海上固定平台注入水系统处理流程及处理设备研究

雷 娜

（中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心，天津 300452）

随着石油开采的深入，地层自然能量在逐渐减弱，导致地层的油藏层压力降低，产油速度变慢。为了提高采油产量，需要为地层增加压力，海上平台常用方法有注入高压聚合物、注入高压水注入高压气体和高温高压蒸汽等，本文主要分析注入高压水对注水量，注水水质要求，注入地层压力及注水的时间等，由油藏专业经计算后提出。

确定注入水水源以及水质后，根据油藏要求，定制注入水流程、设备类型及各级出水水质，以满足地层对注入水质的要求。

1 注入水质量

海上固定平台注入水来源有海水、原油脱出水（即油田含油污水）和地层水源，水源一般都含油、固体悬浮物、细菌等，含油浓度、固体悬浮物浓度、固体悬浮物的粒径，均为注入水水质的重要指标，如超标，会造成油藏储层伤害和地层堵塞[2]。

海上固定平台注入水水质要求由油藏开发提出，在未得到油藏开发的资料时，可参考SY/T 0005—1999《油田注水设计规范》进行设计。

油层所处的地质条件决定了注水水质，主要影响地质因素为地层的空气渗透率，将渗透率指标分为小于0.1 μm2，0.1~0.6 μm2和大于0.6 μm2。《油田注水设计规范》对每类渗透率分为三级，表1为推荐水质主要控制指标[4]。

表1 推荐水质主要控制指标

注入水水质对水中固体悬浮物颗粒直径、固体悬浮物含量及含油量有要求，对水质还有其他要求：要求水质稳定，与油层混合后不产生沉淀；不会对地层黏土矿物产生水化膨胀或者悬浊；水中没有可见悬浮物，不会堵塞地层渗滤端面或者孔道；对注入水处理设备腐蚀性小；当采取两种或者两种以上水源混合注水时，应对所有水源混合进行试验，结果应保证混合水的配伍性，且对油层及地质无伤害才可注入地层[5]。注入水水质对其他腐蚀性物质含量也有一定要求，如溶解氧＜0.05 mg/L、硫化氢＜2.0 mg/L、侵蚀性二氧化碳＜1.0 mg/L、pH控制在7±0.5，水中含亚铁会生成悬浮物。

2 注入水水源和处理流程

2.1 注水水源

海上固定平台主要注入水水源为海水、原油脱出水（即油田含油污水）和地层水源（油田水源井水）。

2.2 注海水处理流程及设备

未处理的海水含溶解氧、细菌和悬浮物等，溶解氧会增大设备腐蚀，细菌和悬浮物会对油层和注水井地层造成堵塞和破坏[1]。

2.2.1 海水处理流程

海上固定平台海水由专设的潜没泵或者立式长轴泵将海水提升至上部平台过滤器，然后进入细过滤器，从细过滤器获得的清洁水，经在线浊度监测和余氯监测后输送至脱氧塔顶部，在脱氧塔填料层和真空泵作用下，水中的大量氧气溢出。脱氧合格后的海水作为注入水，由高压注水泵输送至注水管汇，经管汇分配后注入注水井。

2.2.2 海水处理设备

海水泵将海水提升至平台上的第一级处理设备——海水粗滤器，过滤掉80 μm或者100 μm以上的悬浮物，目前平台上常用的粗滤器有带自动反冲洗功能的粗滤器和非自动反冲洗粗滤器，自动反冲洗粗滤器相比非自动反冲洗粗滤器，具有可同时清洗和过滤的功能，在粗滤器滤芯中间安装有自动反冲洗装置，反洗装置由电动机驱动，反洗装置进水管旋转到哪个位置，就对此位置进行清洗，滤器其余滤芯位置正常工作，反洗的污水由底部排污口排出，不影响滤器正常过滤功能。非自动反冲洗滤器一般使用普通篮式滤器，清洗滤芯时需要将滤器从流程中隔离，将滤芯由滤器拿出清洗，遇到浮游生物多并且水质脏的海域，需要频繁清洗。渤海区域平台由于海深较浅，海水较脏，普遍采用自动反冲洗滤器。海生物也是破坏滤器过滤功能的一大杀手，附着在滤器内壁很难清洗，通常在海水泵入口位置，加注铜铝电解液或者在泵入口直接加铜铝电解电极，可起到防海生物的作用，同时保护设备免受腐蚀。

