高效旋流气浮一体化预分水除油技术

科技导报2014，32（8）收稿日期：2013-09-11；修回日期：2013-11-04基金项目：中国石油化工股份有限公司科技开发部项目（P12104）作者简介：胡长朝，博士，研究方向为油气田污水处理，电子信箱：[e-mail]引用格式：胡长朝,党伟,谭文捷,等.高效旋流气浮一体化预分水除油技术[J].科技导报,2014,32(8):39-43.高效旋流气浮一体化预分水除油技术高效旋流气浮一体化预分水除油技术胡长朝，党伟，谭文捷，王莉莉，唐志伟中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083摘要摘要为克服高含水期油田预分水设施的局限性，对旋流、自溶气气浮、二级气浮、斜板聚结等技术进行集成研究，形成一体化预分水除油技术及装置。该装置取代了常规预分水除油工艺中的预分水器、除油罐、沉降罐等大型设备，具有预分水除油效率高、工艺流程短、占地面积小、投资低等优点，可用于集输系统的接转站和边缘油田就地预分水和污水处理。室内实验表明，在来液含水大于80%、含悬浮物300mg/L条件下，装置可预分出38%的污水，可将分出污水中的含油、含悬浮物指标分别控制在15mg/L、5mg/L以内，实现了预分水和除油功能的有机结合，经济效益明显。关键词关键词预分水除油一体化；旋流技术；自溶气气浮中图分类号中图分类号X741文献标志码文献标志码Adoidoi10.3981/j.issn.1000-7857.2014.08.005IntegratedHydrocycloneandFlotationSeparationTechnologyforWaterPreseparationandWastewaterTreatmentAbstractAbstractInviewofthedisadvantagesofthecurrentwaterpreseparationfacilitiesinahighwater-cutoilfield,ahighefficientintegratedtechnologyofthehydrocyclone,theself-dissolvedgasflotation,thesecondstageflotationandtheinclinedplatecoalescenceforthewaterpreseparationandthewastewatertreatmentisproposed,andthelaboratoryequipmentisdeveloped.Withthisequipmentforthewaterpreseparationandthewastewatertreatment,38%ofthewastewatercanbepreseparated,andtheoutletcontentofoilandsuspendedsolidscanbecontrolledunder15mg/Land5mg/L,respectively,whentheinletwater-cutismorethan80%andtheconcentrationofsuspendedsolidsislessthan300mg/L.Withitshighefficiency,theshortprocessflow,thesmallsizeandthelowinvestment,theequipmentcanbeusedforthewaterpreseparationandthewastewatertreatmentattransferstationsofgatheringsystemsandmarginaloilfields,tobringaboutgreateconomicbenefits.KeywordsKeywordsintegrationofwaterpreseparationandoilremoval;hydrocyclonetechnology;self-dissolvedgasflotationHUChangchao,DANGWei,TANWenjie,WANGLili,TANGZhiweiPetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,Sinopec,Beijing100083,China国内外油田开发都经历着产油量上升、油量达到高峰稳产、油井见水产量递减3个阶段[1]。中国东部主力油田大部分已进入高含水或特高含水开采期，原油综合含水已超过90％，有的油田甚至高达98%，油田开发已由“采油”变为“采水”。地面处理系统利用的是中、低含水期的生产设施，不能适应高含水期产液量剧增和以水为主的处理需求，目前油田开发主要存在以下问题：1）集输和污水处理系统处理能力明显不足，超负荷运行，处理效率低下。2）原有设施需要扩建，改造工程量和投资费用过大，并且原有流程的改造也十分困难。3）能耗及成本增大。在油田中、低含水期开发阶段建设的联合站，大多采用两段脱水工艺，高含水采出液需全液长距离输送至联合站进行加热脱水处理，大部分热能消耗在对污水的加热升温上。在一个进站液量为1700×104m3/a、综合含水率为95％的联合站，将来液升温7℃，仅一次加热炉的燃油消耗就高达1.45×104t/a以上，其中污水吸收的热能大约占97％，造成了能量的极大浪费[2,3]。脱出的污水需返输至注水站，污水往返输送成本、降回压泵能耗、运行管理维护成本等增大。另外，随着含水率的上升，井排来液的温度越来越低，热量及化学助剂等的消耗进一步增大，吨液、吨油处理成本急剧增加。4）大量污水的长距离往返输送加速了管道和设39科技导报2014，32（8）备的腐蚀，缩短了设备的使用寿命。实施预分水，在井场、分压泵站或接转站把污水分离出来并就地处理达标后回注，剩余低含水油再送至联合站进行集中加热处理，可避免对大部分污水的无效加热和长距离往返输送，减少联合站的来液量，并降低来液含水率，有效解决以上问题。