海上平臺含聚油泥循環利用處理工藝優化

秦薇 蘭夕堂 劉長龍 王成勝 陳士佳 陳斌

1中海石油（中國）有限公司天津分公司

2中海油能源發展工程技術分公司

海上油田資源儲量豐富，具有廣闊的勘探開發前景，其高效開發和利用是我國能源發展的重要規劃之一。渤海油田是目前我國海上最大的油田，近幾年聚合物驅提高采收率技術已經成為渤海油田增儲上產的重要技術之一，但注聚作業帶來的含聚采出液處理問題，尤其在采出液處理流程中產生大量黏稠含聚油泥，是海上油田采出液處理的技術瓶頸，也是現場迫切需要解決的生產難題。海上油田含聚油泥處理難度大、高效性差是多重因素的綜合影響：①含聚油泥自身組成及性質非常復雜，具有含油量高、黏度大、脫水難等顯著特征[1-2]；②陸地油田含聚油泥的處理依然存在處理難、過程繁雜等問題，通常采用壓濾或離心的方式對油泥脫水，但處理后油泥含水率仍然在60%～70%之間，后續仍需采用其他處理裝置[3-4]；③在相對空間狹小的海上平臺，陸地油田常用的大型脫水設備、干化處理裝置等不能使用，所以陸地油田油泥處理的方法不適應于海上平臺；④隨著我國環保法的逐漸完善和保護海洋環境意識的不斷增強，必須在海上有限的空間內實現就地高效處理，盡量達到“零”排放。因此，確保含聚油泥的有效處理及處理流程的正常運行（油水泥三相完全分離，上層油水中含水和含固均小于10%，達到外輸標準；中層污水不影響現場水處理流程正常運轉；低層泥干化后含油率小于5%，研磨加入至回注水中后含油質量濃度小于50 mg/L，固體顆粒粒徑中值小于0.45 mm），是解決當前海上平臺含聚油泥的重點及難點，更是生產過程中面臨的當務之急。

1 分離劑的分離效果研究

目前，油泥處理技術多種多樣，調質—機械分離處理技術通過化學劑打破膠體原油穩定性，利用機械分離設備進行分離，但此技術適用性差[5-6]；熱處理技術通過加熱使油泥內物質發生復雜水合、裂化反應，或通過加熱、化學處理使油從污泥固相表面脫離，但此類技術需要大量熱能消耗及設備投資[7-8]；生物處理技術通過微生物降解作用而達到分離效果和排放標準，其存在處理周期長、資源無法回收等弊端[9]。此外還有萃取處理技術、電處理技術等，每種處理技術都各有利弊[10-12]，且受限于海上油田空間有限，無法采用常規陸地設備，輸送至陸地處理耗時耗力，海洋環保嚴苛無法排海。近幾年來，在海上油田采用了化學手段尤其是選擇有效分離劑進行油水分離，目前選擇的分離劑主要起到破乳作用，其成分為一些表面活性劑類物質及酸性物質。

因此，綜合考慮利用高效分離劑與含聚油泥在一定溫度下充分作用，使油泥中的油、水、固三相快速分離，分離出的原油回收，含水固相經過研磨細化后回注利用，從而達到一定意義上的“零排放，高效利用”。此工藝的有效實現，其首要環節在于分離劑對含聚油泥的分離作用。本文研制出一種新型高效分離劑，它由滲透劑、破乳劑和酸性氧化劑復配構成，滲透劑能夠促進氧化劑快速滲透至聚合物內部，破壞聚合物結構，有效降低含聚油泥內部固相和油相的界面結合力，破乳劑則能有效降低含聚油泥中油相和水相的界面膜強度，從而達到油水分離的作用。實驗過程中所用油泥的組成（質量分數）如下：含油23.2%，含水34.5%，含聚合物固相26.0%，含無機物固相16.3%。

1.1 劑泥比對回收率的影響

取油泥20 g 左右，按設計比例加入配置好的20%（質量分數）的分離劑A，攪拌時間定為40 min，攪拌溫度為70 ℃，攪拌速度為600 r/min，考察不同劑泥比（1∶1～5∶1）對回收率的影響，其結果如圖1 所示。

圖1 回收率與劑泥比關系曲線Fig.1 Relation curve of recovery rate and the ratio of agent and oil sludge

