海上固定平臺(tái)注入水系統(tǒng)處理流程及處理設(shè)備研究

雷 娜

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）

隨著石油開(kāi)采的深入，地層自然能量在逐漸減弱，導(dǎo)致地層的油藏層壓力降低，產(chǎn)油速度變慢。為了提高采油產(chǎn)量，需要為地層增加壓力，海上平臺(tái)常用方法有注入高壓聚合物、注入高壓水注入高壓氣體和高溫高壓蒸汽等，本文主要分析注入高壓水對(duì)注水量，注水水質(zhì)要求，注入地層壓力及注水的時(shí)間等，由油藏專(zhuān)業(yè)經(jīng)計(jì)算后提出。

確定注入水水源以及水質(zhì)后，根據(jù)油藏要求，定制注入水流程、設(shè)備類(lèi)型及各級(jí)出水水質(zhì)，以滿足地層對(duì)注入水質(zhì)的要求。

1 注入水質(zhì)量

海上固定平臺(tái)注入水來(lái)源有海水、原油脫出水（即油田含油污水）和地層水源，水源一般都含油、固體懸浮物、細(xì)菌等，含油濃度、固體懸浮物濃度、固體懸浮物的粒徑，均為注入水水質(zhì)的重要指標(biāo)，如超標(biāo)，會(huì)造成油藏儲(chǔ)層傷害和地層堵塞[2]。

海上固定平臺(tái)注入水水質(zhì)要求由油藏開(kāi)發(fā)提出，在未得到油藏開(kāi)發(fā)的資料時(shí)，可參考SY/T 0005—1999《油田注水設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。

油層所處的地質(zhì)條件決定了注水水質(zhì)，主要影響地質(zhì)因素為地層的空氣滲透率，將滲透率指標(biāo)分為小于0.1 μm2，0.1~0.6 μm2和大于0.6 μm2。《油田注水設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)每類(lèi)滲透率分為三級(jí)，表1為推薦水質(zhì)主要控制指標(biāo)[4]。

表1 推薦水質(zhì)主要控制指標(biāo)

注入水水質(zhì)對(duì)水中固體懸浮物顆粒直徑、固體懸浮物含量及含油量有要求，對(duì)水質(zhì)還有其他要求：要求水質(zhì)穩(wěn)定，與油層混合后不產(chǎn)生沉淀；不會(huì)對(duì)地層黏土礦物產(chǎn)生水化膨脹或者懸濁；水中沒(méi)有可見(jiàn)懸浮物，不會(huì)堵塞地層滲濾端面或者孔道；對(duì)注入水處理設(shè)備腐蝕性小；當(dāng)采取兩種或者兩種以上水源混合注水時(shí)，應(yīng)對(duì)所有水源混合進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果應(yīng)保證混合水的配伍性，且對(duì)油層及地質(zhì)無(wú)傷害才可注入地層[5]。注入水水質(zhì)對(duì)其他腐蝕性物質(zhì)含量也有一定要求，如溶解氧＜0.05 mg/L、硫化氫＜2.0 mg/L、侵蝕性二氧化碳＜1.0 mg/L、pH控制在7±0.5，水中含亞鐵會(huì)生成懸浮物。

2 注入水水源和處理流程

2.1 注水水源

海上固定平臺(tái)主要注入水水源為海水、原油脫出水（即油田含油污水）和地層水源（油田水源井水）。

2.2 注海水處理流程及設(shè)備

未處理的海水含溶解氧、細(xì)菌和懸浮物等，溶解氧會(huì)增大設(shè)備腐蝕，細(xì)菌和懸浮物會(huì)對(duì)油層和注水井地層造成堵塞和破壞[1]。

2.2.1 海水處理流程

海上固定平臺(tái)海水由專(zhuān)設(shè)的潛沒(méi)泵或者立式長(zhǎng)軸泵將海水提升至上部平臺(tái)過(guò)濾器，然后進(jìn)入細(xì)過(guò)濾器，從細(xì)過(guò)濾器獲得的清潔水，經(jīng)在線濁度監(jiān)測(cè)和余氯監(jiān)測(cè)后輸送至脫氧塔頂部，在脫氧塔填料層和真空泵作用下，水中的大量氧氣溢出。脫氧合格后的海水作為注入水，由高壓注水泵輸送至注水管匯，經(jīng)管匯分配后注入注水井。

