李世兵 楊 穎 劉銘初 萬群峰 路成剛 周明兵

1. 中國石油西南油氣田分公司國際事業(yè)合作部土庫曼項目部, 重慶 400707; 2. 中國石油西南油氣田分公司儲氣庫管理處, 重慶 401121; 3. 中國石油海外勘探開發(fā)公司, 北京 100034; 4.中國石油西南油氣田分公司川港公司, 重慶 400021

0 前言

阿姆河右岸天然氣區(qū)塊項目是中國石油阿姆河天然氣勘探開發(fā)公司與土庫曼斯坦合作開發(fā)項目，位于土庫曼斯坦東北部列巴普州阿姆河右岸地區(qū)，東北側(cè)與烏茲別克斯坦接壤，構造上自東向西位于別什肯特坳陷，南部為桑迪克雷隆起，東部為堅基茲庫爾隆起。阿姆河右岸B區(qū)中部區(qū)塊是其主要的含油氣區(qū)塊，主要包括別列克特利、皮爾古伊、揚古伊、恰什古伊等氣田，氣田產(chǎn)層主要位于中-上侏羅統(tǒng)卡洛夫-牛津階地層，碳酸鹽巖礁灘相儲層，裂縫普遍發(fā)育，地層壓力45 MPa以上，異常高壓為主，地層水體能量大且活躍。其中部分氣田屬于土庫曼斯坦與烏茲別克斯坦邊境氣田，兩國共同開發(fā)，形成搶采趨勢[1]。

1 基本情況

2014年4月,阿姆河右岸B區(qū)天然氣處理廠開始投產(chǎn)試運行,設計天然氣處理量90×108m3/a(氣體標準狀態(tài)20℃,101.325 kPa,下同),凝析油處理量54.16×104t/a,水處理量150 m3/d。截止2017年12月底,阿姆河右岸B區(qū)先后投產(chǎn)氣田(構造)19個,最高產(chǎn)天然氣2 520×104m3/d,最高產(chǎn)凝析油950 m3/d,最高產(chǎn)氣田水1 570 m3/d。

天然氣經(jīng)各單井采出后,輸往集氣站匯合,集氣站進行分離計量后,混輸至處理廠進行處理分離,然后進行氣田水處理;或者集氣站進行分離計量后,液相進行油、水相分離,油相回注氣相管線輸往處理廠,水相進入下游氣田水處理裝置。

表1阿姆河右岸B區(qū)氣井水性

陽離子/(mg·L-1)陰離子/(mg·L-1)原料氣mol/(%)K+Na+Ca2+Mg2+Ba2+NH+4Li+Cl-SO2-4CO2-3HCO-3OH-F-NO-3H2SCO2總礦化度/(mg·L-1)水型49433 5587 461858031967 3556010257017260.364.08110 667CaCl2

為了解決氣田水處理能力不足的問題，中國石油阿姆河天然氣勘探開發(fā)公司自主建設了皮爾古伊集氣站固定式氣田水處理裝置，完成了阿姆河右岸B區(qū)處理廠氣田水處理裝置進行了改造，通過外委技術服務建成基爾桑、鮑坦烏、皮爾古伊集氣站橇裝式氣田水處理裝置3座,能夠滿足氣田生產(chǎn)需要。

2 氣田水處理工藝

阿姆河右岸B區(qū)現(xiàn)有橇裝式“氧化除H2S+油浮選”(以下簡稱橇裝式處理裝置)和固定式“氣提除H2S+氣浮選”(以下簡稱固定式處理裝置)兩種氣田水處理工藝。其中“氧化除H2S+油浮選”處理工藝設備單體小且少,獨立成套,宜組橇,適合邊遠小型氣田,常采用橇裝方式[2-6]；“氣提除H2S+氣浮選”處理工藝設備占地大,依托條件較高(需依托工廠燃料氣系統(tǒng)),不宜組橇,常采用固定設置方式。

