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)有限公司蓬勃作業公司，天津 300452)

0 引言

在海上油氣生產中，伴隨著原油和天然氣的產出，油藏中的地層水也會被開采到地面，在實際油田生產作業中伴生水也稱為生產水。伴生水中一般分散油、乳化油、溶解油、無機鹽、溶解氣和一些細菌等。生產污水的處理目的就是去除以上雜質，以達到生產水回注或排放的標準。生產水的處理方式一般為兩種方式：一，處理合格后的生產水排海，根據環保要求近海海域一般不允許排海；二，處理后達到注水標準后，經注水泵增壓后回注地層不僅補充地層能量，而且不會造成環境污染[1]。注水水質是注水開發的生命線，水質不達標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量迅速降低，影響采收率[2]。

在生產污水中，水中含油(OIW)和懸浮物(TSS)是最難去除的雜質，在生產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%，氣浮出水水質控制指標要達到水中含油(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，處理后的水質也會發生變化。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運行狀態為切入點，簡單介紹本設施生產運行狀況，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，分別是氣浮區和斜管區，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]。從設計到投產后運行，溶氣式浮選器運行一直存在幾個顯著問題，不僅制約了設備的處理能力也給員工日常操作帶來安全隱患，現在分別對以下幾個問題展開論述。

問題一：溶氣式浮選器設計最佳溶氣壓力為650 kPaG，但是平臺設計上溶氣式浮選器的氮氣來自于氮氣儲罐出口PCV(設點為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，導致核桃殼濾器濾料全部受到污染，處理水質長期不達標，極大制約了生產污水處理能力。

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，給細菌繁殖提供了溫床，導致設備腐蝕加速，給設備設施的安全運行帶來安全隱患。

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

1.1 溶氣式浮選器氣源改造

在整個生產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 的壓力下溶于生產水中產生微氣泡，達到飽和狀態，水體會呈現乳白色狀態，以此來判斷溶氣效果。溶氣水在反應器中與原水混合壓力會突然下降，微氣泡在混合區體積增大并從水中逸出，生產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，從而實現生產水除油的目的[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：生產水進入管道反應器中，與絮凝劑(助凝劑)和部分溶氣水混合發生反應，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：生產水進入氣浮罐體和另一部分溶氣水繼續發生反應后再進入斜管分離區，根據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水發生反應產生飽和溶氣水，一部分送至入口的管式混合反應器，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。

制度是學校管理必不可少的利器，正所謂“沒有規矩，不成方圓”。為此，農村學校必須要完善寄宿制的管理制度，制定詳細的可執行的制度，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計技術澄清內容，當溶氣壓力在650 kPaG 時，溶氣水通過細管進入氣浮進水區，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，針對此問題經與工程建設方、設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，現場可以通過調節浮選器溶氣罐上游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水處理系統中常壓罐產生的高含硫化氫的氣體統一做了改造，由原設計的就地排放改造為將產生的廢氣經由射流泵排至透平發電機排煙道上方高處，經核算改造后廢氣可以很好地排放至高空，經空氣稀釋后不會對人和設備造成危害。

1.2 溶氣式浮選器臨時排泥流程改造

在注水水質考核指標中不僅水中含油(OIW)很重要，而且固體懸浮物(TSS)也是影響水質的重要參數。在ADNF 溶氣式浮選器處理生產水流程中，污油排放設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，還會污染下游核桃殼過濾器，導致油田注水水質不達標，還會給細菌的繁殖提供溫床，造成細菌含量超標，硫酸鹽還原菌代謝產物硫化氫更高，也會加劇設備的內腐蝕。

溶氣式浮選器底部污油不僅應該及時排出，保證水質穩定達標，而且還要有安全、合理的排放方法，保障人員的作業安全。ADNF 溶氣式浮選器初始設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。經過對現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整刮渣機和刮泥機PLC 運行邏輯來實現安全、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，實驗數據詳見表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。根據實驗結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列賓公式(1)：

經計算可得新增排泥管線的過流量約為120 m3/h，可以滿足單臺設備收油排泥的流量需求。操作時，可通調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，后續進行定期收油排污作業，改造后氣浮選機處理效果明顯提高，生產水系統處理水質明顯改善，詳見圖6。

圖6 溶氣式浮選器改造前后總出口水樣化驗數據對比

2 研究成果

針對該設施生產水處理系統的設計和運行狀況，結合實際具體問題，采用科學有效的技術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水處理的質量和效率，解決了設備設施內腐蝕問題，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，滿足了生產水系統正常處理需求。同時，溶氣式浮選器處理能力的提升也為后期引FPSO 高壓生產水進入低壓生產水處理系統打下了良好的基礎。

(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不達標的問題，同時保障了員工作業安全，消除了安全隱患。

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

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

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

(6)生產水系統廢氣排放經由射流泵排放至透平發電機煙道處，消除了安全風險。

3 結語

(1)項目或設備的設計階段更多地結合現場實際情況，充分考慮油田硫化氫的存在，對可能產生的腐蝕情況和安全因素統籌考慮。從本質安全和經濟適用性兩方面著手，確保設備能夠在最佳工況下運行，滿足最大處理負荷，發揮設備最大處理潛能。今后高含硫化氫的設施設計應該將任何排放方式設計為閉式排放，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，以及斜管區不同斜管材質、孔徑和傾斜角對不同生產水處理的影響。在后期新平臺設計或老平臺改造中，可以考慮將斜管區設計成角度可調節的功能，針對設備投產后可能處理的不同水質的生產水可以做到精細調節。

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