從圖1 可知，回收原油的固含量隨藥劑加入量變化不明顯，但分離劑用量由1 倍增加到2 倍油泥量時，原油分離效果顯著提高，原油回收率明顯增加，油中固含量亦降低；當劑泥比大于3 后，原油回收率呈平緩下降的趨勢，油中固含量反而呈上升趨勢。原油回收率發生變化可能是因為隨著劑泥比增加，分離劑水溶液的量亦增加，更多分離劑分子擴散到界面空缺位置，隨著分離劑分子在界面處聚集濃度的增加，分離劑分子降低界面張力的能力高于含聚油泥體系中原有乳化劑，使得膜中的界面張力降低。同時分離劑可以改變含聚油泥中乳化劑的潤濕性，促使它們從相界面轉移到油相或水相中。因而，含聚油泥中的原油分子容易從泥表面分離并上浮在水相之上，原油回收率增加。當分離劑用量高于3 倍時，界面上的分離劑分子濃度逐漸趨于飽和，因而回收率曲線趨于平緩。當劑泥比為2 時油品回收率較高，大于3 時原油回收率反而稍有降低，這是由于水相體積的增加，溶解了更多的乳化油，使原油回收率反而降低。綜合考慮分離劑對含聚油泥的分離效果及降本增效的原則，確定最佳劑油比為2∶l。

1.2 攪拌速度對油泥分離效果的影響

取油泥20 g 左右，按設計比例加入配置好的20%的分離劑A，劑泥比為2∶1，攪拌時間定為40 min，攪拌溫度為70 ℃，改變攪拌速度，考察其對原油回收率的影響，結果如圖2 所示。

圖2 攪拌速度與原油回收率的關系曲線Fig.2 Relation curve of stirring speed and crude oil recovery rate

隨著攪拌速度的增大，原油回收率先增加后降低。攪拌速度為500～520 r/min 時，混合油泥的分離效果較穩定，回收率大于90%，油層含固率小于3.2%。當攪拌速度從300 r/min 開始增加時，隨著攪拌速度的增大，油泥和分離劑混合越來越均勻，分離劑分子擴散到油和水及油和泥界面的量逐步增大。由于界面處分離劑分子的增多，分離劑分子在原來油和泥界面及油和水界面逐步定向排列，使得原來相界面的乳化膜機械強度減弱，油泥原來的相界面表面張力減小，油分子逐步從泥相表面開始分離，油相的量逐步增多；當攪拌強度過大超過600 r/min 時，分離出的油相容易乳化在水相中形成水包油型乳化液，相界面模糊不利于油水分層，因而使得回收率下降。因此，攪拌速度過高可能會導致油水相乳化嚴重，反而不利于分離，確定最佳的攪拌速度為500 r/min。

1.3 攪拌時間對回收率的影響

取油泥20 g 左右，按設計比例加入配置好的20%的分離劑A，劑泥比為2∶1，攪拌速度為500 r/min，攪拌溫度為70 ℃，改變反應時間，考察其對原油回收率的影響，結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，隨著攪拌時間的延長，回收率先增加而后趨于穩定，而回收原油中的含固率先降低后趨于穩定。這可能是由于加入分離劑后，分離劑分子在界面處吸附，形成表面吸附層，從而改變界面最外層的化學組成。由于分離劑分子或離子從溶液內部遷移到表面上形成定向吸附層需要時間，此外，分離劑分子遷移到表面后會形成一定面積新的分離劑分子表面，其表面張力也不能瞬時降低到平衡表面張力值。在平衡值之前，隨分離劑分子或離子不斷取代表面上原有分子的位置，溶液表面張力會隨界面處分離劑分子或離子的數量增多而逐漸降低，直至達到平衡值為止。因而，30 min 攪拌時間是分離劑分子或離子從溶液內部遷移到表面上形成定向吸附層需要的時間。當小于30 min 時，由于遷移到界面處的分離劑分子的量比較少，因此油分子與固體物質分離不徹底，油分子從界面處脫附的量較少，回收率低，回收原油的固含率較高。隨時間的增加，在攪拌時間超過40 min 后界面處的分離劑分子的吸附量逐步達到平衡值，油分子與固體物質的結合力降低到平衡值，分離出來的油分子的量趨于穩定，因而回收率和回收原油的固含率趨于穩定。由以上分析得知，實驗最佳攪拌時間確定為30～40 min。

圖3 原油回收率與攪拌時間的關系曲線Fig.3 Relation curve of crude oil recovery rate and stirring time

2 原油回收分離工藝優化

在含聚油泥原油回收處理過程中，無論采用何種化學分離技術往往側重于提高原油的分離效率，通過研制高效分離劑提高原油回收率，而忽略了配合選用高效分離工藝。考慮到海上油田平臺空間有限，作業環境要求高，協調難度大，隨著注聚作業的不斷進行，處理工作量及強度大，大量分離劑的運輸及存放不僅需要占用大量平臺、船舶，同時也需要大量人力、物力、財力的投入，造成資源浪費、效率低。本文研究過程中通過優化含聚油泥原油分離沉降時間，優選高效加藥方式，并對含分離劑的分離污水進行循環再利用，既提高了分離劑的應用效率又節約了成本，有利于實現降本增加的目標。實驗過程中所用油泥同前文。

