天然氣處理廠沉降除油罐運(yùn)行優(yōu)化措施探索

高小鍵，曹 旋，李 峰，高 帥，張榮耀，張文程，馬彥財，寇明耀，郭文濤，李 揚(yáng)，王文浩

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

天然氣從儲層中開采出來，既含有儲層中的部分游離水，也包含天然氣中的飽和水及部分輕烴組分，經(jīng)過濾、低溫冷凝等處理后分離出來的凝液混合物一般稱為氣田采出水[1]。YL 天然氣處理廠主要擔(dān)負(fù)著榆林氣田、部分神木氣田采出水的集中處理任務(wù)，主要處理工藝為：各集氣站、處理廠分離出的含醇采出水集中運(yùn)輸至YL 處理廠，經(jīng)自然沉降除油、絮凝沉降除雜后進(jìn)入甲醇精餾回收，最后回注產(chǎn)層，由此可得出，沉降除油罐在氣田采出水處理中起著至關(guān)重要的作用，其使用效果直接決定著采出水處理的達(dá)標(biāo)與否，具體采出水處理流程（見圖1）。

圖1 YL 處理廠采出水處理流程

1 YL 天然氣處理廠沉降除油罐工藝現(xiàn)狀及存在問題

1.1 沉降除油罐使用現(xiàn)狀及存在問題

天然氣處理廠沉降除油罐建成于2003 年，尺寸為φ8 240 mm×7 000 mm，內(nèi)部設(shè)計有進(jìn)水管及反射板、出水管，進(jìn)水管高度1.5 m、出水管高度1.8 m，管徑均為φ89 mm×4，收油口高度3.2 m、管徑φ48 mm×4，罐底設(shè)有排污槽、管徑φ114 mm×7，罐設(shè)計容量350 m3，有效容積184 m3（根據(jù)儲罐設(shè)計運(yùn)行高液位5.95 m、低液位2.5 m 得出），來自卸車池的氣田采出水經(jīng)轉(zhuǎn)水泵以15 m3/h 流速進(jìn)入沉降除油罐內(nèi)，液位達(dá)到5.95 m 時停止進(jìn)液，靜置沉降4 h 以上，使采出水中的凝析油、機(jī)雜依據(jù)密度差而自然沉降分離，分離出的凝析油需根據(jù)油水界位儀數(shù)據(jù)，人工降低罐內(nèi)油水界位至3.2 m 處的收油口，而后進(jìn)行收油，現(xiàn)有沉降除油罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖2 現(xiàn)有沉降除油罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前YL 天然氣處理廠沉降除油罐在使用過程中主要存在以下幾個方面的問題：（1）目前沉降除油罐收油完全依靠油水密度差自然沉降分離，一般需達(dá)到4 h以上，時間相對較長，隨著氣田開發(fā)至中后期，采出水量逐年增多，加之愈來愈嚴(yán)格的環(huán)保要求，原沉降除油罐已不適應(yīng)；（2）原設(shè)計的收油口為固定管壁處直插的φ48 mm×4 管，罐內(nèi)無收油槽等收油裝置，罐內(nèi)油水分離后，需根據(jù)油水界位儀數(shù)值，將油水界位降至收油口處，再進(jìn)行收油作業(yè)，收油靠油液位自壓流入凝析油罐，收油時間較長，期間儲罐不能進(jìn)行轉(zhuǎn)水作業(yè)，采出水儲罐有效利用率低；（3）罐底部排泥口位于罐底部邊緣處，罐底排泥時只能排出距離排污槽附近2 m 范圍內(nèi)沉降出的泥沙，排泥效果較差。

