海上斜板除油器的優化與實踐

馬書楠(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

某海上石油平臺斜板除油器設計處理量為 12 000 m3/d，設計進出口含油率分別為1 200 mg/L 和300 mg/L，當前該斜板除油器實際處理污水10 000 m3/d，進出口含油率實際為1 100 mg/L 和450 mg/L。斜板水質處理不達標直接導致下級污水處理設備的負擔增大，最終導致注水水質不合格，并嚴重影響了污水系統運行穩定性[1]。平臺污水系統主要接收原油系統各級分離器分離出來的生產水，通過斜板除油器、加氣浮選器、雙介質濾器處理合格后進入注水緩沖罐。平臺共有四口水源井，通過旋流除砂器、注水細濾器處理后，進入注水緩沖罐。注水緩沖罐的水主要用于中心平臺以及油田小平臺注水井注水。其中斜板除油器是污水處理的第一級，可以分離出大于50 μm以上的游離浮油。設備按板的形式不同可分為平行聚結板和波紋聚結板，波紋板與油水接觸的面積大于平行板，小油滴聚結成大油滴的機會多，目前海上采油平臺多采用波紋鋼板類型的臥式斜板除油器。斜板除油的基本原理是“淺層理論”，又稱“淺池沉淀”，假設斜板沉積池池長為L，池中流體流速為V，沉降速度為V0，根據L/H=V/V0公式，可見池長與流體流速值不變時，池深越淺越小直徑的懸浮物顆粒可被有效除去。因此提高除油效率就要適當降低斜板除油器分離高度。海上油田在備中加設傾斜波紋板，使分離設備的工作表面積增大，降低池深度，從而提高設備除油效率。

1 問題分析

某海上油田，注水水質化驗發現注水水質不合格，斜板除油器入口水中含油值接近2 200 mg/L，嚴重影響水處理系統的穩定性，具體造成問題如下所示：

問題一：影響斜板除油器出口水質 ，斜板除油器收油量增加。斜板除油器入口含油值高直接導致斜板除油器出口水中含油偏高，直接導致下游設備水處理能效降低，影響水處理系統正常運行，甚至導致注水含油量超標。斜板除油器收油頻率提升、收油量增加對平臺流程影響增加。

問題二：影響加氣浮選器出口水質，氣浮收油頻次增加。斜板除油器入口含油值高可能導致斜板除油器出口水中含油量超標，導致加氣浮選器出口水質不達標，收油頻次增加，影響水處理系統正常運行。

問題三：影響核桃殼濾器出口水質，反洗頻次增加，濾料壽命變短。斜板除油器入口含油值高可能導致氣浮出口水中含油量超標，導致核桃殼過濾器壓差上漲過快，反洗頻次增加，甚至核桃殼濾料受到污染，核桃殼濾料更換頻次增加，耗費巨大作業成本。

問題四：影響注水系統正常運行，可能導致注水系統超壓運行。斜板除油器入口含油值高可能導致核桃殼過濾器出口水中含油量超標，導致注水井地層污染，注入壓力增高，甚至導致注水系統超壓運行。

問題五：影響油藏注水開發效果，導致產油量遞減較快。長時間的超標注水可能導致，注水井注水壓力逐漸升高。高含油值的生產水長期注入油藏，影響水驅油的效果，堵塞油水的滲流通道，最終導致油藏產油量遞減較快。

針對由斜板除油器入口水質含油值偏高對生產水系統帶來的負面影響，選定降低斜板除油器入口含油值這一課題作為研究目標，后期隨著水量增大，必會導致注水水質不達標。平臺人員對斜板除油器運行問題展開分析，認為隨著平臺處理液量不斷增大，油井出砂、調驅伴隨聚合物返出，以及聚合物與砂質、化學藥劑相互作用形成的懸浮物在系統中大量滯留。而現有斜板除油器因其內部設計缺陷，不能有效將泥砂及懸浮物有效排除，導致污水處理效果不佳。

