海上某油田群油水分離及生產(chǎn)水處理系統(tǒng)優(yōu)化擴(kuò)容實踐

摘" " 要：某油田群原有兩艘浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO），為積極響應(yīng)集團(tuán)公司區(qū)域資源整合生產(chǎn)優(yōu)化理念，實現(xiàn)綠色低碳、降本增效的目標(biāo)，結(jié)合油田生產(chǎn)的實際情況，將包括油田1、油田2、油田3在內(nèi)的某油田群合并運營，其中一艘FPSO優(yōu)化到其他區(qū)塊服役。充分考慮各平臺工藝處理流程、油田提液生產(chǎn)要求、產(chǎn)出液壓力、平臺承重等因素，油田2、油田3生產(chǎn)水處理能力擴(kuò)容采用水力旋流器+氣浮方案，油田1新增工藝處理流程采用三相分離器+兩級氣浮方案。油田擴(kuò)容投產(chǎn)后，排海生產(chǎn)水含油率低于該海域排放標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)備運行穩(wěn)定。優(yōu)化擴(kuò)容改造為公司“增儲上產(chǎn)”目標(biāo)奠定良好基礎(chǔ)，同時可為其他油田提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水力旋流器；緊湊式氣浮選；第三代；優(yōu)化擴(kuò)容；生產(chǎn)水

Optimization and expansion of oil-water separation and production water

treatment system in an offshore oilfield group

ZHANG Fanghai， YU Chenglong， YANG Sen， Zhang Guodong， QIAN Cheng

Zhanjiang Oil Production Service Wenchang Branch of CNOOC Energy Development Co.， Ltd.，" Zhanjiang 524057， China

Abstract：To achieve a low carbon， cost-effective， and high-efficiency production guided by the concept of resource integration and production optimization， an oilfield group originally having two floating production storage and offloading units （FPSO） merged Oilfield 1， Oilfield 2， and Oilfield 3 for operation， with one FPSO dispatched to other blocks. With factors including the process flow of each platform， production requirements for oilfield liquid extraction， produced liquid pressure， and platform load-bearing capacity taken into full consideration， the expansion of production water treatment capacity in Oilfield 2 and Oilfield 3 was achieved through a combination of hydrocyclone and air floatation， and the newly added process flow in Oilfield 1 was involved with a combination of three phase separator and two-stage air floatation. After the expanded oilfield started production， the oil content of the production water discharged into the sea could satisfy the discharge standard of the sea area， and the equipment operated stably. Optimization and expansion have laid a solid foundation for the company′s goal of increasing reserves and production， and can also provide a reference for other oilfields.

Keywords：hydrocyclone; compact air flotation; third generation; optimization and expansion; production water

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.005

某油田群原有兩艘浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO），為積極響應(yīng)集團(tuán)公司區(qū)域資源整合生產(chǎn)優(yōu)化理念，實現(xiàn)綠色低碳、降本增效的目標(biāo)，結(jié)合油田生產(chǎn)的實際情況，對包括油田1、油田2、油田3在內(nèi)的某油田群進(jìn)行合并運營，F(xiàn)PSO 1優(yōu)化到其他區(qū)塊服役，油田合并運營后介質(zhì)走向發(fā)生較大變化。為滿足油田合并運營后油氣分離及生產(chǎn)水處理需求，對油田群進(jìn)行擴(kuò)容，增加油氣水分離、生產(chǎn)水處理設(shè)備。采用工藝處理專業(yè)軟件計算，并充分考慮平臺工藝處理流程、油田提液生產(chǎn)要求、產(chǎn)出液壓力、平臺承重、改造工作量、費用等因素，油田2、油田3生產(chǎn)水處理能力擴(kuò)容采用水力旋流器+氣浮方案，油田1新增工藝處理流程采用三相分離器+兩級氣浮方案。油田優(yōu)化擴(kuò)容投產(chǎn)后，排海生產(chǎn)水含油率低于該海域排放標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)備運行穩(wěn)定，處理量滿足生產(chǎn)需求，通過優(yōu)化擴(kuò)容改造為公司“增儲上產(chǎn)”目標(biāo)奠定良好基礎(chǔ)。

