含聚采出水纯物理除油技术研究与应用.pdf

6 2 石油工程建设 麓 丁 慧 ( 胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营2 5 7 0 2 6 ) 摘 要 ：文章重点介绍 了含 聚采 出水纯物理处理技 术 高梯度聚结气浮技术的提 出及研 究方向 并有针对性地进行 了高梯度( 旋流)聚结、高梯度聚结气浮的研究 ，开发 了 “ 材料聚结+ 旋流聚结+ 溶 气 气浮 ” 的 纯 物 理 工 艺技 术 ，研 制 的 高梯 度 聚 结 气浮 一 体 化 除 油设 备 、 高效 微 气泡 溶 气装 置 和 管式溶气释放 器成功应用于 1万 m3 d的采出水处理工程 中，在不投加任何 处理药剂、来水含聚合物 6 0 m g L 、含油高度乳化、粒径 06 m的油珠 占9 8 、含 油5 0 0 mg L的条件 下，出水含油保持在 5 0 mg L以下 ，达 到 回注水 混凝 沉 降进 水 含 油指标 ，且 不产 生 老化 油 污泥量 少。 关键词 ：含聚污水；纯物理工艺；高梯度聚结；高梯度聚结气浮 中图分类号 ：T E 3 5 7 6 1 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 4 0 0 6 2 0 5 0 引言 随着胜利油 田进入开发后期 。 “ 三次”采油手 段不断丰富 、规模不断扩大 ，在开发水平持续提高 的同时 ，含聚采出水回注处理已成为地面工程建设 的技术瓶颈之一。 胜利油 田目前含聚采 出水量 占总水量的 4 6 含聚采出水站来水含油量最高达到 6 0 0 0 m g L ，聚 合物质量浓度最高达 1 8 0 m g L 。含聚采出水很难靠 传统常规工艺处理达到 回注指标。这主要是因为含 表 1 2 0 0 9年 1 2月混合油与加剂吐哈油冷热交替输送 最低进站油温对 比 站场 四堡 翠岭 河西 瓜州 玉 门 模拟 计算 1 4 O 1 2 2 1 1 7 1 1 8 l 1 5 温度， 实测值 1 6 0 1 4 1 1 3 _ 3 1 2 0 1 1 O 偏差 2 O 1 9 1 6 0 _ 2 一 0 5 站场 张掖 山丹 西靖 新堡 兰州 模拟计算 8 7 8 8 7 5 7 - 8 9 9 温度 实测值 9 0 8 9 8 6 8 O 9 7 偏差 0 - 3 0 1 1 1 0 - 2 0 2 ( 原油价格 按 4 0 0 0元 t 算 ) 。这是 国 内首 次在近 1 7 0 0 k m的长距 离管道上 实现物性波动较大 的多 种原油 的冷热交替顺序输送 ，也是世界上实现冷热 油交替输送 的最长管道。其冷热交替输送运行的实 践和经验可为其他原油长输管道提供借鉴 。 聚采 出水 中含大量 的聚合物 和石油磺 酸盐等驱油 剂 ，使其乳化性质与水驱采 出水有本质的不 同，如 油珠表面 电位高 、油水界面膜强度大 、油珠旱现 W O和 O W 多重乳化 和不规则多边形结构 这 特性最终导致油水分散体 系稳 定 、分散相粒径细 小 ，阻碍 了油水的 自然分离 。 近年来为解决含聚采出水的达标 回注问题 ，胜 利油田采用了化学气浮工艺 ，水质达标的同时 ，却 因为在水 中投人大量的阳离子型除油剂和无机盐混 一+ “ +- +- 。 一- +一 +- +- - 一 +一 +-+* ” 。 + 一- +一 +一 + 参考文献 ： 1 崔秀 国 冷热油交替输送管道非稳态水力一热力耦 合问题分析及 应用【 D】 北京 ： 中国石油大学， 2 0 0 5 【 2 】 王凯 原油 管道差温顺 序输送 工艺数值 研究 D 北 京 ： 驾 油 大学 2 0 0 9 【 3 】夏庆春 鲁宁线原油顺序输送技术研究 D 北 京： 中国石油大学 ， 2 0 0 6 4 范海成 冷热油交替输送研究 D 北京 ： 中国石油大学 ， 2 0 0 5 5 】史 秀敏 热油管 道顺 序输送工艺计 算方法初探 D1 北 京 ： 中阏石 油大学 ， 1 9 9 2 6 鹿广辉 冷热原油交替输送非稳态传 热的研究【 D】 北京 ： 中 彳 油大学 ， 2 0 0 5 作 者简介 ：邱姝 娟( 1 9 7 6 一 ) ，女 ，河北 承德人 ，工程 师 ， 2 0 0 0年 毕业于西 南石 油学院油 气储运 专业 ，现从 事输油生 产管理工作。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 2 2 羊 羊 ￥ ) + 苴拿 第 3 7卷第 4期 丁慧 ：含聚采出水 纯物理除油技术研究与应用 6 3 凝剂产生了严重 的老化油和含油污泥问题 ，不仅 造成原油流失 、处理成本增加 ，更严重的是极大地 增加 了环保压力 ，同时也因为原油中有药剂残留使 下游炼化受到一定程度的影响。 因此 研发一种新型的纯物理含聚采出水除油 技术 、不投加化学药剂 、不产生老化 油和含油污 泥 、出水含油达到混凝沉降进水指标 1 0 0 mg L ( 在 进站污水含油达到 1 0 0 0 m g L以下的标准时 ) ，已 经成为胜利油 田可持续发展形势的需要 。 1 研究 内容 与技 术指标 1 1 研 究 内容 按照室内小试 、现场中试 、工业化应用三步走 的总路线 完成项 目的研究及应用 。 ( 1 )高梯度聚结研究。对大 口径 中速旋流管进 行研究和现场试验 ，确定关键技术参数。 ( 2 )高梯度物理聚结技术研究 。将材料聚结与 高梯度聚结有机整合 ，开发现场试验装置 ，确定关 键技术参数。 ( 3 )高梯度聚结气浮技术研究 。有机融合 “ 材 料聚结 +高梯度 聚结 +气浮 ”技术 ，开发现场试 验装置 ，确定关键技术参数 。 ( 4 )示范工程 。针对 1万 m。 d的采出水处理 示范工程 ，开发高梯度聚结气浮装置 、压力溶气装 置 、溶气释放装置以及配套的 自动化控制系统 ，实 现工程整体的稳定运行。 1 2 技 术经 济指标 ( 1 )污油去除率 ：当污水含油 1 0 0 0mg L以上 时 ，污油去 除率达 9 O ；当污水含 油 l 0 0 0 m g L 以下时，处理后污水含油在 1 0 0 m g L以下。 ( 2 )对小油珠去除率 ：高度乳化的含油污水对 于粒径在 6 Ix m以下 的油珠去除率达 8 5 以上 。 ( 3 )运 行 成 本 ： 电 耗 为 0 1元 m ， ， 药 耗 为 0元 m。 。 2 高梯 度 聚结研 究 2 1大 口径 旋流元件 研 究 ( 1 )大 15径旋流元件的提出。为满足大规模工 程需要 ，并适应重力流程低能耗的工况 ，提出开发 1 5 0 h i m 的大 口径旋 流元件进 行试 验 ( 如 图 1所 示) 。经理论分析 ，通过采用中速旋流 ，不仅可使 内外圈油滴产生较高的线速度梯度 实现碰撞聚 并 ，同时可有效避免高速旋流产生的高剪切力对大 油珠造成的二次乳化。 图 1高 梯 度 聚 结兀 件 ( 2 )高梯度流场数值模拟。控制旋流管进水流 量为 5 m3 h ，对旋流元件进 15提供 5 m s的流速 ， 采用 F L U E N T软件进行 数值模拟 ，得知旋流管 内 产生中速旋流，形成高速度梯度流场 ，油珠碰撞次 数达到 1 0 次。 2 2高梯度聚结室内试验 ( 1 )室内试验装置。根据流场模拟研究成果 ， 在试验室内设计 、构建高梯度聚结室内试验装置并 对其结构进行了优化 ，如图 2所示。试验条件 ：进 水流量控制在 5 m 3 h ，由试验室内水罐供水 ，试验 时间为 2 0 0 9年 3月至 6月 。处理工艺采用高梯度 聚结工 艺 。 图 2 高梯度聚结室内试验装置 ( 2 )室内试 验结果与分析。试验结果见表 1 。 