离心法处理三元采出水试验及工程应用设想

2021-12-22夏福军

油气田地面工程 2021年12期

夏福军

大庆油田设计院有限公司

大庆油田大规模应用了在注入水中加入碱、表面活性剂和聚合物驱油剂的三元复合驱开发技术。由于注入三元驱油剂后的采出液经油水分离及脱水处理后，采出水中仍然含有表面活性剂、碱和聚合物（聚丙烯酰胺），导致采出污水的性质不同于水驱和单纯的聚合物驱采出水，致使已经应用于水驱和聚合物驱采出水油水沉降分离处理技术难以适应这种新形式驱油方式[1]产生的污水处理。

三元复合驱采出水水质特性研究表明，其具有乳化程度高、稳定性强、悬浮固体难以去除的特点[2]，从目前已投产的三元复合驱采出水处理试验站运行结果来看，为实现有效的油水分离，采用投加大量化学处理药剂产生了较多的泥渣及投加药剂成本居高，最终出水水质难以达到油田回注水水质控制指标要求，“三元复合驱采出水处理”主要解决的瓶颈是油水分离除油技术。为此，寻求高效、低处理成本的油水分离新技术，对确保最终处理后的三元复合驱采出水水质稳定达标、满足油田开发生产的实际需要十分重要。本文选择了采用高速碟片离心机进行三元复合驱采出水高效油水分离的探索性试验研究，为三元复合驱采出水处理找到一种新方法。

1 油水分离探索性试验

1.1 油田采出水油水分离技术原理

油田含油采出水的油、水分离特性遵循Stokes定律，其方程式为

式中：u为某一粒径颗粒分离速度，m/s；g为重力加速度，9.8 m/s2；ρw为水的密度，kg/m3；ρo为颗粒密度，kg/m3；do为颗粒直径，m；μ为污水的动力黏度，为温度函数，Pa·s。

由上式定律可以得出：黏度降低、密度差的增大、油珠颗粒直径的增大、分离加速度的增加，均有利于提高含油采出水的油水分离速度，缩短油水分离时间，从而提高分离效果。但从前期得到的三元复合驱采出水水质分析结果（表1）看，由于三元驱油剂存在于采出水中，特别是聚合物的存在，使得采出水的黏度增加、油珠直径[3-5]变小且小于10 μm 所占比例较大，利用油田常规的重力沉降油水分离技术，很难实现以降低采出水的黏度和增大油珠颗粒直径来解决油水分离困难的问题，应从提高离心分离加速度角度来解决油水分离速度并提高油、水的有效分离效果。

表1 三元217 试验站三元复合驱采出水现有水质分析测试结果Tab.1 Existing water quality analysis and test results of ASP flooding produced water in ASP 217 Test Station

水力旋流器作为一种高速离心（2 000 g 重力加速度）油水分离技术已经在含油废水处理中取得成功的应用。因此，针对三元复合驱采出水因黏度高和再乳化程度高[6-8]使得水中油珠颗粒直径小，油水分离沉降分离速度明显降低等特点，应选择更高的离心分离[9-11]加速度来实现高黏度三元复合驱采出水的油水分离处理。

1.2 高速碟片离心分离技术原理

高速碟片离心分离机主要应用在矿物油、乳制品、淀粉及制药等行业，而在国内的油气田采出水处理中尚没有进行开发和应用。其离心分离原理（图1 和图2）是立式离心机，转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。悬浮液（或乳浊液）由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。当悬浮液（或乳浊液）流过碟片之间的间隙时，固体颗粒（或液滴）在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液层）。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片，并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液体分别从出液口排出转鼓；积聚在转鼓内的固体通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。其沉降分离是将倾斜挡板容器旋转90°并绕轴旋转，形成一个连续分离固体颗粒的离心体。

图1 碟式离心机原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle of disc centrifuge

图2 碟式离心机结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure of disc centrifuge

1.3 效果分析

为了确定高速碟片离心分离对三元复合驱采出水油水分离的处理效果，首先开展了由具有100 年生产离心分离机的国际品牌公司阿法拉伐供应商提供的1 台型号为LAPX202 的高速碟片离心试验样机的现场探索性试验，其转速最高为10 000 r/min，处理能力最大为500 L/h。

1.3.1 试验内容

为了确保试验结果具有代表性和指导性，选择在三元217 试验站采用现场实际介质，进行高速碟片三相离心机油水分离效果的探索试验，并分析、观测离心机油水分离前及分离后的水相（轻相）出口含油浓度及悬浮固体浓度。现场试验流程见图3。

图3 LAPX202 碟片式离心机现场试验流程示意图Fig.3 Schematic diagram of field test flow of LAPX202 disc centrifuge

