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

我國海上油田平臺的生產(chǎn)水外排渠道有兩種：一種是生產(chǎn)水處理達標后排海；另一種是生產(chǎn)水處理達標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，伴隨著海上平臺生產(chǎn)水處理量不斷增大，對常規(guī)的生產(chǎn)水處理工藝發(fā)起挑戰(zhàn)，海上平臺目前使用的生產(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。

隔油氣浮過濾組合技術(shù)優(yōu)勢是物料適用性強、除油效果穩(wěn)定、能高效去除乳化油、各設(shè)備易單獨調(diào)控和改造。劣勢一是總投資大、總占地空間太大，不適合可用空間小的平臺；二是電耗大、運行運費高；

水力旋流技術(shù)優(yōu)勢是占地空間小、投資及運行費用較低、分離快速、操作簡單，對15 μm 以上油滴的分離效率達90%。劣勢一是為維持高效分離區(qū)間的旋流場強度，其操作彈性小；二是由于旋流分離原理的限制，無法分離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，采用分級分步處理的思路，開發(fā)了親疏水異性組合纖維束物理強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分步的方法進行快速高效分離。該技術(shù)設(shè)備占地面積小、操作簡單、節(jié)能環(huán)保、快速高效，有著較好的應(yīng)用前景。但對于聚結(jié)除油技術(shù)在海上油田的應(yīng)用研究仍需不斷評價、深入、優(yōu)化[2]。

2. 聚結(jié)除油裝置簡介及運行存在問題

2.1. 聚結(jié)除油裝置簡介

聚結(jié)除油裝置采用模塊化設(shè)計[3]，包括一級進口整流分布器模組、二級粗粒化模組、三級改性波紋強化沉降模組、四級納米改性分離模組，將所有模組通過工藝手段整合在立式容器中，該工藝優(yōu)化了平臺生產(chǎn)水處理流程，由斜板 + 氣浮兩級處理可縮減為一級處理，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. 裝置運行流體流動示意圖

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

聚結(jié)除油裝置反洗時，為保證反洗效率，通入壓力應(yīng)不小于0.6 MPa 的氮氣，通入時長根據(jù)現(xiàn)場反洗情況來定。在來液含油物性(粘度小于1000 mPa?s；密度 < 0.95 mg/L)非重質(zhì)粘度油品時，氮氣通入方式為間歇性通入，時間間隔為1 分鐘或0.5 分鐘。當(dāng)來液品質(zhì)較差，有堵死纖維床層的風(fēng)險時，應(yīng)縮短反洗周期。

2.2. 裝置運行存在問題

1) 裝置高頻次反洗

自海上油田某平臺生產(chǎn)水處理系統(tǒng)擴容改造完成后，經(jīng)調(diào)試聚結(jié)除油裝置投入運行。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)油含量長期高于2000 mg/L，甚至超過3000 mg/L，為保證出口水質(zhì)，需要對聚結(jié)除油裝置頻繁反洗，給平臺操作人員增加工作強度，同時產(chǎn)生的大量反洗水給平臺污水罐、污水泵等設(shè)備帶來壓力。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

因進液水質(zhì)指標高于裝置入口設(shè)計值，同時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[4]，導(dǎo)致反洗周期較短。含油絮團基本形態(tài)見圖2，絮團不呈現(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)則團狀結(jié)構(gòu)，而絮團內(nèi)的多孔結(jié)構(gòu)為原油提供了大量附著點位。此類含油絮團形成主要原因如下：

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

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

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

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

3. 工藝優(yōu)化及評價

針對海上油田某平臺新增生產(chǎn)水處理系統(tǒng)所反映的問題，計劃從聚結(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)除油裝置的四級納米改性分離模組進行調(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化模塊見圖4。

Figure 3. Fiber module圖3. 纖維模塊

Figure 4. Reinforcement module圖4. 強化模塊

2) 通過三級改性波紋強化沉降模組壓力表口引入氣相吹脫管線，緊貼四級納米改性分離模組進口布置，設(shè)備運行時，利用作業(yè)平臺現(xiàn)有氮氣(純氣相，非溶氣水)，間歇性吹脫存留在強化模塊內(nèi)的含油絮團；同時在四級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. 四級模組改造示意圖

3.2. 工藝評價及藥劑優(yōu)化

為了驗證優(yōu)化后模組的處理效果，制造模擬四級納米改性分離模組小試裝備，在聚結(jié)除油裝置三級改性波紋強化沉降模組出口(四級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)場試驗，同時調(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到最佳，調(diào)整兩種水處理藥劑的濃度，使其達到最優(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，對小試裝備、聚結(jié)除油裝置進行數(shù)據(jù)檢測，取樣點分別設(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，對四個取樣點進行取樣化驗，由圖6 可以看出，聚結(jié)除油裝置入口來液性質(zhì)不穩(wěn)定，水中含油量超出裝置設(shè)計能力，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. 小試試驗各位置水中含油對比圖

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)試運行45 天，通過監(jiān)測不同流量下的聚結(jié)除油裝置進出口水中含油量以及反洗周期的變化，對聚結(jié)除油裝置優(yōu)化后的效果進行再評估[5]。

依照流量的變化，整個調(diào)試運行過程可分三個階段：

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；入口平均水中含油相差無幾，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”以及平臺作業(yè)空間受限等因素，聚結(jié)除油工藝應(yīng)運而生，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，通過對聚結(jié)除油裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造，更換了四級模組的功能模塊，加裝氣相吹脫管線、收油槽；同時優(yōu)化了處理藥劑濃度，使聚結(jié)除油裝置達到處理要求。

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

2) 經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，處理藥劑BHQ08 和BHQ133 最優(yōu)濃度均為15 mg/L，生產(chǎn)水處理效果達到最優(yōu)。

3) 在額定處理量230 m3/h 運行情況下，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，出口平均水中含油由94 mg/L 降到44.6 mg/L，平均除油效率達到98.4。