渤海油田某中心平臺溶氣式浮選器 處理效果的提升與實踐

溫振棟，郭奕杉，楊建偉，張大釬(中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300452)

0 引言

在海上油氣生產(chǎn)中，伴隨著原油和天然氣的產(chǎn)出，油藏中的地層水也會被開采到地面，在實際油田生產(chǎn)作業(yè)中伴生水也稱為生產(chǎn)水。伴生水中一般分散油、乳化油、溶解油、無機鹽、溶解氣和一些細(xì)菌等。生產(chǎn)污水的處理目的就是去除以上雜質(zhì)，以達到生產(chǎn)水回注或排放的標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)水的處理方式一般為兩種方式：一，處理合格后的生產(chǎn)水排海，根據(jù)環(huán)保要求近海海域一般不允許排海；二，處理后達到注水標(biāo)準(zhǔn)后，經(jīng)注水泵增壓后回注地層不僅補充地層能量，而且不會造成環(huán)境污染[1]。注水水質(zhì)是注水開發(fā)的生命線，水質(zhì)不達標(biāo)的注水注入地層不僅不能有效地保持地層能量，反而會腐蝕地面及井下設(shè)備，還會造成近井地帶污染堵塞，使得地層吸水能力變差，造成地層虧空，同時反映到油氣井上就是產(chǎn)量迅速降低，影響采收率[2]。

在生產(chǎn)污水中，水中含油(OIW)和懸浮物(TSS)是最難去除的雜質(zhì)，在生產(chǎn)水中存在的油滴直徑大于100 μm 的浮油和10～100 μm 的分散油占90%左右，油滴直徑在0.1～10 μm 的乳化油占10%左右，還有微量油滴直徑小于0.1 μm 的溶解油，一般含量小于1%[3]。溶氣式浮選器主要是去除生產(chǎn)水中的水包油型乳化油和懸浮物，去除率能達到90%～95%，氣浮出水水質(zhì)控制指標(biāo)要達到水中含油(OIW)小于50 mg/L，懸浮物(TSS)小于50 mg/L。

氣浮法凈化油田污水的理論研究和試驗結(jié)果說明，除油效率隨著氣泡與油珠和固體顆粒的接觸效率和附著效率的提高而提高。氣液接觸時間延長可提高接觸效率和附著效率，從而提高除油效率。增大油珠直徑，減小氣泡直徑和提高氣泡濃度既可提高接觸效率，也可提高附著效率。因此是提高除油效率的重要措施。其他一些因素如：溫度、pH 值、礦化度、處理水含油量和水中所含原油類型也都直接或間接地影響除油效率。因此處理不同的油田污水，即使同樣的設(shè)計，處理后的含油量也不相同；同一個水源，采用不同的氣浮法處理，處理后的水質(zhì)也不一樣；即使同一個水源，采用同樣的氣浮法處理，但隨著處理水物性的變化，處理后的水質(zhì)也會發(fā)生變化。因此，必須搞清這些因素對除油效率的影響及其之間的相互作用，從而采用針對性措施，提高氣浮法凈化油田污水的效率。

文中主要以該平臺溶氣式浮選器處理系統(tǒng)運行狀態(tài)為切入點，簡單介紹本設(shè)施生產(chǎn)運行狀況，并且對其中存在的一些問題和解決措施進行了探討。該平臺使用的ADNF 型溶氣式浮選器主要包括兩個處理區(qū)，分別是氣浮區(qū)和斜管區(qū)，如圖1 所示。

圖1 ADNF 溶氣式浮選器工藝流程圖

1 溶氣式浮選器流程改造

制約溶氣式浮選器處理效果的因素主要因素包括溶氣壓力、收油效率和排泥效率[4]。從設(shè)計到投產(chǎn)后運行，溶氣式浮選器運行一直存在幾個顯著問題，不僅制約了設(shè)備的處理能力也給員工日常操作帶來安全隱患，現(xiàn)在分別對以下幾個問題展開論述。

問題一：溶氣式浮選器設(shè)計最佳溶氣壓力為650 kPaG，但是平臺設(shè)計上溶氣式浮選器的氮氣來自于氮氣儲罐出口PCV(設(shè)點為500 kPaG) 下游，無法滿足溶氣式浮選器最佳工況。

