胡長朝 黨 偉
（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）
摘 要 國內外大部分油田已進入高含水開發期，原油綜合含水率高達90％以上，造成原有地面系統超負荷運行，改造投資、能耗及運行成本急劇增大。針對這壹問題，部分油田開始在集輸系統的接轉站實施預分水，分出的汙水就地處理達標後回註地層。本文從技術原理、優缺點等方面對國內外普遍應用的預分水技術進行了評述，並對其未來的發展進行了展望。
關鍵詞 預分水 高含水期 展望
Predewatering Technology for Crude Oil of
High Water－cut Oilfield
HU Changchao，DANG Wei
（Exploration and Production Research Institute，SINOPEC，
Beijing 100083，China）
Abstract Most of domestic and foreign oilfields have entered the high water－cut stage and the comprehensive water－cut of crude oil has reached as high as 90％ or above，which leads to the overload operation of the existing surface system and the rapid increases of the reconstruction investment，the energy consumption and the operating cost.For this problem，some oilfields begin to carry out predewatering at block stations of gathering and transferring systems，and the seperated sewage is treated in situ and reinjected to the ground after reaching the water quality standard.The paper reviews the predewatering technology commonly used at home and abroad from the aspects such as technical principle，advantages and disadvantages，and looks into its future development.
Key words predewatering；high water－cut stage；prospect
國內外油田開發都經歷著產油量上升階段、油量達到高峰穩產階段和油井見水、產量遞減3個階段［1］。目前，我國東部主力油田大部分已進入高含水或特高含水開采期，原油綜合含水率已超過90％，有的油田甚至高達98％，油田開發已由 “采油” 變為 “采水”。在高含水期，含水率的小幅上升會導致液量的大幅度增加。以勝利油田為例，全油田綜合含水率在91％～92％時，含水率每增加0.1％，液量每年就增加約375×104 t，增幅達1.25％。由於地面處理系統利用的是中、低含水期的生產設施，因而不能適應產液量劇增和以水為主的處理需求，主要存在以下問題：
1）集輸和汙水處理系統處理能力明顯不足，超負荷運行，處理效率低下。
2）原有設施需不斷擴建，改造工程量和投資費用過大，並且原有流程的改造也十分困難。
3）能耗及成本增大。在油田中、低含水期開發階段建設的原油脫水站，大多采用兩段脫水工藝，高含水原油集輸至集中處理站後全部進入加熱爐加熱，大部分熱能消耗在對汙水的加熱升溫上。在壹個進站液量為1700×104 m3/a、綜合含水率為95％的聯合站，將來液升溫7℃，僅壹次加熱爐的燃油消耗就達1.45×104t/a以上，其中汙水吸收的熱能大約占97％，造成了能量的極大浪費［2］。脫出的汙水需返輸至註水站，汙水往返輸送成本、降回壓泵能耗、運行管理維護成本等增大。另外，隨著含水率的上升，油井排來液的溫度越來越低，熱量及化學助劑等的消耗進壹步增大，導致噸液、噸油處理成本急劇增加。
4）大量汙水的循環加速了管道和設備的腐蝕，縮短了設備的使用壽命。
實施預分水，盡早把汙水分離出來，減少汙水流動環節，可有效解決以上問題，大幅降低能耗、成本和改造投資，提高經濟效益。因此，國內外油田壹方面加緊研究適應高含水期油田生產需要的預分水技術，成功研制出了末端分相管、水力旋流器等高效預分水裝置；另壹方面對原有流程進行配套改造，增加預分水環節，由采出液全液在聯合站集中加熱脫水改為在各井場、分壓泵站、接轉站進行低溫預分水，分出的汙水就地處理達標後回註地層，剩余低含水油再送至聯合站集中加熱處理。目前，國內外常用的預分水技術主要有三相分離技術、旋流分離技術、末端分相技術、斜管預分水技術和低溫破乳技術。
