海上平臺棄置含油污水現場處理回用技術

林家昱 張曉誠 謝 濤 霍宏博 岳 明 任安琪 郭小明

中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459

0 前言

隨著渤海油田不斷增儲上產,以低效井治理為目的的井槽再利用棄井、老平臺棄置及新建平臺數量不斷增多[1-5]。同時,隨著國家對海洋生態環境的日益重視,對棄井廢棄物排放不斷提出更高要求,傳統環保船將含油污水運回陸地處理方案費用高昂,一直是個不可回避的難題[6-9]。針對海洋環保執法趨嚴、棄井作業含油污水量大、海上平臺空間條件受限等特點,本文從棄井含油污水來源出發,通過分析目前渤海油田廢棄物排放政策,研究對比履帶式負壓振動篩、絮凝壓濾一體機、油基鉆屑熱處理裝置等渤海油田現有廢棄物處理裝置的局限性,研制了小型橇裝化含油污水高效分離裝置。含油污水現場處理回用技術適用于油井井筒的刮管洗井液、完井洗井液、射孔反排液、磨料水射流切割廢液等含油污水的處理。經調質、絮凝、氣浮、過濾等技術措施處理后的污水含油量僅0.04 mg/L,可再利用于洗井液循環配制,處理后的油液部分污油含量達90%,裝污油罐經拖輪運回陸地,極大程度降低運輸及處理成本,對海上平臺棄井廢液尤其是含油污水的處理具有重要意義[10-12]。

1 棄井含油污水的來源

井筒封堵及井內管柱切割是棄置作業的重要工序,在井筒封堵作業中應分別在儲層、尾管懸掛器、分級箍、表層套管鞋等位置注水泥塞,對含有腐蝕性流體或氣井等特殊井則要在頂部油氣層及表層套管鞋位置下橋塞,而按照相關標準規定[13],在下部井段有注入水泥作業后,下橋塞應進行刮管洗井作業,去除井壁上殘余水泥,1口井按3個水泥塞計算,單井洗井液大約可達350 m3。同時打水泥塞封堵井筒前應取出井內所有管柱,封堵作業結束后要進行井筒整體切割作業,磨料水射流切割具有良好的切割能力,1次可切割2～4層套管,但切割時間長達3～12 h,期間切割水的消耗量為50 L/min,按切割10 h 計算,單井單次切割也將產生污水達30 m3,超出目前海上平臺處理能力。因此,井筒封堵作業及磨料水射流作業是棄井作業污水的主要來源[14],棄井程序及井身結構見圖1。

圖1 參照標準的特殊井棄井程序及井身結構圖Fig.1 Special well abandonment procedures and wellstructure diagrams referring to standard

渤海是中國內海,海水循環及自凈能力較差,因此對廢棄物排放標準要求較高,在渤海海域不得排放非水基鉆井液鉆屑,不得排放油層的鉆井液及巖屑[15-17]。目前,對于油層段鉆井液及油基、合成基等非水基鉆井液和含油棄井液均是直接運回陸地處理,運輸及處理成本較高。

2 渤海油田現有污水處理技術的局限性

2.1 履帶式負壓振動篩

為了更好地分離鉆井液的液相與固相,減少鉆屑含液率以及運輸和處理成本,渤海油田2018年開始采用履帶式負壓振動篩分別作為一級、二級固相減量裝置處理海上平臺鉆井廢棄物,能夠有效提高鉆屑分離效率,鉆屑含液率可以降低至40%左右。履帶式負壓振動篩相較于傳統振動篩效果更穩定,由于機械鉆速過快，履帶式負壓振動篩會出現篩堵、篩糊的現象，導致包漿，因此需要控速鉆井。同時，履帶式負壓振動篩只能用于水基鉆井液,無法進行油水分離[18]。

