大慶油田地下水處理工藝

陳鵬

（大慶油田建設設計研究院，黑龍江大慶163712）

大慶油田地下水處理工藝

陳鵬

（大慶油田建設設計研究院，黑龍江大慶163712）

為了彌補偏遠區(qū)塊采出水量少，無法滿足注水量的需求，進行了大慶油田地下水用于回注處理工藝及技術的試驗及研究。全面介紹了大慶油田地下水處理工藝及其處理效果，并在設計資料及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的基礎上進行了對比分析，總結出了分別達到低滲透地層及特低滲透地層要求的典型工藝：在16種地下水低滲透處理工藝中，錳砂過濾-雙層膨脹纖維精細過濾的處理效果最優(yōu)；在7種地下水特低滲透處理工藝中，聚氯乙烯合金化中空纖維膜的處理效果相對較好，特低滲透處理工藝均存在不能穩(wěn)定達標的現(xiàn)象，有待于進一步研究。

大慶油田；地下水；回注處理工藝；低滲透；特低滲透；膜過濾

大慶油田目前已建302座水處理站，按照其處理的水源可以分為3類：采出水處理站、地下水處理站和地面污水處理站。近些年，針對大慶油田采出水處理方面的研究報道較為豐富和全面［1－3］，但是針對地下水處理方面的報道僅局限于處理單元及特殊水質(zhì)的處理工藝方面，例如油田開發(fā)初期針對地下水除鐵工藝，朝陽溝油田采用磁分離技術處理地下水中鐵和懸浮固體等［4］，而對大慶油田地下水處理工藝、效果等全面的分析研究則少見報道。本文以設計資料及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為基礎，全面介紹了大慶油田地下水處理工藝種類及其處理效果；并通過對比分析，總結出了達到不同水質(zhì)指標的典型工藝，為油田地下水處理工藝的標準化設計提供指導。

1 地下水水質(zhì)及注水水質(zhì)要求

大慶油田目前已建地下水處理站85座，集中分布于外圍采油廠，所屬區(qū)塊地處偏遠，且采出水水量無法滿足注水量需求，需要以地下水作為補充水源。水源取自第三系、第四系和白堊系等深層地下水，主要含有Na＋和K＋，以及少量的Ca2＋、Mg2＋和Cl－，呈弱堿性狀態(tài)，水質(zhì)清澈，礦化度在896～1584mg／L之間，平均值為1133mg／L。

大慶外圍油田的地質(zhì)條件相對較差，屬于低滲透油層，部分區(qū)塊甚至屬于特低滲透。地下水經(jīng)處理后回注地下，執(zhí)行QSY DQ0605—2006《大慶油田油藏水驅(qū)注水水質(zhì)指標及分析方法》指標要求。由于地層條件對回注水水質(zhì)的要求不同，因此需要采用相應的處理工藝達到不同的注水水質(zhì)要求。

2 地下水低滲透處理工藝

2.1 處理工藝

大慶油田采用地下水低滲透處理工藝的處理站共計64座，設計出水達到QSY DQ0605—2006第4.2條低滲透層ρ（懸浮固體）≤3 mg／L，粒徑中值≤2 μm的回注水水質(zhì)指標的要求，處理能力合計18.9×104m3／d。64座地下水低滲透處理主要采用三級過濾，處理工藝流程見圖1，地下水低滲透處理工藝詳細情況見表1。

圖1 地下水低滲透處理工藝流程Fig.1Process flow of underground water low permeable treatment

表1 地下水低滲透處理工藝Tab.1Underground water low permeable treatment processes

雖然大慶油田低滲透地下水處理工藝種類繁多，但是經(jīng)過多年來不斷實踐和探索，主要形成了4種常用處理工藝，分別是錳砂過濾-雙層膨脹纖維過濾、錳砂過濾-纖維球過濾、錳砂過濾-纖維束過濾和錳砂過濾-核桃殼過濾-纖維球過濾處理工藝，其建站數(shù)量合計占69%，處理能力合計占61%。

