn)水中油的質(zhì)量濃度，mg/L；

ωout——設(shè)備出口生產(chǎn)水中油的質(zhì)量濃度，mg/L。

1.5 油滴粒徑計(jì)算

由于平臺(tái)上條件有限，無(wú)法用精密的儀器來(lái)直接測(cè)量水中油滴的粒徑分布，因此采用重力沉降法〔11〕對(duì)其進(jìn)行間接測(cè)量。通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間下同一高度處樣品水中油含量，得到油含量與時(shí)間t 的關(guān)系圖，之后再根據(jù)式（2）來(lái)推算油含量與粒徑的關(guān)系，最終經(jīng)過(guò)運(yùn)算及作圖得到油滴粒徑頻率分布曲線。

式中：d——油滴粒徑，μm；

h——取樣點(diǎn)距液面高度，取0.1 m；

μ——連續(xù)相動(dòng)力黏度，取1.005×10-3Pa·s；

t——取樣時(shí)間，s；

ψ——流變系數(shù)，取1.36；

Δρ——兩相密度差，取ρ水=1×103kg/m3，ρ油=0.85×103kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 N/kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 CFC 油水分離器側(cè)線試驗(yàn)效果

采用CFC 油水分離器進(jìn)行了為期14 d 的連續(xù)性生產(chǎn)水分離試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，水處理效果較佳，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

由圖6 可知，在3～7 m3/h 處理量范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備入口平均含油341.03 mg/L，出口平均含油9.43 mg/L，平均除油率97.2%。

相同取樣時(shí)間段，對(duì)平臺(tái)現(xiàn)有水力旋流器出口水相、外排水（撇油罐出口水相）進(jìn)行取樣，油含量化驗(yàn)分析結(jié)果與CFC 油水分離器進(jìn)出口水中油含量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖6 CFC 油水分離器進(jìn)出口水相油含量Fig.6 Oil content in inlet and outlet water of CFC oil-water separator

圖7 CFC 油水分離器進(jìn)出口、水旋出口及外排水油含量Fig.7 Oil content of inlet and outlet，hydrocyclone outlet and external water of CFC oil-water separator drainage

由圖7 可知，水力旋流器出口水相平均含油18.25 mg/L，外排水平均含油15.33 mg/L。CFC 分離器出口水與平臺(tái)水力旋流器出水、外排水相比較，平均油含量更低，且在60%～120%處理流量下，CFC 分離器出口油含量均低于外排水油含量，僅在流量為7.0 m3/h 時(shí)，數(shù)據(jù)存在異常，分析原因可能是取樣時(shí)操作不當(dāng)。

圖7 中紅框內(nèi)數(shù)據(jù)異常原因?yàn)槠渌脚_(tái)采出液進(jìn)行停用破乳劑試驗(yàn)，致使結(jié)果受到影響。在未停用破乳劑前，生產(chǎn)分離器出口水相平均含油321.08 mg/L，水力旋流器出口水相平均含油17.04 mg/L，外排水平均含油13.11 mg/L，CFC 分離器出口水相平均含油9.31 mg/L，數(shù)據(jù)曲線相對(duì)平穩(wěn)波動(dòng)。在停用破乳劑試驗(yàn)過(guò)程中，生產(chǎn)分離器出口水相平均含油352.95 mg/L，水力旋流器出口水相平均含油18.98 mg/L，外排水平均含油16.67 mg/L，CFC 分離器出口水相平均含油9.62 mg/L。與破乳劑試驗(yàn)前相比，停加破乳劑后，生產(chǎn)分離器出口水相、水力旋流器出口水相以及外排水油含量數(shù)值均明顯升高，數(shù)據(jù)曲線波動(dòng)異常，偶爾外排水油含量曲線與水力旋流器出口水相油含量曲線交叉，分離效率受影響較大，而CFC分離器水相出口含油在破乳劑試驗(yàn)前后僅有0.31 mg/L的變化，幾乎不受停用破乳劑試驗(yàn)的影響。因此，該技術(shù)可以取消破乳劑的使用，實(shí)現(xiàn)不添加化學(xué)藥劑的綠色處理，表明高效的物理分離設(shè)備可以增強(qiáng)甚至取代化學(xué)法處理〔12〕。

圖8 為試驗(yàn)流量為5.0 m3/h 時(shí)的生產(chǎn)水取樣實(shí)物圖，圖中①、②、③、④分別為CFC 分離器入口和出口、水力旋流器出口以及外排水出口的水樣，可以明顯看出CFC 分離器出口水相變得澄清透明，與現(xiàn)有平臺(tái)設(shè)備處理后的水相無(wú)異。

綜上，一級(jí)CFC 油水分離器可用于取代“水力旋流器+撇油罐”兩級(jí)裝置串聯(lián)，且可取消化學(xué)破乳劑的使用，分離后生產(chǎn)水油含量遠(yuǎn)低于國(guó)家一級(jí)海域月平均生產(chǎn)水排放標(biāo)準(zhǔn)（≤20 mg/L）。

