海上平台含聚污水处理工艺思考与应用

2023-01-03郭俊杰中海石油中国有限公司天津分公司天津300451

化工管理 2022年4期

关键词：滤料含油过滤器

郭俊杰(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300451)

0 引言

渤海某海上油田一期于1998年12月份投产，初期开发方式为常规水驱，自2008年1月平台开始实施注聚开发，2008年7月以后注聚受益井采出液开始返出聚合物。随着采油井聚合物的不断返出，含聚污水的处理成为该平台面临的难题。

1 常规污水处理工艺存在的问题与措施

该油田一期于1998年12月投产，平台原设计污水处理工艺为常规污水处理流程：“斜板除油器+水力旋流器+核桃壳过滤器+石英砂过滤器”四级处理，这套污水处理系统对常规污水处理效果良好。

该油田自2008年实现全面注聚，随着污水聚合物浓度的上升，生产流程油水处理难度增加，原设计的常规污水处理工艺开始出现不适应状况，主要表现在：污水处理系统各级设备均存在不同程度的污染，导致除油效率下降，污水含油率较高，在聚合物返出情况最为严峻的时期，油田的污水处理系统曾一度面临瘫痪。同时由于聚合物改变了含油污水的物理化学性质[1]，使得清水剂的效率大幅降低，阳离子清水剂容易与含聚污水中的阴离子聚合物发生反应，产生大量的含聚油泥，含聚油泥是导致污水处理系统设备堵塞和板结的主要原因。

针对已建的常规污水处理流程，通过调整污水处理流程的负荷率，即改变沉降停留时间和滤速运行参数，同时对设备流程局部进行技术优化改造，从而减少工程投资，使其常规污水处理流程也能满足含聚污水的处理，具体措施如下：(1)物流调整，降低常规污水处理流程的负荷率。该油田二期综合调整项目于2014年投产运行，油田群物流分流极大地降低了一期污水处理负荷，常规污水系统实际处理量占其设计处理能力的44%左右。(2)设备换型，将水力旋流器更换为气浮选器。由于水力旋流器处理含聚污水效果不佳，将其更换为ADAF溶气气浮选器。经过跟踪观察，ADAF溶气气浮选器针对含聚污水处理效果明显，出口污水含油由原来的150 mg/L降至40 mg/L左右。(3)多措并举，有效提升过滤器处理效果。将原石英砂滤料更换为双介质滤料(金刚砂+核桃壳)，滤料布置采取粒径倒排方式，同时下调滤料粒径，提高了除油除悬浮物的过滤效率；将气冲洗鼓风机更换为空压机高压气源，用水源井水作为反洗水源，在保留原滤器集水喷头不动的同时过滤器新增中间层反冲洗装置，这样能够替代搅拌器直接对滤料纳污层进行强力喷射破碎，使滤料充分清洗再生，极大地提高了滤器反洗效果。(4)药剂换型，提高污水破乳效果。将清水剂更换为多状型嵌段聚醚类反相破乳剂，具有更高的除油率。(5)延长物流停留时间，将闲置的段塞流捕集器与一级分离器并联运行，共同处理含聚采出液，经实践证明，分离器并联后采出液处理效果明显变好，水质情况得到明显提升。容器并联运行增加了物流在分离器内的停留时间，一方面增加了药剂与物流在分离器内的反应时间，提升了药剂的处理功效，有效降低了药剂的加注浓度；另一方面由于停留时间的增加，油水靠重力自由沉降分离的效果更佳。