1.2 存在問題分析

1.2.1 YL 天然氣處理廠采出水自然沉降時間長 從含油采出水處理角度出發(fā)，采出水中油珠粒徑一般可劃分為四種[2]：

（1）浮油：粒徑>100 μm，上浮時間僅為2 min 左右，污水原水中此部分油量占25%～50%，很容易被去除。

（2）分散油：粒徑為100～10 μm，靠油、水相對密度差可以上浮去除。但需時較長，一般至少在4 h 以上。

（3）乳化油：粒徑為10-3～10 μm，具有一定的穩(wěn)定性，單純用靜置沉降法無法去除，必須加混凝劑。

（4）溶解油：粒徑<10-3μm，一般原水中此部分油僅占總含油量的1%以下，在污水處理中也有一定比例的去除，但不作為污水處理的主要對象。

對YL 天然氣處理廠采出水粒徑分布進(jìn)行測量，并根據(jù)斯托克斯沉降公式進(jìn)行計算，結(jié)果（見圖3、圖4）。

圖3 采出水粒徑分布

圖4 機(jī)雜、油分密度分布

由圖3、圖4 可知：YL 天然氣處理廠采出水中粒徑主要分布在10 μm 范圍內(nèi)，根據(jù)斯托克斯沉降公式計算10 μm 顆粒沉降1 m 所用時間，結(jié)果（見表1）。

表1 10 μm 顆粒沉降1 m 所用時間

由表1 數(shù)據(jù)可知：YL 天然氣處理廠采出水中含油顆粒直徑主要集中分布在10 μm 區(qū)域，油水自然沉降分離時間需在4 h 以上，耗時較長。

1.2.2 現(xiàn)有采出水沉降罐收油效率低 前文中已提到，該沉降罐直徑8 240 mm，收油管線為φ48 mm×4，根據(jù)YL 處理廠實(shí)際運(yùn)行，一般待沉降儲油罐內(nèi)油厚達(dá)到1.0 m 以上時開始收油至與其高差為1 m 的凝析油罐中，可以將其簡化設(shè)定為在一個直徑為8.24 m 的圓形儲罐內(nèi)、罐內(nèi)油厚1.0 m，罐底有一φ48 mm×4 出口管線的儲罐模型（見圖5），那么根據(jù)伯努利方程，此時管線出口的流速可以通過以下計算：

由于S1>>S2，故有v1<

則理論流量：Q=v2×3 600×0.022×3.14=20.21 m3/h

而實(shí)際運(yùn)行過程中收油量為3～4 m3/h，說明從沉降除油罐收油口至凝析油儲罐的管程壓力水頭損失較大，是造成沉降除油罐收油時間較長的主要原因（見圖5）。

圖5 沉降除油罐收油流速計算模型

1.2.3 現(xiàn)有沉降除油罐罐底排泥效果差 氣田開發(fā)中產(chǎn)生的采出水，在處理廠進(jìn)行重力沉降處理時一般需加入絮凝劑、助凝劑、氫氧化鈉、雙氧水等藥劑，以便加快采出水中泥沙、重金屬鹽類等懸浮顆粒的碰撞、吸附、結(jié)合，密度大的泥沙和絮凝后的懸浮物絮體沉降到罐底，經(jīng)過長期作用，采出水中的上述雜質(zhì)就在沉降除油罐中聚集形成罐底的污泥層，此污泥層厚度積累到一定數(shù)量后，會在罐內(nèi)流場擾動下通過罐出水口進(jìn)入下級系統(tǒng)，導(dǎo)致下游采出水處理系統(tǒng)的故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了沉降除油罐運(yùn)行效果[2]。