细滤器为海水处理的第二级设备，主要过滤水中的悬浮物，常用滤料为无烟煤和石英砂，通常进水悬浮物含量在100 mg/L或者以下，出水可达5 mg/L或以下。无烟煤和石英砂主要作用为吸附和拦截水中的细小颗粒，需要定时对过滤器滤料进行清洗，清洗一般采用气洗加水洗，滤器反洗专用鼓风机将滤料吹疏松，然后从滤器底部通入反洗水，直到出水合格，再用鼓风机反洗，使无烟煤和石英砂通过密度差分层。不同厂家对反洗流程要求不同，具体反洗流程以及反洗时间需要参考厂家要求。

近年来研究出的纤维球滤料耐磨损，抗腐蚀性强，密度适中易反洗，比传统填料设备占地面积小，但是只适用于不含油的水源，在海上固定平台上多被应用于水源井水流程。

脱氧塔为海水处理的第三级设备。油田注水脱氧分为物理脱氧和化学脱氧，真空脱氧和天然气或者惰性气逆流气提脱氧属于物理脱氧，亚硫酸钠或亚硫酸氢铵氧化反应脱氧属于化学脱氧[3]。海上平台常用的脱氧方式为真空填料脱氧以及化学药剂脱氧的组合方式。真空填料脱氧的原理是在一定温度下，减小氧气的分压，从而使氧气从液体中析出，利用真空泵将析出的气体排出脱氧塔，需要注意的是脱氧塔的压力不能低于操作温度下液体的饱和蒸气压，如果低于液体的饱和蒸气压，将有大量水蒸气析出，影响脱氧效果。注水指标溶解氧要求＜0.05mg/L，真空脱氧一般达不到要求，在脱氧设备中加入除氧剂辅助脱氧，以保证水源含氧量不超标。

2.3 油田含油污水处理流程及设备

海上固定平台油田含油污水主要来源是原油从地层带出的地层水，通过处理设备脱出的原油中地层水称为油田含油污水，未处理的含油污水含有油、悬浮物、细菌等。

含油污水中的油主要分为粒径＞50 μm游离油，粒径20~50 μm的游离分散油，粒径小于20 μm乳化油和溶解油，针对粒径＞50 μm游离油，主要采用油在水中的浮力上浮至水表面除油，粒径20~50 μm的游离分散油，需要借助外力上浮至水表面，粒径＜20 μm乳化油和溶解油，可通过吸附过滤。

2.3.1 含油污水处理流程

在陆地上，为了给含油污水提供足够的自由沉降时间，通常会建造一个大型的含油水储罐，用于自由沉降分离游离油。海上平台受空间限制，尽量采用体积小、效率高的含油污水处理流程及设备。

海上平台含油污水中的含油量，通常在1 000~ 3 000 mg/L，经处理后，达到注水要求指标。一般分为四级除油处理，处理后的含油污水可作为注入水注入地层。首先进入设备板式聚结除油器（通常称为斜板除油器）或者水利旋流器，主要针对含油污水中的游离油；随后进入气体浮选器，主要针对分散油；三级设备为核桃壳过滤器，主要针对溶解油和乳化油；四级常用设备有双介质过滤器，主要除去水中悬浮物。处理流程可根据原油的密度进行适当调整。在含油污水处理流程中，为了除油效果更好，需要加入化学药剂辅助除油，如破乳剂等。

2.3.2 含油污水处理设备

斜板除油器或者水利旋流器为海上油田的第一级处理设备。斜板除油器原理为在设备内设置倾斜的板式聚结器，增加油水接触面积，将小油滴聚结成大油滴，大油滴上升至水面，从而除去水中含油，一般可分离出大于50 μm以上的游离油。水力旋流器设备内部为锥形管，高压液体由锥形管侧面沿切线方向进入，流体在水力旋流器锥管内进行旋转运动，逐渐流向锥形底部运动，引起离心力增加，依据油水离心力之差，清洁水沿锥管壁下降至锥管底部流出，分离出的游离油溢流至顶端，达到油水分离效果，一个容器内可以安装多个锥形管，提高设备的处理能力。水力旋流器的来液压力、溢流压降和底流压降达到一定的数值，才能达到分离效果，且在使用中，发现油密度≤0.9 g/cm3时，分离效果最佳。

气体浮选器为水处理的第二级设备，可分为射流浮选、诱导气浮选、溶气浮选，除油原理均是液体与气体混合，形成细小的气泡，裹挟油和悬浮物上浮至液体表面，溢流至油室，达到油水分离效果。三种浮选器的气体与液体混合方式不同，诱导气浮选器是通过立管的旋转机构，在立管上部液面上形成真空，吸入立管处的气体，在立管中与液体混合，形成细小的气泡；射流浮选是将一部分处理合格后的生产水，利用泵将这部分液体输送至入口处的文丘里管，通过文丘里管与液体混合，形成气液混合；溶气浮选气液混合方式为配置一台压力罐，将处理后的水和气体同时打入压力罐（压力罐压力维持在200 kPa）内，形成饱和液体，输入浮选器内，减压后，溶解气形成细小气泡，裹挟油和悬浮物上浮，达到油水分离效果。这三种浮选器在海上平台均有应用。