1" " 優(yōu)化擴(kuò)容方案設(shè)計

1.1" " 油田群合并前介質(zhì)走向

合并運營前，油田1、油田2不設(shè)置油氣分離、生產(chǎn)水處理裝置。油田1各井產(chǎn)出井液經(jīng)生產(chǎn)管匯匯集后，通過海管輸送到FPSO1處理。油田2各井產(chǎn)出井液經(jīng)生產(chǎn)管匯匯集后，通過棧橋輸送到油田3，與油田3的井液匯合進(jìn)行初步油水分離處理，處理后的含水原油輸送到FPSO1進(jìn)行深度脫水。油田分布及介質(zhì)走向見圖1。

1.2" " 油田群合并后介質(zhì)走向

油田群合并運營后，F(xiàn)PSO1優(yōu)化到其他區(qū)塊服役，油田1、油田2的井液均進(jìn)入油田3，在油田3進(jìn)行初步油水分離等處理后，含水原油和天然氣一起通過海管輸送到FPSO 2進(jìn)行深度處理，達(dá)到商品原油含水率后儲存、外輸。油田分布及介質(zhì)走向見圖2。

1.3" " 油田群合并后優(yōu)化擴(kuò)容方案設(shè)計

經(jīng)核算，油田3原有的生產(chǎn)系統(tǒng)不具備對合并后油田1、油田2、油田3的井液統(tǒng)一進(jìn)行初步油水分離等處理的能力，需要對油田群的平臺生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)容改造。受平臺甲板面積、重量載荷的影響，油田1無法增加原油、生產(chǎn)水處理裝置。因此，綜合考慮FPSO2的處理能力，提出如下優(yōu)化改造方案。

油田1、油田2井液輸送到油田3進(jìn)行處理，油田3新增一套8 500 m3/d處理量的油水分離和生產(chǎn)水處理裝置，用于處理來自油田1的井液。

考慮到平臺空間小，旋流分離裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、重量輕、投資低、運行穩(wěn)定等特點[1-5]，且在海洋石油行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[6-7]。油田3新增的油氣水分離裝置應(yīng)優(yōu)先選用旋流分離裝置。但采用旋流脫水裝置，需要解決以下兩個問題，一是設(shè)備壓降約1 400 kPa（脫氣脫水部分壓降約500 kPa、生產(chǎn)水達(dá)標(biāo)排海部分壓降約900 kPa），油田1外輸壓力需相應(yīng)地提高到3 500 kPa，且所有工藝生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計壓力需提高到4 000 kPa。油田1原外輸壓力、工藝生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計壓力均不滿足要求，設(shè)備和管線需要更換；二是新鋪設(shè)的油田1至油田3海管外輸壓力3 600 kPa，CO2分壓高，海管需采用碳鋼+內(nèi)襯316L，造價太高。針對以上兩個問題，采用分離器替代旋流脫水裝置可以降低油田1海管外輸壓力及CO2分壓。為避免對油田1的過度改造，減少對外輸海管的影響，經(jīng)綜合論證分析，油田1上岸井液油水分離處理裝置采用高效三相分離器方案，三相分離器設(shè)計處理能力為8 500 m3/d。

油田1生產(chǎn)分離器工作壓力為400～500 kPa，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，油田1的水力旋流器的進(jìn)口壓力不宜低于500 kPa[8]，新增的生產(chǎn)水處理流程無法采用目前海上油田常用的“水力旋流器+氣浮選”的組合方式，而是新增兩臺氣浮選，采用“三相分離器+氣浮選”方式。油田1井液輸送至油田3后，其處理工藝流程見圖3。

為滿足油田群合并與未來提液生產(chǎn)需求，新增一套生產(chǎn)水處理設(shè)備與原設(shè)備并聯(lián)運行，將油田3原有的生產(chǎn)水處理系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容。結(jié)合油田2、油田3原生產(chǎn)水處理設(shè)備為“水力旋流器+氣浮選”兩級處理方式，實際應(yīng)用效果較好，加之從配伍性考慮，油田3生產(chǎn)水處理系統(tǒng)擴(kuò)容方案為新增一套“水力旋流器+氣浮選”，根據(jù)油田群合并后的深度脫水需求，新增設(shè)備的設(shè)計處理能力為5 600 m3/d。油田2、油田3工藝處理流程見圖4。

