唐寧依， 張公濤， 劉春雨， 朱夢(mèng)影， 萬宇飛

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300457)

0 引 言

隨著油氣田開發(fā)的進(jìn)行，我國陸地油田大多數(shù)步入投產(chǎn)中后期階段，進(jìn)入中高含水期，采出液含水率超過70%，甚至超過90%[1-2]。海洋油氣資源豐富，雖然較陸地油田開發(fā)起步較晚，但目前大部分油田處于高含水階段，含水率也逐年增加。與陸地油田相比，海洋油氣開發(fā)挑戰(zhàn)巨大，海洋油氣水處理、輸送、海洋平臺(tái)電力等方面均不同于陸地油氣的開發(fā)。其中，需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素為環(huán)境因素，考慮對(duì)平臺(tái)周邊海洋生態(tài)環(huán)境的影響，海洋平臺(tái)生產(chǎn)污水需要達(dá)到零排放，處理合格的生產(chǎn)污水在滿足注水開發(fā)的同時(shí)，其余部分需要回注地層[3-5]。在油氣水工藝處理流程中，提升處理溫度作為提高油水分離效果的重要措施廣泛應(yīng)用于中心處理平臺(tái)的工藝流程中，因此在油水分離的過程中將有大量的高溫脫出水產(chǎn)生，且隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，高溫脫出污水量越來越多。由于其溫度高、水量大，這部分高溫污水如果直接進(jìn)入生產(chǎn)水處理流程而后注入地層將造成能量的浪費(fèi)。海洋平臺(tái)在工藝流程設(shè)計(jì)中注重?zé)崮艿木C合利用，如何充分利用這部分能量，挖掘降本增效的方法是設(shè)計(jì)工作者須首要考慮的問題。本文以海上某中心處理平臺(tái)為例，從工藝處理流程及外輸方案設(shè)計(jì)2個(gè)方向，對(duì)油水分離過程中脫出的污水在海洋平臺(tái)中的再利用進(jìn)行研究。

1 海洋平臺(tái)原油處理流程

根據(jù)各油田的油、水、伴生氣、砂、無機(jī)鹽類等混合物的物理化學(xué)性質(zhì)，以及含水率、砂含量、產(chǎn)量等因素的不同，原油處理工藝所選用的工藝流程各有差異。通常處理得到合格原油的工藝流程采用典型三級(jí)處理流程，如圖1所示。井流物在生產(chǎn)管匯匯合，經(jīng)過一級(jí)分離器、二級(jí)分離器處理后，進(jìn)入電脫水器處理為合格原油進(jìn)行外輸。根據(jù)原油性質(zhì)不同，各級(jí)處理溫度不同，一般一級(jí)分離器處理溫度在60 ℃左右，二級(jí)分離器處理溫度在85 ℃左右，電脫水器處理溫度在85 ℃～100 ℃及以上。一級(jí)分離器出口含水率在30%左右，二級(jí)分離器的出口含水率在20%左右。以海上某中心處理平臺(tái)為例，其二級(jí)分離器處理溫度為90 ℃，二級(jí)出口含水率按照20%計(jì)算，高峰年份每天將有1 083 m3的高溫污水脫出，這部分高溫污水的能量是非常巨大的，有較好的利用潛力。下面對(duì)該部分脫出污水在海洋平臺(tái)工藝流程及外輸設(shè)計(jì)中的再利用進(jìn)行分析研究。

圖1 海上中心平臺(tái)典型三級(jí)處理流程

2 脫出污水在工藝處理中的再利用

根據(jù)第1節(jié)的分析，二級(jí)分離器和電脫水器處理溫度較高，脫出污水也具備較高的溫度。由于水的比熱容遠(yuǎn)大于原油比熱容，大量熱量?jī)?chǔ)存在污水中，如果這部分污水直接進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，將是能量的巨大浪費(fèi)。因此，將二級(jí)分離器和電脫水器脫出的高溫生產(chǎn)水分為兩路：一路生產(chǎn)水仍按原處理流程，另一路回?fù)街辽a(chǎn)分離器入口。脫出污水回?fù)搅鞒棠M示例如圖2所示。同時(shí)建立模型，對(duì)比脫出污水不回?fù)降牧鞒虒?duì)結(jié)果的影響。圖3為脫出污水不回?fù)降牧鞒棠M示例。