2.1 優化沉降時間

分離劑的用量、比例、攪拌時間及攪拌速度直接影響原油的分離效果，當原油被有效分離后必須在一定時間內進行充分沉降，使油水得到有效、穩定、充分分離。按上述優選好的配方及參數，加入100 g 混合含聚油泥樣品和200 mL 質量分數為20%的分離劑A 開展室內實驗優化沉降時間，為開展平臺現場試驗提供理論依據，其結果見表1，沉降效果如圖4 所示。

表1 含聚油泥處理中不同沉降時間的分離效果Tab.1 Separation result of polymer-contained oil sludge treatment at different settling time

圖4 SZ36-1 含聚油泥沉降10～30 min 的分離效果Fig.4 Separation result of SZ36-1 polymer-contained oil sludge with settling time of 10～30 min

從表1 實驗結果可以看出，油層含水率隨著沉降時間的增加而降低，逐漸趨于穩定，固相殘油率亦呈同樣的趨勢，油泥反應后油、泥、水脫離較快，能夠較好地分層，原油回收率呈提高趨勢，沉降30 min 后達到89%左右。沉降時間延長雖然有利于油泥分離各項指標的提高，但延長沉降罐的使用周期會導致分離設備的處理能力下降，從工藝設計考慮，沉降分離時間不宜過長，應在保證分離效果的前提下，縮短沉降時間，以30 min 為宜。

2.2 加藥方式的研究

研究結果表明最佳劑油比為2∶1，根據所需處理的含聚油泥量可確定分離劑的用量，但在相同的分離劑加量下不同的加藥方式也會影響原油的回收效率。考慮現場可操作性及分離效果，選用兩種加藥方式開展研究。

2.2.1 含墊層加藥方式

按照上述工藝條件進行實驗，用質量分數為20%（下同）的藥劑A，加入50～150 g 左右的含聚油泥樣品，按藥劑與油泥1∶1加入反應，攪拌轉速為500 r/min，再加1 份20%藥劑作墊層進行靜置分離，保溫沉降時間30 min，分別測定分離后原油回收率和油層含水率、泥層含油率（泥層含油是指分離出來的泥中能夠用石油醚萃取出來的油）等相關參數，考察處理工藝的穩定性，分離效果見表2。

表2 含墊層加藥方式的分離效果Tab.2 Seperate result of dosing method with cushion layer

由表2 實驗結果可知，按劑泥比1∶1 的方式進行投料反應，并加入1∶1 藥劑墊層，其含聚油泥樣品的分層效果較好，原油回收率可達91%以上。

2.2.2 不含墊層直接加藥方式

按照上述工藝條件進行實驗，調整藥劑加入比例，在50～150 g 含聚油泥樣品中，按20%藥劑與油泥2∶1 一次性加入反應，攪拌速度500 r/min，保溫沉降分離30 min，分別測定分離后原油回收率和油層含水率、泥層含油率等相關參數，考察處理工藝的穩定性，結果見表3。

表3 直接加藥方式的分離效果Tab.3 Seperate result of dosing methed without cushion layer

從表3 實驗結果可知，處理后的主要參數變化趨勢平穩，達到較好的分離效果，原油回收率穩定在90%左右，油層含水率、泥層含油率等主要指標變化小，處理工藝較穩定。含墊層加藥方式達到的原油回收率略高于直接加藥方式，但兩者分離效果相差不大，可根據油田實際需求進行選擇。

2.3 分離污水的循環利用研究

在分離反應過程中，藥劑的加入，尤其是在墊層工藝中，加入藥劑墊層可以加快分離，但在處理油泥后的污水中仍含有部分未反應完全的分離劑，從提高分離劑有效利用率等多角度考慮，將分離處理后的污水作為分離劑墊層使用。本實驗考查能否將實驗分離出來的污水層，在后續的實驗中作為分離墊層循環使用，或者在回收的分離污水中補充分離劑，配制成藥劑使用，以達到節約藥劑、降低分離成本的目的。

2.3.1 分離后的污水補加藥劑循環利用實驗

實驗研究過程中含聚油泥、分離劑與分離劑墊層配比為1∶1∶1，將實驗分離出的污水收集，分離劑墊層中按原藥劑20%加入配置好的濃度為20%的分離劑A（如1 L 回收的污水中補加40 g 原分離劑），作為配置好的分離劑循環使用。其分離結果見表4。

表4 含聚油泥補加藥劑處理實驗循環結果Tab.4 Cycle result of agent replenishing treatment experiment for polymer-contained oil sludge