2.2.2 海水處理設(shè)備

海水泵將海水提升至平臺(tái)上的第一級(jí)處理設(shè)備——海水粗濾器，過(guò)濾掉80 μm或者100 μm以上的懸浮物，目前平臺(tái)上常用的粗濾器有帶自動(dòng)反沖洗功能的粗濾器和非自動(dòng)反沖洗粗濾器，自動(dòng)反沖洗粗濾器相比非自動(dòng)反沖洗粗濾器，具有可同時(shí)清洗和過(guò)濾的功能，在粗濾器濾芯中間安裝有自動(dòng)反沖洗裝置，反洗裝置由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，反洗裝置進(jìn)水管旋轉(zhuǎn)到哪個(gè)位置，就對(duì)此位置進(jìn)行清洗，濾器其余濾芯位置正常工作，反洗的污水由底部排污口排出，不影響濾器正常過(guò)濾功能。非自動(dòng)反沖洗濾器一般使用普通籃式濾器，清洗濾芯時(shí)需要將濾器從流程中隔離，將濾芯由濾器拿出清洗，遇到浮游生物多并且水質(zhì)臟的海域，需要頻繁清洗。渤海區(qū)域平臺(tái)由于海深較淺，海水較臟，普遍采用自動(dòng)反沖洗濾器。海生物也是破壞濾器過(guò)濾功能的一大殺手，附著在濾器內(nèi)壁很難清洗，通常在海水泵入口位置，加注銅鋁電解液或者在泵入口直接加銅鋁電解電極，可起到防海生物的作用，同時(shí)保護(hù)設(shè)備免受腐蝕。

細(xì)濾器為海水處理的第二級(jí)設(shè)備，主要過(guò)濾水中的懸浮物，常用濾料為無(wú)煙煤和石英砂，通常進(jìn)水懸浮物含量在100 mg/L或者以下，出水可達(dá)5 mg/L或以下。無(wú)煙煤和石英砂主要作用為吸附和攔截水中的細(xì)小顆粒，需要定時(shí)對(duì)過(guò)濾器濾料進(jìn)行清洗，清洗一般采用氣洗加水洗，濾器反洗專(zhuān)用鼓風(fēng)機(jī)將濾料吹疏松，然后從濾器底部通入反洗水，直到出水合格，再用鼓風(fēng)機(jī)反洗，使無(wú)煙煤和石英砂通過(guò)密度差分層。不同廠家對(duì)反洗流程要求不同，具體反洗流程以及反洗時(shí)間需要參考廠家要求。

近年來(lái)研究出的纖維球?yàn)V料耐磨損，抗腐蝕性強(qiáng)，密度適中易反洗，比傳統(tǒng)填料設(shè)備占地面積小，但是只適用于不含油的水源，在海上固定平臺(tái)上多被應(yīng)用于水源井水流程。

脫氧塔為海水處理的第三級(jí)設(shè)備。油田注水脫氧分為物理脫氧和化學(xué)脫氧，真空脫氧和天然氣或者惰性氣逆流氣提脫氧屬于物理脫氧，亞硫酸鈉或亞硫酸氫銨氧化反應(yīng)脫氧屬于化學(xué)脫氧[3]。海上平臺(tái)常用的脫氧方式為真空填料脫氧以及化學(xué)藥劑脫氧的組合方式。真空填料脫氧的原理是在一定溫度下，減小氧氣的分壓，從而使氧氣從液體中析出，利用真空泵將析出的氣體排出脫氧塔，需要注意的是脫氧塔的壓力不能低于操作溫度下液體的飽和蒸氣壓，如果低于液體的飽和蒸氣壓，將有大量水蒸氣析出，影響脫氧效果。注水指標(biāo)溶解氧要求＜0.05mg/L，真空脫氧一般達(dá)不到要求，在脫氧設(shè)備中加入除氧劑輔助脫氧，以保證水源含氧量不超標(biāo)。

2.3 油田含油污水處理流程及設(shè)備

海上固定平臺(tái)油田含油污水主要來(lái)源是原油從地層帶出的地層水，通過(guò)處理設(shè)備脫出的原油中地層水稱(chēng)為油田含油污水，未處理的含油污水含有油、懸浮物、細(xì)菌等。

含油污水中的油主要分為粒徑＞50 μm游離油，粒徑20~50 μm的游離分散油，粒徑小于20 μm乳化油和溶解油，針對(duì)粒徑＞50 μm游離油，主要采用油在水中的浮力上浮至水表面除油，粒徑20~50 μm的游離分散油，需要借助外力上浮至水表面，粒徑＜20 μm乳化油和溶解油，可通過(guò)吸附過(guò)濾。

2.3.1 含油污水處理流程

在陸地上，為了給含油污水提供足夠的自由沉降時(shí)間，通常會(huì)建造一個(gè)大型的含油水儲(chǔ)罐，用于自由沉降分離游離油。海上平臺(tái)受空間限制，盡量采用體積小、效率高的含油污水處理流程及設(shè)備。