YL 處理廠的沉降除油罐罐底排泥僅在罐底邊緣處設(shè)有清污槽和罐底排污管線，也就是距離罐中心多達(dá)4.12 m，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行過程中，通過罐底排污管線排出一方面是固相含量較低，另一方面是只能排出少量的排污口管線附近的罐底沉降泥層，有效排泥效果較低，導(dǎo)致罐底絮凝沉降的泥層逐漸增厚，而過高的泥層進(jìn)一步減低罐底排泥效率而形成惡性循環(huán)，為解決這一現(xiàn)場實(shí)際問題，一般每年進(jìn)行一次開罐人工清理，不僅影響了正常生產(chǎn)，還增加了處理廠生產(chǎn)運(yùn)行成本。此外，人工清罐所需時間較長，除了要提前排盡罐內(nèi)的采出水，還因?yàn)楣迌?nèi)要進(jìn)人，因此需要進(jìn)行蒸罐，在清理罐底泥層時還要輔之以水沖洗，因此一般清罐需要一周以上的時間，期間，相關(guān)的生產(chǎn)工藝流程都要受到影響。另外，近年來相關(guān)安全環(huán)保法對作業(yè)過程中的安全要求和環(huán)境監(jiān)測越來越高，進(jìn)一步增加了處理廠清罐作業(yè)成本。

2 沉降除油罐工藝優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化采出水入罐加藥

YL 處理廠采出水中加入藥劑主要有氫氧化鈉、絮凝劑、助凝劑、雙氧水，其中助凝劑和絮凝劑的作用主要是增加采出水中懸浮顆粒之間的吸附性，使懸浮顆粒加速絮凝為絮體狀，從而達(dá)到加速沉降的目的，加入雙氧水則是為了將采出水中的二價鐵離子氧化至三價鐵離子，加入的氫氧化鈉則是為了使采出水中的鈣鎂離子以及雙氧水氧化后的三價鐵離子形成沉淀，沉降至罐底。通過現(xiàn)場不同藥劑的試驗(yàn)，優(yōu)化出最佳的藥劑配比，試驗(yàn)情況（見表2、圖6）。

表2 藥劑優(yōu)化試驗(yàn)配比表

圖6 現(xiàn)場試驗(yàn)開展情況

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，結(jié)合實(shí)際絮凝沉降效果和經(jīng)濟(jì)效益，確定了YL 處理廠藥劑優(yōu)化配比，即推薦使用2 號藥劑加注方案，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況來看，較6 號原始加藥配比的效果好，此外，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，建議藥劑加注前移至沉降除油罐進(jìn)口處，以便達(dá)到最佳沉降效果。

2.2 改進(jìn)沉降除油罐采出水入罐及收油工藝

采出水在沉降除油罐中收油原理是根據(jù)含油采出水中油珠粒徑的大小不同，可以對采出水中的浮油、分散油進(jìn)行有效的沉降分離[3]。具體過程為：含油采出水經(jīng)進(jìn)水管線進(jìn)入到沉降除油罐內(nèi)部的分水器，由分水器均勻分布在罐內(nèi)部的配水管均勻的灑向罐內(nèi)的沉降區(qū)，在此過程中，水中較大的油珠在油水相對密度差的作用下，首先上浮至油層，粒徑較小的油珠隨水向下流動，在這個過程中，一部分粒徑較小的油珠由于自身在靜水中上浮速度的不同及水流速度梯度的推動作用下，不斷碰撞聚集，形成較大油珠而再次上浮至油層。質(zhì)量密度相對較大的泥沙及懸浮顆粒在密度差的作用下，沉降至罐底，剩余的采出水則處在中間的凈水層。

結(jié)合YL 處理廠原有沉降罐，對罐內(nèi)進(jìn)水、出水、收油結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具體（見圖7）：

圖7 改進(jìn)的沉降除油罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

（1）將原來的進(jìn)水工藝優(yōu)化為采出水進(jìn)入罐內(nèi)后經(jīng)分水器、配水管均勻的灑落進(jìn)入罐內(nèi)沉降層，使得采出水中油、水、泥達(dá)到均勻快速分離的目的；

（2）在油層處環(huán)罐壁設(shè)收油槽、收油流程線，利用油水密度差，罐內(nèi)油層厚度h油，罐內(nèi)水層高度h水，根據(jù)壓力平衡原理，有ρ油h油+ρ水h水=ρ出水管h出水管，因?yàn)棣延停鸡阉纱丝梢缘贸鰄油+h水＞h出水管，也即罐內(nèi)液位總高度大于出水管高度，因此保證了罐內(nèi)油層可以順利翻入收油槽內(nèi)，收油槽內(nèi)的油則適時的通過收油線轉(zhuǎn)走，實(shí)現(xiàn)了罐動態(tài)運(yùn)行，可最大限度的保障生產(chǎn)運(yùn)行。