2.1 “氧化除H2S+油浮選”處理工藝

2.1.1 工藝流程

上游集氣站來液經(jīng)過調(diào)壓閥降壓后進入閃蒸罐,通過自然降壓氣液分離,液體中分離出的少量天然氣通過放空火炬燃燒處理;分離后的氣田水加入氧化劑,除去氣田水中H2S;除去H2S后的氣田水進入油水分離器,除去游離態(tài)凝析油,凝析油進入凝析油收集罐;除油后的氣田水進入緩沖罐;緩沖罐出水管線內(nèi)通過加藥系統(tǒng)依次加入pH值調(diào)整劑和混凝劑,經(jīng)管道混合器充分混合、反應后,投加絮凝劑;氣田水進入油浮選分離罐,進一步分離出污泥、凝析油,污泥、凝析油進入污泥罐;除油和污泥后的氣田水進入壓力過濾罐過濾,變成凈化水后緩存于凈化水箱,最后通過外排泵輸送至蒸發(fā)池自然蒸發(fā)[7-8]。

油浮選分離罐分離出的污泥通過頂部排泥器倒入污泥罐,污泥經(jīng)短暫沉降后,下部的污水通過回收泵輸送至油水分離器,重新處理;上部的污泥通過提升泵輸送至壓力攪拌罐,同時投加污泥調(diào)質(zhì)劑,攪拌反應后,再利用空氣壓縮機壓入污泥壓濾機,進行壓濾;污泥壓濾機壓出的污水和油直接流入油水接收池,重新利用,壓出的污泥焚燒處理[9]。橇裝式氣田水處理系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 橇裝式氣田水處理系統(tǒng)流程

2.1.2 關鍵技術

2.1.2.1 氧化除H2S

橇裝式氣田水處理裝置主要利用氧化法除去氣田水中H2S。向含H2S氣田水中加入氧化劑NaClO進行化學反應,使H2S轉(zhuǎn)化為無毒、無害、無二次污染的單質(zhì)S。主要反應原理:

次氯酸鈉一般為無色、淡黃色或黃綠色液體,具有刺激氣味,不穩(wěn)定,易分解,有腐蝕性。而固態(tài)次氯酸鈉為白色粉末,受熱后迅速分解,置于火焰中釋放出刺激性或有毒煙霧或氣體。因此,現(xiàn)場采用電解工業(yè)鹽溶液生成次氯酸鈉溶液[10-12]。

2.1.2.2 油浮選技術

氣田含油污水處理的核心是油浮選技術,是混凝氣浮技術的改進,在混凝沉降的基礎上,向水里投加凝析油,并迅速形成小油珠分散在水里,與水處理藥劑形成的礬花結合,由于凝析油密度小,使結合了油珠的礬花整體密度變小,當其密度小于被處理水的密度時,礬花上浮,上浮的礬花在裝置頂部形成污泥后外排,達到凈水目的[13-15]。

2.2 “氣提除H2S+氣浮選”處理工藝

2.2.1 工藝流程

集氣站分離后的氣田水經(jīng)調(diào)壓后進入氣田水收集罐;然后進入氣田水三相分離罐進行氣、水、油三相分離,分離天然氣通過放空火炬燃燒,凝析油進入凝析油收集罐,氣田水通過轉(zhuǎn)輸泵進入氣提塔;氣田水從氣提塔頂部進入,與自下而上的燃料氣進行氣提脫硫,脫硫后氣田水經(jīng)過輸送泵送往沉降除油罐;氣田水在沉降除油罐內(nèi)進行物理除油;沉降分離后的氣田水自流進入氣浮除油裝置進行氣浮選處理;處理后合格的氣田水自流至凈化水箱緩存,然后通過外排泵轉(zhuǎn)輸至隔油池撇油,最后進入蒸發(fā)池自然蒸發(fā)[16]。固定式氣田水處理系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 固定式氣田水處理系統(tǒng)流程(皮爾古伊集氣站)