1.1 波紋板強度不夠

由于后期油井出砂，進入斜除油器的生產污水攜帶泥砂含量高，對內部波紋板造成沖擊，而平臺斜板除油器內部玻璃纖維波紋板強度不夠，容易塌陷，導致除油效果變差[2]。

1.2 斜板除油器清水室堰板高度局限

斜板除油器清水室堰板高度僅比收油槽堰板高度低50 mm，導致斜板收油不可控，加上為平堰，在水量較大和波動幅度較大情況下，水流流經隔板上沿會出現水流上翻的情況，從而形成阻水作用，污水大量進入集油槽。而在混合室處于正常收油液位時，混合室至清水室的過流面積約為0.7 m2，其水量遠遠小于斜板入口流量，導致斜板正常運行時混合室與清水室存在較高液位差。為避免液位波動產生冒罐風險，提高設備的處理及收油能力，平臺采取臨時措施將清水室堰板的工藝人孔蓋拆除，使得斜板混合室與清水室液位差保持在合理高度，設備能夠恢復設計處理量，但此舉導致清水室堰板失去作用，過水出現短流，處理前后水質混合，失去處理效果，導致混合室中的泥砂大量進入清水室，進而污染下一級設備。

1.3 頂部大量懸浮物堆積

聚合物、化學藥劑以及泥砂相互作用粘結形成高穩定低流動性的懸浮物，在斜板除油器頂部大量堆集，不能通過日常收油有效排出，嚴重影響了污水系統的除油效果。

1.4 底部大量泥砂淤積

通過歷次清罐作業發現斜板除油器底部泥砂沉淀非常明顯，幾乎占據容器容積25%～30%左右，大大降低了設備的有效處理容積，減少了含油污水的處理時間，嚴重影響了生產水處理設備的除油效果。而原有排砂管線和排污孔眼尺寸小，易造成管線堵塞，且斜板容器底部也未設計有利于泥沙收集外排的機械裝置，當堵塞嚴重時不能依靠自身靜壓外排污泥。此時需要借助外界壓力水源進水排污，但是效果仍不理想。

1.5 化學藥劑注入量不符合要求

由于油田生產水處理量的變化，當前藥劑能讀可能不能滿足要求，從而導致斜板除油器處理效果不佳。

1.6 日常收油效果不佳

在日常工作中，由于對斜板除油器的收油液位不準確，導致斜板除油器的不能長期收油，從而不能處理到斜板除油器里面的污水，從而使斜板除油器處理效果不佳。

2 設備結構改造

2.1 更換高強度波紋板

波紋板使用套管連接，將斜板內部原有的玻璃纖維波紋板更換為強度更高的SS316L 材質的波紋板，解決了因波紋板強度不夠而導致的塌陷問題。

2.2 清水室堰板改造可調三角堰，封堵人孔

設計處理量：500 m3/h。

出水堰采用90°三角堰自由出流，取堰上水頭為h堰為0.10 m，每個堰過堰流量q(m3/s)由計算公式(1)求得：

設計水位宜位于齒高的2/3 處，齒高為公式(3)：

齒寬W齒為0.30 m。

因為W齒×32=0.30×32=9.6 m＜11.8 m 所以說明所選堰上水頭可以正常滿足過流要求。

校核處理量為300 m3/h 時的，三角堰過水高度：

水位接近于齒高的1/2 處。

采用伯努利方程方程進行核算：

(1)設計處理量：500 m3/h。

(2)斜板入口管線為12″，截面積S=π×0.152= 0.070 7 m2，斜板接觸區水流的速度v=500/3 600/0.070 7 =1.96 m/s。

(3)波紋板區的橫截面積S=1.686×11=18.546 m2

在處理量恒定，設備內液面穩定的情況下，水通過波紋板區的流速v1=500/3 600/18.546=0.007 m/s。雷諾系數Re=68 000 查圖得折流板的阻力系數ζ= 2.5。

(1)采用阻力系數法計算集水管阻力，查表得阻力系數ζ= 2.5，水頭損失：

(2)根據伯努利方程：

取堰上水頭為h堰為0.10 m，z1-z2=50 mm；接觸區與清水室聯通，所以p1=p2，設v′1=0 m/s，則：

由此可知，當液位到達預設溢流位時，仍具有1 m/s的速度，滿足介質在三角堰處溢流的要求。

依據計算結果，將斜板清水室的平板堰切除500 mm，預制完成的斜板三角堰，其高度可向下調節300 mm，向上調節60 mm。這樣就解決了斜板收油不可控和泥砂進入清水室進而污染下一級處理設備的問題，如圖1 所示。

