高效自适应微气浮除油技术在海上重质油田生产水处理中的应用
Application of Highly Efficient Adaptive Mini-Swirl Flotation Deoil Technology in Produced Water Treatment of Offshore Heavy Oil-Field

作者: 王亚儒 :中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司,天津; 卢大雁 , 张金鹏 :中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津; 代品一 , 刘懿谦 , 杨 强 :华东理工大学机械与动力工程学院,上海;

关键词: 生产水自适应微气浮海上重质油田除油Produced Water Adaptive Mini-Swirl Flotation Deoil Offshore Heavy Oil-Field Deoiling

摘要: 本研究介绍了一种新型紧凑式高效自适应微气浮除油技术在渤海某重质油田平台生产水处理过程中的应用。该成套技术设备在入口生产水含油1500~2500 mg/L,流量250 m3/h,压力250 kPa,原油密度0.92~0.96 g/cm3的条件下,出口平均油含量106.1 mg/L;海上平台设备处理能力及占地空间的综合评价指标FA为16.85 m/h,FV为5.61 h−1,较传统斜板除油器,在提升除油效率的同时,占地面积缩小了61.1%;在体积上,仅为旋流除油器体积的50%。该技术可适应较大流量波动及较宽范围油含量的条件,为现有海上油田平台生产水扩能改造提供了技术支撑。

Abstract: This paper introduces the application of a new compact and highly efficient adaptive mini-swirl floatation deoil (AMFD) technology in the process of produced water treatment in a heavy oil-field in Bohai Sea. Under the conditions of 1500~2500 mg/L oil content of inlet produced water, flow rate of 250 m3/h, pressure of 250 kPa and crude oil density of 0.92~0.96 g/cm3, the average oil content of export is 106.1 mg/L. The processing capacity parameter FA of offshore platform devices is 16.85 m/h. The evaluation parameter FV of occupied space is 5.61. While improving the oil removal efficiency, AMFD separator is 16.7% smaller than the traditional slant plate deoiler. In terms of volume, it is only 50% of the volume of the cyclone deoiler. This technology can adapt to the condition of large flow fluctuation and provides technical support for the produced water expansion and transformation of the existing offshore oil field platform.

1. 背景

渤海油田1985年投入开发,是目前中国海上最大的油田,也是全国第二大原油生产基地 [1]。迄今为止,渤海油田已经发现了多个亿吨级大油田,形成四大生产油区和八个生产作业单元,在生产油田超过50个,拥有各类采油平台100余座。经过三十五年的开发,渤海油田已经进人高含水期,部分油田采出液中含水量超过90% [2] [3],多数平台拟对生产水系统扩能进而提升原油产量。

由于我国渤海油田大多为稠油油田,因此现有的生产水中含有以石油类为主的种类复杂的有机物,以及胶质悬浮物、大颗粒物 [4] 等,处理较为困难。目前处理流程大致分为四段:预处理、达标除油处理、深度净化处理和回注,对应技术设备分别为三相分离器、斜板除油器、气浮除油器以及核桃壳过滤器 [5]。

近年来随着研究人员对旋流场的理解逐渐深入,发现旋流场可以应用于分散相的分选及排序,并进一步协助提高分离性能 [6]。将旋流离心场与不同形式的电场相结合,使得旋流器对油水混合物的分离进一步强化,广泛应用于油水两相分离 [7] [8] [9];通过引入弱旋流场和气浮技术融合在一台设备中,形成了气浮旋流一体化设备(CFU)新型气浮工艺 [10]。CFU实现了气浮和旋流分离技术的优势互补,进一步降低油滴直径去除下限,提高油水分离效率,已经在海上平台获得广泛的工业化应用,并取得了良好的效果 [11]。由于生产水中油滴密度大、粘度大,为了满足进气浮处理的要求,保证油含量和悬浮物浓度,一般选用斜板除油器作为气浮除油器的预处理设施。但斜板除油器存在体积大、除油效率低的问题,限制了旧平台水系统的扩能提产,而对于新平台来说存在综合造价高的问题。

本工作介绍了一种新式高效自适应微气浮除油技术(Adaptive Mini-swirl Flotation Deoil,简称AMFD)在渤海某重质油田平台生产水扩能改造中的应用。研究了进口流量、压力、含油量,以及清水剂的使用量对该技术处理效果的影响,并讨论了海上平台核心指标处理量及占地空间的综合评价指标FA、FV [12] 与传统斜板除油技术的比较。