圖2 脫水回?fù)搅鞒棠M示例

圖3 脫水不回?fù)搅鞒棠M示例

圖4 回?fù)角昂蠡旌弦簻囟葘?duì)比圖

圖5 回?fù)角昂蠖?jí)前負(fù)荷降低值對(duì)比圖

通過2個(gè)方案的模擬結(jié)果對(duì)比可以看出：回?fù)礁邷匚鬯蟮囊患?jí)分離器溫度有了顯著提升。回?fù)角昂蠡旌弦簻囟葘?duì)比如圖4所示，可以看出：每個(gè)生產(chǎn)年份混合液溫度均有不同程度的提高，最大可提高10.5 ℃左右，而溫度的提升則有助于油水分離[6-7]。這主要是因?yàn)闇囟鹊脑龈呓档土嗽腿闋钜旱姆€(wěn)定性。原油黏度減小，油水密度差增大，水滴易于沉降，有利于油水分離，達(dá)到了重復(fù)降黏做功的目的。另一方面二級(jí)分離器及電脫水器脫出的高溫污水又重新回至一級(jí)分離器，促進(jìn)一級(jí)分離器內(nèi)液體含水率的提升。對(duì)于油水分離而言，超過一定含水率之后，大量脫出污水摻入含水原油中，使得W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相為O/W型乳狀液，同時(shí)原油中分散水滴相互碰撞的概率也增大，促進(jìn)界面膜破裂水滴合并[6-7]。因此，隨著含水率和溫度的增加，脫水效果更好。

另外二級(jí)分離器及電脫水器脫出的高溫污水中包含一定量的破乳劑，這些含有一定量破乳劑的污水又重新回?fù)街烈患?jí)分離器中，也可以改進(jìn)一級(jí)分離器的脫水效果。

回?fù)矫摮鑫鬯牧鞒淘O(shè)計(jì)，充分利用了高溫污水的熱能，達(dá)到了循環(huán)利用熱能的目的，使一級(jí)分離器的處理溫度得到明顯提高，同時(shí)降低二級(jí)前的加熱負(fù)荷。根據(jù)模擬結(jié)果，投產(chǎn)前4年二級(jí)前加熱負(fù)荷的降低值對(duì)比如圖5所示，每一年均可不同幅度地降低二級(jí)前加熱負(fù)荷，最高年份可降低加熱負(fù)荷2 049 kW，充分做到了節(jié)能降耗。將降低的負(fù)荷轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)成本，可以看出：投產(chǎn)前4年共節(jié)約生產(chǎn)成本1 596萬元，降本增效效果顯著。

因此，二級(jí)分離器及電脫水器脫出的高溫污水回?fù)街烈患?jí)分離器的流程設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)降黏做功、循環(huán)利用熱能、充分降本增效的目的。

3 脫出污水在外輸設(shè)計(jì)中的再利用

圖6 不同方案海管入口溫度對(duì)比圖

經(jīng)過海上中心處理平臺(tái)的三級(jí)處理得到的合格原油通過海底管道進(jìn)行外輸。對(duì)于原油凝固點(diǎn)較高的輸油管道，當(dāng)管線輸量下降時(shí)，管內(nèi)介質(zhì)沿程溫降很快。當(dāng)管線輸量低于安全輸量時(shí)，管道內(nèi)原油溫度將會(huì)低至凝固點(diǎn)以下，導(dǎo)致管線無法正常輸送，或者發(fā)生凝管現(xiàn)象[6-8]。因此，當(dāng)海管輸送油量不滿足安全輸量時(shí)，為了油田的正常生產(chǎn)，需要采用摻水的方式進(jìn)行外輸。對(duì)于海洋平臺(tái)而言，摻水水源通常有加熱的海水、水源井水、生產(chǎn)污水等。海水腐蝕性高且加熱消耗能源，在有其他水源的情況下一般不宜采用。水源井水受平臺(tái)是否有水源井的限制，因此這2種水源暫不納入方案比選。生產(chǎn)污水是油氣田開采過程中的伴生產(chǎn)品，水源充足，取用方便，是管道后期運(yùn)行摻水水源的首選。分析可知，二級(jí)分離器及電脫水器脫出污水在工藝流程中回?fù)叫Ч@著，同樣在外輸方案中也可以借鑒利用。