影响高速碟片三相离心机油水分离效果的主要因素包括比重环尺寸大小的选择、开孔方式的选择、离心分离因子（转速）的选择，以及处理量。

根据阿法拉伐公司已有的研究经验和提供试验条件，主要开展以下试验研究：

（1）试验采取目视高速碟片三相离心机油水分离处理前及分离后水样的变化，进行开长孔和开圆孔两组碟片的优选试验。

（2）根据对比离心机油水分离后出水水中含油浓度，进行两种规格比重环Φ55 mm 和Φ53 mm 的优选试验。

（3）在优选出比重环和开孔方式的基础上，进行8 000、6 000 和5 000 r/min 不同转速下离心油水分离效果的对比试验。

（4）进行三元复合驱采出水离心分离前后驱油剂含量的变化测试。

1.3.2 试验结果与讨论

（1）比重环和开孔方式的优选。试验是在固定高速碟片三相离心机转速8 000 r/min 和处理量200 L/h 的条件下进行对比优选试验。通过分别取离心机进水和油水分离后出水的目测及分析数据比较，得出并确定采用比重环Φ53 mm 和开圆孔的碟片结构油水分离处理效果最佳。处理前后水样的外观效果见图4，分析数据见表2。

图4 离心试验样机油水分离前后水样外观照片Fig.4 Appearance photos of water samples before and after oilwater separation of centrifugal test prototype

（2）不同转速的油水分离效果试验。在优选出比重环Φ53 mm 和开圆孔的碟片结构的基础上，分别进行转速为5 000、6 000 和8 000 r/min 的优选筛选试验，试验结果见表3。

由表3 中数据可以得出：在同等处理量条件下，当转速达到8 000 r/min 时，经离心机油水处理后出水中的含油浓度降到25 mg/L 左右（平均25.18 mg/L），去除率达到90%以上，相对低转速提高2%～3%。说明离心分离转速越高，其油、水分离处理效果越好。

表3 不同转速条件下的离心机油水分离效果试验分析数据Tab.3 Test analysis data of oil-water separation effect of centrifuges under different rotating speeds

高速碟片离心分离机对悬浮固体去除作用相对较低。分析其原因是采出水中聚合物浓度较高，黏度高，从而影响了悬浮固体的分离去除效果。比较不同转速的油水分离效果，并考虑今后工业应用能耗等经济性，选择高速碟片离心机转速为6 000 r/min开展下一步试验。

（3）不同处理量分离效果试验。选定高速碟片离心机转速为6 000 r/min，分别开展处理量小于200 L/h 和300 L/h 的油水分离效果对比试验（水温为23 ℃，三元复合驱采出水中聚合物596～634 mg/L，表面活性剂39.3～41.2 mg/L，总碱度4 197～4 237 mg/L，黏度4.61～4.58 mPa·s），其测试分析结果见图5和图6。

图5 离心机处理量为170 L/h 的油水分离前后水质变化曲线Fig.5 Change curve of water quality before and after oil-water separation with centrifuge capacity of 170 L/h

图6 离心机处理量为271 L/h 的油水分离前后水质变化曲线Fig.6 Change curve of water quality before and after oil-water separation with centrifuge capacity of 271 L/h

由图5 和图6 中的数据分析可以得出：采出水含油浓度200～400 mg/L 时经离心机油水分离处理后出水含油浓度大都在20 mg/L 左右，去除率在91%以上，达到油田设计规定后续过滤设备要求的进水水质含油浓度≤50 mg/L；当离心机进水中悬浮固体浓度较高时，其悬浮固体去除率平均为50%。从油水分离除油效果来看，该转速条件下离心机处理量的变化对含油浓度和悬浮固体油水分离效果影响不大。

（4）三元驱油剂的变化测试试验。试验还分别取离心机进水和经高速碟片离心机油水分离后出水，测试水中三元驱油剂的含量，结果见表4。

表4 高速碟片离心机油水分离前后三元驱油剂变化测试分析数据Tab.4 Test and analysis data of ASP oil displacement agent changes before and after oil-water separation in high-speed disc centrifuge

由表4 中数据分析可以得出：离心机分离对三元复合驱采出水中的三元驱油剂基本没有去除作用。

1.3.3 中试设备现场试验结果与讨论

为进一步验证高速碟片离心机对三元复合驱采出水的油水分离处理效果，进行了放大处理量的中试试验机现场试验。试验现场三元217 试验站的污水介质总碱度为4 200 mg/L，表面活性剂为76 mg/L，聚合物浓度为753 mg/L，被处理水温23 ℃左右。中试试验设备为1台LAPX404，处理能力达到1 m3/h，最高转速为9 350 r/min。试验样机见图7。