该油田原常规污水处理流程经优化改造后，基本可以满足含聚污水的处理要求，但优化改造后的污水系统实际最大处理能力却达不到原工艺设计的规模。

2 含聚污水“除油留聚”技术思路

针对含聚污水中的聚合物保留与否，将含聚污水处理工艺分为两类：一是除去含聚污水中的聚合物。大部分油田在处理含聚污水时，采用的是以“混凝絮凝”技术为核心的处理思路，使用传统的阳离子类絮凝剂，经过静电和桥联吸附处理，破坏聚合物在污水中的离子稳定性，使之析出并沉淀。这种方式污水处理效果好，但是这种方法产生大量含有聚合物的污油泥，根据实测含聚油泥常常超过处理水量的5%。二是“除油留聚”，尽可能保留含聚污水中的聚合物。可通过使用非离子或阴离子类的化学处理剂来净化水质，这种方法能避免聚合物从水中析出并存在于污油泥中，但是纯粹依靠官能团和分子间作用力来处理含聚污水[2]，效果需要验证。采出水经“除油留聚”处理后，聚合物的保留率可高于90%，保留的聚合物为低分子量、高水解度并具有一定的黏度。

由于海上平台空间有限性和污泥运输的高成本两项不利因素，使“混凝絮凝”技术无法适应海上平台的生产要求，“除油留聚”技术适合在海上平台推广。该油田二期含聚污水处理采用“除油留聚”的技术路线，通过停止加注混凝剂和絮凝剂，加注非离子破乳型清水剂(平台后期实现停止加注清水剂，仅依靠物理方法除油)，成功实现减少聚合物的析出，同时注水水质各项指标达标。当然也会有很小一部分污泥会在污水设备内沉积下来，对于这部分污泥可排放至污油罐，经定期清罐把污油泥送回陆地处理。从污水系统聚合物浓度检测数据看，污水中聚合物保留率在90%以上，“除油留聚”技术路线得到了成功应用。

与此同时，平台积极探索含聚采出液源头治理，对注聚井科学实施分层配注，降低油井聚合物的返出。从2009年开始，该油田对注聚井进行了地面流程改造，积极推进注聚井由笼统注聚优化为分层注聚模式，当单井注聚采出液含聚浓度升高时(高于500 mg/L)，对相应的注入层位进行调剖作业，确保单井注聚采出液含聚浓度保持稳定、防止聚窜。该油田已经实现对各注聚井分层配注，注聚浓度控制在1 500 mg/L以内，返出液浓度控制在500 mg/L以下，从源头上降低了返出液中聚合物的浓度，达到了控水控聚的目的，从而减少了含聚返出液对地面污水处理流程的影响。

3 推荐海上平台含聚污水处理工艺

海上平台由于其特殊性，需要有高效的处理工艺和设备。经过对比，推荐海上含聚污水处理工艺采用“沉降+一级气浮+二级气浮+过滤”四级处理工艺，其中以两级气浮选串联作为核心设备[3]。该油田二期含聚污水处理采用此工艺流程，同时采用“除油留聚”技术路线，运行效果良好。

(1)油水沉降分离工艺设备推荐斜板除油器，斜板除油器主要用来去除污水中大部分游离状态油滴，含聚污水中污油的去除率为50%～60%，并给清水剂提供混合及反应时间，这级设备处理含油1 500～2 000 mg/L的含聚污水时，一般可保证出水在800～1 000 mg/L。通过对斜板倾角对污水除油率的影响实验研究，斜板倾角在50°、污水停留时间为30 min时除油率高达71.3%[4]。经过对该油田斜板除油器多年使用情况的考察，确定斜板除油器的污油去除率为60%～65%。

(2)气浮工艺设备主要是气浮选器，气浮选器由于效率高、占地小和操作简便，气浮技术对含聚污水有较好的除油效果，但去除污水中残余聚合物效果较差，从而实现了物理法“除油留聚”的目的。气浮选器是目前处理含聚污水最合适的设备，提出两级气浮选器串联处理含聚污水的方法，并以此作为核心设备。气浮选器通过溶气系统在污水中产生大量的微细气泡，使高度分散的微小气泡附着在悬浮颗粒上，使其密度小于水浮在水面，从而实现除油除悬浮物的目的。气浮选器的处理效果主要受气浮溶气量和溶气压力、污水停留时间及喷嘴孔径等工艺参数的影响[5]。一级气浮选器主要用于去除粒径较大的油滴，并加速小粒径油滴的合并，这级设备处理含油800～1 000 mg/L的含聚污水时，可保证出水含油在200～300 mg/L左右；二级气浮选器主要用于去除粒径较小的合成油滴，这级设备处理含油200～300 mg/L的含聚污水时，可保证出水含油在50～100 mg/L左右。经过对该油田气浮选器多年使用情况的考察，确定气浮工艺污油去除率高达85%。

