海洋油田水處理設(shè)備不停產(chǎn)工藝方案

梁波,于清遠(yuǎn),石亞卜，牛志剛，謝小波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

渤海某油田FPSO生產(chǎn)水處理系統(tǒng)分為3個(gè)系列，每個(gè)系列包括1臺(tái)斜板撇油器和1臺(tái)氣浮選器。該油田FPSO生產(chǎn)水處理系統(tǒng)長時(shí)間處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，全系統(tǒng)處理生產(chǎn)水2 300 m3/h，單系列每天處理生產(chǎn)水766 m3/h。正常生產(chǎn)條件下，生產(chǎn)水處理系統(tǒng)進(jìn)口含油400 mg/L，經(jīng)撇油器浮選器2級(jí)處理后出口含油降至50 mg/L，經(jīng)撇油器浮選器處理后的生產(chǎn)水再通過核桃殼過濾器進(jìn)一步處理，最終達(dá)到生產(chǎn)水中含油小于20 mg/L的要求。在對(duì)撇油器、浮選器年度檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同程度的罐壁腐蝕，是油田的安全生產(chǎn)的安全隱患，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行下線檢修。為避免設(shè)備下線檢修期間對(duì)生產(chǎn)水系統(tǒng)處理能力及油田產(chǎn)量的影響，決定結(jié)合目前生產(chǎn)處理流程實(shí)際情況，開展斜板撇油器、氣浮選器下線維修不減產(chǎn)方案設(shè)計(jì)。

1 方案比選

撇油器浮選器徹底修復(fù)需處理設(shè)備下線進(jìn)行，但單個(gè)生產(chǎn)水處理設(shè)備下線意味著1個(gè)系列生產(chǎn)水處理下線。下線1個(gè)生產(chǎn)水處理系列進(jìn)行，產(chǎn)量損失約為400 m3/d，壓力容器修復(fù)期間，單個(gè)設(shè)備維修工期長達(dá)25 d，每個(gè)系列腐蝕修復(fù)將影響產(chǎn)量20 000 m3。面對(duì)關(guān)鍵處理設(shè)備下線維修會(huì)影響產(chǎn)量的難題，研究生產(chǎn)水處理流程及各設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比分析不同工藝方案對(duì)本油田產(chǎn)量損失及生產(chǎn)水質(zhì)的影響。

渤海某油田FPSO斜板撇油器、氣浮選器設(shè)計(jì)及操作參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)表

1.1 生產(chǎn)水臨時(shí)處理設(shè)備替代方案

考慮現(xiàn)場甲板空間和承重有限，計(jì)劃新增一套占地面積小、重量輕的集約化高效生產(chǎn)水處理設(shè)備(高效聚結(jié)分離裝置、緊湊型氣浮裝置等)，作為單系列臨時(shí)替代處理設(shè)備與其他2個(gè)系列撇油器和氣浮選器并聯(lián)使用，以使撇油器、氣浮選器同時(shí)下線，替代設(shè)備布置計(jì)劃見圖1。

圖1 生產(chǎn)水處理采用臨時(shí)替代設(shè)備計(jì)劃

其處理量設(shè)計(jì)795 m3/h，設(shè)計(jì)參數(shù)為入口含油率≯500 mg/L，出口含油率≯50 mg/L。充分調(diào)研國內(nèi)外集約化高效生產(chǎn)水處理工藝，認(rèn)為以下幾種工藝方案設(shè)備重量輕占地空間小，除油率高，具有可行性。

1.1.1 纖維聚結(jié)分離技術(shù)

纖維聚結(jié)分離技術(shù)是以親疏水組合纖維物理強(qiáng)化破乳為核心的模塊化高效低耗除油技術(shù)，可將游離態(tài)的分散油、懸浮油及乳化油通過分級(jí)分步的方法進(jìn)行快速高效分離[1]。原理見圖2。

