熊 泰，代品一，孟全意，鄭文強，侯 旺，楊 強

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

海洋油氣資源開發(fā)是我國海洋強國戰(zhàn)略的重要 組成部分，關(guān)系國家能源安全〔1〕。《中國海洋石油集團有限公司2020 可持續(xù)發(fā)展報告》指出，2020 年中國海油國內(nèi)油氣產(chǎn)量首次突破6 500 萬t，其中國內(nèi)原油同比增產(chǎn)240 萬t，占全國原油增幅的80%以上，海上油氣生產(chǎn)已經(jīng)成為重要能源增長極。我國近海大約有200 余個石油開采平臺，生產(chǎn)水是油氣開采最大的副產(chǎn)物。排海生產(chǎn)水從21 世紀初的不足5 000萬t/a，增長到目前每年超2 億t，如不達標處理，會對海洋生態(tài)環(huán)境造成較大威脅〔2〕。

隨著我國對海洋資源的不斷開發(fā)，對石油需求量的不斷加大，各平臺現(xiàn)有的生產(chǎn)量已無法滿足實際需求，石油二次開采加速，導(dǎo)致采出液的含水率越來越高，部分油田采出液含水率達到90%以上〔3〕。過高的含水率增加了平臺負荷，提高了處理流程的復(fù)雜性，進而導(dǎo)致生產(chǎn)水排海指標的下滑。此外，由于我國各油田地質(zhì)條件、開發(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生產(chǎn)水處理工藝還存在依賴進口的問題。為解決現(xiàn)有油水分離設(shè)備體積大、效率低以及應(yīng)用面窄等問題，本研究設(shè)計了小型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進行連續(xù)性的小規(guī)模工業(yè)側(cè)線試驗，以驗證設(shè)備實際工業(yè)應(yīng)用的油水分離性能。

1 油水分離側(cè)線試驗

1.1 CFC 油水分離器側(cè)線試驗

本試驗擬探究CFC 油水分離器用于油水精細分離的性能，嘗試用1 臺CFC 油水分離器取代“水力旋流器+撇油罐”兩級設(shè)備在不同流量下連續(xù)運行，達到經(jīng)一級裝備分離后生產(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〕。單臺設(shè)備設(shè)計處理量5 m3/h，設(shè)計壓力1.25 MPa，總?cè)莘e0.25 m3，裝置示意見圖1。

異質(zhì)纖維聚結(jié)模塊的基本原理為微細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)點處的極性受力破乳。如圖2 所示，水中微細分散油滴在親油纖維上發(fā)生碰撞捕獲-快速聚并長大，隨著大油滴的脫離，纖維表面得以更新，如此循環(huán)，實現(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)點時，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)線試驗流程見圖3。

圖3 CFC 油水分離器側(cè)線試驗流程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)水進行CFC 油水分離器試驗，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)備進出口取樣測定水中油含量，考察設(shè)備油水分離效果。

1.2 AMFD 高效分離器側(cè)線試驗

本試驗擬探究一級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，以達到一級或兩級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，一根主管帶三根副管、多主管并聯(lián)形成分離模塊，用于實現(xiàn)氣、固、液三相的快速分離分散。單臺設(shè)備設(shè)計最大處理量5 m3/h，設(shè)計壓力1.38 MPa，總?cè)莘e0.157 m3。AMFD 高效分離器基于粒徑分級分離，主體結(jié)構(gòu)分為主分離腔及副分離腔2 個部分。油水氣從主分離腔的底部進入分離器內(nèi)部，在旋轉(zhuǎn)葉片作用下，形成旋轉(zhuǎn)流運動，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（邊壁壓力高，中心壓力低），在徑向截面內(nèi)形成壓力梯度場，而在溢流口形成負壓場，在壓力梯度場和離心場的綜合作用下，使氣泡攜油從邊壁區(qū)域運動到中心負壓場，進而實現(xiàn)液體脫氣除油過程〔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)線試驗流程見圖5。

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

如圖5 所示，此階段試驗中，用一臺AMFD 高效分離器進行生產(chǎn)水側(cè)線試驗，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 油含量測試