2.2.2 關鍵技術

2.2.2.1 氣提除H2S

氣提系統(tǒng)中核心裝置為氣提塔,主要用于除去氣田水中的溶解氣。氣提原理為:將空氣或水蒸氣等氣體通入水中(該系統(tǒng)使用燃料氣),使氣體與廢水(氣田水)充分接觸,導致廢水中的溶解性氣體向氣相轉(zhuǎn)移,從而達到脫除氣田水中溶解氣(H2S)的目的[17]。氣提系統(tǒng)工藝流程見圖3。

圖3 氣提系統(tǒng)工藝流程

2.2.2.2 氣浮選除油

氣浮選除油設備采用渦凹氣浮+溶氣氣浮處理工藝。沉降除油后的氣田水,首先進入渦凹氣浮段,投加適量的絮凝劑和混凝劑,渦凹氣浮設備中的曝氣機利用傳動葉輪高速旋轉(zhuǎn)造成離心力,在其周圍產(chǎn)生負壓將水面上方的空氣或其他氣體抽入曝氣入口,再從浸沒在水中的曝氣出口釋放出來。當散氣葉輪的小孔產(chǎn)生氣泡時,高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣泡切割成直徑30～100 μm的細小氣泡碎片,絮凝后的污水進入氣浮池后與這些微氣泡混合,將固體懸浮物帶到水面,上浮過程中,微氣泡會附著在油污和懸浮物上,到達水面后這些物質(zhì)依靠氣泡支撐維持在水面,通過刮渣機將其刮到浮渣槽,定期排放至站外集污池。

渦凹氣浮處理后的氣田水自流進入溶氣氣浮段,再次投加適量絮凝劑和混凝劑,溶氣氣浮設備的空壓機將空氣壓入溶氣罐,在一定壓力下被強制溶解在水中,形成溶氣水,送到氣浮槽中。在突然釋放的情況下,溶解在水中的空氣析出,形成大量的微氣泡群,與加藥后正在絮凝的氣田水中的懸浮物和油分充分接觸,并在緩慢上升過程中吸附在絮凝后的懸浮物中,使其密度下降并浮至水面,油分和懸浮物被分離后由刮渣機刮至浮渣槽,定期排放至站外集污池[18-19]。

3 對比分析

3.1 關鍵技術

從裝置關鍵技術方面,對橇裝式處理裝置和固定式處理裝置進行對比可發(fā)現(xiàn):橇裝式處理裝置在處理效果、建設周期方面優(yōu)于固定式處理裝置,但處理能力、資源國需求方面比固定式處理裝置差，具體見表2。

表2橇裝式處理裝置和固定式處理裝置關鍵技術優(yōu)缺點對比

處理裝置關鍵處理技術優(yōu)點缺點橇裝式氧化除H2S+油浮選除H2S、凝析油效果好;污泥、污物處理干凈,形成閉環(huán);橇裝設備費用低、建設快,便于搬遷藥劑消耗大,次氯酸鈉生產(chǎn)過程釋放可燃氣體H2,存在風險;單套設備處理量有限固定式氣提除H2S+氣浮選單套設備處理量大;固定設施滿足資源國長期使用要求燃料氣消耗大;管線、設備腐蝕結垢問題嚴重;污泥、污物處理不徹底,未形成閉環(huán);建設周期長、成本高

3.2 處理效果

從裝置處理效果方面,對橇裝式處理裝置和固定式處理裝置進行對比可發(fā)現(xiàn):橇裝式處理裝置和固定式處理裝置因采用不同的處理工藝技術,設計處理參數(shù)要求不一樣,兩種處理裝置都可以達到設計要求及資源國環(huán)保要求,但橇裝式處理裝置處理效果高于固定式處理裝置,具體見表3。