为此，国内外油田成功研究出了三相分离、旋流分离、斜管预分水、末端分相等预分水技术，并进行了推广应用[4~11]。预分水工艺流程一般为：进站阀组→预分水器→加热炉→后续油处理流程，即在联合站的加热炉前设置预分水器，高含水采出液全液输至预分水器分出大部分游离水，剩余的低含水油再进加热炉进行加热脱水处理。这些技术基本能满足预分水要求，但分出的污水含油指标偏高（一般大于500mg/L），需依次经站内除油罐、沉降罐、气浮装置、过滤器等污水处理设施处理合格后返输至注水站回注[12~17]，造成污水处理系统复杂，无法满足工艺简化需要，也无法实现就地预分水、就地处理、就地回注的目标；另一方面，对分出污水的处理仍在联合站内进行，无法减轻原有污水处理系统的负荷。高效旋流气浮一体化预分水除油技术旨在克服现有预分水技术的局限性，尝试对常规预分水和除油技术进行优化研究，将预分水与污水除油功能有机集成于同一撬装装置内，在高效预分水的同时，强化除油功能，改善出水水质，从而简化预分水和污水处理工艺，实现就地预分水、就地处理，减少占地和改造投资，大幅降低能耗和运行费用，提高经济效益。本文对旋流、自溶气气浮、二级气浮、斜板聚结等技术进行集成研究，形成一体化预分水除油技术及装置，并通过室内实验，对装置的预分水除油效果进行分析评价。1一体化预分水除油室内实验装置的研制1.1工艺流程在预分水技术方面，水力旋流器具有占地面积小、质量小、效率高、投资低、易于安装和维修等优点，欧美国家的海上油田广泛将其用作预分水器[7,8,18,19]；除油技术大体分为自然沉降、混凝沉降、气浮、旋流、过滤等，其中溶气气浮具有处理效率高、净化效果好、工况稳定、能将污水含油降到50mg/L以下等优点，是应用最广泛的除油技术之一。因此，可选用水力旋流器进行预分水，选用溶气气浮进行污水除油，结合斜板聚结等技术进行科学集成，形成一体化预分水除油技术及装置。对于水力旋流器，需优化参数，克服其出水水质波动大的缺点。对于溶气气浮，在目前集输系统压力条件下（0.3MPa），污水中溶解的伴生气含量达到5%~7%，超过正常溶气气浮溶气含量1%~5%的标准值，具有良好的气浮条件，却没有相关的研究报道，室内实验装置将充分利用这些伴生气对含油污水进行气浮净化，即实现自溶气气浮净化；在自溶气气量不足的情况下，可辅以二级气浮，保证除油效果。具体的预分水除油工艺流程为：高含水采出液→污水泵→水力旋流器→自溶气气浮→二级气浮→斜板聚结沉降→出水。1.2设计参数一体化预分水除油室内实验装置长1850mm、宽795mm，分为旋流区、自溶气气浮区、二级气浮区和斜板聚结区，进液口即旋流器进料口通过PVC管道与污水泵出口相连，自溶气区配有加药装置和静混器。装置设计处理规模10m3/h，材质为有机玻璃，耐压0.3MPa；设计进液为含水80%以上轻质原油（原油密度小于0.9g/cm3）；设计出水水质为：含油≤15mg/L、含悬浮物≤5mg/L。2实验部分2.1仪器及材料预分水除油装置如上所述。配套设备及测试仪器包括：PL系列无油静音空气压缩机，德国Rdose电磁式隔膜计量泵，TDS-100型手持式超声波流量计，美国TD-500D水中油份浓度测定仪，BXH-A型原油含水测定仪，HBD5-MLSS4210水质悬浮物分析仪。实验材料：中石化某油田原油采出液（原油密度0.88~0.89g/cm3，含水80%左右），絮凝剂聚合氯化铝等材料为市售。2.2实验过程开启污水泵，将高含水采出液以一定速度从进料口压进水力旋流器进行预分水，溢流为低含水原油，底流为低含油污水（进料口、溢流口和底流口流量均可通过安装在其上的阀门进行调节）。低含油污水经底流口排出并投加一定量的絮凝剂后，进入自溶气气浮区（自溶气用压缩空气模拟），自溶气净化后的污水进入二级气浮区和斜板聚结区，经气浮、聚结除油、除悬浮物处理后，经装置出口排出。实验过程中，通过设置在装置进出口及各区上的取样口取样并完成相关指标的检测。其中，水中含油、含悬浮物指标分别通过水中油份浓度测定仪和水质悬浮物分析仪测定，并依照SY/T5329—2012[20]进行平行测定。3结果与讨论3.1水力旋流器预分水水力旋流器的工作原理是在油水存在密度差的情况下，使含油污水在水泵的作用下，从切线方向进入旋流器后高速旋转，在离心力的作用下，水向器壁运动，形成向下的外旋流，通过旋流器底部出口流出（底流）；油向旋流器轴心处运动，形成螺旋上升的内旋流油核，由上端溢流而出（溢流），最终实现油水分离。其分离效果受进口流量、分流比（溢流流量/进口流量）等因素的影响。旋流器预分水实验在室温条件下进行，来液平均含水80%，固定分流比为70%，逐渐增大旋流器进口流量至5m3/h以上时，可观察到油水混合液在旋流腔内高速旋转，底流出40科技导报2014，32（8）以下（表1）。从表1结果可以看出，在进口流量从3m3/h增大到10m3/h的过程中，旋流器底流含油从高于10000mg/L降低到8m3/h时的530mg/L，之后随流量的增大而升高。这是因为，进口流量越大，入口速度就越大，从而导致旋流器内的离心力越大，影响油水分离效果。进口流量过小，混合液在旋流器内无法充分旋转，油水难以分离；进口流量过大，混合液在旋流器内的停留时间变短，且分散相油滴在强剪切力的作用下容易破碎，也不利于油水分离。上述变化趋势和文献报道相一致[8]，但底流出水含油低于文献中的对应指标（最低值1000mg/L左右），验证了该旋流器的高效预分水性能。分流比是影响旋流器分离效率的最主要因素之一[11]。固定旋流器进口流量为8m3/h，通过改变分流比，研究了分流比对底流含水的影响。结果显示，在原油含水80%条件下，当分流比从30%增大到70%时，底流含油从30%时的2800mg/L降到70%时的530mg/L左右（图1），之后基本保持不变，表明高溢流（高分流比）旋流可有