郭奕杉 李耀全 張大釬 王超 朱夢影 周薛

（1.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司 天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452）

氣浮選裝置主要用于去除水中懸浮物質，在油田污水處理系統中應用廣泛［1］。按照供氣方式的不同，可將氣浮選裝置分為溶氣氣浮、電解凝聚氣浮和引氣氣浮等三類［2-3］。目前國內外對溶氣氣浮的研究大多集中在如何提高其去除固體雜質的效率，但在選擇和評價不同廠家的氣浮選裝置時，往往忽視了設備在含硫油田應用的安全性［4-5］，且相關處理能效提升的研究多基于數值模擬或室內試驗，缺乏油田現場實際數據的支持。渤海油田某中心平臺CEPX所處理的生產水中，硫化氫濃度可達300 mg／L以上，但該平臺所使用的溶氣式浮選機底部排污管線初始設計為開放式對空排放，排污過程給人員安全和環(huán)境污染帶來了較大隱患，為降低隱患而降低排污頻次又會使注水水質產生波動，對油田生產不利。為從根本上解決該設備的排污隱患，提高處理能效，本研究基于現有排污流程對該氣浮選設備的排放管線進行改造，并分析現場設備在不同工況下的處理效果，優(yōu)選出最佳運行參數，為該設備的安全、高效、穩(wěn)定運行提供參考。

1 溶氣式浮選機工藝流程及排污問題分析

1.1 工藝流程

位于渤海油田某中心平臺CEPX主甲板的ADNF-550型氣浮選機，溶氣氣源為氮氣，設備主體材料為Q345R鋼，設備相關參數見表1。該設備主要由進水室、斜板區(qū)（氣浮區(qū)）、收油槽、清水室、氣浮循環(huán)泵、溶氣罐等組成（圖1）。上一級設備處理后的生產水進入溶氣式浮選機前，水中含油濃度為130～180 mg／L。生產水通過進水室到達浮選設備斜板區(qū)，與溶氣罐出口的氣水混合物所釋放的微小氣泡（粒徑范圍30～50μm）混合，微小氣泡進入絮體內部與其緊密結合，粘附水中的油滴和絮體［6-7］，比重較輕的油滴和絮體上浮至水面凝聚成浮油和浮渣，通過刮渣機刮至收油槽后，排放至下游污油罐，比重較重的固體顆粒在斜板區(qū)沉降至罐底形成污泥層，由操作人員定期手動排污，以保持進水室和設備內部整體清潔［8-9］。經處理后的生產水進入清水室，再通過重力作用去往下一級設備。

表1 ADNF-550溶氣式浮選機技術參數Table 1 Technical parameters of ADNF-550 dissolved gas floatation machine

圖1 溶氣式浮選機工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of dissolved gas floatation machine

1.2 排污問題分析

設備運行時，CEPX平臺溶氣式浮選機內的有毒害氣體硫化氫濃度可達300 mg／L，如此高濃度的硫化氫如被人員吸入會造成嚴重后果?？梢娫O備初始設計的開放式對地漏排污方式（圖2）難以適用于平臺的日常安全生產。平臺投產之初，采取了降低氣浮選機底部排放頻次的方式以降低排污帶來的安全生產風險。但隨著設備運行時間的增加，污泥等雜質的積累及其對水質的影響也日益增加。此外，出口懸浮物總量的超標也增大了下游核桃殼過濾器的處理壓力［1］。在此情況下，現場采用提高清水劑和絮凝劑注入濃度的方式以確保整體流程的水質達標，但顯著增加了處理成本。為從根本上解決該平臺生產水處理問題，需對溶氣式浮選機工藝流程進行改造，實現設備隨時、定量地進行安全排放。

圖2 CEPX平臺溶氣式浮選機底部開放式排污管線Fig.2 Bottom open sludge discharge pipe of dissolved gas floatation machine in CEPX platform

2 溶氣式浮選機排污流程改造

2.1 改造可行性分析

改造的最終目的是將開式排放改造為安全、可靠的閉式排放。對已有流程管線布置進行了分析，計劃將氣浮選機底部開放式排污管線連接至收油槽的閉式排放垂直管段下游（圖3），改造后底部雜質與頂部油渣將利用設備之間的高度差，通過重力作用排放至污油罐。當污油罐中的污泥沉積到一定量后，利用外接污泥泵將底部泥質抽出，返陸地處理，使雜質徹底轉出生產流程。

