渤海油田某中心平台溶气式浮选器 处理效果的提升与实践

温振栋，郭奕杉，杨建伟，张大钎(中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司，天津 300452)

0 引言

在海上油气生产中，伴随着原油和天然气的产出，油藏中的地层水也会被开采到地面，在实际油田生产作业中伴生水也称为生产水。伴生水中一般分散油、乳化油、溶解油、无机盐、溶解气和一些细菌等。生产污水的处理目的就是去除以上杂质，以达到生产水回注或排放的标准。生产水的处理方式一般为两种方式：一，处理合格后的生产水排海，根据环保要求近海海域一般不允许排海；二，处理后达到注水标准后，经注水泵增压后回注地层不仅补充地层能量，而且不会造成环境污染[1]。注水水质是注水开发的生命线，水质不达标的注水注入地层不仅不能有效地保持地层能量，反而会腐蚀地面及井下设备，还会造成近井地带污染堵塞，使得地层吸水能力变差，造成地层亏空，同时反映到油气井上就是产量迅速降低，影响采收率[2]。

在生产污水中，水中含油(OIW)和悬浮物(TSS)是最难去除的杂质，在生产水中存在的油滴直径大于100 μm 的浮油和10～100 μm 的分散油占90%左右，油滴直径在0.1～10 μm 的乳化油占10%左右，还有微量油滴直径小于0.1 μm 的溶解油，一般含量小于1%[3]。溶气式浮选器主要是去除生产水中的水包油型乳化油和悬浮物，去除率能达到90%～95%，气浮出水水质控制指标要达到水中含油(OIW)小于50 mg/L，悬浮物(TSS)小于50 mg/L。

气浮法净化油田污水的理论研究和试验结果说明，除油效率随着气泡与油珠和固体颗粒的接触效率和附着效率的提高而提高。气液接触时间延长可提高接触效率和附着效率，从而提高除油效率。增大油珠直径，减小气泡直径和提高气泡浓度既可提高接触效率，也可提高附着效率。因此是提高除油效率的重要措施。其他一些因素如：温度、pH 值、矿化度、处理水含油量和水中所含原油类型也都直接或间接地影响除油效率。因此处理不同的油田污水，即使同样的设计，处理后的含油量也不相同；同一个水源，采用不同的气浮法处理，处理后的水质也不一样；即使同一个水源，采用同样的气浮法处理，但随着处理水物性的变化，处理后的水质也会发生变化。因此，必须搞清这些因素对除油效率的影响及其之间的相互作用，从而采用针对性措施，提高气浮法净化油田污水的效率。

文中主要以该平台溶气式浮选器处理系统运行状态为切入点，简单介绍本设施生产运行状况，并且对其中存在的一些问题和解决措施进行了探讨。该平台使用的ADNF 型溶气式浮选器主要包括两个处理区，分别是气浮区和斜管区，如图1 所示。

图1 ADNF 溶气式浮选器工艺流程图

1 溶气式浮选器流程改造

制约溶气式浮选器处理效果的因素主要因素包括溶气压力、收油效率和排泥效率[4]。从设计到投产后运行，溶气式浮选器运行一直存在几个显著问题，不仅制约了设备的处理能力也给员工日常操作带来安全隐患，现在分别对以下几个问题展开论述。

问题一：溶气式浮选器设计最佳溶气压力为650 kPaG，但是平台设计上溶气式浮选器的氮气来自于氮气储罐出口PCV(设点为500 kPaG) 下游，无法满足溶气式浮选器最佳工况。

问题二：随着投运时间的增长和上游斜板除油器加注清水剂，造成溶气式浮选器上部聚集浮油，底部会聚集污泥。由于平台所处理生产水含有高浓度的硫化氢气体，造成溶气式浮选器污油、污泥无法安全排放，导致核桃壳滤器滤料全部受到污染，处理水质长期不达标，极大制约了生产污水处理能力。

