油田含油污水高效沉降分离实验研究

中 文 摘 要
随着油田开发的深入，采出液的平均含水率达80%以上，含油污水的待处理量显著提高，现有的处理设备难以处理大量的乳化含油污水，传统处理方法导致处理成本大幅增加，同时国家对于环保方面的法律法规日趋严格。因此，生产单位亟需采用新的高效沉降分离技术来解决油田地面生产出现的难题。与传统的游离水脱除器、水力旋流设备相比，聚结分离器具有结构简单、分离效率高和处理量大等突出优点。采用聚结分离器对油田含油污水进行油水分离，可以提高油水分离效率，节省地面工程投资，具有很大的优越性。
本文总结了我国油田含油污水的处理现状，梳理了目前国内含油污水处理的研究进展，重点阐述了聚结分离除油技术的发展现状及应用状况，依据乳状液的形成及失稳机理以及聚结沉降理论，确定了利用FLUENT软件模拟分析内部构件和室内试验数据回归分析的研究方式，主要包括以下几个方面：
总结含油污水乳状液的聚结、失稳机理，对其影响聚结除油的主要因素进行定性分析；
利用CFD软件对聚结分离器内管流与堰板的夹角进行数值模拟，依据速度矢量分布图、压力分布云图确定最佳夹角；
根据油田生产单位的实际情况，在自来水中添加白油和苏丹红配置与生产单位相似浓度的溶液进行室内试验，对流量、板间距、倾斜角度、板组数、温度五个因素进行0.1m³/h~0.6 m³/h六个不同流量下的试验，确定每个因素下的最佳参数；
利用正交法和曲面相应设计对实验数据进行回归分析，确定最优试验操作参数，为后续生产实践提供参考依据。
关键词：含油污水处理；聚结沉降分离；数值模拟；分离效率；回归分析
1 绪 论
1.1 问题的提出及研究意义
在石油生产、运移和储积的过程中，水是石油主要天然伴生物。在油藏勘探开发初期，通常情况下，原始地层能量可将部分油、气、水液体驱向井底，并举升至地面，以自喷方式开采，称之为一次采油。一次采油采出液含水率很低。但是，如果油藏圈闭良好，边水补充不足，原始地层能量递减很快，一次采油方式难以为继。为了获得较高的采收率，需向地层补充能量来实施二次采油，二次采油有注水开发和注气开发方式等。我国大多数油田采用最为传统和成熟的注水开发方式，随着油田开发的深入，采出液的平均含水率达80%以上，有的油田甚至高达90%，油井产物内的水量远大于油量。这些水在气液分离、原油净化过程中与原油分离，成为含油污水。除此之外，油田在外输或外运之前必须将水脱出，脱出水中主要污染物为原油，此污水是在油田开发过程中产生的，称为油田采出水或油田含油污水。这些含油污水特点是：①污水中含有一定数量的油；②水温较高，在40℃~60℃之间；③色度高，呈黑褐色；④悬浮物浓度高。
随着油田在保持产油量的同时，原油含水量不断上升，含油污水处理成为地面工程里一个日益严峻的问题。如果大量的含油污水不合理排放，会引起受纳水体的潜移性侵害影响生态环境。因此必须采取合理有效的方式来处理利用油田含油污水使其达到油田注入水质指标要求，并使净化污水处理回注地层，既能有效地保护油区生态环境，又充分利用了污水资源，不仅为油田的可持续发展打下了坚实的基础，而且进一步提高油田开发的总体技术经济效益[1-2]。
1.2 油田含油污水国内外研究现状
1.2.1 含油污水处理方法
含油污水处理的难易程度随着原油污水的性质而有差异。按其原理可分为物理法、物理化学法、化学法、生物化学法。下面介绍几种常用的处理方法：