表 1 高梯度聚结室 内试验数据 含油量 取样时间 进 ( m g L ) 出 E l ( mg L ) 去除率 2 0 0 9 一 O 5 0 4 1 0 ： 0 0 1 08 1 3 6 5 9 4 39 O 2 0 0 9 0 5 0 4 I 1 ： 0 0 2 2 53 1 3 4 4 40 3 2 0 0 9 0 5 06 9 ： 0 0 5 4 26 3 4 3 8 3 6 6 2 0 0 9 一 O 5 一 O 6 l 3 ： 0 0 1 2 2 2 7 5 4 5 9 55 4 2 0 0 9 一 O 5 一 O 6 1 4 ： 0 0 5 71 -4 3 21 7 43 7 2 00 9 0 5 0 6 1 5 ： 0 0 1 0 6 62 5 7 5 2 4 6 1 平 均 6 2 2 7 3 3 1 _ 2 4 3 5 结果分析 ：由室 内试验数据可知，采用高梯度 聚 结 处 理 含 油 污 水 是 有 效 的 ，平 均 除 油 率 为 4 3 5 。但仅采用高梯度聚结工艺 除油率很有 限。 通过试验数据可知 ，本装置及工艺对来水含油具有 一 定的抗冲击能力 ，进水含油变化在 1 3 0 0 mg L至 1 0 0 m g L之 间时 ，污 油 平 均去 除率 能 够 保持 在 4 0 左右。另外 ，在进 水含油 量增大时 ，污油去 石油工程建设 除率出现提高的趋势 。 3高梯 度 物理聚 结 技术研 究 为达到较高的除油率 ，在高梯度聚结研究 的 基础上 ，将其 与材料聚结有机集成 ，开发 了高梯 度物理聚结技术。其中 ，聚结材料采用蛋托型式 ， 水流为侧 向流。 3 1 高梯度物理聚结试验装置 现场试验装 置见 图 3 。试验地点选 在胜 利油 田胜利采 油厂坨一联合站 。试验用 水采用坨一污 水 站来 水 ；来 水 流量 为 3 5 m3 h ；试 验 时 问为 2 0 0 9年 7月至 9月 图 3高 梯 度 物 理 聚 结 现 场 试 验 装 置 3 2试验 结 果与分 析 试验结果见表 2 。 结果分析 ：由表 2试验数据显示 ，进水含油 在 1 3 0 0 0 mg L至 1 0 0 0 m g L之 间 、含 聚 1 5 0 r n g L 以内的条件下 ，出水平均含油为 5 9 1 2 8 mg L，工 艺装置平均去除率 由单一 高梯度 聚结 的 4 3 5 增 长至 7 7 7 2 。试验结果说 明高梯度物理聚结装置 能够适应高含油污水 的冲击 ，并验证了随含油量 增加除油率提高的规律。 4 高梯 度 聚结 气浮 技术研 究 根据高梯度聚结技术研究 、试 验装 置及试验 结果 ，含聚污水含油 去除率没有 达到理想水平 ， 综合 国内外油 田水处理工艺调研结果 ，气浮是一 种可控性较强的水处理工艺 。为进一步提高含聚 污水处理效果 。结合气 浮工艺开发 了高梯度物理 聚结气浮试验装置 ，开展了相关试验研究 。 4 1 高梯度聚结气浮试验装置 装置原理为 “ 材料聚结+ 旋流+ 气浮除油” 。一级 采用正弦波折流聚结板，去除大部分浮油和分散油， 强化 3 m以下小油滴的碰撞聚结；二级采用 中速旋 流，建立高梯度使油滴进一步聚并 ，同时实施溶气 气浮使气泡携带油滴上浮。现场试验装置见图 4 。 表 2 高梯度 物理聚 结现场试验结果 取样 含油量 聚合物 流量 时间 进 口 出口 去除 进 口 出 口 ( m3 h ) ( 月 一 日 时 ) ( m g L ) ( mg L ) 率 ( mg L ) ( m g ) 0 9 0l 9：0 0 5 3 7 0 7 7 0 6 7 8 6 8 4 5 0 9 - 0 9 9 ： 0 0 1 2 9l 7 f 8 1 1 7 3 9 9 0 9 1 5 0 9 -1 1 9 ：0 0 1 8 5 7 6 7 6 7 7 8 8 6 3 5 1 5 0 9 -1 1 1 8 ：0 0 l 