圖2 纖維聚結(jié)工作原理示意

1.1.2 旋流氣浮(CFU)工藝

基于氣浮原理、離心力應(yīng)用及油、氣聚結(jié)原理等綜合應(yīng)用的工藝分離技術(shù)，采用弱旋流和強(qiáng)氣浮兩種單元處理技術(shù)為基礎(chǔ)，利用湍流作用提高油滴與微氣泡之間的碰撞粘附效率，使小氣泡與小油滴聚結(jié)上浮，油滴不斷增大，直到流至頂部導(dǎo)流葉片，旋流停止[2]。

1.1.3 高效氣浮池處理工藝

該處理工藝需要增加氣浮池1座，絮凝過后的水流與加壓溶氣水混合均勻進(jìn)入氣浮池內(nèi)；已經(jīng)產(chǎn)生的絮體迅速附著微氣泡，在其帶動(dòng)下上浮至表面，形成浮渣層，在表面刮渣機(jī)作用下，表面浮渣層被迅速搜集并排出；而對(duì)于一些密度較大的顆粒物則下沉至氣浮池底，由底部排泥口搜集排出；氣浮處理后的水由清水出口流出[3]。

1.1.4 GEM高效浮選技術(shù)

GEM高效氣浮選技術(shù)可對(duì)生產(chǎn)水中的油和懸浮物進(jìn)行快速、有效地去除。浮選過程中逐漸形成的絮體在壓力形態(tài)下為固液氣三態(tài)混合物，壓力降低時(shí)，絮體中的溶氣釋放長大，將絮體中的水分?jǐn)D出，氣體和固體絮體形成多孔中空形態(tài)，含水率顯著降低同時(shí)自身比重越來越輕，可以不借助外力自行上浮，最終形成浮渣被刮除。其工作原理見圖3。

圖3 GEM高效浮選工作原理示意

上述4種集約化高效生產(chǎn)水處理技術(shù)具備一定的可行性，理論上進(jìn)水含油：<400 mg/L，出水含油<50 mg/L。但增加處理裝置費(fèi)用預(yù)計(jì)達(dá)1 100萬元，且其建造周期需6個(gè)月。

1.2 生產(chǎn)水下艙沉降處理替代一級(jí)處理設(shè)備方案

通過管線改造，生產(chǎn)水頭直接下艙至1號(hào)污油水艙，同時(shí)加注化學(xué)藥劑處理，經(jīng)過沉降后，凈生產(chǎn)水通過艙內(nèi)連通閥進(jìn)2號(hào)污水艙進(jìn)行二級(jí)沉降，再經(jīng)2號(hào)污水艙貨油泵轉(zhuǎn)回撇油器入口或浮選器入口，1號(hào)污油水艙積攢的污油水通過高位泵轉(zhuǎn)回流程，進(jìn)入生產(chǎn)水液頭進(jìn)行處理，流程見圖4。2號(hào)污水艙艙容12 000 m3，按照60%的液位考慮其容積也可用7 200 m3，其滯留時(shí)間將達(dá)到9 h，有充分的時(shí)間進(jìn)行沉降，將生產(chǎn)水中分散油脫出，積聚后通過高位泵輸送至一級(jí)分離器。根據(jù)其他油田設(shè)施經(jīng)驗(yàn)，其除油率可達(dá)80%，從技術(shù)上分析完全可行。但需要考慮該油田原油艙和污水艙一直長時(shí)間占用，會(huì)給原油儲(chǔ)存和外輸帶來不利影響。

圖4 生產(chǎn)水下艙沉降處理流程

2 工藝方案

對(duì)比斜板撇油器和加氣浮選器的設(shè)計(jì)參數(shù)，斜板撇油器設(shè)計(jì)進(jìn)口含油≤2 000 mg/L，出口含油≤300 mg/L，其除油率可達(dá)80%；加氣浮選器設(shè)計(jì)進(jìn)口含油≤300 mg/L，出口含油≤50 mg/L，其除油率可達(dá)80%。該油田FPSO生產(chǎn)水處理系統(tǒng)撇油器入口含油率為300～400 mg/L，若能通過化學(xué)藥劑進(jìn)一步將生產(chǎn)水處理系統(tǒng)入口含油降至200 mg/L左右，無論是撇油器還是浮選器，單級(jí)設(shè)備只要除油率達(dá)到75%，理論上也能達(dá)到出口含油50 mg/L。即使出口比50 mg/L稍高，生產(chǎn)水處理A/B/C 3個(gè)系列匯合后應(yīng)也不會(huì)超過70 mg/L，在下一級(jí)核桃殼過濾器的承受范圍之內(nèi)，從而保證生產(chǎn)水處理后含油依然穩(wěn)定達(dá)標(biāo)在20 mg/L以下。