1 三相分離技術
三相分離器的技術原理是油水混合液經設備進口進入設備，經進口分氣包預脫氣後進入水洗室，在水洗室中油水混合液發生碰撞、摩擦等降低界面膜的水洗過程分離出大部分的遊離水，沒有分離的混合液經分配器布液和波紋板整流後進入沈降室，並在沈降室進行最終的油水分離，達到脫水的目的（圖1）。三相分離器綜合應用了來液預脫氣、淺池布液、水洗破乳、高效聚集整流和油水界面控制等數項技術，在國內外油田得到廣泛應用，其中尤以我國應用水平最高［3］。
圖1 高效三相分離器原理圖
我國陸上油田大多將三相分離器改造為預分水器進行預分水。河南油田規劃設計研究院根據高含水期油田原油物化特性，研制出了HNS型三相分離器，其外形尺寸為φ3000mm×10608mm×10mm，分離器內分為預脫氣室、穩流室、水洗室、沈降分離室、油室、水室、氣相空間、氣包等部分。該型三相分離器采用了氣體預分離、二次捕霧技術和活性水水洗強化破乳技術，提高了油水分離效率；利用雙隔板結構U形管壓力平衡原理，實現了油水界面控制；合理配置設備與工藝控制的有機結合，提高了自動化水平。將HNS型三相分離器改造為預分水器，其處理能力為同規格傳統設備的4～8倍，針對河南油田密度為0.85g/cm3 的輕質原油，經壹次預分水處理，出口原油含水率在0.4％以下，汙水含油低於500mg/L［4］。
勝利油田 “十壹五” 期間在33座聯合站推廣應用高效三相分離器152臺，處理進站液量67.55×104m3/d，原油含水率從85％～90％降至50％～60％，每天節省加熱燃料900t左右，取得了良好的節能降耗效果。以坨三站為例，進站液量為3.5×104m3/d，應用高效三相分離器預分水後，分離器出油含水率由94％降低到15％，加熱液量下降了90％，年節約燃料油1068t。對於邊遠小斷塊油田，勝利油田將原來的高含水全液外輸至較遠聯合站、註水水源回調改為就地預分水處理後回註、低含水油外輸，在15座接轉站應用三相分離器32臺，分出水6.98×104m3/d，汙水就地回註後實現汙水替代清水0.6×104m3/d，每天減少3.6×104m3汙水往返輸送，節約輸送電耗3.75×104kW·h，年降低加熱能耗7.06×1014J，同時解決了部分油田欠註的問題，緩解了汙水回灌壓力。
三相分離器用作預分水器，具有處理能力大、分離效率高、運行工況穩定、管理方便、自動化程度高等特點，含水原油經壹段處理後獲合格凈化原油標準；但三相分離器是以出油含水率達到壹定指標為目的設計的設備，汙水分離凈化的有效空間不足，造成除油效率低，分出水含油指標壹般控制在1000mg/L以下，實際運行中水中含油在500 ～1000mg/L之間，後續汙水處理系統需采用二級除油加過濾的處理工藝，投資、占地和運行費用均較高。
2 旋流分離技術
圖2 水力旋流器原理圖
水力旋流器的工作原理是在油水存在密度差的情況下，使含油汙水在水泵或其他外加壓力的作用下，從切線方向進入旋流器後高速旋轉，在離心力的作用下，水向器壁運動，形成向下的外旋流，通過旋流器底部出口流出（底流）；油向旋流器軸心處運動，形成螺旋上升的內旋流油核，由上端溢流而出（溢流），最終實現油水分離，如圖2所示［5，6］。
旋流分離技術是油田高含水期節能降耗行之有效的工藝手段。水力旋流器可以使高含水原油在不加熱的條件下實現遊離水脫除，節約大量的燃料，歐美國家海上油田廣泛用作預分水器，陸上油田基本不單獨使用，目前發展方向主要是作為前端預處理器與其他技術組合應用。旋流分離技術在國內尚處於研究開發階段，未得到大規模應用。勝利油田開展了旋流分離技術試驗，研制了以旋流和沈降相結合的試驗設備，其工作原理為油、氣、水混合液進入旋流筒，靠離心旋轉分離和重力作用，脫除90％以上的伴生氣，該氣體與分水器內的少量氣體壹起經二次除液後，由壓力控制進入氣體系統，油水混合液經配流管均勻進入分離區，再經整流迷宮板緩沖整流進入沈降區沈降；在沈降區內，靠加熱器進壹步激發破乳劑的活性，使乳化液破乳分離，油滴聚結上浮，脫水原油經隔板進入油室，再經液位控制流出分水器。該試驗設備的技術關鍵為：(1)分水器進入端設計了預分離旋流器，采用預分離技術，將混合液中95％以上的氣體預先分離；(2)設計了配流管和整流迷宮板，使高效分水器內流場穩定，便於油水分離；(3)分水器內部設有加熱器，既能激發破乳劑活性，又能避免對底部汙水的加溫；(4)設計的水位調節器能自動調節分離器內的油水界面，處理後汙水含油基本在500mg/L左右。江漢油田進行了兩級旋流分離工藝研究，兩臺旋流器串聯應用，壹級進行預分水，二級對壹級分出的水進行除油處理。現場試驗後，馬王廟油田馬56站壹級旋流器分出汙水占總液量的50％以上，二級旋流器除油後汙水含油在100mg/L以下［7］。
水力旋流器用作預分水設備，具有質量輕、占地面積小、單位容積處理能力大、分離效率高、分離速度快、投資小、構造簡單、本身無活動部件、易於安裝和維修等優點，但也存在著許多缺點，如旋流管易磨損、氣體影響分離效果、提升和旋流造成原油乳化不易分離、出水水質不平穩、動力消耗較大、可有效分離遊離水卻對乳化水基本沒有分離能力、分出水含油偏高（1000mg/L左右）等，難以得到推廣應用。