（1）重力分离法：其机理是根据油水两相存在密度差，油水混合物在重力作用下，经过一段时间的静置来实现油水两相的初步分离。重力分离法是基于Stock公式的基础上采取一些行之有效的方法来加速油水分离，比如：增大油水两相的密度差；扩大油滴的浮升面积；增大浮升油滴的直径等。重力分离常见有平流式（API）、平行板式（PPI）、波纹板式（CPI）等型式。该方法结构简单，易操作，除油效果稳定，适用于各种浓度的含油污水，但对于小粒径杂质或上浮速度太慢的含油污水仅靠重力沉降处理，实际效果较差[3-4]。
（2）旋流分离法：旋流分离法是利用油水两相的密度差和不相溶的特性使在水力旋流器中高速旋转时产生不同的离心力而实现分离。由于旋流设备在运行过程中可以达到非常高的转速，产生高于重力的几百倍的离心力，可以实现较为彻底的油水分离，并且需要相对较短的停留时间和较小的设备体积。此方法相对于传统的油水沉降分离处理效率高，占地少，可多个设备单级或多级串并联使用，但是在高速产生的紊流会将部分分散油剪碎，使之成为更细的分散物，从而降低分离效率[5]。
（3）聚结分离法：目前重力分离法和聚结分离法是油田应用最为广泛的两种方法，而波纹板聚结油水分离技术是对重力分离和聚结分离技术进行整合优化基础上的一种新型油水分离技术。波纹板聚结分离技术基于Stock公式的基础上，采用多层波纹板组，通过缩短油滴的浮升高度，增大油滴在板组内的碰撞几率，促使小油滴在运动过程中不断聚结变大，通过湿润、吸附、聚结等作用在波纹板的上表面形成油膜，并沿着板面移动、脱落，水相在重力作用下沉降最终实现油水分离。这种方法具有能耗低、分离效率高、设备简单且结构紧凑等优点，成为国内外众多学者研究的热点[6]。
（4）化学破乳法：目前破乳法主要分为化学破乳法、生物破乳法、物理破乳法以及各种破乳方法的联合使用。化学破乳主要利用化学剂改变油水界面性质或膜强度来实现破乳，该方法在实际生产中应用相对更为广泛。目前化学破乳主要是集中研究开发不同种类和结构的破乳剂以及破乳剂与其他试剂的复配合等来满足实际生产应用的需要。此方法操作简单，效果明显，但添加破乳剂后分离后的水相和油相成分更加复杂，为后续处理增加了难度。此外，破乳剂在生产和使用过程中涉及有毒有害溶剂，会对人体和环境造成某些不可逆转的危害[7]。
（5）电脱分离法：电脱法是在油水混合液中加入电极，原油中水携带着正电荷，在电极处凝结脱掉，从而达到油水分离的目的，其原理是乳状液在高压电场中受到电场作用促进水滴的碰撞，聚结成更大的水滴，最终在重力的作用下脱落。随着工艺的进步，现采用新型变频脉冲电脱电源处理原油污水，悬浮在原油中的小水滴受到高频脉冲强电场的极化作用，被极化的小水滴在高频电场中剧烈运动，产生内摩擦热，不断克服膜强度，与其他被极化的小水滴形成大水滴，加速沉降实现油水分离。此方法不能单独使用，而是作为其它处理方法的后序过程[8-9]。
（6）气浮法：气浮法是将待处理的含油污水中通入或者设法产生大量微细气泡吸附在欲去除的颗粒（油珠）上，当污水中油滴及杂质絮粒与气泡相互粘附形成整体，若整体密度小于水的粒团，粒团的浮力大于重力和阻力使其上浮至水面现实油水两相的分离。此方法虽结构简单，能耗较低、占地面积小，但由于受到设备发展的限制，未能在生产中广泛应用[10]。
（7）生物法：生物处理法是利用微生物（主要是细菌）自身的新陈代谢过程，将污水中的有机污染物进行分解氧化，从而达到净化污水的作用。此方法成本低、效率高且操作容易。但在油田实际生产过程中出现能耗大，试剂添加量大、产生二次污染等问题[11]。