问题三：溶气式浮选器底部会聚集污泥且长时间无法安全排放，给细菌繁殖提供了温床，导致设备腐蚀加速，给设备设施的安全运行带来安全隐患。

问题四：溶气式浮选器原设计方案是将气相就地排放，由于气相含有高浓度硫化氢，存在流程关停和人员中毒受伤的风险。

1.1 溶气式浮选器气源改造

在整个生产污水处理过程中去除乳化油主要是依靠浮选器[5]。溶气式浮选器主要作用原理就是向污水中通入氮气，氮气较其他气体更安全也更易于获得，氮气在650 kPaG 的压力下溶于生产水中产生微气泡，达到饱和状态，水体会呈现乳白色状态，以此来判断溶气效果。溶气水在反应器中与原水混合压力会突然下降，微气泡在混合区体积增大并从水中逸出，生产水中的乳化油或悬浮物颗粒附在气泡上浮到水面，然后采用机械的方法撇除刮除进入污油系统，从而实现生产水除油的目的[5-6]。该平台ADNF 溶气式浮选器是采用的新一代气浮加斜管处理模式，其工作原理主要分为三个部分：(1)絮凝反应：生产水进入管道反应器中，与絮凝剂(助凝剂)和部分溶气水混合发生反应，释放的微小气泡(直径氛围(30～50 μm) 形成气浮絮状体，然后再进入气浮罐体；(2) 气浮分离：生产水进入气浮罐体和另一部分溶气水继续发生反应后再进入斜管分离区，根据浅池原理密度小的气浮絮状物上浮后由刮油(渣)板送至污油罐，密度较大的悬浮颗粒下沉至罐体底部，由刮泥机送至排污口，定期排放；(3)溶气释放：在溶气罐中氮气和循环水发生反应产生饱和溶气水，一部分送至入口的管式混合反应器，另一部分送至气浮罐体。

刮泥机和刮渣机通过PLC 控制定时启动，需要员工手动打开排放阀进行手动排放，如图2 所示。

制度是学校管理必不可少的利器，正所谓“没有规矩，不成方圆”。为此，农村学校必须要完善寄宿制的管理制度，制定详细的可执行的制度，比如《宿舍管理制度》《文明宿舍评比制度》等，这些制度能够一定程度上保证住宿生行为有章可循。

图2 ADNF 溶气式浮选器工作原理图

根于溶气式浮选器设计技术澄清内容，当溶气压力在650 kPaG 时，溶气水通过细管进入气浮进水区，在进水室污水和气水混合物中才能释放得到直径氛围为30～50 μm 微小气泡，以达到溶气式浮选器最佳工况。目前，氮气流程为溶气式浮选器提供的氮气压力最高只能达到500 kPaG，针对此问题经与工程建设方、设计方和厂家沟通后将溶气式浮选器的溶气源氮气取气点改为PCV 上游，直接将氮气储罐800 kPaG左右的气源引至溶气式浮选器溶气罐入口，以满足溶气式浮选器的最佳溶气压力，如图3 所示。

图3 溶气式浮选器氮气气源改造简图

溶气式浮选器气源改造完毕后，气源压力满足了其处理需求，现场可以通过调节浮选器溶气罐上游PCV 精确控制溶气压力，以达到最佳溶气效果，满足设备最佳工况。

针对溶气式浮选器和斜板除油器以及其他生产水处理系统中常压罐产生的高含硫化氢的气体统一做了改造，由原设计的就地排放改造为将产生的废气经由射流泵排至透平发电机排烟道上方高处，经核算改造后废气可以很好地排放至高空，经空气稀释后不会对人和设备造成危害。

1.2 溶气式浮选器临时排泥流程改造

在注水水质考核指标中不仅水中含油(OIW)很重要，而且固体悬浮物(TSS)也是影响水质的重要参数。在ADNF 溶气式浮选器处理生产水流程中，污油排放设计是闭式排放至污油罐，而固体悬浮物积累的污泥排放方式为开式排放，由于排放的污油污泥中高含硫化氢(硫化氢浓度高达3 000 mg/L)，就造成虽污油可以安全排放，但污泥不能及时安全排放。这些污泥长期在罐底沉降积累不仅会二次污染清水室水质，还会污染下游核桃壳过滤器，导致油田注水水质不达标，还会给细菌的繁殖提供温床，造成细菌含量超标，硫酸盐还原菌代谢产物硫化氢更高，也会加剧设备的内腐蚀。

溶气式浮选器底部污油不仅应该及时排出，保证水质稳定达标，而且还要有安全、合理的排放方法，保障人员的作业安全。ADNF 溶气式浮选器初始设计的污泥排放方式为开式排放流程，即通过箱体底部排放阀门直接排放至地漏中，这种排放方式难以适用于高含硫化氢的工况。经过对现场流程实际考察分析后，决定对排污管线进行改造并配合调整刮渣机和刮泥机PLC 运行逻辑来实现安全、有效排放污泥的目的。具体操作方法是将溶气式浮选器底部排泥管线连接至设备收油管线，改造后底部污泥将排至平台污油罐中，形成闭式排放。先通过改造四个生产水处理系列中的A 和B 系列验证此改造方法的可行性，具体方法为在A/B 溶气式浮选器收油槽去污油罐管线上开孔并焊接三通，用4 寸软管连接三通和排泥去地漏隔离阀法兰，从而实现罐底排泥至污油罐，如图4 所示。12 月17 日改造后每隔8 小时手动排泥一次，实验数据详见表1 和表2。

