摘要：海上油气田在生产过程中，会产生大量含油污水。由于生产加药等因素的影响，油气田产出的污水水质很差。深水气田在生产中会加入甲醇、乙二醇等化学药剂，使产出污水水质较油田差，气田污水未经处理直接外排，会严重污染海洋环境。针对海洋油气田不同设施的生产污水水质差异，通过对生产污水除油的工艺方法进行研究，调研海域内生产污水处理工艺及效果，借鉴原油脱水中的电破乳技术，提出了一套新的应用电驱聚结破乳原理的生产污水处理工艺，并成功应用，使得外排生产污水含油量由0.003 0%下降至0.001 5%，极大地保护了海洋环境。
关键词：油气田,生产污水,水质,电破乳,电驱聚结破乳,含油量
0引言
天然气田的开发过程中经常伴有含油污水产生[1]，随着油气田开发时间的延长，油气田产水量呈逐年上升趋势，给生产污水处理装置稳定运行带来极大挑战。南海东部海域某天然气开采平台（下称L平台）采用水下井口进行气田开发，开发过程中需持续向海管注入乙二醇防止水合物形成，并在平台进行乙二醇再生回收利用。平台上设置1套生产污水气浮法处理装置，如图1所示，主要处理来自乙二醇再生系统产生的废水。随着气田生产污水处理量逐年增加，且废水中含油不均、杂质和重烃含量增多，导致生产污水处理效果不稳定。为此，在生产污水传统处理工艺中引进电破乳技术，研究出一套新的污水处理工艺，并成功应用。
1海上油气田常用除油工艺方法
1.1物理法除油
物理法是利用物理作用或者机械力作用对油水混合物进行分离的方法。在分离过程中，油水的化学性质不会产生任何变化。根据作用原理，将物理除油法分为重力沉降法、离心分离法、粗粒化法和膜分离法等，物理法是油气田生产污水处理工艺中运用最广的一种方法[2]。
1.1.1重力沉降法
重力沉降法是通过油水无法互溶这一特性以及油水密度差对油水进行分离的。将油水混合物引入静止罐内，停留一定时间后，较重的水会因为重力作用而下降，油则会上浮，从而完成油水分离。通常情况下，会在静止罐内设置斜板、波纹板和加热器等构件，以提高油水分离效果。由于重力沉降法处理效果有限，对黏度较高的原油无法实现有效分离。同时，所需沉降时间长，满足不了大流量情况下连续生产的需求。因此，重力沉降法一般作为初级处理工艺[3]。
1.1.2离心分离法
离心分离法是通过快速旋转，使得非均相体系里形成大小不一的离心力，密度大的水会被抛到外圈当中，密度小的油则被推至内圈，从而完成油水分离。旋流分离器为常用的离心分离设备[4]，具有设备体积小、节省空间等优点。但是，当所处理的油水混合液中油滴粒径比较小时，离心分离效果会明显降低。
1.1.3粗粒化法
粗粒化法[5]也称聚结法，是通过油水对聚结材料亲和状况所存在的差异来分离油水两相，该方法的技术关键是需选择具有良好润湿性的粗粒化材料。在粗粒化材料的作用下，油水中的微油粒聚结成为粗大的油粒，在重力作用下，油水迅速分离。一般粗粒化包括附着、成膜和脱落三个阶段。粗粒化法并不能达到除油的效果，而是将油滴聚结，有助于在下游工艺中快速完成油水分离。粗粒化法可和自然沉降结合使用，但在处理悬浮物浓度高的液体时，聚结填料易被堵塞，需要频繁清洗设备。
1.1.4膜分离法
膜分离法是利用多孔薄膜作为分离介质[6]，利用采出液中油分子与水分子的体积、质量均不同的特性，将油水两相分开，从而完成油水分离。超滤法是现如今最常用的一种方法，多用于油气田生产中处理量不大、处理要求高的情况。但是，超滤膜易发生堵塞污染，需要频繁进行清洗。
1.2物理化学法除油
物理化学法是利用物理化学原理来进行油水分离的方法，最常用的方法为浮选法（也称气浮法）和吸附法。
1.2.1气浮法
气浮法是通过向水中通入或者产生微细气泡，使油珠附着在气泡上，增大浮力，从而实现油水分离。研究结果表明，浮选法能够使油滴的上浮速度提升1 000倍左右。气浮法一般分为加压溶气气浮、叶轮浮选法和扩散板曝气浮选法三类，其中，加压溶气气浮法为最常用的方法[7]。
1.2.2吸附法
吸附法是用含有多孔的固体物质，将水中油分和其他污染物吸附在固体空隙内并去除的方法，常用的吸附剂有活性炭和树脂[8-9]。活性炭较为常用，由于活性炭吸附容量有限（一般为30～80 mg/g），成本高，再生困难，通常只用作含油废水多级处理的最后一级处理，出水含油质量浓度可降至0.1～0.2 mg/L。
1.2.3其他除油方法
除物理法、物理化学法外，还有化学法、电化学法等除油方法，需要投入化学药剂、电力设备等，在气田生产污水处理工艺中运用较少。