圖3 溶氣式浮選機排污管線改造示意圖Fig.3 Schematic diagram of sludge discharge pipe transformation of dissolved gas floatation machine

為確保改造后的排污流程能夠滿足現場應用，須對收油槽至污油罐管線的流量進行分析計算。氣浮選機收油出口距離污油罐的高度為17 m，氣浮選機收油出口到污油罐入口距離為53 m，收油管內徑為0.101 m。利用列賓宗公式［10］，計算可得該收油管線最大通過量為169.5 m3／h，大于設備頂部最大收油量（27.21 m3／h）與底部最大排污量（34.05 m3／h）之和（61.26 m3／h）?？梢娫O備底部排污時不會影響頂部正常收油流程，改造后的流程可以實現頂部收油與底部排污作業(yè)同時進行［11-12］。

2.2 溶氣式浮選機底部排污管線改造

首臺溶氣式浮選機改造目標為CEPX平臺上4臺浮選機中最常用的D機。施工準備工作完成后，將生產水處理系統切換至備用的A系列后將氣浮選機D下線。選擇距離污油槽排放管線最近的底部排泥管段盲板處，按照實施方案進行現場管線開孔、打磨焊接、管線連接工作。氣浮設備排污管線改造后，原開放式地漏排污口棄用，將對地漏排放閥門V1進行隔離上鎖，污泥和雜質通過閉式排污管線安全地從溶氣式浮選機處理流程中流出（圖4），有效地降低了生產水中懸浮顆粒的含量，并從根本上消除了高含硫化氫介質排污產生的安全隱患。

圖4 溶氣式浮選機排污管線改造前后設備對比Fig.4 Comparison of dissolved gas floatation machine before and after sludge discharge pipe transformation

3 溶氣式浮選機運行參數優(yōu)選

3.1 排污頻次

定期開啟手動排放閥進行排污作業(yè)過程中，排污頻次的確定尤為關鍵，頻率過高會導致污油罐液位波動大，過低則造成雜質的持續(xù)積累。經過對現場水質的取樣化驗對比，確定了每日4次、每次排污5 min為合理排放頻次。與改造前相比，氣浮選機清水室出口水質得到了明顯改善，固體懸浮物總量平均值由55 mg／L降低至35 mg／L，水中含油量平均值也下降了10 mg／L。經過定期排污，氣浮選機下一級設備生產水緩沖罐出口至最后一級生產水處理設備核桃殼過濾器入口含油污水的固體懸浮物總量穩(wěn)定在30 mg／L以下，水中含油量穩(wěn)定在40 mg／L以下（圖5），大大降低了核桃殼過濾器的處理壓力，確保了最終注水水質的全面達標。

圖5 改造前與改造完成并按最優(yōu)頻次排污后氣浮選機出口水樣對比Fig.5 Comparison of gas floatation machine outlet water samples before and after transformation completed and selecting appropriate frequency of sludge discharge

3.2 進氣量、進氣壓力和回流水比例

流程改造完成后，為進一步使設備發(fā)揮良好處理能效，操作人員通過調整微氣泡發(fā)生裝置的進氣量、進氣壓力和進入氣浮循環(huán)泵的回流生產水比例，對比不同工況下溶氣式浮選機的出口水質。

現場試驗中選擇上游來液水質穩(wěn)定、入口化驗結果一致的時間段，在3種變量發(fā)生改變的不同工況下，分別保持3 h以上，每30 min取樣一次，將3 h內多次化驗結果的平均值作為該工況下氣浮選設備的出口水質進行記錄（表2），對比分析并優(yōu)選出除油效果最優(yōu)的設備運行工況參數。