2.3 完善沉降除油罐罐底排泥工藝

目前沉降除油罐底部排泥的方法一般有靜壓穿孔管排泥、水力沖洗法排泥、負(fù)壓排泥技術(shù)[4]。所謂靜壓穿孔管排泥技術(shù)就是在沉降罐底部鋪設(shè)環(huán)形穿孔管，依靠罐內(nèi)自身的靜壓水頭進(jìn)行排泥，具有工藝簡單、操作簡便、不需要附加動力、排泥效率較高的優(yōu)點(diǎn)；水力沖洗法排泥就是在罐底設(shè)置沖吸砂管，通過抽吸罐底層水作為載體，與罐底的泥沙一并吸出罐外再進(jìn)行分離，該項技術(shù)使用時要考慮罐底集中沉積的泥沙，有可能需要先進(jìn)行向罐內(nèi)沖水，考慮到對生產(chǎn)罐的擾動，對正常生產(chǎn)有一定的影響；負(fù)壓排泥技術(shù)近年來應(yīng)用較多，主要由噴射助排器、吸泥盤和助排液管組成，其原理是利用外界高壓流體通過節(jié)流嘴時在其周圍形成負(fù)壓區(qū)，而將罐底的泥沙吸出，其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單、運(yùn)行費(fèi)用較低，缺點(diǎn)是需要增加外部動力，增加設(shè)備及運(yùn)行成本。

鑒于以上分析，并結(jié)合YL 處理廠沉降除油罐實(shí)際，綜合現(xiàn)場改造的便宜性、后期使用的經(jīng)濟(jì)性和使用效果，推薦在罐底增加靜壓穿孔式排泥管，在罐底設(shè)置環(huán)形的楔形積泥槽，環(huán)形積泥槽內(nèi)設(shè)置環(huán)形的直徑較大的穿孔管，當(dāng)罐底積累一定厚度的泥沙時，打開排污閥，利用罐內(nèi)液體的自身靜壓水頭，通過帶孔環(huán)形排泥管時產(chǎn)生的吸力將罐底的泥與水一并吸出。

3 結(jié)論和認(rèn)識

（1）通過現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)化了采出水處理藥劑配比，減少了氫氧化鈉加藥量，刪減了絮凝劑加注，不僅保證采出水絮凝沉降效果，而且減少了藥劑消耗和員工勞動強(qiáng)度，僅減少的藥劑費(fèi)用估算在6.4 萬元/年左右，對處理廠的提質(zhì)增效有一定的促進(jìn)作用；

（2）通過對沉降除油罐進(jìn)水、收油結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以最大限度的促進(jìn)采出水油、水、泥沙的分離，利用罐內(nèi)外油水密度差造成的自然高差，實(shí)現(xiàn)收油出水口的固定結(jié)構(gòu)，提高了沉降除油罐的運(yùn)行效率和油水分離的穩(wěn)定性，降低了運(yùn)行維護(hù)成本，有效減少了罐內(nèi)沉降時間，生產(chǎn)運(yùn)行效率可得到顯著提高；

（3）通過對比三種罐底排泥技術(shù)的優(yōu)劣，確定了在罐底設(shè)置環(huán)形的楔形積泥槽以及在槽內(nèi)設(shè)置環(huán)形的直徑較大的穿孔管的方案，利用靜壓穿孔式排泥管可實(shí)現(xiàn)沉降罐底全面積積泥的適時排出，克服了原沉降罐只能排盡排污口附近2 m 范圍內(nèi)的積泥的弊端，相比負(fù)壓排泥系統(tǒng)，可減少機(jī)泵2 臺，減少電能損耗，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。