表3橇裝式處理裝置和固定式處理裝置處理效果對比

處理裝置設計處理參數(shù)/(mg·L-1)實際處理效果/(mg·L-1)橇裝式H2S含量≤0.007油含量≤10懸浮物≤10H2S含量0.002油含量5懸浮物6固定式H2S含量≤0.014油含量≤50懸浮物≤70H2S含量0.014油含量32懸浮物50 注:目前資源國無氣田水處理標準,固定式處理裝置設計時參考中國標準,項目通過資源國批準;橇裝式處理裝置設計提出了更高的處理后水質(zhì)標準,通過技術服務方式進行服務,通過資源國批準。

3.3 處理副產(chǎn)物

從處理副產(chǎn)物方面,對橇裝式處理裝置和固定式處理裝置進行對比可發(fā)現(xiàn):橇裝式處理裝置凝析油、污泥分離效果好于固定式處理裝置,但兩種處理裝置副產(chǎn)物處置設施都需要進一步完善[20]，具體見表4。

3.4 建設周期及運行成本

橇裝式處理裝置由技術服務單位提供設備及建設,業(yè)主公司按照日氣田水處理量進行結算。技術服務單位提供成套橇裝設備,項目程序簡單、快捷,建設周期4個月,技術服務費用122萬美元/a(按照處理氣田水 500 m3/d 計算)，業(yè)主公司無建設、運行費用。

固定式處理裝置由業(yè)主公司自建,按照業(yè)主公司管理規(guī)定,需要進行立項申請、審批,設計委托,商務招標,設備采購,施工建設等程序,建設周期20個月左右,項目費用950萬美元(按照處理氣田水500 m3/d計算)。日常運行成本主要包括技術、操作人員人工費用,燃料氣、藥劑、日常耗材消耗、設備檢維修(兩年一次)費用,運行成本100萬美元/a。

按照10、20、30 a建設和運行成本計算,橇裝式處理裝置設備運行費用1 220、2 440、3 660萬美元,固定式處理裝置設備建設、運行費用1 950、2 950、3 950萬美元,橇裝式處理裝置相對節(jié)約730、510、290萬美元。

表4橇裝式處理裝置和固定式處理裝置處理副產(chǎn)物對比

處理裝置主要處理副產(chǎn)物處置方式優(yōu)點缺點橇裝式凝析油污泥通過壓泥機進行凝析油、污泥分離,凝析油回收利用,污泥焚燒。凝析油、污泥分離徹底,凝析油再次利用沒有污泥焚燒裝置,借助氣井放空時處理固定式懸浮物氣浮選排除懸浮物目前借助橇裝式處理裝置再次處置-凝析油、污泥分離不徹底,未形成閉環(huán)

3.5 裝置適應性

橇裝式處理裝置為橇裝設備,靈活、便攜,適合儲量小,開發(fā)周期短,氣井、集氣站相對分散的邊境(邊遠)強采氣田。

固定式處理裝置為固定建設,屬固定資產(chǎn),利于長期使用,適合儲量大,開發(fā)周期長,氣井、集氣站相對集中的整裝大型氣田。

4 結論與建議

1)橇裝式處理裝置與固定式處理裝置都能滿足阿姆河右岸B區(qū)氣田水處理需要。固定式處理裝置適合儲量大,開發(fā)周期長,氣井、集氣站相對集中的整裝大型氣田；橇裝式處理裝置適合儲量小,開發(fā)周期短,氣井、集氣站相對分散的邊境(邊遠)強采氣田。兩種處理方式相互結合、互為補充、機動靈活,滿足阿姆河B區(qū)邊境氣田、出水氣井多、生產(chǎn)情況多變的生產(chǎn)需要。

2)進一步完善固定式處理裝置污泥、污物收集處理,形成閉環(huán)、全程無害化處理;對氣浮選橇體進行封閉改造,采用N2作為氣浮選氣源,降低管線、設備腐蝕和結垢程度。

3)深層次研究橇裝式處理裝置效果,降低處理后氣田水礦化度,使之能夠滿足沙漠施工或者灌溉等“二次使用”,變“水害”為“水寶”。