2.2 AMFD 高效分離器側(cè)線試驗(yàn)效果

采用AMFD 高效分離器進(jìn)行了5 d 的連續(xù)性生產(chǎn)水分離試驗(yàn)，運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖9。

試驗(yàn)過(guò)程中，AMFD高效分離器處理流量從3.0 m3/h逐漸提升至8.0 m3/h。如圖9所示，當(dāng)流量小于5 m3/h時(shí)，設(shè)備有較佳的處理效果，其進(jìn)口平均含油364.4 mg/L，出口平均含油19.0 mg/L，平均分離效率94.4%。

圖8 生產(chǎn)水取樣現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.8 Site drawing of production water sampling

圖10為AMFD高效分離器進(jìn)出口、水旋出口和外排水油含量的對(duì)比曲線，可以看出，低流量下設(shè)備出口與現(xiàn)工藝條件下的外排水油含量基本保持一致，皆低于國(guó)家一級(jí)水域排海標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，AMFD高效分離器水相停留時(shí)間僅為平臺(tái)原水處理流程中“水力旋流器+撇油罐”的77.5%。而流量升高后設(shè)備出口油含量明顯增大、除油效率顯著降低，無(wú)法達(dá)到國(guó)家生產(chǎn)水排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，在較佳流量下可采取一級(jí)AMFD高效除油器進(jìn)行油水的快速粗分離，從而達(dá)到減少分離時(shí)間和設(shè)備占地面積的目的。

圖9 AMFD 高效分離器進(jìn)出口水相油含量Fig.9 Oil content in inlet and outlet water of AMFD high-efficiency separator

圖10 AMFD 高效分離器進(jìn)出口、水旋出口、外排水水相油含量Fig.10 Oil content of inlet and outlet，hydrocyclone outlet，external drainage water of AMFD high-efficiency separator

2.3 油滴粒徑分析

取流量為10 m3/h 時(shí)AMFD 高效分離器進(jìn)出口的水樣，采用沉降法測(cè)量其油滴粒徑。不同時(shí)間下水相油含量的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同時(shí)間下水相油含量Table 1 Oil content in water at different times

由表1數(shù)據(jù)并結(jié)合式（2）可得油含量與粒徑d的關(guān)系曲線，進(jìn)而可獲得粒徑累計(jì)體積（Q0）與粒徑（d）的關(guān)系曲線，即圖11 中的粒徑累計(jì)分布曲線，再對(duì)該曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得到對(duì)應(yīng)的圖11 中的粒徑頻率分布曲線，其中q0表示單一粒徑對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)〔9〕。由圖11可知，AMFD 高效分離器和生產(chǎn)分離器出口水相油滴的中位粒徑分別為13.0 μm 和14.5 μm，說(shuō)明此平臺(tái)生產(chǎn)水中油是以分散油為主，且AMFD 高效分離器對(duì)此細(xì)小粒徑的分散油有良好的分離效果。

圖11 AMFD 進(jìn)出口水相油滴粒徑分布Fig.11 Oil droplet size distribution of AMFD inlet and outlet water phase

3 結(jié)論

（1）從生產(chǎn)分離器水相出口接入CFC 油水分離器試驗(yàn)裝置，在生產(chǎn)水平均含油341.03 mg/L 的條件下，其出口水相平均含油9.43 mg/L，低于當(dāng)前平臺(tái)外排水中油的質(zhì)量濃度15.33 mg/L，平均分離效率97.2%，且可取消化學(xué)試劑的使用，因此該技術(shù)裝置可替代原工藝中水力旋流器和撇油罐串聯(lián)工段。

（2）從生產(chǎn)分離器水相出口接入AMFD 高效分離器試驗(yàn)裝置，在流量小于5 m3/h，設(shè)備進(jìn)口生產(chǎn)水平均含油364.4 mg/L 的條件下，設(shè)備出口水相平均含油19.0 mg/L，平均分離效率94.4%。且AMFD 高效分離器水相停留時(shí)間僅為平臺(tái)原水處理流程中“水力旋流器+撇油罐”的77.5%條件下，以一級(jí)設(shè)備取代“水力旋流器+撇油罐”兩級(jí)設(shè)備串聯(lián)，外排水油含量低于國(guó)家一級(jí)水域排海標(biāo)準(zhǔn)。

（3）運(yùn)用重力沉降法計(jì)算可得，AMFD 高效分離器和生產(chǎn)分離器出口水相油滴的中位粒徑分別為13.0 μm 和14.5 μm，表明AMFD 高效分離器針對(duì)此細(xì)小粒徑分散油的分離效果明顯。

（4）CFC 油水分離技術(shù)是一種新型高效的生產(chǎn)水除油技術(shù)，適用于空間狹小、承重能力受限的海上油田生產(chǎn)水快速深度除油處理過(guò)程，環(huán)保效益顯著，是推動(dòng)綠色海洋環(huán)保裝備國(guó)產(chǎn)化發(fā)展的重大突破，具備向各類有生產(chǎn)處理需求的海上油田平臺(tái)進(jìn)行推廣應(yīng)用的價(jià)值。