1.2.2 聚结分离除油技术简介
聚结分离除油技术是一种处理含油污水的物理化学方法，针对流体颗粒而已其又称为粗粒法。该方法主要是利用油水两相的不相溶性，以及两相对聚结材料亲和力的差异性以及聚结结构的特殊处理，小油滴在含油特殊结构的聚结板中被材料捕获聚并，当油滴聚结到一定的程度时，在水力和浮力等作用下油膜脱落合并聚结成大油滴，最终在重力作用下实现分离。含油污水经过此方法处理后其含油量和污油性质没有大的变化，可以实现含油污水最大程度的利用[12]。
相对于其他几种含油污水的处理方法，聚结除油有以下优点：与重力沉降法相比，聚结分离可以有效出去乳化程度高的含油污水且分离效率更高，设备占地面积小利用率高；和旋流分离相比，其处理能力大幅增加且能耗更低；与化学法相比没有改变含油污水的性质，含油污水经处理后性质稳定[13]。
聚结分离法处理含油污水相对于其他工艺来说具有以下特点[14]：
（1）聚结分离技术不会降低含油污水中的含油量，只是通过特殊的结构和聚结材料改变了水中原油颗粒的粒径分布状况，使其从小油滴聚并为大油滴，最终在重力作用下实现分离。聚结分离技术不是一种单一的处理手段，而是对传统结构和材料改进基础上的一种综合运用的手段。
（2）聚结分离技术属于物理化学方法，在实际生产过程中无须添加任何化学药剂，没有改变含油污水及处理后原油的性质，因此在生产过程中可以实现连续稳定的生产，而且处理后的产品可以直接回收。
1.2.3 聚结分离除油技术研究发展概况
（1）聚结分离除油器的研究
液滴聚结现象的研究较早，1897年Lord Rayleigh研究了小雨滴和池中水发生碰撞的情况，发现雨滴和池中的水表面由于空气层包裹而阻止了碰撞面的有效接触；聚结技术于1908年在美国有了第一项专利，30年代开始了工业应用，40年代有了除去有了除去油中水分的应用报道。1946年Burtis和Kribride[15]研究了纤维聚结分离W/O乳化液，此后关于聚结分离油水乳化液的研究逐渐增多，到1967年仅美国的专利就多大1109项。1950年壳牌石油公司率先在“浅池理论”的基础上对API型油水分离器进行研究改进最终研制出了PPI（Parallel Plate Interceptor）型油水分离器。PPI型油水分离器在水流方向设置多组斜板，加剧了液滴与斜板的碰撞几率，增大了接触面积，提高整流效果。此后该公司又研制了波纹斜板式隔油装置CPI(Coagulated Plate Inerceptor)，该分离装置增大了单位容积的分离面积，缩短了停留时间，提高了分离效率，但部分区域出现了布水不均匀的问题。英国Fram公司于上世纪70年代开发了CPS型聚结板分离器（Coalescing Plate Separator），采用一组由玻璃纤维制作的V型板，板上设有散液孔，同时设置宽度不等的流道，加大了油滴碰撞聚结的几率，聚并的油滴通过波峰处的散液孔流出[16]。
从国内来看，上世纪90年代初，余杰[17]研究设计了一种带翼斜板油水分离器，四组固定间距的翼板叠置成正六面组合体，每块基板与水平成45°倾斜放置，有利于油滴进入格子间内沿斜板向上浮升。由于翼片顶端槽内的低速环流形成良好的浮升环境，另外，装置具有主流区和翼片间的涡流区，水流运动过程中产生一系列的旋涡群，夹带油滴旋转向下游翼片输送，这种强制输送和动态分离作用使其具有较高的分离性能。曹建树等[18]研究了一种新型波纹板油水分离器，该装置主要是一水平放置的卧式容器，由进水部分、出水部分、集油室和内部的板组构件组成。该装置在进口处设置一段垂直的波纹板使来液分布均匀；波纹板以正反交错叠置方式安装于设备内，部，尽可能缩小板间距，提高油水分离效率；采用波高较小的波纹板减小板组当量直径，这利于较大处理量、较短停留时间下保持层流状态；液流在波纹板组通道内称“之”字形流动，流向和流动截面不断变化，增大了油滴的碰撞聚结几率，有效地提高了油水分离效率。