2.2 絮凝壓濾一體機

絮凝壓濾一體機是目前處理水基鉆井液廢棄物的有效裝置,適用井況范圍廣,將絮凝設備和壓濾設備上下疊置,使絮凝壓濾一體機小型橇裝化,能夠同時實現絮凝與壓濾功能。目前,絮凝壓濾一體機已在渤海油田秦皇島33-1南、曹妃甸6-4等油田“零排放”區域開展海上應用,井筒巖屑經分選篩后液相回收,經絮凝壓濾后固廢裝箱轉運陸地處理廠,壓濾液循環配漿再次利用,現場水基泥鉆屑處理流程見圖2。絮凝壓濾一體機僅能處理水基鉆井液廢棄物,由于腐蝕濾布、壓濾濾餅無法成形等原因,無法處理含油廢棄物[19-20]。

圖2 現場水基泥鉆屑處理流程圖Fig.2 On-site water-based drilling cuttings treatment process

2.3 油基鉆屑熱處理裝置

目前,針對油基鉆屑的處理主要采用機械除油及電磁熱脫附組合系統,具體處理流程見圖3?，F場將油基鉆屑經螺旋輸送器輸送至立式甩干機,分離出的固相送至電磁熱脫附系統；分離出的液相經液體回收罐收集后進入高速離心機,從液相中可分離出粒徑2～10 μm的固相,這部分固相也經螺旋輸送器輸送至脫附反應釜經電磁感應加熱和制氮機有機氣體催化技術參與電磁熱脫附,最終實現固相或氣體達標排放或回收,分離后的液相重復利用。油基鉆屑熱處理裝置受平臺面積、處理能耗大等限制,不能在海上平臺處理含油廢棄物。

圖3 油基廢棄物處理主要設備及流程圖Fig.3 Main equipment and processes for oil-based waste treatment

3 棄井含油污水現場處理回用技術

在前期調研的基礎上,考慮渤海油田的廢棄物特點,綜合對比了履帶式負壓振動篩、絮凝壓濾一體機、油基鉆屑熱處理裝置等的局限性,并經多方技術論證后,制定了利用現有平臺條件就地處置含油污水的措施,提出了利用小型橇裝化含油污水高效分離裝置的含油污水現場處理回用技術。

3.1 小型橇裝化含油污水高效分離裝置設計原則

基于海上平臺現場的處理成本、設備能力、設備運輸便利性等因素,參照“低成本+連續不間斷快速處理+設備移運性”的設計理念,采用多級物理與多級化學處理相結合的方式,進行小型橇裝化設備的研制。

3.2 小型橇裝化含油污水高效分離裝置結構

小型橇裝化含油污水高效分離裝置分上、下層單元,上層單元為藥劑罐、平流式氣浮、藥劑反應區，下層單元為控制柜、微波膜過濾、清水箱、二級豎流式氣浮、一級豎流式氣浮，見圖4。上、下層單元在拖輪運輸及平臺使用時,可根據情況安裝及拆卸。該裝置整體由氣浮平流式除油+一級氣浮豎流式除油+二級氣浮豎流式除油+微濾膜過濾組成。上層單元放置平流式氣浮除油器、藥劑混合反應器和加藥裝置,下層放置二級豎流式氣浮、微波膜過濾、清水箱及控制系統。

圖4 小型橇裝化含油污水高效分離裝置圖Fig.4 Small skid-mounted high-efficiency separationdevice for oily sewage

