海上固定平臺注入水系統處理流程及處理設備研究

雷 娜

（中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452）

隨著石油開采的深入，地層自然能量在逐漸減弱，導致地層的油藏層壓力降低，產油速度變慢。為了提高采油產量，需要為地層增加壓力，海上平臺常用方法有注入高壓聚合物、注入高壓水注入高壓氣體和高溫高壓蒸汽等，本文主要分析注入高壓水對注水量，注水水質要求，注入地層壓力及注水的時間等，由油藏專業經計算后提出。

確定注入水水源以及水質后，根據油藏要求，定制注入水流程、設備類型及各級出水水質，以滿足地層對注入水質的要求。

1 注入水質量

海上固定平臺注入水來源有海水、原油脫出水（即油田含油污水）和地層水源，水源一般都含油、固體懸浮物、細菌等，含油濃度、固體懸浮物濃度、固體懸浮物的粒徑，均為注入水水質的重要指標，如超標，會造成油藏儲層傷害和地層堵塞[2]。

海上固定平臺注入水水質要求由油藏開發提出，在未得到油藏開發的資料時，可參考SY/T 0005—1999《油田注水設計規范》進行設計。

油層所處的地質條件決定了注水水質，主要影響地質因素為地層的空氣滲透率，將滲透率指標分為小于0.1 μm2，0.1~0.6 μm2和大于0.6 μm2。《油田注水設計規范》對每類滲透率分為三級，表1為推薦水質主要控制指標[4]。

表1 推薦水質主要控制指標

注入水水質對水中固體懸浮物顆粒直徑、固體懸浮物含量及含油量有要求，對水質還有其他要求：要求水質穩定，與油層混合后不產生沉淀；不會對地層黏土礦物產生水化膨脹或者懸濁；水中沒有可見懸浮物，不會堵塞地層滲濾端面或者孔道；對注入水處理設備腐蝕性小；當采取兩種或者兩種以上水源混合注水時，應對所有水源混合進行試驗，結果應保證混合水的配伍性，且對油層及地質無傷害才可注入地層[5]。注入水水質對其他腐蝕性物質含量也有一定要求，如溶解氧＜0.05 mg/L、硫化氫＜2.0 mg/L、侵蝕性二氧化碳＜1.0 mg/L、pH控制在7±0.5，水中含亞鐵會生成懸浮物。

2 注入水水源和處理流程

2.1 注水水源

海上固定平臺主要注入水水源為海水、原油脫出水（即油田含油污水）和地層水源（油田水源井水）。

2.2 注海水處理流程及設備

未處理的海水含溶解氧、細菌和懸浮物等，溶解氧會增大設備腐蝕，細菌和懸浮物會對油層和注水井地層造成堵塞和破壞[1]。

2.2.1 海水處理流程

海上固定平臺海水由專設的潛沒泵或者立式長軸泵將海水提升至上部平臺過濾器，然后進入細過濾器，從細過濾器獲得的清潔水，經在線濁度監測和余氯監測后輸送至脫氧塔頂部，在脫氧塔填料層和真空泵作用下，水中的大量氧氣溢出。脫氧合格后的海水作為注入水，由高壓注水泵輸送至注水管匯，經管匯分配后注入注水井。

2.2.2 海水處理設備

海水泵將海水提升至平臺上的第一級處理設備——海水粗濾器，過濾掉80 μm或者100 μm以上的懸浮物，目前平臺上常用的粗濾器有帶自動反沖洗功能的粗濾器和非自動反沖洗粗濾器，自動反沖洗粗濾器相比非自動反沖洗粗濾器，具有可同時清洗和過濾的功能，在粗濾器濾芯中間安裝有自動反沖洗裝置，反洗裝置由電動機驅動，反洗裝置進水管旋轉到哪個位置，就對此位置進行清洗，濾器其余濾芯位置正常工作，反洗的污水由底部排污口排出，不影響濾器正常過濾功能。非自動反沖洗濾器一般使用普通籃式濾器，清洗濾芯時需要將濾器從流程中隔離，將濾芯由濾器拿出清洗，遇到浮游生物多并且水質臟的海域，需要頻繁清洗。渤海區域平臺由于海深較淺，海水較臟，普遍采用自動反沖洗濾器。海生物也是破壞濾器過濾功能的一大殺手，附著在濾器內壁很難清洗，通常在海水泵入口位置，加注銅鋁電解液或者在泵入口直接加銅鋁電解電極，可起到防海生物的作用，同時保護設備免受腐蝕。