2.1 化學(xué)藥劑優(yōu)化提效降低生產(chǎn)水處理入口含油

2.1.1 聚丙烯酰胺型反相破乳劑應(yīng)用

該類反相破乳劑在油水界面膜上有很好的溶解擴(kuò)散性，具有脫水速度快、脫水率高的優(yōu)勢(shì)，聚合物分子在水中具有很好的分散性[4]。針對(duì)油田采油污水特性和污水處理流程特點(diǎn)，采用聚丙烯酰胺反相破乳劑BH-512，保持相同的加注量(80 mL/min)時(shí)，污水處理系統(tǒng)入口污水含油率由336 mg/L降至209 mg/L。

2.1.2 聚丙烯酸酯反相破乳劑試驗(yàn)與應(yīng)用

前期在生產(chǎn)流程使用聚丙烯酸酯反相破乳劑BH-532依次在現(xiàn)場進(jìn)行中試和大試試驗(yàn)，生產(chǎn)水進(jìn)口含油值由290 mg/L降至190 mg/L(降幅為34%)，為撇油器/浮選器單個(gè)設(shè)備下線提供可能。

2.2 撇油器浮選器前期分別下線試驗(yàn)

2.2.1 氣浮選器C旁通試驗(yàn)

試驗(yàn)表明，旁通氣浮選器C時(shí)，清水劑無需加注，生產(chǎn)流程穩(wěn)定，可維持3個(gè)單系列的正常處理水量，生產(chǎn)水處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)，斜板撇油器C出口含油可控制在42 mg/L。

2.2.2 斜板撇油器C旁通試驗(yàn)

試驗(yàn)表明，旁通斜板撇油器C時(shí)，能維持3個(gè)單系列的正常處理水量，生產(chǎn)水處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)。浮選器C出口含油可控制在45 mg/L。

通過前期的旁通試驗(yàn)，油田在不減產(chǎn)情況下單獨(dú)利用浮選器或者撇油器進(jìn)行水處理試驗(yàn)獲得成功，可滿足生產(chǎn)水質(zhì)持續(xù)達(dá)標(biāo)的要求。

2.3 生產(chǎn)水處理流程增加單設(shè)備旁通管線、控制邏輯優(yōu)化

旁通管線接入必須在生產(chǎn)水單系列下線、設(shè)備進(jìn)行隔離放空后才能進(jìn)行，為盡可能減少產(chǎn)量損失，確定了單系列處理量暫時(shí)下艙存儲(chǔ)，現(xiàn)場改造接入時(shí)，為節(jié)約時(shí)間減少現(xiàn)場切割焊接工作量，盡可能在生產(chǎn)水處理流程上的可拆卸短節(jié)處改造增加3通。前期FPSO通過3個(gè)系列流程的處理流體分別臨時(shí)下艙的方式，在3 h內(nèi)迅速完成撇油器浮選器旁通管線的接入，改造后流程見圖5。

圖5 生產(chǎn)水處理流程增加單設(shè)備旁通管線流程

施工過程中未造成產(chǎn)量損失，為撇油器、浮選器分別旁通下線做好了流程準(zhǔn)備。

氣浮選器原液位控制邏輯為：通過監(jiān)測LI-2630B的輸入值，將其反饋給液位控制器從而調(diào)節(jié)氣浮選器水相出口調(diào)節(jié)閥開度。

當(dāng)需要將氣浮選器進(jìn)行旁通時(shí)，需將相應(yīng)的控制邏輯模塊進(jìn)行優(yōu)化，將LI-2610D監(jiān)測的輸入值反饋給氣浮選器水相出口調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)撇油器的油水界面。

