油田采出水高能效气浮技术试验研究

戴国华，刘春雨，黄 岩，刘萌

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

随着油田开发不断加深、采油工艺持续改进，油田采出水中的含油量逐渐增加，乳化性与矿化度也越来越高，常规的水处理手段难以达到预期的油水分离效果。尤其是我国北方地区原油中稠油占比高，对油水分离技术提出了更高的要求。目前，海上油田采出水处理普遍采用“斜板+气浮+过滤”的预处理手段，再根据注水水质要求，针对性增加深度处理COD 的手段。气浮除油效果好坏对水处理的最终效果影响显著。近年来，针对油水分离效果不佳，不同学者研究推出了加压溶气气浮、涡凹气浮、电絮凝气浮等改进气浮技术[1-2]，但这些技术仍存在能耗高、占地面积大、处理控制难度大、难以长时间连续运行等缺点。

本研究创新性采用“混凝+旋流微气泡溶解技术+气浮池”的高能效气浮系统进行油水分离试验，研究了药剂浓度、进液流速、气液比对油水分离效果的影响，以期对现有气浮技术进行有益探索，解决采出水处理难题。

1 气浮处理原理

气浮技术是向水中注入大量微细气泡，微细气泡黏附含油污水中的悬浮物颗粒和油滴颗粒，形成表观密度更小的“气泡-颗粒”复合体，加速悬浮物颗粒和油滴颗粒浮升至水面，形成泡沫浮渣撇去，从而使水中悬浮物和油滴颗粒与水相分离[3]。

2 模拟采出水物性

模拟采出水使用某市管网的自来水、某油田的采出原油，按照渤海区域油田采出水的水质进行配制。模拟采出水物性参数如下：水温65 ℃左右、含油浓度在500～5 000 mg/L、TSS 含量在500～1 000 mg/L、矿化度在1 000～5 000 mg/L。处理后的净化水循环使用，脱除的油渣送至某焚烧炉进行焚烧。含油污水检测方法采用HJ 637—2018《水质 石油类和动植物油类的测定》。

3 试验器材介绍

3.1 试验试剂

本试验中破乳用絮凝剂为聚合氯化铝和聚合硫酸铝（表1）。

表1 药剂规格表

3.2 试验设备

采用的试验设备见表2。

表2 试验设备表

4 试验流程介绍

在加热（65 ℃）条件下，将一定比例原油、颗粒物、无机盐加入到清水中，充分搅拌1～2 h，制备成均匀稳定的含油污水。含油污水通过进液泵送至旋流微气泡发生器，在进液泵前的管线上加注絮凝剂进行破乳。絮凝剂与含油污水的混合液切向进入旋流微气泡发生器内形成旋流，空压机提供的压缩空气自旋流微气泡发生器顶部进入，并与絮凝剂和含油污水充分混合。旋流微气泡发生器内的涡流强化了含油污水、药剂和气体三相混合液中药剂与污染物（油滴和悬浮颗粒物）的接触，同时有助于气体的溶解[4]。三相混合液经若干级混合器混合后流至释气罐内瞬间减压，溶解气析出形成小气泡，小气泡随液体混合物流至气浮池内。在表面积相对较大的气浮池内，小气泡将药剂与污染物的包裹物（即浮渣）托举到气浮池上表面，经刮渣机收集到油渣缓冲罐中。油渣缓冲罐中预先填充一定量的水对油渣进行稀释，以保持其具有一定的流动性，当达到设定的液位高度时开启排油泵，排出界区外[5]。此次试验阶段刮渣机由人工手动通过刮板代替执行，净化后的生产水从气浮池下部流出（图1）。

图1 试验工艺流程图

5 结果与讨论

5.1 絮凝剂加注量对系统除油效果的影响

在控制进液含油量为4 000 mg/L、进液流速为2.2 m/s、气液比为0.72 的条件下，加注聚合氯化铝虽然能够降低出水含油量，但效果不如聚合硫酸铝，且当聚合氯化铝加注量大于4 L/h 时，随着聚合氯化铝加注量的增加，出水含油量反而增加，甚至出现出口含油量大于50 mg/L，无法满足出水指标要求（图2）。

图2 絮凝剂种类及加注量对出水含油量的影响

聚合硫酸铝在试验中显示出较好的出油性能。当絮凝剂加注量大于4 L/h 时，随着絮凝剂加注量的增加，出水含油量呈现降低趋势。但从节约的角度考虑，将絮凝剂加注量定为6 L/h。

5.2 进液流速对系统除油效果的影响

控制进液含油量为4 000 mg/L、絮凝剂加注量为6 L/h 左右、气液比为0.72 的条件下，随着进液流速的增加，出水含油量先减小后增加。当进液流速为2.2 m/s时，系统出水含油量最低为26 mg/L，满足处理要求（图3）。

图3 进液流速对出水含油量的影响

随着进液流速的增加，旋流微气泡发生器内涡流强度逐步提高，涡流对药剂与污染物接触黏附的促进作用增强；当进液流速进一步增大时，涡流强度过大会破坏药剂絮体，导致絮凝剂的作用效果减弱，同时也导致气浮池内含油污水的停留时间降低，出水含油量增加。因此控制适宜的入口速度至关重要。

5.3 气液比对系统除油效果的影响

在控制进液含油量为4 000 mg/L、絮凝剂加注量为6 L/h、进液流速为2.2 m/s 时，随着气液比的增大，出水含油量出现起伏变化，气液比过大或过小时，都不利于除油。当气液比为0.72 时，系统出水含油量最低可降至31 mg/L 左右，满足处理要求（图4）。

图4 气液比对出水含油量的影响

当气液比较小时，进气量小，气浮除油效果不明显，系统出水含油量较高；随着气液比的逐渐增大，气浮作用显著，气泡能够大量黏附油滴，降低系统出水含油量；当气液比进一步增大时，三相混合液中未溶解气比例高，连续的气相反而会降低系统出水含油量。

6 结论

本研究在传统加压溶气气浮的基础上，创新性地使用了旋流微气泡发生器，组建了高能效气浮除油工艺；旋流微气泡发生器内的涡流可促进气液固三相混合物中药剂与油滴的黏附及气体溶解，从而提高采出水处理效果，降低水处理时间，减小气浮池占地面积；在进液含油量为4 000 mg/L 左右时，出水含油量可降低至30 mg/L 左右。试验结果表明，高能效气浮除油工艺可取代海上平台上的斜板除油器+气浮选机，有效降低平台水处理设备占地面积，简化采出水处理流程。