表1 接排泥管线前后TSS 含量对比表 单位：mg/L

表2 接排泥管线前后OIW 含量对比表 单位：mg/L

图4 溶气式浮选器A/B 实验流程改造

实验证明溶气式浮选器排泥至污油罐流程的改造很好地解决了浮选器安全排泥的问题，大幅度提高了出口处理水质。根据实验结果将四个系列均做了改造并将软管改为硬管连接。(1) 将目前溶气式浮选器A/B 排泥在用的4 寸软管改造成4 寸的硬管段(现场排泥去地漏流程有隔离阀门，满足流程隔离条件)； (2)增加溶气式浮选器C/D 排泥硬管线段的改造，并将4 台斜板排泥管线汇总到一起，汇集进入溶气式浮选器B 收油流程，详见图5。

图5 溶气式浮选器排泥流程改造

新增排泥管线流量计算根据列宾公式(1)：

经计算可得新增排泥管线的过流量约为120 m3/h，可以满足单台设备收油排泥的流量需求。操作时，可通调整浮选器的进液量控制其液位，底部排泥和上部收油可以同时进行。

2019 年12 月，对气浮选机进行收油、排污流程进行改造，后续进行定期收油排污作业，改造后气浮选机处理效果明显提高，生产水系统处理水质明显改善，详见图6。

图6 溶气式浮选器改造前后总出口水样化验数据对比

2 研究成果

针对该设施生产水处理系统的设计和运行状况，结合实际具体问题，采用科学有效的技术手段对溶气式浮选器具体分析，提出了合理的解决措施。通过自主改造措施，很大程度上提高了生产水处理的质量和效率，解决了设备设施内腐蚀问题，同时消除了安全隐患，保障了人员的生命安全。

(1)将溶气式浮选器溶气压力改为650 kPaG，使溶气水混合物产生直径氛围为30～50 μm 微小气泡，以达到溶气式浮选器最佳工况，满足了生产水系统正常处理需求。同时，溶气式浮选器处理能力的提升也为后期引FPSO 高压生产水进入低压生产水处理系统打下了良好的基础。

(2)溶气式浮选器排泥有开式改造为闭式，充分利用了撬块自身流程，改动小而效益明显。从根本上解决了溶气式浮选器出口水质不达标的问题，同时保障了员工作业安全，消除了安全隐患。

(3)溶气式浮选器出口水质得到大幅改善提高了核桃壳过滤器入口水质，减小了核桃壳滤器处理负担，同时延长了核桃壳滤器的使用寿命及滤料更换周期，实现降本增效的目的。

(4)溶气式浮选器底部污泥得到有效排放，使得细菌没有了生长的温床，降低了细菌的滋生繁殖，从而也控制了设备的腐蚀。

(5)整体水质的提升，减少了地层堵塞程度，减少了注水井解堵频次，节约了作业费用，提升了注水井的综合时率，同时也提升了原油采收率。

(6)生产水系统废气排放经由射流泵排放至透平发电机烟道处，消除了安全风险。

3 结语

(1)项目或设备的设计阶段更多地结合现场实际情况，充分考虑油田硫化氢的存在，对可能产生的腐蚀情况和安全因素统筹考虑。从本质安全和经济适用性两方面着手，确保设备能够在最佳工况下运行，满足最大处理负荷，发挥设备最大处理潜能。今后高含硫化氢的设施设计应该将任何排放方式设计为闭式排放，从根源上消除安全隐患。

(2) 充分研究影响溶气式浮选器处理效果的因素，考虑气源种类和压力对溶气效果的影响，以及斜管区不同斜管材质、孔径和倾斜角对不同生产水处理的影响。在后期新平台设计或老平台改造中，可以考虑将斜管区设计成角度可调节的功能，针对设备投产后可能处理的不同水质的生产水可以做到精细调节。

(3)充分利用现场力量自主创新改造，提质增效，用最小的投入获得了较大的效果。