南海油田水处理新工艺研究及应用

2021-06-17陈文峰张苏飞曾树兵

盐科学与化工 2021年5期

周建，陈文峰，张苏飞，余智，曾树兵

(海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300451)

1 南海油田水处理概述

海上油田水处理包括生产污水处理和注水处理。南海油田生产污水处理工艺主要有水力旋流器、紧凑式气浮、撇油罐等，各级设备适当组合使用，将水中含油量处理到要求指标；南海注水开发油田很少，可参考渤海油田注水处理流程，主要包括核桃壳滤器、双介质滤器、超滤等处理设备，处理油及悬浮物。

1.1 生产污水除油原理

生产污水的来源很多，但一般是水包油(O/W)的分散体系。其分散的状态与油、乳化剂、水的性质及其生成条件有关。一般认为，油在水中主要以五种状态分布[1]。

(1)浮油。油在水中分散颗粒较大，油粒径一般大于100 μm，静置后能较快上浮，以连续相的油膜漂浮在水面，用一般重力分离设备即能去除。

(2)分散油。油在水中的分散粒径为 10 μm～100 μm，以微小油珠悬浮于水中，不稳定，一般借助旋流和气浮等外力除去。

(3)乳化油。油珠粒径小于 10 μm，一般为0.1 μm～2 μm。往往因水中含有表面活性剂使油珠形成稳定的乳化液。

(4)溶解油。油以分子状态或化学方式分散于水体中，形成稳定的均相体系，粒径一般小于几微米。油和水形成均相体系，非常稳定，用一般的物理方法无法去除。但由于油在水中的溶解度很小(5 mg/L～15 mg/L)，所以在水中的比例仅约为0.5%。

(5)固体附着油。吸附于废水中固体颗粒表面的油。

废水中的油类多数以几种状态并存，极少以单一的状态存在。一般需采用多级处理方法，经分别处理后才能达到排放标准。目前根据油的不同性质相续开发了不同的除油技术，按照处理原理的不同，可以分为物理法、化学法、物理化学法和生物法等，其中物理除油方法在石化行业装置回用含油废水处理及深度预处理过程中起了重要作用，如重力分离法、过滤法、膜分离法、粗粒化法及旋流分离方法等。

经济有效的分离形式分别为：游离态，重力沉降分离；分散态，旋流分离、CPI；乳化态，聚结、离心、电场分离；溶解态，吸附、膜、化学手段。

1.2 纳滤膜分离技术概述

常见的去除离子的方法主要有纳滤膜法、反渗透膜法、电渗析法、蒸馏法、树脂交换法。纳滤膜孔径约为1 nm左右，适宜分离大小约为1 nm的溶解组分，更适合于二价离子脱除，截留率≥99.9% ，能耗低，投资较低。

纳滤的工作过程是原水在膜的一侧从一端流向另一端，水分子透过膜表面，从原水侧到达另一侧；而无机盐离子留在原来的一侧，随着原水的流程逐渐增长，水分子不断从原水中取走，留在原水中的含盐量逐步增大，即原水逐步得到浓缩，从装置中排出。

研究发现，操作压力对纳滤过程的影响至关重要，膜最佳操作压力在2 MPaG～3 MPaG之间；对于温度，一般需要25 ℃～35 ℃[2]。

2 生产水处理工艺

2.1 常规生产水处理工艺流程

目前南海典型油田生产污水处理流程通常是水力旋流器和紧凑式气浮CFU串联。来自上游三相分离器的生产污水首先经水力旋流器除去大部分浮油，而后经CFU进一步除去微小的分散油，水中含油量处理到30 mg/kg以下达标排海。

CFU作为一种高效的生产水处理设备，在适用条件下可进一步提高生产水处理效果，达到减排的目的。一般在加注适当药剂的前提下，CFU处理后的生产水中含油量大多情况下可低于30 mg/L，但各油田的除油率也是差异较大。经调研南海多个油田CFU的实际除油效果，CFU除油效率在15%～80%之间，处理效果并不稳定。设备在运行中存在故障率高，操维复杂，浮选气喷头腐蚀、堵塞等情况。此外，CFU需要专属药剂，厂家试验和现场反馈情况表明，化学药剂的注入浓度对紧凑式气浮的除油效率影响较大。

2.2 聚结除油罐工艺

为替代价格高、运营费用高的CFU，在南海油田某项目中进行了工艺研究及调研论证。调研南海油田常规撇油罐的实际除油效果，除油效率在70%～80%之间，能将来自水力旋流器的生产污水含油量处理到45 mg/kg，不满足30 mg/kg要求。

根据聚结除油机理，聚结沉降法很适合乳化油的分离，微小油滴聚结变大然后加速沉降分离。新近开发的新型聚结脱气除油罐采用新型聚结填料，包括粗聚结模块、沉降快速分离模块、乳化油滴深度分离模块，可将1 μm～20 μm油滴聚并至200 μm，再进入沉降分离区分离，极大的提高液相分离的纯净度。油滴粒径大使得该设备水力停留时间很短，一般在5 min～6 min，大大缩小设备设施尺寸。

另外，聚结除油罐操作压力尽量降低，充分考虑天然气浮选效应。上游较高压力的生产水进入该罐后降压闪蒸出气，产生的微气泡携油能力较强，可以把水中微米级的细小油滴携裹聚合并上浮分离。

基于以上原理设计的聚结除油罐能将水力旋流器来的生产污水进一步除去微小的分散油和乳化油，水中含油量处理到30 mg/kg以下达标排海。新型聚结脱气除油罐可替代CFU，降本增效。

此工艺流程处理精度高，且不需要价格昂贵的专用药剂、循环泵和连续氮气消耗。项目采用聚结除油罐，具有良好的经济效益。18 a运行经济年限内即可节省设备采办费用、电能和药剂维护费用共计7 000万元以上。