問題二：隨著投運時間的增長和上游斜板除油器加注清水劑，造成溶氣式浮選器上部聚集浮油，底部會聚集污泥。由于平臺所處理生產(chǎn)水含有高濃度的硫化氫氣體，造成溶氣式浮選器污油、污泥無法安全排放，導(dǎo)致核桃殼濾器濾料全部受到污染，處理水質(zhì)長期不達標(biāo)，極大制約了生產(chǎn)污水處理能力。

問題三：溶氣式浮選器底部會聚集污泥且長時間無法安全排放，給細(xì)菌繁殖提供了溫床，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕加速，給設(shè)備設(shè)施的安全運行帶來安全隱患。

問題四：溶氣式浮選器原設(shè)計方案是將氣相就地排放，由于氣相含有高濃度硫化氫，存在流程關(guān)停和人員中毒受傷的風(fēng)險。

1.1 溶氣式浮選器氣源改造

在整個生產(chǎn)污水處理過程中去除乳化油主要是依靠浮選器[5]。溶氣式浮選器主要作用原理就是向污水中通入氮氣，氮氣較其他氣體更安全也更易于獲得，氮氣在650 kPaG 的壓力下溶于生產(chǎn)水中產(chǎn)生微氣泡，達到飽和狀態(tài)，水體會呈現(xiàn)乳白色狀態(tài)，以此來判斷溶氣效果。溶氣水在反應(yīng)器中與原水混合壓力會突然下降，微氣泡在混合區(qū)體積增大并從水中逸出，生產(chǎn)水中的乳化油或懸浮物顆粒附在氣泡上浮到水面，然后采用機械的方法撇除刮除進入污油系統(tǒng)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)水除油的目的[5-6]。該平臺ADNF 溶氣式浮選器是采用的新一代氣浮加斜管處理模式，其工作原理主要分為三個部分：(1)絮凝反應(yīng)：生產(chǎn)水進入管道反應(yīng)器中，與絮凝劑(助凝劑)和部分溶氣水混合發(fā)生反應(yīng)，釋放的微小氣泡(直徑氛圍(30～50 μm) 形成氣浮絮狀體，然后再進入氣浮罐體；(2) 氣浮分離：生產(chǎn)水進入氣浮罐體和另一部分溶氣水繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)后再進入斜管分離區(qū)，根據(jù)淺池原理密度小的氣浮絮狀物上浮后由刮油(渣)板送至污油罐，密度較大的懸浮顆粒下沉至罐體底部，由刮泥機送至排污口，定期排放；(3)溶氣釋放：在溶氣罐中氮氣和循環(huán)水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生飽和溶氣水，一部分送至入口的管式混合反應(yīng)器，另一部分送至氣浮罐體。

刮泥機和刮渣機通過PLC 控制定時啟動，需要員工手動打開排放閥進行手動排放，如圖2 所示。

制度是學(xué)校管理必不可少的利器，正所謂“沒有規(guī)矩，不成方圓”。為此，農(nóng)村學(xué)校必須要完善寄宿制的管理制度，制定詳細(xì)的可執(zhí)行的制度，比如《宿舍管理制度》《文明宿舍評比制度》等，這些制度能夠一定程度上保證住宿生行為有章可循。

圖2 ADNF 溶氣式浮選器工作原理圖

根于溶氣式浮選器設(shè)計技術(shù)澄清內(nèi)容，當(dāng)溶氣壓力在650 kPaG 時，溶氣水通過細(xì)管進入氣浮進水區(qū)，在進水室污水和氣水混合物中才能釋放得到直徑氛圍為30～50 μm 微小氣泡，以達到溶氣式浮選器最佳工況。目前，氮氣流程為溶氣式浮選器提供的氮氣壓力最高只能達到500 kPaG，針對此問題經(jīng)與工程建設(shè)方、設(shè)計方和廠家溝通后將溶氣式浮選器的溶氣源氮氣取氣點改為PCV 上游，直接將氮氣儲罐800 kPaG左右的氣源引至溶氣式浮選器溶氣罐入口，以滿足溶氣式浮選器的最佳溶氣壓力，如圖3 所示。