3.3 含油污水高效分離流程

棄井含油洗井液從井內排出后,可先在前端儲油罐內暫儲,再抽至小型橇裝含油污水高效分離裝置,經上層單元藥劑混合反應器、平流式氣浮除油器,逐步進入下層單元二級豎流式氣浮、過濾器依次處理,經調質、絮凝、氣浮、過濾等技術措施處理后,可極大程度降低含油污水中的含油率[21]。其中調質作業是在加藥裝置內投入Na2CO3,將pH調節至弱堿性,此時出現大量絮體,水中Ca2+、Mg2+通過沉淀去除;絮凝作業一般加入AlCl3、Al2(SO4)3、聚合硫酸鐵等藥劑,通常投加無機絮凝劑絮體反應較快,追加聚丙烯酰胺助凝劑,迅速形成大量絮團;氣浮作業在一級豎流式氣浮后,大絮團均分離完全,水質清亮,漂浮有未成團細小懸浮物,通過二級氣浮,水質有進一步改善,懸浮物仍未去除完全;過濾作業是通過微濾膜過濾,水體中肉眼可見懸浮物完全去除,過濾后的液體可再利用于循環配置棄井液或洗井液。海上平臺棄置含油污水現場處理流程見圖5。

圖5 海上平臺棄置含油污水現場處理流程圖Fig.5 On-site treatment flow chart of oily sewage from offshore platform well abandonment

4 現場應用

小型橇裝化含油污水高效分離裝置將污水儲存罐中含油污水由提升泵吸入平流式除油器除油,經過平流式除油箱后進入藥劑混合反應氣浮,將平流式除油器處理除油后的水和在加藥裝置里投加的藥劑進行充分混合反應,反應完全后進入下層橇體的二級豎流式除油器再次進行除油、除色,經處理后的清水流入橇內清水箱緩存,清水輸出泵輸出經微濾膜過濾后排出,實現現場循環利用。處理后的含油污水輸入污油罐內,經拖輪運輸到陸地進一步處理。

目前,小型橇裝化含油污水高效分離裝置已應用于渤海油田,應用效果見表1。

表1 現場應用效果表

由表1可看出，B5井處理后的污水含油量僅0.04 mg/L,可再利用于洗井液循環配制,處理后的油液部分污油含量達90%,裝污油罐經拖輪運回陸地,小型橇裝化含油污水高效分離裝置可滿足海上平臺的作業需求。目前,海上平臺暫無含油污水現場處理的手段,一般需要將含油污水通過環保船運回陸地進行處理。按照3 000 m井深計算,單井產生約250 m3含油污水,運輸及處理費用大約63 萬元。而采用小型橇裝化含油污水高效分離裝置處理含油污水,單井費用約17萬,無需采用環保船運回陸地進行處理,平均單井可節省費用46萬元。圍繞“油水分離+油減量+水循環再利用”的整體思路,對海上平臺鉆完井過程中的棄井含油洗井液、完井液及隨鉆油層鉆屑進行減量化處理,實現全回收減量化作業,整體效果應用良好。通過對平臺棄置含油污水的高效減量化回用處理,不僅消除了對海洋環境的潛在影響,也降低了含油污水的處理費用,為海上平臺含油污水就地處理提供了新的技術手段,具有廣闊的應用前景和推廣價值。

5 結論與建議

1)通過分析對比目前海上平臺常用的履帶式負壓振動篩、絮凝壓濾一體機、油基鉆屑熱處理裝置等廢棄物處理裝置,綜合考慮海洋環保法律法規,研究了利用現有平臺條件就地處置含油污水的措施,經綜合對比提出了適合海上平臺棄置含油污水高效分離的現場處理回用技術。

2)為解決棄井含油污水量大、平臺空間條件受限等難題,研制出了小型橇裝化含油污水高效分離裝置,創新性地將平流氣浮除油單元、藥劑反應區、二級豎流氣浮、過濾等功能單元采用積木式結構將橇塊合二為一,并進行了系列技術改造。

3)小型橇裝化含油污水高效分離裝置已應用于渤海油田,處理后的油液部分污油含量達90%,裝污油罐經拖輪運回陸地,處理后的污水含油量僅0.04 mg/L,可再利用于洗井液循環配制。

4)小型橇裝化含油污水高效分離裝置創新性地解決了棄井含油污水的處置問題,平均單井可節省費用46 萬元,為導管架鉆井及棄井等無生產流程海洋平臺油污水就地處理提供了新的技術手段,在無法啟用生產流程的海上平臺上具有廣闊的應用前景。