圖1 斜板除油器三角堰示意圖

2.3 斜板混合室增加大尺寸排懸浮物管線

斜板混合室上部增加一根12 寸排懸浮物管線，將斜板中上部富集的懸浮物外排至污油水罐。經計算，12 寸排污口上沿兒距罐頂高度在157.5～215.0 mm間均可實現設計要求，大尺寸外排懸浮物管線的安裝解決了懸浮物堆積問題，實現外排，使混合室能夠有效收油。

2.4 底部增加導流板

斜板混合室內部四個排沙口下方分別增加波紋導泥板，在排砂口附近增加坡度便于泥砂聚積排出。

2.5 調整收油方式，最優化現場生產工作制度

根據目前生產流程，制定定量收油、定時收油及24 h 在線的斜板除油器收油工作制度，進行試驗。在最優加注濃度的前提下，每種工作制度下，連續試驗一周。對水室收油2 h、4 h 后的化驗數據進行數據收集及數據對比(表1～表3)。

表1 定量收油生產分離水相出口含油數據記錄(第一周)

表3 定量收油生產分離水相出口含油數據記錄(第三周)

根據上述試驗數據，可以明顯看出，定量收油效果在2 h 后效果顯著，但效果很難保持較長時間；定時收油效果4 h 后的效果比定量收油效果好；但與24 h在線收油的工作制度下生產分離器處理效果相比仍然存在不小差距。因此，采用24 h 在線收油的工作制度。

表2 定量收油生產分離水相出口含油數據記錄(第二周)

2.6 藥劑加注濃度調整

通過調整BHQ-433 的加藥濃度，來對斜板除油器出口含油進行化驗，從化驗結果可知(表4)，當清水劑的注入量在90 mg/L 時，斜板除油器處理效果最佳，從而能降低下游設備的處理壓力，從而增加了注水水質。

表4 斜板除油器出口含油結果

3 流程優化調整

斜板作為污水處理系統的第一級設備，對水質起著至關重要的作用。它接收上游一級分離器、電脫水器的生產污水來液，而來液是由LV 閥自動調節功能實現的，并不能保證來液的穩定性。當污水流量波動較大時，在層流水流的作用下泥砂懸浮物容易被推至斜板混合室。要避免污水系統出現大量泥砂懸浮物，就要從源頭上解決，因此減少污水系統入口泥砂懸浮物的含量，是斜板除油器提效的另一個突破口。

經過現場多方實踐，油田決定對電脫水相流程作調整，將原來至斜板除油器入口的流程隔離，導通回流至一級加熱器入口的流程，使電脫水器生產污水不再進入污水處理流程，并保持一級、二級分離器混合室油水界面高液位，保證看窗有兩個干凈水，與此同時精細化污水系統上游設備沖排砂作業制度，加強沖排砂、排懸浮物頻次和力度，使泥砂懸浮物外排，無法在流程中滯留，從而在源頭上解決了污水流程泥砂懸浮物堆積的問題。

4 效果對比

經過設備結構改造、流程調整等措施，斜板除油器出口含油率降至100 mg/L，達到啟設計處理標準，通過現場取樣分析，發現整個污水流程水質也有明顯改善，如圖2 所示。

圖2 措施改造前后

5 結語

(1)斜板除油器處理效果不達預期，造成后續處理設備裙帶影響。綜合原因是由于采出液復雜多樣，泥砂懸浮物含量高，超出設備處理能力，同時設備本身的設計缺陷也使水質處理效果不達標準。

(2) 經過現場多番實踐，綜合分析，找到了適合本平臺斜板除油器的改造方案。通過更換高強度波紋板、底部導流板改造、清水室堰板改為可調式三角堰以及混合室增加外排懸浮物管線，有效提高了斜板除油器的除油效果。

(3)對于生產多年的老油田，伴隨著油井出砂、聚合物返出和化學藥劑不配伍等多因素造成的采出液復雜多樣，通過流程整體調節，精細化沖排砂排懸浮物管理制服，使泥砂懸浮物外排，避免流程富集，也是提高水質效果的一個有效手段。

(4) 調整收油方式，最優化現場生產工作制度，最大限量地降低了斜板除油器出口水相含油的，從而減低了下游生產水處理設備的處理壓力。

(5)通過對化學藥劑濃度進行調整，提供了當前工況下的，藥劑最佳注入濃度，保證了斜板除油器的處理效果。