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

1.4 除油率計算

除油率E 的計算見式（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 油滴粒徑計算

由于平臺上條件有限，無法用精密的儀器來直接測量水中油滴的粒徑分布，因此采用重力沉降法〔11〕對其進行間接測量。通過測量不同時間下同一高度處樣品水中油含量，得到油含量與時間t 的關(guān)系圖，之后再根據(jù)式（2）來推算油含量與粒徑的關(guān)系，最終經(jīng)過運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——取樣點距液面高度，取0.1 m；

μ——連續(xù)相動力黏度，取1.005×10-3Pa·s；

t——取樣時間，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 試驗結(jié)果與討論

2.1 CFC 油水分離器側(cè)線試驗效果

采用CFC 油水分離器進行了為期14 d 的連續(xù)性生產(chǎn)水分離試驗。試驗期間，設(shè)備運行穩(wěn)定，水處理效果較佳，詳細數(shù)據(jù)見圖6。

由圖6 可知，在3～7 m3/h 處理量范圍內(nèi)進行試驗，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%。

相同取樣時間段，對平臺現(xiàn)有水力旋流器出口水相、外排水（撇油罐出口水相）進行取樣，油含量化驗分析結(jié)果與CFC 油水分離器進出口水中油含量進行對比，結(jié)果見圖7。

圖6 CFC 油水分離器進出口水相油含量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，數(shù)據(jù)存在異常，分析原因可能是取樣時操作不當。

圖7 中紅框內(nèi)數(shù)據(jù)異常原因為其他平臺采出液進行停用破乳劑試驗，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)曲線相對平穩(wěn)波動。在停用破乳劑試驗過程中，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前后僅有0.31 mg/L的變化，幾乎不受停用破乳劑試驗的影響。因此，該技術(shù)可以取消破乳劑的使用，實現(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)備可以增強甚至取代化學(xué)法處理〔12〕。

圖8 為試驗流量為5.0 m3/h 時的生產(chǎn)水取樣實物圖，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)有平臺設(shè)備處理后的水相無異。

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

2.2 AMFD 高效分離器側(cè)線試驗效果

采用AMFD 高效分離器進行了5 d 的連續(xù)性生產(chǎn)水分離試驗，運行結(jié)果見圖9。

試驗過程中，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，當流量小于5 m3/h時，設(shè)備有較佳的處理效果，其進口平均含油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)場圖Fig.8 Site drawing of production water sampling

圖10為AMFD高效分離器進出口、水旋出口和外排水油含量的對比曲線，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，皆低于國家一級水域排海標準，同時，AMFD高效分離器水相停留時間僅為平臺原水處理流程中“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，無法達到國家生產(chǎn)水排放標準。因此，在較佳流量下可采取一級AMFD高效除油器進行油水的快速粗分離，從而達到減少分離時間和設(shè)備占地面積的目的。

圖9 AMFD 高效分離器進出口水相油含量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AMFD 高效分離器進出口的水樣，采用沉降法測量其油滴粒徑。不同時間下水相油含量的原始數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同時間下水相油含量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，進而可獲得粒徑累計體積（Q0）與粒徑（d）的關(guān)系曲線，即圖11 中的粒徑累計分布曲線，再對該曲線進行求導(dǎo)，得到對應(yīng)的圖11 中的粒徑頻率分布曲線，其中q0表示單一粒徑對應(yīng)的體積分數(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，說明此平臺生產(chǎn)水中油是以分散油為主，且AMFD 高效分離器對此細小粒徑的分散油有良好的分離效果。

圖11 AMFD 進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，低于當前平臺外排水中油的質(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 高效分離器試驗裝置，在流量小于5 m3/h，設(shè)備進口生產(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間僅為平臺原水處理流程中“水力旋流器+撇油罐”的77.5%條件下，以一級設(shè)備取代“水力旋流器+撇油罐”兩級設(shè)備串聯(lián)，外排水油含量低于國家一級水域排海標準。

（3）運用重力沉降法計算可得，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 高效分離器針對此細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程，環(huán)保效益顯著，是推動綠色海洋環(huán)保裝備國產(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進行推廣應(yīng)用的價值。