對試驗數據（表2）進行分析：當入口水量不變時，過低的進氣量會導致溶氣水里微氣泡的濃度不足，不能夠將油滴和雜質全部“捕捉”，或無法形成足夠的浮力帶動雜質上浮，使得出口水中含油量偏高；而當進氣量高于合理范圍，會使溶氣罐內的微氣泡濃度過大，增大了微氣泡之間的碰撞，形成體積過大的氣泡，此時氣泡相應的比表面積減小，無法有效發(fā)揮其作用帶動浮油和雜質上?。?3］。基于表2數據，當進氣量作為唯一變量時，10 m3／h是設備的最佳進氣量。

表2 不同運行參數下氣浮選機出口水中含油量Table 2 Outlet oil in water of dissolved gas floatation machine under different parameters

根據溶氣原理和實際取樣判斷，當溶氣效果達到理想狀態(tài)時，氣浮循環(huán)泵出口流體應呈現乳白色，這是大量細密的微氣泡均勻溶于水中，在水流急速狀態(tài)下所呈現出的顏色。過低的進氣壓力會致使生產水與氣體無法充分混合，影響氣泡的形成；過高的進氣壓力則導致溶氣罐中旋流擠壓作用增強，影響微氣泡的穩(wěn)定存在，進而導致氣泡無法有效地與水中油滴結合。試驗結果表明，當進氣壓力在600 kPaG時，設備出口水質最優(yōu)。

回流水的比例過高或過低都會導致微氣泡濃度無法達到合理范圍，不能處于穩(wěn)定的溶氣水狀態(tài)，影響處理效果［14-15］。氣浮循環(huán)泵出口沒有流量計，在實際生產中需要根據泵特性曲線調節(jié)出口壓力來判斷泵的排量，確保溶氣水量大于設備實際處理量的10%。試驗中根據實際情況調整循環(huán)水量，達到貼合實際工況的最佳比值。通過結果觀察，回流水比例為13%時設備處理效能最佳。

綜上，當進氣量為10 m3／h、進氣壓力為600 kPaG、回流水比例為13%時可以達到相對理想的處理效果，以上數據可作為溶氣式浮選機的最優(yōu)工藝參數。

3.3 藥劑注入量

在出口水質達標的前提下進行試驗，逐步降低生產水系統清水劑與絮凝劑注入濃度，以期減少藥劑成本。氣浮選機出口生產水固體懸浮物總量和水中含油達標值均為50 mg／L，通過反復摸索和試驗，最終在絮凝劑完全停注、清水劑注入濃度由40 mg／L下調至15 mg／L后，仍可保證處理效果達標并優(yōu)于改造前水質（圖6）。經過計算，藥劑注入量調整后每年可節(jié)約絮凝劑182.5 m3、清水劑110 m3，一年累計節(jié)省化學藥劑費用達200萬元。同時，從上游源頭將水中雜質去除，確保注水水質的嚴格達標，減少了井口平臺注水井的酸化頻率。2021年全年，由CEPX平臺獨立注水的下游井口平臺12口注水井中僅有4口進行了酸化作業(yè)。本次改造完成后，預計將下游每口注水井平均1次／年的酸化作業(yè)頻次降低至原來的1／3以下。

圖6 逐步降低化學藥劑注入量后水質的變化Fig.6 Change trend of water quality after gradually reducing the injection amount of chemical agents

4 結論及建議

1）將中心平臺CEPX溶氣式浮選機底部開放式排污管線連接至頂部收油槽的閉式排放垂直管段下游，從而將開放式排污改為閉式排污，從根本上消除了高含硫化氫介質排污時產生的安全隱患。

2）通過確定合理的排污頻次（每日4次、每次排污5 min）、進氣量（10 m3／h）、進氣壓力（600 kPaG）和回流水比例（13%）及藥劑注入量（絮凝劑停注、清水劑注入濃度15 mg／L），在水質處理達標的前提下，每年可節(jié)約絮凝劑182.5 m3、清水劑110 m3，下游平臺每口注水井酸化頻次降低至原計劃的1／3以下，降本增效成果顯著。

3）對于不同項目，溶氣式浮選機處理的生產水存在物性差異，在不同階段的實際生產水處理量也存在變化，建議通過多次試驗摸索適宜現場情況的進氣量、進氣壓力和回流水比例，以達到良好的浮選設備處理效果，節(jié)省藥劑用量。