(3)过滤工艺设备优选双介质过滤器，过滤器在一定压力下，让污水自上而下通过滤料时，水中悬浮物由于吸附和机械阻流作用被滤层表面截留下来，从而除去水中悬浮物。影响过滤器过滤效率的影响因素有填充滤料种类、滤料粒径、填料高度和反洗方式等。该油田含聚污水过滤工艺设备为双介质过滤器，滤料选取核桃壳和石英砂，这级设备处理含油50～100 mg/L的含聚污水时，可确保出水含油低于30 mg/L。经过多年现场运行，双介质过滤器出水满足回注水对于含油指标的要求。

该油田二期含聚污水处理流程投产已7年，流程运行稳定，满足回注水质指标。在实际运行中也对污水处理设备局部进行了技术改造和参数调整，取得了不错的效果。①优化气浮选器溶气模式，由气浮顶部微正压供气方式改造成氮气高压直供模式，溶气压力和流量可调范围大，通过现场摸索寻找出最佳供气压力和流量，提高了气浮选器的除油效果。②增加自动收油装置，强化污水设备顶部收油。在斜板除油器清水室、生产水缓冲罐、注水缓冲罐增加自动收油装置，连续24 h收油，避免容器内含聚污油结块、板结。③延长含聚污水停留分离时间。通过提高原油分离器油水界面，增加了污水在分离器内的停留时间，不仅加大了药剂与采出液的反应时间、提升了药剂的处理功效，而且提高了污水除油自由沉降分离效果。④含高度乳化油的污水单独处理。随着流程中含高度乳化油污水的不断产生，需要定期排放至污油罐，通过外排至转运罐或单独处理，避免了无限循环处理对污水流程的影响。

通过在原含聚污水处理流程基础上进行的技术参数等优化，进一步提高了含聚污水处理效果，各级设备实际处理指标都优于原设计指标，多年来每月定期跟踪检测工艺流程中的聚合物浓度，得知聚合物浓度保留率高达94%，最终大大降低了双介质过滤器的处理负荷，从而实现连续2年都未对双介质滤料进行更换，注水水质指标仍能稳定达标。

平台通过多年对含聚污水处理工艺流程的不断摸索与尝试，总结出不少良好作业实践，具体如下：①电脱水器内乳化层定期排放，由于聚合物的干扰，电脱水器内油水界面极易产生乳化层积累，导致电脱运行电流高甚至断电。为避免乳化层积累过厚，需定期将乳化层排放至闭排罐进行再次沉降，这样不仅改善了电脱水器运行工况，也减少对污水流程的冲击。②污水系统各设备加强顶部收油、底部排污和定期开盖检查，建立了各容器定期收油排污工作制度，防止含聚油泥沉淀板结，对设备内部附件及管线造成影响。定期对各容器在线开盖检查，直接观察聚合物在罐内的积累程度，并以此判断是否需要对收油喇叭口、液位设定等部件和参数进行调整，及是否需要开展清罐作业，有效减少了聚合物干扰，保证了流程水质。③闭排罐在线清罐作业，通过底部排放、外接软管等方式将罐内聚合物、乳化油等转运至移动式污油罐，送回陆地进行专业处理，避免了闭排罐内聚合物反复循环处理影响工艺流程。④液位计加密比对和定期清洗，含聚污水极易堵塞或卡涩液位计，导致液位失真，引起设备损坏或生产关断，为避免这一问题，充分利用污水设备双液位计配置的优势，定期主动开展液位计清洗和比对工作，很大程度上避免了因聚合物堵塞液位计造成的风险。