細濾器為海水處理的第二級設備，主要過濾水中的懸浮物，常用濾料為無煙煤和石英砂，通常進水懸浮物含量在100 mg/L或者以下，出水可達5 mg/L或以下。無煙煤和石英砂主要作用為吸附和攔截水中的細小顆粒，需要定時對過濾器濾料進行清洗，清洗一般采用氣洗加水洗，濾器反洗專用鼓風機將濾料吹疏松，然后從濾器底部通入反洗水，直到出水合格，再用鼓風機反洗，使無煙煤和石英砂通過密度差分層。不同廠家對反洗流程要求不同，具體反洗流程以及反洗時間需要參考廠家要求。

近年來研究出的纖維球濾料耐磨損，抗腐蝕性強，密度適中易反洗，比傳統填料設備占地面積小，但是只適用于不含油的水源，在海上固定平臺上多被應用于水源井水流程。

脫氧塔為海水處理的第三級設備。油田注水脫氧分為物理脫氧和化學脫氧，真空脫氧和天然氣或者惰性氣逆流氣提脫氧屬于物理脫氧，亞硫酸鈉或亞硫酸氫銨氧化反應脫氧屬于化學脫氧[3]。海上平臺常用的脫氧方式為真空填料脫氧以及化學藥劑脫氧的組合方式。真空填料脫氧的原理是在一定溫度下，減小氧氣的分壓，從而使氧氣從液體中析出，利用真空泵將析出的氣體排出脫氧塔，需要注意的是脫氧塔的壓力不能低于操作溫度下液體的飽和蒸氣壓，如果低于液體的飽和蒸氣壓，將有大量水蒸氣析出，影響脫氧效果。注水指標溶解氧要求＜0.05mg/L，真空脫氧一般達不到要求，在脫氧設備中加入除氧劑輔助脫氧，以保證水源含氧量不超標。

2.3 油田含油污水處理流程及設備

海上固定平臺油田含油污水主要來源是原油從地層帶出的地層水，通過處理設備脫出的原油中地層水稱為油田含油污水，未處理的含油污水含有油、懸浮物、細菌等。

含油污水中的油主要分為粒徑＞50 μm游離油，粒徑20~50 μm的游離分散油，粒徑小于20 μm乳化油和溶解油，針對粒徑＞50 μm游離油，主要采用油在水中的浮力上浮至水表面除油，粒徑20~50 μm的游離分散油，需要借助外力上浮至水表面，粒徑＜20 μm乳化油和溶解油，可通過吸附過濾。

2.3.1 含油污水處理流程

在陸地上，為了給含油污水提供足夠的自由沉降時間，通常會建造一個大型的含油水儲罐，用于自由沉降分離游離油。海上平臺受空間限制，盡量采用體積小、效率高的含油污水處理流程及設備。

海上平臺含油污水中的含油量，通常在1 000~ 3 000 mg/L，經處理后，達到注水要求指標。一般分為四級除油處理，處理后的含油污水可作為注入水注入地層。首先進入設備板式聚結除油器（通常稱為斜板除油器）或者水利旋流器，主要針對含油污水中的游離油；隨后進入氣體浮選器，主要針對分散油；三級設備為核桃殼過濾器，主要針對溶解油和乳化油；四級常用設備有雙介質過濾器，主要除去水中懸浮物。處理流程可根據原油的密度進行適當調整。在含油污水處理流程中，為了除油效果更好，需要加入化學藥劑輔助除油，如破乳劑等。

2.3.2 含油污水處理設備

斜板除油器或者水利旋流器為海上油田的第一級處理設備。斜板除油器原理為在設備內設置傾斜的板式聚結器，增加油水接觸面積，將小油滴聚結成大油滴，大油滴上升至水面，從而除去水中含油，一般可分離出大于50 μm以上的游離油。水力旋流器設備內部為錐形管，高壓液體由錐形管側面沿切線方向進入，流體在水力旋流器錐管內進行旋轉運動，逐漸流向錐形底部運動，引起離心力增加，依據油水離心力之差，清潔水沿錐管壁下降至錐管底部流出，分離出的游離油溢流至頂端，達到油水分離效果，一個容器內可以安裝多個錐形管，提高設備的處理能力。水力旋流器的來液壓力、溢流壓降和底流壓降達到一定的數值，才能達到分離效果，且在使用中，發現油密度≤0.9 g/cm3時，分離效果最佳。

氣體浮選器為水處理的第二級設備，可分為射流浮選、誘導氣浮選、溶氣浮選，除油原理均是液體與氣體混合，形成細小的氣泡，裹挾油和懸浮物上浮至液體表面，溢流至油室，達到油水分離效果。三種浮選器的氣體與液體混合方式不同，誘導氣浮選器是通過立管的旋轉機構，在立管上部液面上形成真空，吸入立管處的氣體，在立管中與液體混合，形成細小的氣泡；射流浮選是將一部分處理合格后的生產水，利用泵將這部分液體輸送至入口處的文丘里管，通過文丘里管與液體混合，形成氣液混合；溶氣浮選氣液混合方式為配置一臺壓力罐，將處理后的水和氣體同時打入壓力罐（壓力罐壓力維持在200 kPa）內，形成飽和液體，輸入浮選器內，減壓后，溶解氣形成細小氣泡，裹挾油和懸浮物上浮，達到油水分離效果。這三種浮選器在海上平臺均有應用。