從表4 實驗結果可以看出，在回收污水中，補加至藥劑含量為20%時，油泥經4 次循環后（即使用5 次），其分離處理能力基本沒有降低，原油回收率仍在87%以上。

2.3.2 分離后的污水直接循環利用實驗

在回收污水中，不補加藥劑直接用于循環使用，實驗研究過程中含聚油泥、分離劑與分離劑墊層配比仍為1∶1∶1，研究此過程中的分離效率，考慮能否在不補加藥劑的條件下將污水直接作為墊層應用于現場含聚油泥處理，實驗結果見表5。

表5 含聚油泥直接處理實驗循環結果Tab.5 Cycle result of direct treatment experiment for polymercontained oil sludge

從表5 可以看出，將分離出來的污水作循環墊層使用時，不補加藥劑，經過4 次循環后，其分離能力呈下降趨勢，在第5 次循環實驗時，油層含水率及泥層含油率均呈上升趨勢，墊層循環后的分離效果降低，原油回收率小于85%，回收油層含水率與泥層含油率均明顯上升。可見經過5 次循環后，回收污水作為墊層使用的效果顯著下降，不易再循環使用。在實際運用中，尤其是在大規模處理含聚油泥的工業應用中，從節約成本上考慮，可以將分離后的污水作為墊層循環使用3～4 次。

3 原油回收分離工藝現場應用

海上油田迫切需要開展含聚油泥的處理及利用新技術研究，及時消化流程中產生的油泥，變廢為寶，確保含聚采出液的全面處理和平臺處理流程的正常運行。本文提出的設計思路是：利用高效分離劑與含聚油泥在一定溫度下充分作用，使油泥中的油、水、固三相快速分離，將含有分離劑的污水作為墊層循環再利用，分離出的原油回收，含水固相經過研磨細化后回注利用。在海上現場處理過程中設計的含聚油泥具體處理工藝流程如圖5 所示。根據此設計形成的處理工藝能夠實現含聚油泥5 m3/d的處理規模，并在渤海油田海上平臺進行了現場試驗，有效地保證了海上平臺的正常高效運轉。

圖5 含聚油泥現場處理工藝流程Fig.5 Process flow of polymer-contained oil sludge site treatment

目標井現場試驗共處理含聚油泥4 批共計1.25 m3，現場油泥含油20%（原油密度0.934 8 g/cm3）、含水率48%、含固率32%（其中聚合物固相為18.5%），含聚油泥為細膩、黏稠、含油較多的黏稠物，油泥流動性較好，明顯可見泥較細。采用前文優化的工藝條件進行間歇式處理，現場經過分離工藝處理后得到的污泥含油率0.27%、含固率3.89%，主要為有機物，無機固體顆粒通過沉降去除，分離得到的原油含水率約2%，分離效果良好，如圖6 所示。

圖6 含聚油泥處理效果Fig.6 Treatment result of polymer-contained oil sludge

將分離后的原油進行回收，含水固相經過研磨細化[13-14]后回注到注聚井，最終累計回注時間為25.5 h，污泥注入質量濃度從50 mg/L提高到400 mg/L，注入泥水共計51 m3。試驗期間，注入壓力平穩，未見顯著變化，最大注入壓力≤7.4 MPa（＜10 MPa），試驗結束轉繼續注聚，壓力保持平穩，未見異常（圖7）。

圖7 污泥回注井井口壓力曲線Fig.7 Wellhead pressure curve of of sludge reinjection well

4 結論

（1）針對海上平臺空間有限，黏稠含聚油泥處理難度大等問題，提出利用高效分離劑與含聚油泥在一定溫度下充分作用，使油、水、固三相快速分離，分離出的原油回收，含水固相經過研磨細化后回注利用的設計理念，達到一定意義上的“零排放，高效利用”處理新工藝。

（2）研制出的新型高效分離劑能夠有效降低含聚油泥界面結合力及界面膜強度，從而達到油水分離的作用。通過機理分析及室內實驗，優選出最佳劑油比為2∶1，最佳攪拌速度為500 r/min，最佳攪拌時間確定為30～40 min。

（3）將含有未反應完全的分離劑的污水作為分離劑墊層循環再利用，在不補充藥劑的條件下循環4 次，能保證原油回收率大于85%，而該工藝的施工成本能夠控制在900～1 200 元/m3，因此既提高了分離劑的有效利用率又有利于實現降本增效的目標。

（4）含聚油泥處理新工藝在渤海油田海上平臺進行了現場試驗，可有效及時消化流程中產生的油泥，變廢為寶，確保含聚采出液的全面處理和平臺處理流程的正常運行，且處理后污泥回注井壓力平穩，此工藝具有良好的現場應用效果。