采出水處理系統高位運行存在的問題及對策

韓東興 房建宇 陳江萌 高 欣 申大偉

中國石油長慶油田公司第二采氣廠,陜西 西安 710200

0 前言

X氣田M天然氣處理廠于2007年建成投產,隨著氣田滾動開發,至2020年底冬季供氣高峰期,X氣田新增氣井110口,采出水產量140 m3/d,峰值230 m3/d,達到150 m3/d采出水設計處理能力飽和值[1]。水處理系統處于連續滿負荷運行狀態,對人員、工藝、設備運行管理提出了極大的挑戰。

結合氣田中后期勘探開發部署,預測在“十四五”期間,X氣田將新增氣井200余口,供氣量達到450×104m3/d,采出水產量200 m3/d,峰值接近300 m3/d,之后采出水產量趨于相對穩定態勢。M天然氣處理廠是X氣田唯一擁有甲醇回收裝置的處理廠,承擔X氣田以及部分周邊氣田的采出水處理任務,因此亟需對其做出高峰應對措施。

1 水處理系統現狀

M天然氣處理廠采出水設計處理能力為150 m3/d,主要處理X氣田CaCl2水型的采出水。2020年冬季供氣高峰期，M天然氣處理廠平均處理采出水140 m3/d,峰值230 m3/d。在實際運行過程中，M天然氣處理廠不僅處理X氣田集氣站分離出的采出水,還處理本廠在天然氣處理過程中分離出的采出水,以及周邊氣田采出水和特殊作業采出水等,這些采出水都含有不同濃度的甲醇,處理總量遠超M天然氣處理廠采出水設計處理能力,見表1。

表1 2020年M天然氣處理廠處理水源情況分類統計表Tab.1 Statistical table of water sources treated by M treatment plant in 2020

2 M天然氣處理廠來水水質特點

X氣田集氣站分離采出水“三高一低”的特點是礦化度在40 000 mg/L以上,富含Ca2+、Mg2+、Fe2+等離子,極易結垢引起垢下腐蝕,且隨水溫增加,結垢、腐蝕速率增加。油含量3%～5%、有機雜質和懸浮物含量460～4 800 mg/L,油水體系穩定,難以破壞分離,采出水pH值6.26～7.14[2]。

X氣田作為主力開發區塊之一,新井部署逐年遞增,連續3年新投氣井100口以上,老井遞減率較高,措施增產井次多,水質波動較大、成份復雜,含有大量細沙、懸浮物和膠體雜質[3],見表2。水質的變化會削弱水處理藥劑適應性,增大加藥量,處理后水質不穩定,不僅增加污水處理成本,且造成系統中污泥含量的上升,加重水處理系統腐蝕、結垢。而M天然氣處理廠同時還接受其他區塊的采出水,不同區塊、不同生產時期的水質波動極大,強化了水質的不穩定性,嚴重影響下游單元的運行,干擾了輕烴、甲醇回收,加速了設備、管線腐蝕[4]。

表2 X氣田部分集氣站采出水化驗結果表Tab.2 Test results of produced water from partial gas collecting stations in X gas field

3 存在問題

多源頭來水與措施增產相結合使M天然氣處理廠水質更加復雜、水量長期居于高位,導致水處理系統超負荷運行,不能達預期處理效果[5]。主要表現是采出水中大量懸浮物，不能有效沉降,富含有機物的懸浮物與絮凝劑等反應不徹底,進入下游甲醇回收、回注單元形成難以清理的膠狀油泥污垢,嚴重影響設備運行[6],見表3。

表3 采出水樣品3 000 r/min、15 min離心分離體積比統計表Tab.3 3 000 r/min,15 min centrifugal separation volume ration statistics of produced water sample

采出水中凝析油受懸浮物污染,形成集凝析油、水、懸浮固體、水溶性有機物、油溶性有機物、表面活性劑于一體的復雜多相體系,見表4。各組分在不同工藝階段含量此消彼長,性狀多變,極難處理,影響凝析油回收效果[7]。

表4 X氣田集氣站采出水懸浮物分析結果表Tab.4 Analysis results of suspended solids in X gas field

M天然氣處理廠連續3年在冬季供氣高峰期處于滿負荷運行狀態,預處理單元的沉降除油罐在實際運行中已無足夠沉降時間,調節罐絮凝沉降的藥劑無充分反應時間,導致絮凝沉降效果不佳,并在下游甲醇回收單元持續反應,引發堵塞[8]。同時早期水處理系統設計“重水輕泥”,系統內卸車池、泥漿池受結構限制,缺乏有效排泥手段,1/3容積被污泥長期淤積,影響采出水沉降效果,加劇污泥進入下游系統引發堵塞頻次[9]。僅2019年冬季高峰供氣期間,采出水預處理及甲醇回收單元管線、設備頻繁結垢堵塞,原料加熱器、過濾器、精餾塔等設備檢修頻次較2018年高出42%。

4 系統高位運行問題對策

4.1 優化運行管理

4.1.1 強化崗位力量,預警加密檢修

M天然氣處理廠精簡班組,整合現有人力資源,實行“大運行隊”模式,由五班三倒變為三班兩倒,運行崗位人數由8人/班增至13人/班,應對現場高強度操作。同時嚴控采出水處理單元的工藝參數,在預警期組織檢修工作,將甲醇再生系統的更換塔盤、清理管束等低頻大型檢修任務轉換為預處理系統的污泥清理和過濾器反洗等高頻小型維保任務,確保設備設施正常運行[10]。

