渤海油田生产水处理技术进展

2022-03-08李祖君代品一

中国海洋平台 2022年1期

李祖君，代品一

(1.中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300000；2.华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)

0 引言

渤海油田拥有秦皇岛、曹妃甸、蓬莱、渤中等大型油田[1]。中海石油(中国)有限公司天津分公司负责渤海油田的勘探开发生产业务。

生产水是指在油气田开采过程中地下储层的水被带到地表所产生的废水，是油气田开采过程中第一副产品[2]。除事故性溢油外，日常生产排放的生产水是油污染的主要来源。现阶段，渤海大多数油田进入生产中后期，油田含水质量分数逐渐升高，含水量剧增[3]。渤海大多数油田已进入高产水阶段，含水质量分数达75%[4]。而且，驱油加聚技术的广泛应用使平台生产水成分更加复杂，处理难度提高。

渤海大多数油田为稠油储存，截至2014年底，探明的稠油石油地质储量占渤海油田总探明储量的58.0%[5]。其中：秦皇岛等油田油质密度较高，一般在0.95 g/cm3以上，黏度也较高，即使在50 ℃时一般仍大于200 cP(1 cP=10-3Pa·s)，增加平台含油污水处理难度；曹妃甸等油田原油密度在0.90 g/cm3左右，属轻质原油，50 ℃时黏度在10 cP左右，生产水处理难度较小[1]。

现阶段随着环保意识的逐渐增强，国家对海洋油田含油废水的排放愈加严格[6]，对在建渤海油田提出零排放，油田区块增产不增污等要求[7]。根据油田油质属性、处理指标、水质情况的不同，海洋平台含油废水处理方式各有不同。对于黏度低、密度小的原油，由于油水间密度差较大，容易处理，处理级数相对少，此类轻质油田生产水处理方式通常是经旋流器-气浮罐-核桃壳过滤器依次处理。对于黏度高、密度大的原油，水处理难度较大，处理设备要求更加精细，此类重质油田生产水一般采用斜板除油器-气浮罐-核桃壳过滤器三段式处理。

目前海上油田含油废水的处理方式一般包括：(1)达标后直接外排至海洋中；(2)满足水质指标进行二次回注，回注地壳可减少污水排放，渤海海域一般采用此方案。对于排海生产水，长期以来重点关注指标为水中石油类质量分数，并针对这一指标制定严格的法规限制，如《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值GB 4914—2008》[8]。对于油田回注生产水，一般要求水中固体及油质量分数满足《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法SY/T 5329—2012》[9]。

随着海洋环境保护工作日益严峻，加之钻井、压裂以及生产过程中杀菌剂、缓蚀剂等化学药剂的添加，不论对于排海生产水还是回注生产水，水质指标都需得到进一步的限制。因此，海上平台含油生产水高效处理工艺，尤其是生产水达标回注处理工艺是目前油气田平台含油生产废水处理的一项重大技术挑战。

1 典型处理流程

1.1 轻质油田水处理工艺

在渤海油田，采出液经过生产管汇开采后，油气水三相在生产分离器中分离，气相从生产分离器顶部排出，水相从设备底部排除。由于轻质油田中油质密度较低，油水密度差值较大，生产水可进入水力旋流器，通过旋流器的离心作用大量去除水中大粒径油滴和杂质，处理效果较好。处理后的含油废水进入气浮罐，依靠上浮气泡机理降低水中油和固体质量分数。经过旋流器和气浮罐处理后的水质进入核桃壳过滤器，去除废水中微小油滴和悬浮物，达到外排指标。具体流程如图1所示。

图1 轻质油田生产水处理流程

1.2 重质油田水处理工艺

重质油田原油密度与水相密度差值较小，且黏度高，油水分离难度高。重质油田水处理流程如下：经过生产管汇开采的采出液经过生产分离器进行油气水三相分离，利用密度差，密度较高的富水相从底部流出进入后续水处理流程。富水相(生产水)依次经过斜板分离器、气浮罐和核桃壳过滤器三级处理流程：富水相先经过斜板沉降作用去除水中浮油、分散油和大粒径杂质；经斜板分离器处理后的含油废水进入气浮罐进行浮选，去除水中乳化态和小粒径杂质；水系统末端通过核桃壳过滤器对含油废水进行深度过滤，使处理后的水质满足外排或回注指标。在各个设备中回收的油相都收集到储油罐中等待外排或重新导入流程。重质油田水处理流程如图2所示。