9 8 5 3 7 9 5 9 2 5 9 9 1 5 0 9 -1 2 9 ： 0 0 1 7 8 9 6 6 6l ， 2 4 6 3 O 5 5 0 9 -1 2 1 8 ： 0 0 1 6 8 5 7 5 2 7-4 7 6 8 7 1 5 0 9 -l 3 9：0 0 1 7 5 4 32 51 2 8 7 70 7 7 5 O 9 1 3 1 8 ： 0 0 1 8 0 0 4 5】 2 5 6 71 5 3 5 0 9 -1 4 9 ：0 0 2 O1 06 5 5 9 0 7 2 2 O 5 0 9 -1 4 l 8 ：0 0 2 2 4 0 3 6l 5 2 72 5 4 5 0 9 -1 6 1 5 ： 3 0 2 5 9 05 1 01 0 6 6 0 9 9 0 9 - 2 5 1 0 ： 0 0 l 4 4 5 3 3 7 6 4 7 3 9 6 l 3 8 61 9 4 O 6 3 3 0 9 2 5 1 0 ： 3 0 l 5 3 2 6 4 4 0 7 71 2 4 3 3 0 9 - 26 1 0 ： 0 0 1 7 8 0 4 5 0 3 1 71 7 4 3 5 0 9 26 1 0 ： 3 0 1 6 5 3 4 4 9 7 5 6 9 9l 3 5 0 9 2 7 1 0 ： 0 0 3 1 2 5 4 5 0 6 3 8 3 8 0 3 7 0 9 - 2 7 1 0 ： 3 0 2 8 4 5 7 4 2 8 2 8 8 4 9 5 3 7 0 9 - 2 8 8 ： 5 0 3 01 8 6 5 7 3 3 81 O 1 1 4 28 l 1 O - 3 3 9 0 9 2 8 8 ： 5 0 2 5 4l _ 3 4 7 3 7 8 1 _ 3 6 3 9 平均 2 8 6 7 4 5 5 9 1 -2 8 7 7 7 2 1 4 0 7 l 1 0 2 2 4 6 6 图 4 高梯度聚结气浮现场试验装置 4 2 现 场试 验 试验地点选 在胜利油 田胜利采油厂坨一联 合 站 。试 验流程 见图 5 。 图 5 高梯度聚结气浮现场试 验流程 试验时间为 2 0 0 9年 1 1月至 1 2月 ， 进水设计 流量为 0 6 m 3 h 。 4 - 3 试验 结果与分析 试验结果见表 3 。 第 3 7卷第 4期 丁 慧 ：含聚采 出水纯物理除油技术研究与应用 6 5 表 3 高梯度聚结气浮试验结果 取样 含油量 流量 回流 停 留时 时间 进 口 出口 去除 ( m 3 h ) 比 间 rai n ( 月 一 日 时 ) ( mg L ) ( mg L ) 率， 1 1 -2 4 1 0 ： 0 0 6 0 3 8 2 9 1 1 2 6 6 9 8 1 3 0 6 1 0 0 47 1 1 -3 0 1 0 ： 0 0 2 7 5 7 5 4 0 7 6 8 5-2 2 0 6 1 0 0 4 7 I 1 3 O 1 5 ：0 0 1 7 0 0 1 2 9 4 8 8 2 6 6 0 6 5 0 6 2 l 2 - 01 9：0 0 1 7 1 4 _ 3 2 9 7 1 8 2 6 7 1 1 0 0 28 1 2 - 01 l 5 ：0 0 l 5 6 8 1 3 1 9-4 7 9 6 3 l 5 0 3 7 1 2 0l 1 5：0 0 1 6 2 2 2 1 4 01 _ 3 3 7 5 2 6 1 5 l O 0 1 9 l 2 - 0 2 9：0 0 1 5 2 7 0 9 3 7 8 9 7 5 1 9 1 5 5 0 25 1 2 - 0 2 1 5：0 0 1 46 8 6 3 6 42 7 5 2 0 2 1 0 0 1 4 1 2 - 0 3 l 5：0 0 l 3 7 8 1 3 48 9 7 4 6 8 2 5 0 l 9 回流 1 0 0 流量 4 3 9 7 9 2 6 0 1 9 40 9 O6 l 0 O 4 7 0 6 m3 h ( 平均) 回流 1 0 0 ( 平均) 2 7 2 0 1 8 3 1 6 5 8 8 3 3 0 1 0 O 回流 5 0 ( 平均) 1 5 4 3 -3 5 3 3 5 5 7 8 0 4 5 0 由表 3可知 ，装置 除油效果 明显 ，除油率较 高 。