水中含有過量的鐵將導致懸浮固體含量升高，因此，地下水首先經(jīng)過錳砂過濾除鐵后，再依次經(jīng)過二級或者三級精細過濾，實現(xiàn)地下水中懸浮固體及粒徑中值的達標處理。

2.2 除鐵效果

國內(nèi)地下水中鐵的質(zhì)量濃度一般多在5～15 mg／L之間，有的達到20～30 mg／L，超過30 mg／L的比較少。根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測結果，大慶油田地下水鐵的質(zhì)量濃度在0.3～9.0 mg／L之間，平均質(zhì)量濃度為1.5 mg／L，僅九廠古龍油田和十廠朝陽溝油田部分區(qū)塊的地下水含鐵量稍高，地下水處理站除鐵工藝處理效果見表2。

由表2可知，大慶油田地下水除鐵工藝的處理效果較好，出水鐵的質(zhì)量濃度在0.1～0.5 mg／L之間，平均值為0.3 mg／L，達到了QSY DQ605—2006中有關含鐵量控制指標（ρ（鐵）≤0.5 mg／L）的要求。

2.3 懸浮固體和粒徑中值處理效果

根據(jù)對常用地下水低滲透處理工藝水質(zhì)多次監(jiān)測結果，4種常用處理工藝對懸浮固體和粒徑中值的處理效果見表3。

表2 地下水處理站除鐵工藝處理效果Tab.2Iron removal effect of underground water treatment stations

表3 對懸浮固體和粒徑中值的處理效果Tab.3Removal effect on suspended solid and median particle diameter

由表3可知：①地下水原水的懸浮固體質(zhì)量濃度在1.6～11.1 mg／L之間，平均值為4.9 mg／L。經(jīng)一級錳砂和二級過濾處理后達到了出水懸浮固體質(zhì)量濃度不大于3 mg／L的控制指標，整體去除率達到53%；其中雙層膨脹纖維過濾效果最好，纖維束過濾和纖維球過濾效果稍弱；八廠的個別處理站采用了三級過濾處理工藝，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為1.4 mg／L，同樣達到低滲透層出水控制指標。②來水粒徑中值在0.7～2.3 μm之間，平均值為1.6 μm。經(jīng)過處理后在0.7～1.8 μm之間，平均值為1.2 μm，達到低滲透層出水粒徑中值不大于2.0 μm的控制指標。

綜上所述，常用4種地下水低滲透處理工藝均可以達到出水控制指標，通過處理效果對比分析可知，錳砂過濾-雙層膨脹纖維過濾的處理流程簡單，且水質(zhì)處理效果最好，推薦其作為地下水低滲透的典型處理工藝。

3 地下水特低滲透處理工藝

3.1 處理工藝

將已經(jīng)處理滿足ρ（懸浮固體）≤3 mg／L，粒徑中值≤2 μm指標的地下水再次進行精細過濾，設計出水達到QSY DQ0605—2006標準第4.2條特低滲透層ρ（懸浮固體）≤1 mg／L，粒徑中值≤1 μm的回注水水質(zhì)指標，處理能力合計3.3×104m3／d。大慶油田采用地下水特低滲透處理工藝見表4。

表4 地下水特低滲透處理工藝Tab.4Underground water extra-low permeable treatment processes

大部分特低滲透處理工藝采用了膜過濾的方式進行精細處理，也有部分采用了纖維過濾和顆粒濾料過濾。由表4可知，較為常用的特低滲透處理工藝有4種：聚偏氟乙烯中空纖維膜過濾、磺化聚醚砜中空纖維膜過濾、聚四氟乙烯膜過濾和金屬膜過濾。

3.2 懸浮固體和粒徑中值處理效果

地下水特低滲透處理工藝水質(zhì)處理效果見表5。

表5 地下水特低滲透處理工藝水質(zhì)處理效果Tab.5Effect of underground water extra-low permeable treatment