6 结论与建议
6.1结论
本文介绍了我国油田含油污水的处理现状，综述了目前国内含油污水处理的研究进展，重点阐述了聚结分离除油技术的发展现状及应用状况，依据乳状液的形成及失稳机理以及聚结沉降理论，确定了利用FLUENT软件模拟分析内部构件和室内试验数据回归分析的研究方式。通过含油污水高效沉降分离的室内试验，在结构尺寸一定的条件下，对影响聚结分离器的分离特性以及影响因素进行分析，并得到了以下结论：
（1）聚结分离器内部结构数值模拟
①建立了聚结分离器的单相流动三维物理模型，采用稳态、隐式分离算法求解，选用改进的RNG 湍流模型，并确立相应边界条件进行求解。
②对比3种入口管流与堰板的角度，通过速度矢量分布图和压力云图结果表明两者夹角为60°最有利于保持稳流状态。
（2）含油污水高效沉降分离室内试验
①聚结板除油技术将板式除油和粗粒化技术相结合，利用油水混合液的不同成分因浮力差异及斯托克斯定律来实现油水两相分离。
②随着流量的增加，单位空间内的处理量加大，处理能力减弱，分离效率逐步下降，最佳处理流量为0.1m³/h。
③在相同流量下，板间距越大，分离效率越低。最佳板间距为1/4英寸。
④聚结板的上表面性质有利于油滴聚结，当出口板组倾斜一定角度时，液流易形成了一个初始垂直上浮速度，增加相对运动速度，缩短聚并时间，促进实现油水分离，聚结板组出口处倾斜1.5°。
⑤板组数越多，油滴在聚结板内聚结碰撞的机会越多，分离效率大幅提高，在经济条件允许的情况下建议用双组板。
⑥温度对分离效率有一定的影响，但是影响力并不是很大。
（3）含油污水高效沉降分离室内试验的数据回归分析
①通过直接观察与正交计算分析，油水分离试验的可能最优方案为来液流量为0.1 m³/h，板间距为0.25inch，倾斜角度为出口1.5°。
② Design-Expert软件进行响应面分析得到最佳试验条件为来液流量为0.17m³/h，板间距为0.29inch，出口去倾斜角度0.83°，分离效率为86.06%。响应面试验结果与正交试验基本吻合。
6.2 建议
由于油水分离的复杂性，很难建立一套通用的数学模型，只能以理论研究为基础，根据大量的试验结果总结出经验公式。对此，本人依据试验有如下建议：
（1）受各种条件限制，本文仅考虑了挡板结构、流量、板间距、倾斜角度、板组数、温度对聚结分离器油水分离特性的影响，没有聚结分离器内部其他结构参数开展试验。今后应结合结构参数的变化，利用回归方程，对其内部结构进行优化。
（2）由理论可知受黏温性影响，含油污水随着温度的升高，其粘度不断降低，从而导致其粘性系数降低，油滴的运动阻力减小，运动速度加快，加快油滴间的碰撞率，促进油滴的聚并从而提高分离效率。但试验结果不甚明显，主要是由于试验所用溶液皆为配制溶液，含油量较少，温度对粘度影响效果不甚明显。实际生产应用中建议在聚结分离器的底部安装加热器，提高含油污水的温度，有利于提高分离效率。
（3）在经济条件允许的情况下建议聚结板在实际生产应用中尽量使用双组板，同时备用两组板，定期清洗板组有利于加强其使用效率。