2. AMFD技术简介

在海上重质油田,由于生产水中油滴密度大、粘度大以及生产水来液波动,旋流分离器不适用,因此一般选用斜板除油器作为紧凑气浮除油器(CFU)的预处理技术,其除油原理源于Boycott效应 [13],即在倾斜通道中,可以增大颗粒的沉降面积,减少沉降距离,明显地促进矿粒在悬浮液中的沉降,从而增大处理量。设计方法多采用多组斜板平行放置的TPI形式 [14] [15],设计指标一般要求从进口2000 mg/L降低到300 mg/L以内,静止分离时间一般为10~15分钟,占地面积大。华东理工大学杨强教授团队利用生产水中存在的溶解气降压时可产生微米级气泡,将旋流、气浮有机结合在一起,研发了AMFD技术,原理如图1(a)所示。

AMFD基于粒径分级分离,分为主分离腔及副分离腔两部分。油水气从主分离腔的底部进入分离器内部,在旋转叶片作用下,形成旋转流运动,大粒径气泡、油滴在旋流作用下被快速分离,从主分离腔的上部排出;而未分离的小粒径油滴及气泡进入旋转半径较小的副分离腔,在较大离心力作用下实现快速分离。当所处流场较低时,主分离腔旋转流速较小,只起到分配作用,副分离腔起到主要分离作用,因此可适应较大的流量波动范围,从而保证了AMFD分离器对大粒径和小粒径的气泡、油滴均具有较高的分离效率以及对入口工况变化的适应性。AMFD与水力旋流器类似,通过多芯管并联形式实现较大的处理量,如图1(b),具有在入口流量波动大、油含量范围宽的条件下保持高效的除油性能的优势。

Figure 1. AMFD. (a) Structural schematic diagram; (b) Multi-tube integrated device diagram

图1. AMFD。(a) 结构原理图;(b) 多管集成设备图

3. AMFD应用效果

渤海某油田平台为中心处理平台,新旧共两套水处理系统,可处理生产水总量为54,000 m3/d。采出液原油密度0.92~0.96 g/cm3,含烃、苯、醚、酮、醛等百余种有机物,大量的颗粒悬浮物以及气泡。其中,旧系统应用斜板除油器技术,生产水处理量36,000 m3/d;新系统采用了AMFD技术,生产水处理量18,000 m3/d,处理流程如图2所示。含油污水从AMFD分离器进口进入,经AMFD内件分离后,油相从顶部油包排出;水相从底部排出进入下一级分离。

Figure 2. AMFD water treatment process

图2. AMFD水处理流程

3.1. 进口流量对处理效果的影响

AMFD分离器设计处理流量为250 m3/h,为验证设备的操作弹性,研究了在相同压力下,不同流量对分离效率的影响。流量与分离效率关系曲线如图3所示。

由图可以看出,当流量在80~280 m3/h波动范围内,设备平均分离效率为90.2%,且分离效率稳定在87.0%以上。当处理流量发生变化时,不仅停留时间改变,设备内部流场以及流体流态也在变化。其中,当流量为200~260 m3/h时,设备内部流场以及流体流态达到实验压力下的较佳状态,此时,设备分离效率最高可达到96.1%。因此,AMFD分离器在设计处理范围内,该技术能有效对平台含油生产水进行处理。

Figure 3. Area chart: AMFD separation efficiency at different flow rates

图3. 不同流量下AMFD分离效率面积图

3.2. 进口油含量对处理效果的影响

在进口流量为250 m3/h条件下,研究了进口油含量对处理效果的影响,如图4所示。

Figure 4. Effect of inlet oil content on separation efficiency

图4. 进口油含量对分离效率的影响

进口生产水油含量从800 mg/L逐渐提升至2700 mg/L,出口油含量随之由70 mg/L逐渐缓慢增长至160 mg/L,平均进口油含量1565.6 mg/L,平均出口油含量106.1 mg/L。测试中,出口最低油含量28 mg/L,出口最高油含量224 mg/L,平均分离效率93.0%。

AMFD技术主要针对悬浮态、分散态和粒径在3 μm以上的乳化态油滴的去除,在分离精度上无法对粒径小于3 μm的油滴进行高效分离。随着油含量的升高,更多的油是以前者存在,因此,出口油含量虽然随着进口油含量增加而有所增加,但分离效率却在稳步增长,当进口油含量增长到2000 mg/L以上,分离效率能够稳定在95%以上。

3.3. 进口压力对处理效果的影响

AMFD分离器设备进口压力决定了生产分离器与AMFD设备之间的差压,进而影响了生产水进入AMFD设备的气体的体积流量及气泡尺寸,因此AMFD分离器设备进口压力波动对分离性能影响较大。生产分离器与AMFD分离器不同差压下的分离效率曲线参见图5