图2 重质油田生产水处理流程

在平台生产水处理过程中，需要配合注入化学药剂，加快处理时间，降低水处理难度。通常使用的化学药剂有破乳剂、反向破乳剂、絮凝剂、浮选剂和清水剂等。

2 核心处理设备

海上平台核心含油污水处理设备包括斜板除油器、旋流除油器、气浮除油器、介质过滤器。

2.1 斜板除油器

当生产水流过聚结介质时，部分油滴接触并黏附在介质表面，并随着其他油滴的接触聚结而长大，最终油滴会变得足够大以致在水流曳力作用下从介质表面脱离[10]。典型的板式聚结分离器型式有平行板拦截器、波纹板拦截器、错流分离器，其都依赖于重力分离，使油滴上升至板块表面发生聚合和捕获。板式分离器除了具有除油功能外还具有较好的除砂功能[11]。板式分离器的优势主要是成本低、模块安装拆卸清洗方便、可接受入口油质量分数大、除砂尺寸(油滴∶固粒)达10∶1，劣势主要是对于油滴的有效去除粒径仅30 μm。板填料材质可为聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃纤维强化聚酯、各种钢材等，可安装在单独的容器内，也可安装在重力分离设备内。斜板除油器除油原理如图3所示。

图3 斜板除油器油气水三相分离原理[12]

2.2 旋流除油器

旋流分离技术作为一种成熟的固液/液液/气液两相分离技术[13]，因其结构简单、分离效率高、设备体积小、使用方便灵活等特点，一直作为一种成熟的两相分离技术被国内外海上平台采用。

旋流器除油原理如图4所示。在用于油水两相分离的水力旋流器的基础设计中，待分离的混合相通过切向入口进入旋流器，该切向入口结合柱状壁面曲线的诱导作用产生强旋流场，密度较低的轻相物质在该旋流场的作用下迁移至旋流器的轴心线处，密度较高的重相则向壁面迁移，进而实现油水两相(轻重两相)的快速分离[15]。在设计过程中，需谨慎选择圆柱段长度，在以往的研究中有学者提及过长的圆柱段会因壁面的摩擦力弱化旋流场，为减弱这种弱化作用，通常在旋流器圆柱段的下方设置圆锥段来维持旋流强度。在旋流器的轴心线处会发生逆向旋流，并形成低压区，轻相部分会在此富集并通过旋流器的顶流口排出。重相则会在外部旋流场的作用下沿壁面通过底流口排出。

图4 旋流器油水分离原理[14]

2.3 气浮除油器

气浮除油原理是在设备底部产生大量微小气泡，这些气泡由于浮力上升，在上升过程中黏附沿途油质，实现油质的去除[16]。气浮除油原理如图5所示。气浮分离技术因其在短停留时间内处理量大、结构紧凑、对细微颗粒物的较高分离效率、添加药剂的情况下可维持高质量出水水质等优点而更适用于对承重及空间要求严格的海上油气田生产平台的生产水处理流程。

图5 气浮除油原理[17]

紧凑式气浮是将气浮与旋流分离两种油水分离技术结合在一起的一种高效油水分离设备,分离过程由容器中的内部装置产生或添加的气体释放残余气体引起的气浮效应辅助。油滴的团聚是浮选油的重要特性。使用各种化学品可能影响或中断油滴附聚的过程。

2.4 多介质过滤器

核桃壳来源广泛，具有硬度高、耐磨性好、颗粒密度低、易进行水力反洗等优点，广泛应用于含油废水处理中[18]。核桃壳在设备内部紧密填充，核桃壳过滤器利用滤料对油滴的附聚作用，过滤含油废水中粒径较小的乳化油,并利用颗粒之间的配合整体降低液体中固体颗粒及悬浮物浓度[19]。核桃壳过滤器除油原理如图6所示。

图6 核桃壳过滤器除油机理

海上油田采油污水处理流程短、设备少、设施布局紧凑，这种特性决定了各级污水处理设备不仅需要满足经济、环保的要求，而且需要有高效的处理能力。核桃壳过滤器是海上油田生产污水处理系统的第三级处理设备。其内部采用双介质滤料设计：上层为核桃壳滤料，粒径在1.6～2.0 mm；下层为鹅卵石垫层分层分布，粒径在2.0～30.0 mm。滤料床通过物理和化学作用除去污水中的油珠和微小悬浮物，以及被杀菌剂杀死的细菌和藻类。经核桃壳过滤器处理后，合格水回注或外排。一些学者根据不同材料的特性，对多种材料进行组合并将其堆积在床层中，开发多介质过滤器。