近年來，緊湊式氣浮也有應用，除油原理為將浮選器主體設置為立式罐，溶氣方式與溶氣氣浮類似，外部設備壓力罐，將氣體和液體同時注入，形成微氣泡，輸入浮選器內用于油水分離，將主體設置為立式罐，相比其他類型設備占地面積小。

核桃殼過濾器過濾原理為吸附，過濾介質為打碎的核桃殼，表面粗糙，多孔隙，容易吸附油，而且原料來源廣泛成本低，在海上平臺含油污水處理流程中應用較多。吸附油后的核桃殼需要定期反洗，與雙介質濾器中的無煙煤不同，核桃殼濾料具有很好的耐磨損性，反洗時利用攪拌器將濾料攪拌疏松后，再由底部進水管進水進行反洗，直到出水合格。

雙介質過濾器與海水處理系統細濾器原理及過濾介質相同，主要除去水中懸浮物。

核桃殼過濾器主要功能為過濾水中的含油，進水指標要求含油≯100 mg/L；雙介質過濾器主要功能為過濾水中的懸浮物雜質，進水指標要求懸浮物含量≯100 mg/L，出水水質可達到≯5 mg/L。有一些平臺生產水經斜板除油器，氣浮選處理后，液體含油可達到50 mg/L,含懸浮物30 mg/L，將雙介質濾器的無煙煤和石英砂更換為核桃殼和石英砂，用于代替核桃殼過濾器和雙介質過濾器，處理流程縮減為三級設備，同樣可達到處理效果，減少設備數量，節約平臺占地空間。雙介質過濾器的無煙煤和石英砂濾料，需要按照一定的粒徑比及厚度布置濾料，可以達到預期過濾效果，目前技術已經非常成熟，將雙介質濾器的無煙煤更換為核桃殼濾料，適用于來液含油和懸浮物較低的物流，根據物流中油及懸浮物含量，設計核桃殼及石英砂濾料的粒徑配比及濾料厚度，反洗方式采用攪拌器和水洗，攪拌器攪拌時避免石英砂濾料的攪拌。核桃殼代替無煙煤濾料，需與供應商一同確定設備使用的可行性。

2.4 油田水源井水處理流程及設備（不含油地層水）

2.4.1 水源井處理流程

水源井水屬于地層水，相比海水含氧量少，且不含油，將水源井水作為注入水，處理設備為旋流除砂器和細濾器，省掉了脫氧塔、真空泵、汽水分離器等設備，減少了設備在平臺所占的面積，但是需要打水源井，要有合適的含水地層。

水源井水一般含砂子和懸浮物，作為注入水的流程比較簡單，由電潛泵提升至平臺甲板高度后，首先進入旋流除砂器，然后被輸送至精細過濾器，通常可除掉水中2 μm以上的懸浮物。

2.4.2 水源井水處理流程設備

旋流除砂器主要作用為除去水中含砂，原理類似于水利旋流器，利用高速流體和介質離心力不同，密度低的水上升，由排液口排出，砂子進入旋流器底部，由排污口排出，達到分離出水中含砂。精細過濾器與海水處理細濾器相同，可用雙介質濾器或者纖維球濾器。處理流程也需要加入化學藥劑輔助。

3 結論

為了減少對環境的污染，渤海地區平臺設計中，注入水水源多選取油田含油污水，如油田含油污水量不夠，則以其他水源補充，因此產生了兩種水或者兩種以上的水是否配伍的問題。配伍是指混合后不產生固體沉淀物，反之則認為不配伍。配伍性預測有實驗法、化學預測法。如遇不配伍情況，可通過加入合適的化學藥劑，當然需要對化學藥劑進行篩選實驗。

無論哪種水源作為注入水，都需要化學藥劑的輔助，尤其是含油污水的處理流程，關系到處理流程的成敗。一般情況，含油污水需要加入絮凝劑和殺菌劑，海水需要加入絮凝劑和殺菌劑，水源井水需要加入防腐劑和防垢劑。化學藥劑的選用應根據處理水質實驗篩選，達到加入量最少，效果最佳的目標。

5 結束語

在進行注入水處理流程設計中，確定注入水水源以及水質后，需要根據逐年的注入水量，來確定水處理設備處理量以及設備尺寸，在保證處理效果的前提下，盡量選擇設備尺寸緊湊重量輕的，同時確定化學藥劑的種類以及注入量，確保設計流程的穩定、可靠。