图7 LAPX404 碟式离心机试验装置照片Fig.7 Photo of LAPX404 disc centrifuge test device

（1）不同处理量的离心分离试验。本项试验仍然是在不投加任何化学药剂的前提下，将三元217试验站处理的污水通过管线引入高速碟片离心机，选择在同一转速下分别开展了4 种处理量的油水分离效果试验。试验分析数据结果见图8。

图8 同一转速不处理量条件下离心分离含油量和悬浮固体含量去除油水分离效果对比曲线Fig.8 Comparative curve of oil-water separation effect of centrifugal separation with oil content and suspended solids content under the same rotating speed and different treatment capacity

由图8 中数据可以看出：在相同转速条件下，处理量越小油水分离效果越好，悬浮固体去除率也越大；当处理量达到0.5 m3/h 时，离心机出水含油浓度小于30 mg/L，满足了油田后续过滤要求的进水水质指标（设计规范通常为≤50 mg/L）。考虑其在油田三元复合驱采出水处理中应用的可行性和降低其工程投资，选择处理量为0.5 m3/h 做进一步的稳定试验。

（2）离心分离稳定试验。试验选择高速碟片离心机的转速为5 000 r/min 左右，开展三元复合驱采出水油水分离稳定运行处理试验，当进水含油浓度平均为560.19 mg/L 时，经离心机油水分离处理后出水含油浓度平均小于13.81 mg/L，含油平均去除率达到97.5%，出水中的悬浮固体浓度平均去除率达到45.5%，油水分离效果较好。由此确认采用提高油水分离加速度（离心分离技术）这个途径，可以有效实现三元复合驱采出水油、水分离的目的。

试验采用高速碟片三相离心机进行油、水、固体杂质的分离，现场测试了油相出口的油中含水率在50%以下，可以直接回用，而排出的渣相含水率相对较高，需要作进一步的液—固分离处理。

2 工程应用的对比分析

已建的三元217 试验站设计采用的处理工艺流程为：曝气沉降罐→气浮沉降罐→一级石英砂磁铁矿过滤罐→二级海绿石磁铁矿双层滤料过滤罐的四段处理工艺（图9）。其特点是沉降时间较长、沉降罐设备占地面积较大，其处理效率和处理效果决定着投加药剂量，且投加药剂产生的絮体渣相占整个处理体积的约15%，造成处理成本相对较高。

根据上述试验结果，针对三元复合驱采出水的水质特性，如果选择高速碟片离心机替代图9 中的混凝沉降罐处理三元复合驱采出水，并将曝气沉降罐改为自然沉降罐，其设计方案流程见图10。即：联合站油岗油水分离之后的来水，首先进入自然沉降罐去除浮油和分散油，然后再进入高速碟片离心分离机进一步去除污水中的乳化油和悬浮固体，经高速碟片离心机油水分离处理后的出水进入滤前缓冲罐，然后再经过滤提升泵加压后进入一级海绿—石磁铁矿双层滤料过滤罐进行过滤处理，滤后水达标进入外输及反冲洗水罐，由外输泵加压送至注水站回注。滤后最终出水水质达到油田含聚回注水水质指标含油浓度和悬浮固体浓度≤20 mg/L的指标要求。

图9 三元217 试验站三元采出水处理工艺流程示意图Fig.9 Schematic diagram of ASP produced water treatment process in ASP 217 test station

图10 离心法处理三元复合驱采出水工艺流程示意图Fig.10 Schematic diagram of process flow for treating produced water of ASP flooding by centrifugal method

由图9 和图10 可以看出：

（1）从处理工艺主体流程上相比，图10 中减少了一级过滤设备，从而减少工程投资。因试验结果得出：经高速碟片离心机分离后出水含油浓度小于30 mg/L，技术上采用一级双层过滤就可以将含油浓度降低，达到小于20 mg/L 回注水水质控制指标要求。

（2）如果工程建设同等规模的污水处理站，因高速碟片离心分离机处理污水的有效停留时间为几秒，油水分离处理效率和效果好。一方面可以考虑缩短其前端自然沉降罐（起去除浮油和缓冲的作用），有效停留时间由20 h 降到4 h，从而缩小沉降罐的外形尺寸并减少占地面积及工程投资；另一方面采用高速碟片离心机替代混凝沉降罐，也可以减少占地面积在50%左右并减少工程投资。

（3）目前生产的高速碟片离心分离机最大单台处理量为60 m3/h，单台设备造价650 万元左右，一次性工程投资相对较高，但相比图9 的处理工艺技术方案，该设计方案总的工程投资以及后续的运行费用（电费为0.6 元/m3）相比已建三元217 污水处理站低，工程投资可以节省20%以上，效益显著，而且处理效率和效果可以大大提升。