2" " 關(guān)鍵工藝設(shè)備選擇

2.1" " 水力旋流器

1989年中海油與美國Amoco石油公司在我國南海東部聯(lián)合開發(fā)流花11-1油田，第一次在海上采油平臺上使用旋流分離器處理含油污水[9]。經(jīng)過30余年的技術(shù)進(jìn)步，水力旋流器目前在國內(nèi)渤海、南海東部、南海西部等海域海上平臺均成功應(yīng)用[10]。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、設(shè)備體積小、安裝簡便等優(yōu)點[11]，已成為海上生產(chǎn)水處理流程中不可或缺的裝置[12]。水力旋流器的工作原理是在一定的壓差條件下，含油污水在旋流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，利用兩種不相溶液體之間的密度差，將密度大的水拋向旋流管外側(cè)，沿外側(cè)旋流向下運移至下部出水口排出，而密度較小的油滴則聚集在錐管中心低壓區(qū)，并從溢流口排出，從而實現(xiàn)油水分離[13-14]。經(jīng)設(shè)計，本次改造擴(kuò)容選擇的水力旋流器處理量5 600 m3/d、操作溫度70～75 ℃、操作壓力1 600 kPa（G），材質(zhì)為碳鋼+特殊涂層。

2.2" " 氣浮選

緊湊式氣浮法（Compact Floation Unit，CFU）利用氣泡浮選原理，空氣以小氣泡的形式作為上升載體，使廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等通過黏附或包裹氣泡而總體密度與水的密度相差增大，增加其上浮速度，使之上浮至水面，并通過撇除裝置將油從水中去除[15-17]。氣浮法用于處理廢水中油類濃度低于500 mg/L的油田廢水[18]，影響氣浮除油率的主要因素是氣泡與油滴的碰撞、吸附效率。碰撞效率主要受油滴大小與濃度、氣泡大小與數(shù)量以及水力學(xué)特征等影響，而吸附效率則受絮凝、pH值等調(diào)劑的化學(xué)預(yù)處理影響較大[19-20]。最早于2001年由挪威的Epcon Offshore AS公司研制開發(fā)[21-22]，可以去除小到5 μm的油滴；2012—2014年Technology Solutions Group公司、Schlumberger公司先后研制開發(fā)了第二代CFU產(chǎn)品，能夠去除小到1 μm的油滴。目前CFU裝置已發(fā)展至第三代，裝置設(shè)置有獨立的混合內(nèi)腔和外腔，外腔用于儲存分離后的干凈水。浮選氣體注入CFU入口管線產(chǎn)生微氣泡，經(jīng)混合器混合均勻后進(jìn)入CFU罐，之后從CFU罐底部進(jìn)入內(nèi)部腔室[23]。生產(chǎn)水在布液管的作用下，水出口與內(nèi)腔壁相切，產(chǎn)生旋流。

受油田甲板面積、成本等綜合因素的影響，目前海上平臺常用的氣浮選設(shè)備為緊湊式氣浮選。因第三代CFU具有除油效率高、流程簡單特點，且不需要氣浮循環(huán)泵等動設(shè)備，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面考慮，本次改造擴(kuò)容選用第三代CFU裝置，其操作壓力為300 kPa（G），操作溫度為70～75 ℃，處理量為8 500 m3/d。

3" " 其他改造內(nèi)容

1）結(jié)構(gòu)改造。在油田3上層、中層和底層新增甲板，改造尺寸分別為上層甲板北側(cè)外擴(kuò)17 m ×8 m、中層甲板北側(cè)外擴(kuò)21 m × 5 m、中層甲板西側(cè)外擴(kuò)5.6 m × 32 m、底層甲板北側(cè)外擴(kuò)5.6 m × 20 m、底層甲板南側(cè)外擴(kuò)15 m × 3.5 m、平臺南側(cè)立面新增1條立管。根據(jù)平臺新增重量（具體見表1），經(jīng)專業(yè)結(jié)構(gòu)計算軟件校核，平臺樁基承載能力滿足規(guī)范要求，導(dǎo)管架桿件UC（Unit Check）值、節(jié)點沖剪UC值、樁UC值滿足規(guī)范要求。