近年来，紧凑式气浮也有应用，除油原理为将浮选器主体设置为立式罐，溶气方式与溶气气浮类似，外部设备压力罐，将气体和液体同时注入，形成微气泡，输入浮选器内用于油水分离，将主体设置为立式罐，相比其他类型设备占地面积小。

核桃壳过滤器过滤原理为吸附，过滤介质为打碎的核桃壳，表面粗糙，多孔隙，容易吸附油，而且原料来源广泛成本低，在海上平台含油污水处理流程中应用较多。吸附油后的核桃壳需要定期反洗，与双介质滤器中的无烟煤不同，核桃壳滤料具有很好的耐磨损性，反洗时利用搅拌器将滤料搅拌疏松后，再由底部进水管进水进行反洗，直到出水合格。

双介质过滤器与海水处理系统细滤器原理及过滤介质相同，主要除去水中悬浮物。

核桃壳过滤器主要功能为过滤水中的含油，进水指标要求含油≯100 mg/L；双介质过滤器主要功能为过滤水中的悬浮物杂质，进水指标要求悬浮物含量≯100 mg/L，出水水质可达到≯5 mg/L。有一些平台生产水经斜板除油器，气浮选处理后，液体含油可达到50 mg/L,含悬浮物30 mg/L，将双介质滤器的无烟煤和石英砂更换为核桃壳和石英砂，用于代替核桃壳过滤器和双介质过滤器，处理流程缩减为三级设备，同样可达到处理效果，减少设备数量，节约平台占地空间。双介质过滤器的无烟煤和石英砂滤料，需要按照一定的粒径比及厚度布置滤料，可以达到预期过滤效果，目前技术已经非常成熟，将双介质滤器的无烟煤更换为核桃壳滤料，适用于来液含油和悬浮物较低的物流，根据物流中油及悬浮物含量，设计核桃壳及石英砂滤料的粒径配比及滤料厚度，反洗方式采用搅拌器和水洗，搅拌器搅拌时避免石英砂滤料的搅拌。核桃壳代替无烟煤滤料，需与供应商一同确定设备使用的可行性。

2.4 油田水源井水处理流程及设备（不含油地层水）

2.4.1 水源井处理流程

水源井水属于地层水，相比海水含氧量少，且不含油，将水源井水作为注入水，处理设备为旋流除砂器和细滤器，省掉了脱氧塔、真空泵、汽水分离器等设备，减少了设备在平台所占的面积，但是需要打水源井，要有合适的含水地层。

水源井水一般含砂子和悬浮物，作为注入水的流程比较简单，由电潜泵提升至平台甲板高度后，首先进入旋流除砂器，然后被输送至精细过滤器，通常可除掉水中2 μm以上的悬浮物。

2.4.2 水源井水处理流程设备

旋流除砂器主要作用为除去水中含砂，原理类似于水利旋流器，利用高速流体和介质离心力不同，密度低的水上升，由排液口排出，砂子进入旋流器底部，由排污口排出，达到分离出水中含砂。精细过滤器与海水处理细滤器相同，可用双介质滤器或者纤维球滤器。处理流程也需要加入化学药剂辅助。

3 结论

为了减少对环境的污染，渤海地区平台设计中，注入水水源多选取油田含油污水，如油田含油污水量不够，则以其他水源补充，因此产生了两种水或者两种以上的水是否配伍的问题。配伍是指混合后不产生固体沉淀物，反之则认为不配伍。配伍性预测有实验法、化学预测法。如遇不配伍情况，可通过加入合适的化学药剂，当然需要对化学药剂进行筛选实验。

无论哪种水源作为注入水，都需要化学药剂的辅助，尤其是含油污水的处理流程，关系到处理流程的成败。一般情况，含油污水需要加入絮凝剂和杀菌剂，海水需要加入絮凝剂和杀菌剂，水源井水需要加入防腐剂和防垢剂。化学药剂的选用应根据处理水质实验筛选，达到加入量最少，效果最佳的目标。

5 结束语

在进行注入水处理流程设计中，确定注入水水源以及水质后，需要根据逐年的注入水量，来确定水处理设备处理量以及设备尺寸，在保证处理效果的前提下，尽量选择设备尺寸紧凑重量轻的，同时确定化学药剂的种类以及注入量，确保设计流程的稳定、可靠。