油田采出水高能效氣浮技術試驗研究

戴國華，劉春雨，黃 巖，劉萌

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

隨著油田開發不斷加深、采油工藝持續改進，油田采出水中的含油量逐漸增加，乳化性與礦化度也越來越高，常規的水處理手段難以達到預期的油水分離效果。尤其是我國北方地區原油中稠油占比高，對油水分離技術提出了更高的要求。目前，海上油田采出水處理普遍采用“斜板+氣浮+過濾”的預處理手段，再根據注水水質要求，針對性增加深度處理COD 的手段。氣浮除油效果好壞對水處理的最終效果影響顯著。近年來，針對油水分離效果不佳，不同學者研究推出了加壓溶氣氣浮、渦凹氣浮、電絮凝氣浮等改進氣浮技術[1-2]，但這些技術仍存在能耗高、占地面積大、處理控制難度大、難以長時間連續運行等缺點。

本研究創新性采用“混凝+旋流微氣泡溶解技術+氣浮池”的高能效氣浮系統進行油水分離試驗，研究了藥劑濃度、進液流速、氣液比對油水分離效果的影響，以期對現有氣浮技術進行有益探索，解決采出水處理難題。

1 氣浮處理原理

氣浮技術是向水中注入大量微細氣泡，微細氣泡黏附含油污水中的懸浮物顆粒和油滴顆粒，形成表觀密度更小的“氣泡-顆粒”復合體，加速懸浮物顆粒和油滴顆粒浮升至水面，形成泡沫浮渣撇去，從而使水中懸浮物和油滴顆粒與水相分離[3]。

2 模擬采出水物性

模擬采出水使用某市管網的自來水、某油田的采出原油，按照渤海區域油田采出水的水質進行配制。模擬采出水物性參數如下：水溫65 ℃左右、含油濃度在500～5 000 mg/L、TSS 含量在500～1 000 mg/L、礦化度在1 000～5 000 mg/L。處理后的凈化水循環使用，脫除的油渣送至某焚燒爐進行焚燒。含油污水檢測方法采用HJ 637—2018《水質 石油類和動植物油類的測定》。

3 試驗器材介紹

3.1 試驗試劑

本試驗中破乳用絮凝劑為聚合氯化鋁和聚合硫酸鋁（表1）。

表1 藥劑規格表

3.2 試驗設備

采用的試驗設備見表2。

表2 試驗設備表

4 試驗流程介紹

在加熱（65 ℃）條件下，將一定比例原油、顆粒物、無機鹽加入到清水中，充分攪拌1～2 h，制備成均勻穩定的含油污水。含油污水通過進液泵送至旋流微氣泡發生器，在進液泵前的管線上加注絮凝劑進行破乳。絮凝劑與含油污水的混合液切向進入旋流微氣泡發生器內形成旋流，空壓機提供的壓縮空氣自旋流微氣泡發生器頂部進入，并與絮凝劑和含油污水充分混合。旋流微氣泡發生器內的渦流強化了含油污水、藥劑和氣體三相混合液中藥劑與污染物（油滴和懸浮顆粒物）的接觸，同時有助于氣體的溶解[4]。三相混合液經若干級混合器混合后流至釋氣罐內瞬間減壓，溶解氣析出形成小氣泡，小氣泡隨液體混合物流至氣浮池內。在表面積相對較大的氣浮池內，小氣泡將藥劑與污染物的包裹物（即浮渣）托舉到氣浮池上表面，經刮渣機收集到油渣緩沖罐中。油渣緩沖罐中預先填充一定量的水對油渣進行稀釋，以保持其具有一定的流動性，當達到設定的液位高度時開啟排油泵，排出界區外[5]。此次試驗階段刮渣機由人工手動通過刮板代替執行，凈化后的生產水從氣浮池下部流出（圖1）。

圖1 試驗工藝流程圖

5 結果與討論

5.1 絮凝劑加注量對系統除油效果的影響

在控制進液含油量為4 000 mg/L、進液流速為2.2 m/s、氣液比為0.72 的條件下，加注聚合氯化鋁雖然能夠降低出水含油量，但效果不如聚合硫酸鋁，且當聚合氯化鋁加注量大于4 L/h 時，隨著聚合氯化鋁加注量的增加，出水含油量反而增加，甚至出現出口含油量大于50 mg/L，無法滿足出水指標要求（圖2）。

圖2 絮凝劑種類及加注量對出水含油量的影響

聚合硫酸鋁在試驗中顯示出較好的出油性能。當絮凝劑加注量大于4 L/h 時，隨著絮凝劑加注量的增加，出水含油量呈現降低趨勢。但從節約的角度考慮，將絮凝劑加注量定為6 L/h。

5.2 進液流速對系統除油效果的影響

控制進液含油量為4 000 mg/L、絮凝劑加注量為6 L/h 左右、氣液比為0.72 的條件下，隨著進液流速的增加，出水含油量先減小后增加。當進液流速為2.2 m/s時，系統出水含油量最低為26 mg/L，滿足處理要求（圖3）。

圖3 進液流速對出水含油量的影響

隨著進液流速的增加，旋流微氣泡發生器內渦流強度逐步提高，渦流對藥劑與污染物接觸黏附的促進作用增強；當進液流速進一步增大時，渦流強度過大會破壞藥劑絮體，導致絮凝劑的作用效果減弱，同時也導致氣浮池內含油污水的停留時間降低，出水含油量增加。因此控制適宜的入口速度至關重要。

5.3 氣液比對系統除油效果的影響

在控制進液含油量為4 000 mg/L、絮凝劑加注量為6 L/h、進液流速為2.2 m/s 時，隨著氣液比的增大，出水含油量出現起伏變化，氣液比過大或過小時，都不利于除油。當氣液比為0.72 時，系統出水含油量最低可降至31 mg/L 左右，滿足處理要求（圖4）。

圖4 氣液比對出水含油量的影響

當氣液比較小時，進氣量小，氣浮除油效果不明顯，系統出水含油量較高；隨著氣液比的逐漸增大，氣浮作用顯著，氣泡能夠大量黏附油滴，降低系統出水含油量；當氣液比進一步增大時，三相混合液中未溶解氣比例高，連續的氣相反而會降低系統出水含油量。

6 結論

本研究在傳統加壓溶氣氣浮的基礎上，創新性地使用了旋流微氣泡發生器，組建了高能效氣浮除油工藝；旋流微氣泡發生器內的渦流可促進氣液固三相混合物中藥劑與油滴的黏附及氣體溶解，從而提高采出水處理效果，降低水處理時間，減小氣浮池占地面積；在進液含油量為4 000 mg/L 左右時，出水含油量可降低至30 mg/L 左右。試驗結果表明，高能效氣浮除油工藝可取代海上平臺上的斜板除油器+氣浮選機，有效降低平臺水處理設備占地面積，簡化采出水處理流程。