在额定 0 6 m 3 h设计流量下 、回流比为 1 0 0 时 ，除油率最高 ，为 8 5 以上 ，平均 9 4 0 9 ；当 回流 比降低和流量升高时 ，除油率有 所降低 ，因 此 ，工程 上 的 回流 比采用 1 0 0 。 5 高梯 度聚 结气 浮示 范工 程 基于前期的现场试验研究 ，2 0 1 0年在胜利油 田 胜利采油厂坨一联合站实施了 1万 m3 d 示范工程。 5 1工程概 况 ( 1 )工程主体为高梯度聚结气浮装置 ，利用该 站 3 0 0 0 1 T I 。 事故罐改造而成 ，油站分出的污水直接 进该装置。工程配套 了氮气溶气系统、P L C控制系 统 、配 电系统等 。 ( 2 )基础数据 ：来水 聚合物含量 6 0 mg L，原 油相对密度 0 9 1 7 4 ，水温4 0。 ( 3 )设计规模 ：1 万 m3 d 。 5 2工程 效果 示 范 工程 于 2 0 1 0年 1 1 月 1 0 日正式 运 行 工 程现 场 照片见 图 6 。 图 6 高梯度聚结气浮示范7 - 程现 场照片 5 3 数据 分析 ( 1 ) 除油率。示范工程稳定运行期 间 ，分 阶 段对高梯度聚结气浮装置进 出口进行取样分析 ，见 图 7和 表 4 。 4 5 0 4 0 0 3 5 0 2 0 0 珊 l 1 5 0 熙l 0 0 抽5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 1 1 21 31 41 51 61 71 81 92 021 2 2 取样 次数 图 7 高梯度聚结气浮装置进出水 含油指标 表 4高梯 度聚结气浮装置水质检测结果 含油量 取样时间 进 口 ( mg L ) 出N ( mg L) 去除率 2 0 l 0 一l l 一1 6 9 0 0 4 0 4 4 43 9 8 9 1 4 2 0 1 0 一l 1 1 7 9 ： 0 0 1 9 9 4 2 9 6 8 5 1 6 2 0 1 0 1 2 0 2 8 ： 5 0 2 8 0 8 5 2 8 0 4 90 O 2 2 01 0 1 2 0 4 8 ： 0 0 20 47 3 6 9 8 1 9 7 2 01 O 一1 2 0 5 1 4 ： 3 0 2 2l _ 3 3 2 8 5 5 4 2 0 1 01 2 0 6 1 4 ： 3 0 26 45 4 2- 3 8 401 2 Ol O 一1 2 0 7 8 ： 3 0 1 8 46 3 44 8 1 3 7 2 01 0 一l 2 一 O 9 8 ： 0 0 2 2 78 0 38 2 8 32 3 2 0 1 01 2 1 0 1 5 ： 3 0 1 9 76 2 0 8 8 94 7 2 0 l 1 - o 2 -1 2 1 5 ： ( ) ( 】 2 2 0 3 5 8 4O 9 20 1 1 0 2 1 6 1 5 ：00 1 9 8 3 45 8 2 5 8 2 0 1 1 0 2 1 7 1 5 ：00 l 8 9 8 25 4 8 66 2 2 01 1 一O 2 1 8 9 ：0 0 2 0 0 3 2 9 8 3 5 5 2 0l 1 0 2 1 9 1 5：0 0 2l 6 5 3 2 8 8 4 8 5 2 01 1 0 2 2 1 9 ： 0 0 2 4 6 2 9 8 8 - 21 2 0l 1 0 2 2l 1 5：0 0 2 2 5 5 3 0 8 6 7 0 