圖3 溶氣式浮選器氮氣氣源改造簡圖

溶氣式浮選器氣源改造完畢后，氣源壓力滿足了其處理需求，現(xiàn)場可以通過調(diào)節(jié)浮選器溶氣罐上游PCV 精確控制溶氣壓力，以達到最佳溶氣效果，滿足設(shè)備最佳工況。

針對溶氣式浮選器和斜板除油器以及其他生產(chǎn)水處理系統(tǒng)中常壓罐產(chǎn)生的高含硫化氫的氣體統(tǒng)一做了改造，由原設(shè)計的就地排放改造為將產(chǎn)生的廢氣經(jīng)由射流泵排至透平發(fā)電機排煙道上方高處，經(jīng)核算改造后廢氣可以很好地排放至高空，經(jīng)空氣稀釋后不會對人和設(shè)備造成危害。

1.2 溶氣式浮選器臨時排泥流程改造

在注水水質(zhì)考核指標(biāo)中不僅水中含油(OIW)很重要，而且固體懸浮物(TSS)也是影響水質(zhì)的重要參數(shù)。在ADNF 溶氣式浮選器處理生產(chǎn)水流程中，污油排放設(shè)計是閉式排放至污油罐，而固體懸浮物積累的污泥排放方式為開式排放，由于排放的污油污泥中高含硫化氫(硫化氫濃度高達3 000 mg/L)，就造成雖污油可以安全排放，但污泥不能及時安全排放。這些污泥長期在罐底沉降積累不僅會二次污染清水室水質(zhì)，還會污染下游核桃殼過濾器，導(dǎo)致油田注水水質(zhì)不達標(biāo)，還會給細(xì)菌的繁殖提供溫床，造成細(xì)菌含量超標(biāo)，硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)物硫化氫更高，也會加劇設(shè)備的內(nèi)腐蝕。

溶氣式浮選器底部污油不僅應(yīng)該及時排出，保證水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)，而且還要有安全、合理的排放方法，保障人員的作業(yè)安全。ADNF 溶氣式浮選器初始設(shè)計的污泥排放方式為開式排放流程，即通過箱體底部排放閥門直接排放至地漏中，這種排放方式難以適用于高含硫化氫的工況。經(jīng)過對現(xiàn)場流程實際考察分析后，決定對排污管線進行改造并配合調(diào)整刮渣機和刮泥機PLC 運行邏輯來實現(xiàn)安全、有效排放污泥的目的。具體操作方法是將溶氣式浮選器底部排泥管線連接至設(shè)備收油管線，改造后底部污泥將排至平臺污油罐中，形成閉式排放。先通過改造四個生產(chǎn)水處理系列中的A 和B 系列驗證此改造方法的可行性，具體方法為在A/B 溶氣式浮選器收油槽去污油罐管線上開孔并焊接三通，用4 寸軟管連接三通和排泥去地漏隔離閥法蘭，從而實現(xiàn)罐底排泥至污油罐，如圖4 所示。12 月17 日改造后每隔8 小時手動排泥一次，實驗數(shù)據(jù)詳見表1 和表2。

表1 接排泥管線前后TSS 含量對比表 單位：mg/L

表2 接排泥管線前后OIW 含量對比表 單位：mg/L

圖4 溶氣式浮選器A/B 實驗流程改造

實驗證明溶氣式浮選器排泥至污油罐流程的改造很好地解決了浮選器安全排泥的問題，大幅度提高了出口處理水質(zhì)。根據(jù)實驗結(jié)果將四個系列均做了改造并將軟管改為硬管連接。(1) 將目前溶氣式浮選器A/B 排泥在用的4 寸軟管改造成4 寸的硬管段(現(xiàn)場排泥去地漏流程有隔離閥門，滿足流程隔離條件)； (2)增加溶氣式浮選器C/D 排泥硬管線段的改造，并將4 臺斜板排泥管線匯總到一起，匯集進入溶氣式浮選器B 收油流程，詳見圖5。