3 末端分相技術
末端分相管是壹段直徑加粗了的末端集輸管線，長約45m（長度取決於原油的特性和預分水效果），直徑1020～1220mm，兩端用球蓋封堵，主要用於高含水油田原油的預分水和汙水凈化。末端分相管在管內完成油氣水分離的5個過程（流體水力攪拌、質量交換、擴散、重力沈降、在聚結器內使水滴聚集），同時具備多種裝置的功能（Ⅰ級分離裝置、預分水裝置、預凈水裝置），在前蘇聯得到較多的應用。西西伯利亞地區的塔什金諾沃油田在叢式井井場或增壓泵站上配備了兩根直徑1020mm、長250m的末端分相管，液體處理能力達30000～32000m3/d，每天可分出7800～9000m3的遊離水，遊離水分出率達60％，而出口原油含水率僅為9.3％～12.5％。
末端分相管能在油田配套工藝流程中取代造價昂貴、數量眾多的Ⅰ級分離裝置和脫水裝置，大幅度降低投資（可降低總投資25％～40％），具有制造與控制操作簡便、液體處理能力大的特點，可用作小型和邊遠油田的預分水器，缺點是分離效率較低，分出水含油偏高。
4 斜管預分水技術
斜管預分水器的工作原理是自然沈降結合淺池分離，主要用於分出遊離水，歐美稱之為仰角式遊離水脫除器。其是將臥式和立式遊離水分離器相結合，采用仰角設計，克服了立式容器內油水界面覆蓋面積小、臥式容器油水界面與水出口距離短以及分離時間不充分的缺點。來液進口位於管式容器的上行端，水中油珠能聚集並爬高上行至頂端油出口，而水下沈至底端水出口排出。
斜管預分水器結構簡單，造價低，占地面積小，主要用於對分出水含油要求不高的摻水油田，將分出的汙水就地回摻，以降低集輸系統摻水能耗和管線投資，並減少聯合站的運行負荷。俄羅斯在其高含水和特高含水原油集輸中廣泛采用斜管預分水器（直徑為1220mm，傾斜角度在45°左右，液量處理能力為10000～15000m3/d），用於脫除80％的遊離水。歐美國家也開發並推廣應用了該類設備，但在斜管仰角設計上采取了較低角度，為12°［8］。斜管預分水器目前在國內沒有得到廣泛應用，僅河南油田1個計量站應用，分出水水質無法控制，出水含油壹般在1000mg/L以上，分離效率較低。
5 低溫破乳技術
利用低溫破乳技術來進行預分水是比較經濟的。加拿大研制的原油聲波破乳設備，可安裝在高含水油井管徑小於4in的集油管線上，使處理後的稠油含水率最低降至1％，節省藥劑投加量50％。美國的微波破乳MST模塊化撬裝設備在現場試驗中也取得了成功，效果顯著［8］。
近些年來，隨著註聚等3次采油工藝的應用，采出液物化性質發生了較大變化，且乳化現象十分嚴重，導致預分水難度加大。各油田為了彌補機械方法的不足，普遍開始重視高效設備和化學助劑的綜合應用，即在原有預分水工藝的基礎上，投加預脫水劑，使高含水期大量汙水在較低溫度和較低化學藥劑加入量條件下得到有效分離。H1聯原油黏度高，汙水含油量高，乳化嚴重，采用機械方法進行預脫水有諸多不便，通過選用高效預脫水劑，在進站溫度下，采出液中80％以上的汙水實現預分離，分出的汙水含油在100mg/L左右，可直接進入汙水處理系統，節省了大量的天然氣和破乳劑，並且工藝改動量小、投資少、易推廣應用［9］。遼河油田通過大量室內試驗，研制出了預脫水劑，在原有設備基礎上優化工藝流程，在進站不加熱的條件下分出遊離水，再進行後續處理，取消壹段加熱，節省了大量破乳劑，經濟效益明顯，全公司推廣後，每年可節省操作費用4000萬～5000萬元。
化學藥劑的引入，導致預分水費用增加，後續汙水處理難度加大，如何趨利避害，有待深入研究。
6 預分水技術的發展方向
目前各油田采用的預分水技術在壹定程度上起到了預分水的效果，但這些技術的主要控制指標是原油含水，對分出水中含油則限制較少，造成分出汙水含油高達1000mg/L左右，這樣汙水處理系統需要進行壹級除油、二級沈降加過濾的復雜處理工藝才能使汙水水質達標，汙水系統占地、設施投資和運行費用很高。預分水技術未來主要向以下方向發展：
1）加速高效油水分離設備、分離技術的研制和推廣。
2）在研制高效預分水設備時，更加註重降低分出汙水中含油指標的研究。
3）向各種技術的集成化、壹體化、小型化、低投資和低成本方向發展，如旋流、氣浮、沈降、聚結等的優化集成，物理、化學和生物方法的綜合應用等，以發揮不同技術、手段的優點，擴寬預分水技術的使用範圍，提高預分水設備的穩定性和處理效果。
基於此，筆者正在開展新型壹體化預分水除油技術研究，通過綜合應用旋流、氣浮、聚集和三相分離等技術，將預分水與汙水除油功能有機結合，形成壹體化裝置，在高效預分水的同時，強化汙水除油功能，改善出水水質，使出水含油降到15mg/L以下，從而簡化後段處理工藝，減少投資和運行費用等。該項研究目前進展順利，室內試驗已達到預期效果，現場試驗正按計劃進行，專利成果也正在申報中。
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