4.1.2 控制沉降時間

強調技術管理計劃性、預判性。結合新井投產計劃預測采出水小高峰,控制采出水卸車頻次與時間間隔,調整廠內3座卸車池、2座沉降除油罐的倒罐時間,實現單一儲罐(池)內采出水物理沉降20～24 h,通過運行控制達到工藝要求, 泥砂、有機雜質及固體顆粒等含量降低20%～35%,保證油水分離效果。

4.1.3 優化加藥制度

加密水質分析,根據水質變化動態調整加藥量及加藥泵行程,確定最佳藥劑組合及配比[11]。跟蹤化驗發現,甲醇回收單元采出水的有機雜質含量降至198～230 mg/L,膠體雜質含量降低20%,水質基本滿足進入甲醇回收單元的條件[12]。

4.2 能力提升方案設計

“十四五”期間, M天然氣處理廠需要建設規模與總來水量匹配的全流程水處理系統,并結合目前油采出水處理成熟工藝,裁汰老舊工藝設備[13]。采用“高效混凝+旋流分離+多級過濾+減量排泥”的模式提高水處理質量,強化系統排泥功能以及減量化處置效果[14]。

4.2.1 強化預處理單元復雜水體處置能力

預測M天然氣處理廠采出水平均接卸量接近200 m3/d,峰值接近300 m3/d,需要將預處理單元、甲醇回收單元擴容,實現采出水處理系統處理能力全流程達到300 m3/d。采出水預處理單元原設計處理能力150 m3/d,使用“沉降除油+絮凝沉降+旋流分離+兩級過濾”工藝模式,處理后的采出水油含量256～807 mg/L、懸浮物含量198～460 mg/L,處理能力和處理后的指標均不滿足要求。因此需要強化預處理單元采出水處理設備對懸浮物的處理和油的回收效果[15]。

300 m3/d采出水處理集成裝置主要由預反應器、高效旋流分離器、中間罐、多介質過濾分離器組成[16]。采出水先進入采出水處理集成裝置緩沖水箱,經一級加壓泵提升至預反應器,加入藥劑(NaOH、助凝劑、絮凝劑)有效絮凝[17]。預反應器出水進入高效旋流分離器,在離心力的作用下,進行泥水分離;之后進入緩沖水箱,經二級加壓泵提升至以無煙煤、砂、細碎石榴石為濾床的多介質過濾器去處懸浮物[18]。過濾出水最終輸送至甲醇原料水罐進入甲醇回收單元。排泥進入裝置外污泥池,回收污油進入污油罐。處理后油含量<85 mg/L、懸浮物含量<190 mg/L,輕烴回收率提高1.5%～2%。

甲醇回收單元采用二層平臺結構增設1套150 m3/d全配置裝置加強甲醇回收能力,較平面布置節約用地10%,含醇采出水處理能力達到300 m3/d,產品甲醇濃度提升1.5%～2.5%,達到92%以上,采出水處理規模、效率整體提升[19]。

4.2.2 強化系統污泥清理與減量過程

采出水處理系統可產生含水量達95%以上污泥300～500 t/a,清理、外運不及時淤泥會在系統內不斷循環,堵塞管線,淤積設備。因此需要制定詳細的污泥“清、減、封、運”方案,并及時處置。結合實際運行情況,M天然氣處理廠優化采出水系統排污時間,沉降罐、調節罐3～4次/月,反應罐、高效旋流分離器2次/d,甲醇回收單元2～3次/a。清淤用高壓水槍把淤積物沖散并稀釋,被稀釋后的淤積物通過排污管線進入污泥系統[20]。

M天然氣處理廠早期設計的污泥處理工藝流程、封存方式已不能滿足現行環保要求、處置標準。M天然氣處理廠污泥中含液量達到95%以上,在有限的指標內最大化外運污泥是發揮采出水處理系統能力的重要環節[21]。對比在廠內新建1套污泥減量裝置、轉運至其他處理廠處置與引進專業隊伍處置3種方案,引進專業隊伍進行污泥減量化處理方案更符合M天然氣處理廠現狀,故推薦方案3,見表5。對接污泥拉運時間節點,最大程度運出污泥,凈化M天然氣處理廠采出水系統運行環境,同時達到降本增效、節能減排的效果。2021年M天然氣處理廠通過市場化減量處置將本廠及其他3座天然氣處理廠1 513 t淤泥壓濾至127 t,減排率提升91.6%。

表5 污泥減量方案比選表Tab.5 Sludge reduction plan comparison table

5 結論及建議

1)隨著X氣田滾動開發,采出水產量增加1倍,且多源頭來水,措施增產等因素使得水質波動較大、組分復雜,嚴重影響下游單元的運行,干擾輕烴、甲醇回收,加速了設備、管線腐蝕。

2)M天然氣處理廠在采出水處理高峰期內所采取的強化一線班組力量、開展預警加密檢修、控制沉降時間、優化加藥制度等措施能夠有效應對短時期內高峰水處理任務,降控有機雜質、懸浮物、泥沙含量,保證油水分離,甲醇回收原料水質達標。

3)增設300 m3/d采出水處理集成裝置及150 m3/d甲醇回收配套裝置完成M天然氣處理廠采出水處理系統改擴建,規模與工藝滿足生產現狀,處理后采出水懸浮物含量<190 mg/L,油含量<85 mg/L,輕烴回收率提高1.5%～2%,產品甲醇濃度92%以上,符合企業標準。

4)引進專業隊伍進行污泥減量化處理,可以規模化完成廠內污泥清理,減排率高,同時降低污泥存放環節環境污染。另建議對早期污泥池結構優化改造或建設排泥儲罐等以便于污泥清理外排。