2）消防安全改造。經(jīng)核算目前平臺消防泵排量、揚程均滿足規(guī)范要求。需要在中層甲板增加一個DN150雨淋閥和相應(yīng)噴淋管線，下層甲板從原DN250噴淋閥下游接出支管，為新增設(shè)備提供噴淋用水。

3）儀控改造。根據(jù)改造需要，增加現(xiàn)場儀表和火氣探頭，將新增信號送控制系統(tǒng)集中監(jiān)控。對控制系統(tǒng)進(jìn)行畫面組態(tài)，并相應(yīng)修改控制邏輯，新增I/O點統(tǒng)計見表2。

4）公用系統(tǒng)。原油田3的閉式排放及冷放空系統(tǒng)主要包括閉式排放罐和閉式排放泵。閉式排放罐主要收集帶壓容器、管道等排放出的帶壓流體，當(dāng)達(dá)到一定的液位時，由閉式排放泵將流體打回流程。正常生產(chǎn)時，平臺沒有氣體排放，當(dāng)發(fā)生事故時，泄放氣體通過平臺冷放空管排入大氣。在油田1井液接入后，油田3的冷放空系統(tǒng)同原設(shè)計一致，無連續(xù)放空量。最大放空量為新增分離器及原分離器火災(zāi)工況下的安全閥疊加放空量，經(jīng)過校核，油田3原閉式排放罐、閉式排放泵滿足要求；冷放空管直徑滿足相關(guān)規(guī)范要求，其高度需要提高到25 m。

4" " 實施效果

油氣分離及生產(chǎn)水處理設(shè)備安裝、調(diào)試完成后，進(jìn)行了3個月的試運行，每天進(jìn)行設(shè)備進(jìn)/出口取樣，對含油濃度進(jìn)行分析、化驗。

1）油田3新增的“水力旋流器+氣浮選”油水分離、生產(chǎn)水處理裝置運行效果良好。試運行期間新增“水力旋流器+氣浮選”生產(chǎn)水處理裝置入口水含油濃度為233～467 mg/L，平均含油濃度為322.08 mg/L。經(jīng)裝置處理后含油濃度為8～28 mg/L，平均含油濃度為16.46 mg/L（見圖5），低于GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》中二級海域中石油類的排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）油田1井液經(jīng)“三相分離器+氣浮選”油水分離、生產(chǎn)水處理裝置處理后，生產(chǎn)水處理達(dá)標(biāo)。試運行期間兩級氣浮裝置入口生產(chǎn)水含油濃度為32～233 mg/L，平均含油濃度為99.79 mg/L。經(jīng)兩級氣浮裝置處理后含油濃度為5～26 mg/L，平均含油濃度為13.07 mg/L（見圖6），低于GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》中二級海域中石油類的排放標(biāo)準(zhǔn)。

5" " 結(jié)論

1）考慮到油田2、油田3原生產(chǎn)水處理設(shè)備為“水力旋流器+氣浮選”兩級處理方式，油田實際應(yīng)用效果好，從配伍性等方面考慮，新增一套同類型設(shè)備與原設(shè)備并聯(lián)運行，擴(kuò)容油田3現(xiàn)有的井液處理能力，為后續(xù)油田提液生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。油田1產(chǎn)出液壓力低，油水分離設(shè)備選用高效三相分離器，生產(chǎn)水處理采用兩級氣浮選方案。

2）擴(kuò)容改造選用的第三代CFU是近些年新推出的產(chǎn)品，具有除油效率高、流程簡單、不需要氣浮循環(huán)泵動設(shè)備等優(yōu)點，實踐證明處理生產(chǎn)水效果好，適合推廣到海上其他平臺應(yīng)用。

3）某油田群的擴(kuò)容改造方案占用甲板面積小、投入成本低，與油田群原有流程兼容性強，投入運行后設(shè)備運行穩(wěn)定、處理效果好，有效實現(xiàn)了產(chǎn)能釋放的目的，可供類似的油田群改造項目參考借鑒。

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作者簡介：

張方海（1981—），男，黑龍江寧安人，工程師2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）材料化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上油氣田生產(chǎn)、數(shù)字化、智能化方面的研究。Email：87579961@qq.com

收稿日期：2024-06-28