常用的滤料有石英砂、硅藻土、无烟煤、玻璃纤维和聚丙烯等。这些材料又可分为过滤材料和聚结材料两种。多介质过滤器就是在设备内部堆积一种或多种材料组成床层，通常把密度大、粒径小的材料放置在床层底部，将密度小、粒径大的颗粒放置在床层顶部[20]。多介质过滤器的过滤床层由层状无烟煤、细碎的石榴石、石英砂或其他材料组成。其原理为深度过滤，将粒径较大的轻质滤料置于滤层顶部，将粒径较小、质量较大的滤料置于滤层底部。在过滤时，水中较大的污染颗粒在滤层底部被去除，较小的颗粒在滤层较深处被去除。多层滤料提高了过滤器的含污能力，保证出水水质。多介质过滤在工程应用中大多为多介质过滤器，较少采用滤池。

3 新型处理技术

3.1 组合纤维聚结除油技术

使用规整或松散的填料作为聚结组件的分离器一般称为填料式聚结分离器，与板式聚结器相比常规填料聚结具有更高的油滴分离精度，油滴的有效去除粒径约10 μm。聚结组件可以是纤维状或颗粒状的介质，其一般为亲油性材料且具有较大的比表面积，油滴在聚结介质表面黏附聚并，这类聚结器的结构型式类似于过滤器，但其作用是将油滴聚结长大。结构聚结填料和松散纤维聚结填料如图7所示，随填料的不同，聚结器型式多样且聚结性能差异较大。该类填料式聚结器尚没有形成规范，其能够移除的油滴粒径也没有固定的标准或经验图表可查询，该类聚结器的设计仍以现场中小试验结果为主要依据。目前这种填料式聚结器在海上平台的应用并不多，但其具有深度发展的潜质，只要填料设计合理，甚至可有效移除1～10 μm的微小油滴。

已有研究人员[21-23]开发适用于深度除油的组合纤维介质编织方法，通过调节组合纤维的比例、编织型式等来实现纤维聚结介质对微小乳化油滴的深度聚结，并且提出将不同尺寸的油滴分步分级脱除的组合纤维聚结(Combination Fiber Coalescence，CFC)除油设备，包括多级组合纤维编织段、波纹强化分离段，通过各除油模块的组合(见图8)，可适应进料1 000～5 000 mg/L的油质量浓度波动，将出口生产水含油质量浓度脱除至20 mg/L以内。该CFC除油设备具有适应能力强、快速高效的优势，非常适合应用于空间有限的海上平台生产水深度除油工艺中，其在海上油气田生产水处理中已得到成功应用。

图8 新型模块化聚结分离设备原理示例[21-23]

3.2 CFC分离设备在轻质油田生产水处理工艺升级改造中应用

中海石油(中国)有限公司某轻质油田井口平台因生产进入中后期，为保证油田产量，采出液量有显著提升，造成流程瓶颈，对油田的正常生产及增产造成压力。平台通过流程改造(见图9)，增设CFC除油设备(下文简称“设备”)，该平台生产水除油工艺处理流程如下：采出液自油井采油树采出后进入立式重力沉降罐，重力沉降罐中大量富油相及生产水通过海管输送至浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)，部分生产水由井口平台自身处理以缓解FPSO处理压力。采出液经立式重力沉降罐简单分离后，水相中平均油质量浓度为500～800 mg/L，由水力旋流器进行处理。经水力旋流器处理后，水相中平均油质量浓度为300～500 mg/L，水相进入设备。设备水出口平均油质量浓度降低至22 mg/L，经设备处理后的水相进入注水缓冲罐，再次经简单重力沉降后油质量浓度达标(20 mg/L以下)通过注水泵回注至井下。水力旋流器、设备、注水缓冲罐的油相均排放至闭排罐。设备自2018年9月投运至今运行稳定。

图9 渤海某轻质油田改造工艺流程

3.3 CFC分离设备在重质油田生产水处理扩容改造中应用

渤海某油田为满足平台内挂油井和油藏最新提液计划，增设新处理系统作为外设扩容系统。新生产污水处理系统采用CFC除油器和纤维球过滤两段式处理工艺。在新增工艺流程中，利用新型CFC除油器代替传统斜板除油器和气浮除油器，不仅有效地减少设备占地空间，有利于平台扩容改造，而且能够降低生产成本，使经济效益最大化。该平台生产水处理流程如下：油井采出液经过生产分离器重力沉降，实现油气水三相分离，富油相通过海管输送至陆地，富水相依次经过设备和纤维球过滤器处理，逐步降低水中油含量及悬浮物含量，满足回注指标。设备、纤维球过滤器的油相均排放至污油罐中。设备自2019年12月投运至今运行稳定，CFC除油设备进口平均油质量浓度不大于2 000 mg/L,设备出口平均油质量浓度小于60 mg/L，满足设计指标。具体流程如图10所示。