圖7 不同方案海管入口安全停輸時(shí)間對(duì)比圖

以海上某中心處理平臺(tái)為例，該平臺(tái)電站采用原油電站，該平臺(tái)處理好的合格原油一部分用于電站，剩余的部分進(jìn)行外輸。由于平臺(tái)上存在燃油用戶，仍需將油品處理為合格原油后再摻水進(jìn)行外輸。對(duì)從注水系統(tǒng)摻水與摻入二級(jí)分離器和電脫水器脫出污水進(jìn)行比較，建立2種不同摻水方式的輸送模型，并采用軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出：摻入二級(jí)分離器和電脫水器脫出污水可以提高外輸溫度約17 ℃，最高提高24%。對(duì)于高凝原油而言，外輸溫度的提高可延長(zhǎng)海管入口的安全停輸時(shí)間，有利于海管的安全運(yùn)行。2種方案下海管入口安全停輸時(shí)間對(duì)比如圖7所示，可以看出：摻入脫出污水方案的各生產(chǎn)年份入口安全停輸時(shí)間均有不同程度的延長(zhǎng)，這對(duì)于高凝海底管道的安全運(yùn)行是有利的。

圖8 不同方案海管輸送摻水量對(duì)比圖

另外一個(gè)較為明顯的優(yōu)勢(shì)在于，由于摻入的生產(chǎn)水溫度較高、熱量較大，所以需要摻入的生產(chǎn)水較水源井水來說，可降低摻水量50%左右，如圖8所示。海上油田開發(fā)的一個(gè)特殊之處在于，海上油氣處理與輸送處于一個(gè)圈閉的流程，上游平臺(tái)的物流輸送至離岸較近的平臺(tái)，根據(jù)下游平臺(tái)的工藝情況選擇依托處理或者不處理輸送，逐級(jí)傳遞、處理、輸送，最終傳輸至陸地終端。對(duì)于生產(chǎn)后期需要摻水外輸?shù)妮斢秃９芏裕笃趽饺氲奈鬯枰M(jìn)入被依托平臺(tái)的工藝流程進(jìn)行繼續(xù)處理。對(duì)于被依托油田在生產(chǎn)后期高產(chǎn)出水的情況，外輸摻水量的減少不僅可以降低下游平臺(tái)的處理壓力，也可減輕下游平臺(tái)污水的回注壓力；在操作費(fèi)用方面，減少摻水量可以使得從上游輸送來的含水原油能夠直接進(jìn)入下游二級(jí)進(jìn)行處理，可節(jié)省操作費(fèi)；同時(shí)，外輸摻水量減少可減少下游油處理系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)的處理量，可降低油水處理系統(tǒng)的整體操作費(fèi)。

因此，生產(chǎn)后期外輸摻水方案采用摻入二級(jí)分離器及電脫水器脫出的高溫污水設(shè)計(jì)，可以提高海管外輸溫度，延長(zhǎng)入口安全停輸時(shí)間，減少摻水量，有利于高凝輸油海管的運(yùn)行。

4 結(jié) 論

(1) 脫出污水在工藝流程中進(jìn)行回?fù)皆O(shè)計(jì)，充分利用了高溫污水的熱能，可顯著提高混合液溫度，改善油水分離的效果。同時(shí)，二級(jí)分離器前加熱負(fù)荷峰值降低33%，顯著節(jié)能降本，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用熱能、重復(fù)降黏脫水做功的目的。

(2) 外輸方案設(shè)計(jì)中，后期摻水輸送時(shí)采用摻加脫出的高溫污水輸送，不僅大幅度提高了海管入口的溫度，保障高凝海管的安全運(yùn)行，同時(shí)減少輸送摻水量50%左右，減輕了依托老油田開發(fā)后期高產(chǎn)出水情況下的水處理及污水回注壓力，節(jié)省下游平臺(tái)操作成本。