由表5可知，特低滲透處理工藝上游來水的懸浮固體的質(zhì)量濃度在1.4～3.5 mg／L之間，平均值為2.5 mg／L，粒徑中值在0.7～3.8 μm之間，平均值為1.6 μm，基本符合要求，部分來水水質(zhì)略微超標，主要因為管路輸送摻混雜質(zhì)。特低滲透處理工藝出水懸浮固體質(zhì)量濃度在0.2～2.2 mg／L之間，平均值為1.0 mg／L，粒徑中值在0.2～1.3 μm之間，平均為0.8 μm。不同的處理工藝出水水質(zhì)較為接近，大部分可以達標，但懸浮固體濃度不能穩(wěn)定達標。

3.3 特低滲透處理工藝綜合對比評價

為了更全面地對比分析各類特低滲透處理工藝，從不同工藝的原理、處理效果和優(yōu)缺點等方面進行綜合對比評價。

3.3.1 聚偏氟乙烯中空纖維膜過濾

聚偏氟乙烯中空纖維膜是在其他水處理行業(yè)中最早應用的超濾膜之一［5］，具有機械強度高，化學穩(wěn)定性好的特點，屬于疏水性膜。隨著膜孔徑的不斷減小，膜對相對分子質(zhì)量低的物質(zhì)結合就越牢固。過濾精度為0.05～0.22 μm，屬于超濾膜。應用于大慶油田九廠和十廠，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為1.4 mg／L，粒徑中值平均為0.5 μm，懸浮固體無法穩(wěn)定達標。該工藝優(yōu)點是使用經(jīng)驗豐富，缺點是水質(zhì)不穩(wěn)定。

3.3.2 聚四氟乙烯膜過濾

聚四氟乙烯膜是以聚四氟乙烯為原料，采用特殊工藝，經(jīng)壓延、擠出、雙向拉伸等方法制成的微孔性薄膜，屬于非對稱性膜，膜的正反面微孔尺寸有差異，較少被應用到水處理行業(yè)，通常用于化工、醫(yī)學、服裝和電子領域［6］。過濾精度為0.1～10 μm，屬于微濾膜。應用于大慶油田七廠和八廠，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為0.6 mg／L，粒徑中值平均為0.6 μm，過濾效果較好，但懸浮固體和粒徑中值都無法穩(wěn)定達標。該工藝優(yōu)點是處理效果較好，缺點是使用經(jīng)驗少，生產(chǎn)成本高，水質(zhì)不穩(wěn)定。

3.3.3 磺化聚醚砜中空纖維膜過濾

磺化聚醚砜中空纖維膜是在其他水處理行業(yè)較早出現(xiàn)的超濾膜之一，由聚醚砜經(jīng)磺化后制得，提高了親水性和抗污染能力，同時不降低機械性能［7］。過濾精度為0.01 μm，屬于超濾膜。應用在大慶油田五廠，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為0.9 mg／L，粒徑中值平均為1.1 μm，粒徑中值略微超標。該工藝優(yōu)點是使用經(jīng)驗豐富，缺點是水質(zhì)不穩(wěn)定。

3.3.4 聚氯乙烯合金化中空纖維膜過濾

聚氯乙烯合金化中空纖維膜近些年研究較多，是將聚氯乙烯通過“合金化”改性，開發(fā)出的超濾膜［8］。過濾精度為0.01 μm，屬于超濾膜。應用在大慶榆樹林油田，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為0.8 mg／L，粒徑中值為0.7 μm，兩者全部達標。該工藝優(yōu)點是原材料成本低廉，能耗低，出水達標，缺點是應用較少。

3.3.5 金屬膜過濾

金屬膜由鈦、鎳、不銹鋼等金屬材質(zhì)制成，具有機械強度高、無相變操作的特點［9］。過濾精度為1.0 μm，屬于微濾膜。應用于大慶油田九廠，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為1.1 mg／L，粒徑中值平均為0.9 μm，懸浮固體和粒徑中值都無法穩(wěn)定達標。該工藝優(yōu)點是機械強度高，占用空間小，缺點是耗電量大，建設費用高，水質(zhì)不穩(wěn)定。