圖5 溶氣式浮選器排泥流程改造

新增排泥管線流量計算根據(jù)列賓公式(1)：

經(jīng)計算可得新增排泥管線的過流量約為120 m3/h，可以滿足單臺設(shè)備收油排泥的流量需求。操作時，可通調(diào)整浮選器的進液量控制其液位，底部排泥和上部收油可以同時進行。

2019 年12 月，對氣浮選機進行收油、排污流程進行改造，后續(xù)進行定期收油排污作業(yè)，改造后氣浮選機處理效果明顯提高，生產(chǎn)水系統(tǒng)處理水質(zhì)明顯改善，詳見圖6。

圖6 溶氣式浮選器改造前后總出口水樣化驗數(shù)據(jù)對比

2 研究成果

針對該設(shè)施生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的設(shè)計和運行狀況，結(jié)合實際具體問題，采用科學(xué)有效的技術(shù)手段對溶氣式浮選器具體分析，提出了合理的解決措施。通過自主改造措施，很大程度上提高了生產(chǎn)水處理的質(zhì)量和效率，解決了設(shè)備設(shè)施內(nèi)腐蝕問題，同時消除了安全隱患，保障了人員的生命安全。

(1)將溶氣式浮選器溶氣壓力改為650 kPaG，使溶氣水混合物產(chǎn)生直徑氛圍為30～50 μm 微小氣泡，以達到溶氣式浮選器最佳工況，滿足了生產(chǎn)水系統(tǒng)正常處理需求。同時，溶氣式浮選器處理能力的提升也為后期引FPSO 高壓生產(chǎn)水進入低壓生產(chǎn)水處理系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。

(2)溶氣式浮選器排泥有開式改造為閉式，充分利用了撬塊自身流程，改動小而效益明顯。從根本上解決了溶氣式浮選器出口水質(zhì)不達標(biāo)的問題，同時保障了員工作業(yè)安全，消除了安全隱患。

(3)溶氣式浮選器出口水質(zhì)得到大幅改善提高了核桃殼過濾器入口水質(zhì)，減小了核桃殼濾器處理負(fù)擔(dān)，同時延長了核桃殼濾器的使用壽命及濾料更換周期，實現(xiàn)降本增效的目的。

(4)溶氣式浮選器底部污泥得到有效排放，使得細(xì)菌沒有了生長的溫床，降低了細(xì)菌的滋生繁殖，從而也控制了設(shè)備的腐蝕。

(5)整體水質(zhì)的提升，減少了地層堵塞程度，減少了注水井解堵頻次，節(jié)約了作業(yè)費用，提升了注水井的綜合時率，同時也提升了原油采收率。

(6)生產(chǎn)水系統(tǒng)廢氣排放經(jīng)由射流泵排放至透平發(fā)電機煙道處，消除了安全風(fēng)險。

3 結(jié)語

(1)項目或設(shè)備的設(shè)計階段更多地結(jié)合現(xiàn)場實際情況，充分考慮油田硫化氫的存在，對可能產(chǎn)生的腐蝕情況和安全因素統(tǒng)籌考慮。從本質(zhì)安全和經(jīng)濟適用性兩方面著手，確保設(shè)備能夠在最佳工況下運行，滿足最大處理負(fù)荷，發(fā)揮設(shè)備最大處理潛能。今后高含硫化氫的設(shè)施設(shè)計應(yīng)該將任何排放方式設(shè)計為閉式排放，從根源上消除安全隱患。

(2) 充分研究影響溶氣式浮選器處理效果的因素，考慮氣源種類和壓力對溶氣效果的影響，以及斜管區(qū)不同斜管材質(zhì)、孔徑和傾斜角對不同生產(chǎn)水處理的影響。在后期新平臺設(shè)計或老平臺改造中，可以考慮將斜管區(qū)設(shè)計成角度可調(diào)節(jié)的功能，針對設(shè)備投產(chǎn)后可能處理的不同水質(zhì)的生產(chǎn)水可以做到精細(xì)調(diào)節(jié)。

(3)充分利用現(xiàn)場力量自主創(chuàng)新改造，提質(zhì)增效，用最小的投入獲得了較大的效果。