海上平臺(tái)含油污水中的含油量，通常在1 000~ 3 000 mg/L，經(jīng)處理后，達(dá)到注水要求指標(biāo)。一般分為四級(jí)除油處理，處理后的含油污水可作為注入水注入地層。首先進(jìn)入設(shè)備板式聚結(jié)除油器（通常稱(chēng)為斜板除油器）或者水利旋流器，主要針對(duì)含油污水中的游離油；隨后進(jìn)入氣體浮選器，主要針對(duì)分散油；三級(jí)設(shè)備為核桃殼過(guò)濾器，主要針對(duì)溶解油和乳化油；四級(jí)常用設(shè)備有雙介質(zhì)過(guò)濾器，主要除去水中懸浮物。處理流程可根據(jù)原油的密度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在含油污水處理流程中，為了除油效果更好，需要加入化學(xué)藥劑輔助除油，如破乳劑等。

2.3.2 含油污水處理設(shè)備

斜板除油器或者水利旋流器為海上油田的第一級(jí)處理設(shè)備。斜板除油器原理為在設(shè)備內(nèi)設(shè)置傾斜的板式聚結(jié)器，增加油水接觸面積，將小油滴聚結(jié)成大油滴，大油滴上升至水面，從而除去水中含油，一般可分離出大于50 μm以上的游離油。水力旋流器設(shè)備內(nèi)部為錐形管，高壓液體由錐形管側(cè)面沿切線方向進(jìn)入，流體在水力旋流器錐管內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，逐漸流向錐形底部運(yùn)動(dòng)，引起離心力增加，依據(jù)油水離心力之差，清潔水沿錐管壁下降至錐管底部流出，分離出的游離油溢流至頂端，達(dá)到油水分離效果，一個(gè)容器內(nèi)可以安裝多個(gè)錐形管，提高設(shè)備的處理能力。水力旋流器的來(lái)液壓力、溢流壓降和底流壓降達(dá)到一定的數(shù)值，才能達(dá)到分離效果，且在使用中，發(fā)現(xiàn)油密度≤0.9 g/cm3時(shí)，分離效果最佳。

氣體浮選器為水處理的第二級(jí)設(shè)備，可分為射流浮選、誘導(dǎo)氣浮選、溶氣浮選，除油原理均是液體與氣體混合，形成細(xì)小的氣泡，裹挾油和懸浮物上浮至液體表面，溢流至油室，達(dá)到油水分離效果。三種浮選器的氣體與液體混合方式不同，誘導(dǎo)氣浮選器是通過(guò)立管的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在立管上部液面上形成真空，吸入立管處的氣體，在立管中與液體混合，形成細(xì)小的氣泡；射流浮選是將一部分處理合格后的生產(chǎn)水，利用泵將這部分液體輸送至入口處的文丘里管，通過(guò)文丘里管與液體混合，形成氣液混合；溶氣浮選氣液混合方式為配置一臺(tái)壓力罐，將處理后的水和氣體同時(shí)打入壓力罐（壓力罐壓力維持在200 kPa）內(nèi)，形成飽和液體，輸入浮選器內(nèi)，減壓后，溶解氣形成細(xì)小氣泡，裹挾油和懸浮物上浮，達(dá)到油水分離效果。這三種浮選器在海上平臺(tái)均有應(yīng)用。

近年來(lái)，緊湊式氣浮也有應(yīng)用，除油原理為將浮選器主體設(shè)置為立式罐，溶氣方式與溶氣氣浮類(lèi)似，外部設(shè)備壓力罐，將氣體和液體同時(shí)注入，形成微氣泡，輸入浮選器內(nèi)用于油水分離，將主體設(shè)置為立式罐，相比其他類(lèi)型設(shè)備占地面積小。

核桃殼過(guò)濾器過(guò)濾原理為吸附，過(guò)濾介質(zhì)為打碎的核桃殼，表面粗糙，多孔隙，容易吸附油，而且原料來(lái)源廣泛成本低，在海上平臺(tái)含油污水處理流程中應(yīng)用較多。吸附油后的核桃殼需要定期反洗，與雙介質(zhì)濾器中的無(wú)煙煤不同，核桃殼濾料具有很好的耐磨損性，反洗時(shí)利用攪拌器將濾料攪拌疏松后，再由底部進(jìn)水管進(jìn)水進(jìn)行反洗，直到出水合格。