3.3.6 金剛砂過濾

金剛砂屬于顆粒濾料，特點是顆粒細小、密度大、機械強度高，粒徑為0.1～0.2 mm，填裝厚度為1 150 mm，濾速不超過4.0 m／h，通過較低的過濾速度滿足出水效果［10］。應用于大慶油田十廠，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為0.9 mg／L，粒徑中值平均為1.3 μm，粒徑中值超標。該工藝優(yōu)點是運行費用和建設費用均低，缺點是應用少，粒徑中值超標。3.3.7雙層膨脹纖維過濾

雙層膨脹纖維濾芯采用不銹鋼為里層集水管，外層為可松緊有彈性的化纖噴溶彈性絲，經(jīng)特殊牽引工藝纏繞而成［11］。根據(jù)制造工藝不同過濾精度不同，普遍用于地下水低滲透處理站的過濾精度為2.0 μm，在特低滲透處理站的過濾精度為1.0 μm，屬于微濾膜。特低滲透處理工藝應用于大慶榆樹林油田，出水懸浮固體平均質(zhì)量濃度為1.3 mg／L，粒徑中值平均為0.8 μm，懸浮固體超標。該工藝優(yōu)點是運行費用和建設費用均低，缺點是過濾性能不穩(wěn)定，水質(zhì)周期短，自耗水量大，懸浮固體超標。

綜上所述，盡管聚氯乙烯合金化中空纖維膜工藝在大慶油田應用較少，但從處理效果、運行費用和建設成本等方面綜合評價，其具有顯著優(yōu)勢，是目前相對較好的地下水特低滲透處理工藝。

4 結論

（1）大慶油田地下水低滲透處理工藝普遍采用錳砂過濾-二級或者三級精細過濾，常用的4種處理工藝均可以達到ρ（懸浮固體）≤3 mg／L，粒徑中值≤2 μm的回注水水質(zhì)指標要求。在16種工藝中，由于錳砂過濾-雙層膨脹纖維過濾處理流程簡單且水質(zhì)處理效果好，推薦其為大慶油田地下水低滲透典型處理工藝，指導油田地下水低滲透的標準化設計。

（2）大慶油田地下水特低滲透處理通常采用膜過濾工藝，7種處理工藝均不能穩(wěn)定達到ρ（懸浮固體）≤1 mg／L，粒徑中值≤1 μm的回注水水質(zhì)指標要求。相對而言，聚氯乙烯合金化中空纖維膜工藝處理效果較好，運行費用和建設成本較低，是目前較優(yōu)的特低滲透處理工藝。

（3）建議對特低滲透處理工藝進行量化對比研究，從膜通量、反洗消耗和周期、膜壽命、建設投資、運行成本等進行全面的對比分析，優(yōu)選出地下水特低滲透典型處理工藝。

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Underground water treatment process in Daqing oilfield

Chen Peng
（Daqing Oilfeild Construction Design and Research Institute,Daqing 163712,China）

Isolated areas usually get little produced water in Daqing oilfield,in order to meet the demande of wate injection,underground water was used as reinjection water with the related processes and techniques tested and studied at the same time.The underground water treatment process and its effect were comprehensively introduced;the comparative analysis was carried out based on the design data and the field test data;the typical processes that met the requirement of low permeable formation and extra-low permeable formation respectively were summarized.Among the 16 kinds of underground water low permeable treatment processes,the treatment effect of manganese sand filtration-double expansion fibler fine filtration was the best;for extra-low permeable treatment of underground water,PVC alloy hollow fiber UF membrane showed the relatively good performance among 7 kinds of processes,the effluent water quality treated by all kinds of extra-low permeable treatment processes can not reach the standard stably,that means thoses processes still needs further research.

Daqing oilfield;underground water;reinjection water treatment process;low permeability;extra-low permeability;membrane filtration

X703.1

A

1009－2455（2016）06－0006－06

陳鵬（1983－），男，黑龍江大慶人，工程師，碩士研究生，主要從事油田水處理研究及設計工作，（電話）0459-5903755（電子信箱）chenp_dod＠petrochina.com.cn。

2016-07-16（修回稿）