Figure 5. Curve: separation efficiency under different pressure difference

图5. 不同压差下分离效率曲线图

依图可知,生产水分离器与AMFD分离器实验压力差在450 kPa~765 kPa分布。随着AMFD分离器进口压力的降低,压差逐渐升高,分离效率先增加后降低。当压力差较低时,进入AMFD分离器气体量较少,且未分离的气体以微小气泡形式存在流体中,黏附并夹带大量油滴从水相出口外排,导致分离效率降低。当压力差较大时,进入AMFD分离器气体量增加,大量气体无法及时外排,导致分离效率下降。当压力差超过760 kPa时,进入AMFD分离器气体量过大超过设计排放流量。当压力差为705 kPa时,进入AMFD分离器气体量刚好全部被排出,因此设备分离效率最高,为94.9%。表明此状态下AMFD分离器对生产水处理效果最佳。由此得出,与上游压差产生的闪蒸气量是影响AMFD分离器的关键参数,设备与上游生产分离器最佳差压为705 kPa。

3.4. 进口增加清水剂对处理效果的影响

药剂在海上平台生产水处理中起到重要的作用,清水剂尤为关键 [16]。清水剂分散在水中,中和微小的原油粒子和固体悬浮物的表面电荷,使其利用粒子和粒子之间的范德华吸引力而凝结,小油滴凝结成大油滴,并在重力的作用下上浮,以达到除油的效果。为探究清水剂对AMFD技术处理效果的影响,在设备进料管线增设清水剂加药点,保证设备加药前后进液一致、操作参数一致,对比分析增加清水剂前后设备分离效率。

研究结果如图6(a)中所示,加入清水剂前,AMFD分离器仅依靠物理内件对油水两相进行分离,分离效率约87%~90%。加入清水剂后,促进了悬浮物和油滴的絮凝、沉降,因此增加了AMFD的分离效率,平均分离效率增加了3.5%,达到90%以上。此外,设备在运行过程中,采出液成分、气含量实时波动,如图5中所述影响设备的分离效率,因此,图6(a)中分离效率曲线存在一定的波动。

Figure 6. (a) Curve: comparison of separation efficiency before and after dosing; (b) Inlet water sample; (c) Outlet water sample before dosing; (d) Outlet water sample after dosing

图6. (a) 加药前后分离效率对比曲线;(b) 进口水样;(c) 加药前出口水样;(d) 加药后出口水样

图6(b)所示,设备进口生产水油含油2000 mg/L,外观浑浊,表面有大量浮油;在加清水剂前,设备出口水样颜色浑浊发黄,表面有微量浮油,油含量约为200 mg/L,取样发现,设备出口水样较加药前更为澄清,表面几乎无浮油,油含量在150 mg/L以下。

因此,增加清水剂对AMFD技术起正作用,在测试250 m3/h流量下,清水剂BHQ-133用量控制在11 mg/L,设备分离效果最佳,为96.07%。

3.5. 设备处理量及占地空间的综合评价指标

设备处理量及占地空间的综合评价指标能反应生产水处理设备的紧凑高效性,是海上平台关键参数之一 [12]。数值越大说明在相同处理规模下设备占地越小,具体计算方法如下:

面积评价参数FA及体积评价参数FV计算公式如(1) (2)所示:

FA = Qave / A (1)

FV = Qave / V (2)

Qave代表平均流量,A代表设备撬体面积,V代表设备撬体体积。

Table 1. Equipment performance comparison data of 12,000 m3/d processing flow

表1. 12,000 m3/d处理流量下设备性能对比数据

按照计算数据所得见表1,AMFD分离器面积评价参数FA是斜板除油器的2.58倍,旋流除油器的1.06倍;AMFD分离器体积评价参数FV是斜板除油器的6.10倍,旋流除油器的1.68倍。在同等处理流量下,AMFD分离器比斜板除油器和旋流除油器可提升分离效率约10%~12%。

若将AMFD分离器独立成撬,12,000 m3/d处理流量下设备尺为3 m × 3.3 m × 9 m,则AMFD分离器占地面积评价指标FA为50.51 m/h。适用于平台狭小空间内现有生产水处理系统的扩能改造。

4. 结论

本文总结了AMFD技术在渤海某重质油田平台生产水处理过程中的应用。根据现场实际运行情况,该技术对处理流量、进口油含量有较强的自适应能力。且AMFD分离器进口压力是影响该技术的关键参数,在压力250 kPa,清水剂BHQ-133用量11 mg/L条件下,除油效率最高,达95%以上。

与此同时,该技术的占地空间的综合评价指标FA是斜板除油器的2.58倍,FV是斜板除油器的6.10倍。较水力旋流器固定操作参数区间扩大了1倍,可有效替代现有斜板除油设施,为海上油田扩能改造,或者新建高效海油处理平台提供了一种新颖可靠的技术途径。

基金项目

国家重点研发项目(2019YFA0705800)、国家自然科学基金(51678238、51722806)。

NOTES

*通信作者。

文章引用: 王亚儒 , 卢大雁 , 张金鹏 , 代品一 , 刘懿谦 , 杨 强 (2020) 高效自适应微气浮除油技术在海上重质油田生产水处理中的应用。 石油天然气学报, 42, 99-106. doi: 10.12677/JOGT.2020.422021

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