浮選器出口調(diào)節(jié)閥LV用于調(diào)節(jié)浮選器的液位，組態(tài)邏輯見圖6。

圖6 氣浮選器水相出口調(diào)節(jié)閥邏輯組態(tài)

邏輯組態(tài)主要涉及AIN模擬量輸入模塊、PID調(diào)節(jié)模塊和AOUT模擬量輸出模塊，構(gòu)成單參數(shù)調(diào)節(jié)回路。AIN模塊將現(xiàn)場浮選液位變送器測量信號(hào)進(jìn)行修正、標(biāo)度、報(bào)警等處理，處理完成后其輸出被送到PID模塊的測量輸入?yún)?shù)MEAS。PID模塊根據(jù)實(shí)際測量值與畫面設(shè)定值SPT的偏差及P、I、D整定參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到AOUT模塊的輸入點(diǎn)[5]。AOUT模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出修正后送到現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥，以達(dá)到控制閥門開度、穩(wěn)定液位的目的。

1)AIN模擬量輸入模塊。把浮選器的液位模擬信號(hào)通過AIN模塊，轉(zhuǎn)換成高高/低低絕對(duì)值報(bào)警功能、畫面顯示功能、PID運(yùn)算輸入監(jiān)視功能等[6]，原理見圖7。

圖7 氣浮選器液位模擬信號(hào)AIN模塊原理

根據(jù)實(shí)際需要對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行修正，由于現(xiàn)場采集的是4～20 mA信號(hào)，在此選擇以下的修正模式：

SCI=3 4～20mA 線性轉(zhuǎn)換成 12800～64000 碼

2)PID比例、積分、微分控制模塊。PID模塊執(zhí)行傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)功能，可組態(tài)成純比例(PO)、純積分(IO)、比例加微分(PD)、比例加積分(PI)和比例加積分加微分(PID)五種工作方式。浮選器采用的是PI調(diào)節(jié)模式，在中控畫面上可選擇手/自動(dòng)控制，手/自動(dòng)鎖定、本地/遠(yuǎn)方控制及鎖定、設(shè)定值跟蹤等功能。組態(tài)器里根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際液位波動(dòng)情況設(shè)定好P值和I值，PID塊自動(dòng)運(yùn)算并輸出穩(wěn)態(tài)的0-100控制信號(hào)至AOUT模塊。

3)AOUT模擬信號(hào)輸出模塊。浮選器PID運(yùn)算結(jié)束后，輸出0-100控制信號(hào)，通過AOUT模塊來控制出口調(diào)節(jié)閥0～100%的開度，以穩(wěn)定浮選器的液位。

當(dāng)浮選器旁通下線時(shí)，PID的輸入?yún)?shù)由浮選器改為撇油器的AIN模塊轉(zhuǎn)化值，出口調(diào)節(jié)閥LV則用于調(diào)節(jié)撇油器的液位，PID和AOUT的模塊輸出不做修改即可。

3 結(jié)論

通過采用化學(xué)藥劑優(yōu)化升級(jí)、生產(chǎn)水處理流程增加單設(shè)備旁通、控制邏輯優(yōu)化這一改造方案，成功解決了設(shè)備下線維修過程中影響產(chǎn)量的難題。實(shí)施過程中，本方案成功避免了改造過程中撇油器、浮選器生產(chǎn)水處理系統(tǒng)減少一級(jí)對(duì)處理效果的影響，確保了處理水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，保證了改造過程生產(chǎn)水系統(tǒng)流程的穩(wěn)定運(yùn)行。本文所采用的試驗(yàn)方案對(duì)于其他油田相似系統(tǒng)的設(shè)備下線維修提供有益的借鑒，具有較大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益和良好的推廣價(jià)值。后續(xù)改造過程中，建議繼續(xù)對(duì)所加注化學(xué)藥劑進(jìn)行優(yōu)化，測試不影響生產(chǎn)水質(zhì)情況下的最大設(shè)備處理量，優(yōu)化不同工況下的控制邏輯。