2 0l 1 0 2 2 3 9 ： 0 0 2 6 8 3 4 8 7 31 2 01 1 一 O 2 2 3 1 5：0 0 2 4 0 31 5 8 6 8 8 2 01 1 一 O 2 2 4 9：0 0 2 8 5 3 6 5 8 7 1 9 2 0I 1 0 2 2 4 l 5 ： 0 0 2 2 6 2 9 8 8 6 8 1 2 O1 l O 2 2 5 9 ： o o 2 9 8 5 3 5 5 8 8 1 1 2 01 1 0 2 2 5 1 5 ： 0 0 2 3 5 31 5 8 6 6 0 平均 2 3 7 8 8 3 2 9 3 8 5 8 8 由上述检测数据可知，装置进水平均含油量为 2 3 7 8 8 m g L ，出水平均含油量为 3 2 9 3 m g L ，平均 去除率为 8 5 8 8 ，出水含油达到了混凝沉降构筑 物进水指标 1 0 0mg L的要求。 ( 2 ) 油珠 粒 径 。装 置进 出 口油珠 粒 径分 析 见 表 5 。 由表 5数 据 可见 ，坨 一站 装 置进 出 口 油珠 粒径分 布范围较 窄 ，主要介 于 0 6 0 I x m。 其 中来 水油珠粒 径 2 tx m 油 珠 所 占比例减 小 ，表 明装 置 已经有 效 去除 了较 石油工程建设 表 5高梯度聚 结气浮装置进 出水油珠粒径分析 油珠粒径 L L m 进 口百分 I： L 出 口百分 I：L I 对 比情况 6。O 2 O 1 2 - 0 8 大 粒径 油 珠 污水 中残 留污 油基 本是 极难 处 理 的微 小粒径油珠 。 ( 3 )气浮回收原油物性。为验证气浮 回收原油 物性有无变化 ，将装置回收原油与坨一站外输净化 油在同等条件下进行黏度分析 ，见表 6 。 表 6 气浮回收原油与净化油黏度对l ；l h n P a s 样品温度 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 坨 一站装 置浮 油含水 3 7 7 5 8 4 4 7 5 6 9 9 3 8 6 3 2 6 0 6 1 9 8 6 坨 一站外输净化油配含水 3 7 7 5 6 4 5 6 4 4 8 7 2 9 7 6 1 9 O 1 1 3 5 2 注 ：取 样 物 为 聚 结 气 浮 罐 回 收 原 油 ，测 试 日期 为 2 0 1 0年 1 1月 1 6 日至 1 7 日。 由表 6可知 。除 油装 置 回收 的原 油 含水 率 3 7 7 5 ，随温度 升高黏度 降低 ，无老化现象 。与 同等条件下净化油对比黏度升高不明显 ，可以得出 不影响油站原油沉降脱水的结论 。 6 经 济 效益 分析 该项研究成果将用于胜利油 田含聚污水处理 ， 为经济有效地进行化学驱开发提供技术支持。 该技术为纯物理不加药处理，运行成本仅 为电 耗 ，约 0 1元 m ，较 目前在用的化学气浮工艺可节 省药剂费 0 - 4元 m 。 水 ，节省老化油和污泥处置费 0 - 3元 m 水 合计节省处理费 0 7元 m 。 水 。 7 结论与下一步工作 7 1结 论 ( 1 )系统研究了油田含聚采出水的特征 ，明确 了纯物理除油方法的技术方向。 ( 2 )对 高梯度聚结进行 了机 理研 究和室 内小 试 并在此基础上开发 了 “ 材料 聚结 +高梯度 聚 结”的纯物理聚结装置 ，试验结果表明 ，高梯度物 理聚结装置除油效果明显 ，达到 7 7 7 2 。 ( 3 )为进一步提高除油效果 ，将 “ 材料聚结 + 高梯度聚结”与 “ 气浮”工艺有机集成 ，开发了高 梯度聚结气浮试验装置 ，试验结果表明 ，除油率有 明显提高 ，平均达到 9 4 0 9 。通过现场试验 ，确 定 了溶气水 回流比等主要参数 。 ( 4 )提 出了高梯度聚结气浮技术 ，并成功应J j 到处理规模 1 万 mS d的实际工程