在实际的运用过程中，由于地层产水的复杂性和可变性，为了达到外排指标，并节省成本，一般会采用多工艺生产污水处理系统，将不同处理方法的设备进行优化组合应用。
2海上油气田生产污水处理工艺调研
2.1 P气田平台
P平台上设置有1套生产污水处理系统，用于处理来自乙二醇再生系统废水及来自生产分离器的生产污水，如图2所示。
由图2可以看出，管式分离器有闪蒸和自然沉降作用，生产污水过滤器有吸附杂质作用，生产污水聚结器有粗粒化和沉降作用。可见，P平台生产污水处理系统是集合了粗粒化和自然沉降后的多工艺处理系统。目前，P平台日产水120 m3左右，远小于设计流量。据了解，该系统自投产以来，一直处于稳定运行状态，处理后的生产污水中含油量（OIW质量浓度）一直小于45 mg/L。当上游来液均匀时，可稳定在12 mg/L左右。
2.2 Y气田平台
Y平台上设置有1套生产污水处理系统，用于处理来自生产分离器和L气田段塞流捕集器的生产污水，其含油质量浓度大约为1 000 mg/L，溶解的CO2浓度质量分数为0.02％，含砂质量分数约为0.04%,全部进入水力旋流器进行处理，污油进入闭排罐，污水进入撇油罐沉降，最大处理能力为60 m3/h。Y平台生产污水处理系统工艺流程如图3所示。
由图3可知，Y平台生产污水处理系统由生产分离器、水力旋流器、撇油罐、闭排罐、闭排泵、开排沉箱、高压火炬分液罐和高压火炬分液泵组成。其中，水力旋流器采用离心分离法，撇油罐位于水力旋流器下游，采用自然沉降法。该系统综合利用了离心分离法和自然沉降法两种分离原理。目前，Y平台日产水不足100 m3，远小于设计处理量。同时，由于地层产水洁净度较高，该系统处理后的生产污水OIW质量分数一直在10 mg/L以下。
2.3 W油田平台
W平台生产污水处理系统主要由一级分离器、生产污水舱、生产污水泵、水力旋流器和撇油罐组成。在实际的运行过程中OIW可控制在30 mg/L以下，但由于系统处理量无法匹配油田产水，后期对生产污水处理系统进行了部分改造，新增了2套气浮选装置。改造后的处理量可达18 000 m3/d，如图4所示。
从图4可以看出，由于油田日产水量和水质变化巨大，相应的生产污水处理系统设备的配置也相应增加，流程也更加复杂。但所采用的原理与气田并无差别，对于气田生产污水处理系统的改造而言，油田的生产污水处理工艺具有非常大的借鉴意义。
3电驱聚结破乳技术的应用
由于L平台生产污水处理量大，目前日产水在200 m3左右，水中溶解油、乳化油含量高，水质矿化度高，并含有大量悬浮物，常用的生产污水处理工艺组合难以满足要求。因此，在改造过程中创新提出应用电驱聚结破乳技术，设计出一套新的组合式处理工艺，如图5所示。
3.1电驱聚结破乳原理
电驱聚结破乳的原理如图6所示，在外加强电场和催化氧化作用下，破坏乳化油和溶解性油形成的稳定体系、改变其表面电荷，使废水中小油滴发生偶极聚结和振荡聚结，实现乳化液中油相聚结，在微小气泡聚集黏附作用下，加快废水中大油珠的聚集上浮，最终实现油水分离。
油水界面及表面张力可反映出油水界面膜强度的大小，在电场作用下，随着时间延长，油—水界面的膜强度得到了有效降低，如图7所示。
油水界面Zeta电位可反映油滴表面带电性及稳定性的强弱，在电场作用下，随着时间延长，油水界面Zeta电位的绝对值均大幅降低，由强负电性逐渐变为弱负电性，如图8所示。
膜强度和Zeta电位绝对值大幅降低，有利于破坏乳化油稳定层，减弱油滴间的相互排斥，促进油滴聚集。如图9所示，电驱前后水中油粒径大幅增加。
3.2电驱聚结技术在L平台的应用效果
在使用电驱聚结技术的生产污水处理新工艺后，L平台的外排生产污水的水质指标变化如图10所示。
从图10可以看出，使用电驱聚结技术的生产污水处理新工艺后，外排生产污水的含油量明显下降，说明应用电驱聚结破乳可以有效促进污水中的溶解油聚集脱出，净化水质。
4结语
生产污水处理系统常用的处理方法有自然沉降、聚结法、离心分离法和吸附法等，一般采用一种或者两种处理方法就可以满足处理要求。但随着水质的复杂变化，常规的处理方法已不能满足工艺要求。应用电驱聚结破乳新工艺处理气田生产污水，解决了生产污水处理效果不稳定的问题，将污水含油质量浓度由30 mg/L成功降低至15 mg/L，效果显著。电驱聚结技术是电化学法在海上气田生产污水处理中的首次应用，为污水处理工艺提供了一个新思路，具有很好的发展前景。
参考文献
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