雙介質(zhì)過(guò)濾器與海水處理系統(tǒng)細(xì)濾器原理及過(guò)濾介質(zhì)相同，主要除去水中懸浮物。

核桃殼過(guò)濾器主要功能為過(guò)濾水中的含油，進(jìn)水指標(biāo)要求含油≯100 mg/L；雙介質(zhì)過(guò)濾器主要功能為過(guò)濾水中的懸浮物雜質(zhì)，進(jìn)水指標(biāo)要求懸浮物含量≯100 mg/L，出水水質(zhì)可達(dá)到≯5 mg/L。有一些平臺(tái)生產(chǎn)水經(jīng)斜板除油器，氣浮選處理后，液體含油可達(dá)到50 mg/L,含懸浮物30 mg/L，將雙介質(zhì)濾器的無(wú)煙煤和石英砂更換為核桃殼和石英砂，用于代替核桃殼過(guò)濾器和雙介質(zhì)過(guò)濾器，處理流程縮減為三級(jí)設(shè)備，同樣可達(dá)到處理效果，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)約平臺(tái)占地空間。雙介質(zhì)過(guò)濾器的無(wú)煙煤和石英砂濾料，需要按照一定的粒徑比及厚度布置濾料，可以達(dá)到預(yù)期過(guò)濾效果，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，將雙介質(zhì)濾器的無(wú)煙煤更換為核桃殼濾料，適用于來(lái)液含油和懸浮物較低的物流，根據(jù)物流中油及懸浮物含量，設(shè)計(jì)核桃殼及石英砂濾料的粒徑配比及濾料厚度，反洗方式采用攪拌器和水洗，攪拌器攪拌時(shí)避免石英砂濾料的攪拌。核桃殼代替無(wú)煙煤濾料，需與供應(yīng)商一同確定設(shè)備使用的可行性。

2.4 油田水源井水處理流程及設(shè)備（不含油地層水）

2.4.1 水源井處理流程

水源井水屬于地層水，相比海水含氧量少，且不含油，將水源井水作為注入水，處理設(shè)備為旋流除砂器和細(xì)濾器，省掉了脫氧塔、真空泵、汽水分離器等設(shè)備，減少了設(shè)備在平臺(tái)所占的面積，但是需要打水源井，要有合適的含水地層。

水源井水一般含砂子和懸浮物，作為注入水的流程比較簡(jiǎn)單，由電潛泵提升至平臺(tái)甲板高度后，首先進(jìn)入旋流除砂器，然后被輸送至精細(xì)過(guò)濾器，通常可除掉水中2 μm以上的懸浮物。

2.4.2 水源井水處理流程設(shè)備

旋流除砂器主要作用為除去水中含砂，原理類(lèi)似于水利旋流器，利用高速流體和介質(zhì)離心力不同，密度低的水上升，由排液口排出，砂子進(jìn)入旋流器底部，由排污口排出，達(dá)到分離出水中含砂。精細(xì)過(guò)濾器與海水處理細(xì)濾器相同，可用雙介質(zhì)濾器或者纖維球?yàn)V器。處理流程也需要加入化學(xué)藥劑輔助。

3 結(jié)論

為了減少對(duì)環(huán)境的污染，渤海地區(qū)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，注入水水源多選取油田含油污水，如油田含油污水量不夠，則以其他水源補(bǔ)充，因此產(chǎn)生了兩種水或者兩種以上的水是否配伍的問(wèn)題。配伍是指混合后不產(chǎn)生固體沉淀物，反之則認(rèn)為不配伍。配伍性預(yù)測(cè)有實(shí)驗(yàn)法、化學(xué)預(yù)測(cè)法。如遇不配伍情況，可通過(guò)加入合適的化學(xué)藥劑，當(dāng)然需要對(duì)化學(xué)藥劑進(jìn)行篩選實(shí)驗(yàn)。

無(wú)論哪種水源作為注入水，都需要化學(xué)藥劑的輔助，尤其是含油污水的處理流程，關(guān)系到處理流程的成敗。一般情況，含油污水需要加入絮凝劑和殺菌劑，海水需要加入絮凝劑和殺菌劑，水源井水需要加入防腐劑和防垢劑。化學(xué)藥劑的選用應(yīng)根據(jù)處理水質(zhì)實(shí)驗(yàn)篩選，達(dá)到加入量最少，效果最佳的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行注入水處理流程設(shè)計(jì)中，確定注入水水源以及水質(zhì)后，需要根據(jù)逐年的注入水量，來(lái)確定水處理設(shè)備處理量以及設(shè)備尺寸，在保證處理效果的前提下，盡量選擇設(shè)備尺寸緊湊重量輕的，同時(shí)確定化學(xué)藥劑的種類(lèi)以及注入量，確保設(shè)計(jì)流程的穩(wěn)定、可靠。