海上油田回注水超濾工藝的研究及應(yīng)用

劉富有，趙慶凱，李強(qiáng)，胡冠濤中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300457

海上油田回注水超濾工藝的研究及應(yīng)用

劉富有，趙慶凱，李強(qiáng)，胡冠濤
中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300457

渤海某油田對(duì)回注水水質(zhì)要求較高，目前海上油田傳統(tǒng)的水處理技術(shù)已不能滿足該油田回注水水質(zhì)的處理要求。結(jié)合陸上低滲油田開(kāi)發(fā)回注水的超濾處理技術(shù)，該油田對(duì)預(yù)處理后的回注水采用膜技術(shù)進(jìn)行精濾，并初步擬定了超濾注水流程。為保證流程的可靠性，通過(guò)對(duì)膜元件的試驗(yàn)篩選，最終確定了以功能化無(wú)機(jī)超濾膜為核心的超濾工藝流程，并根據(jù)其特點(diǎn)對(duì)初期擬定的超濾工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。該工藝在國(guó)內(nèi)海上油田開(kāi)發(fā)中首次應(yīng)用，取得良好效果，可為海上類似低滲油田的開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

海上油田；超濾流程；工藝優(yōu)化；含油污水

海上油田含油污水的處理主要是針對(duì)水中的油以及固體懸浮物，國(guó)內(nèi)外普遍采用“三段式處理工藝”，即斜板除油-氣浮除油-核桃殼過(guò)濾預(yù)處理與纖維球精細(xì)過(guò)濾組合的處理工藝。但傳統(tǒng)工藝對(duì)含油污水中的乳化油、細(xì)微顆粒懸浮物以及細(xì)菌去除效果有限，產(chǎn)水指標(biāo)大多只能達(dá)到SY/T5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》［1］中B1及以下等級(jí)，對(duì)回注水要求較高的低滲油田已無(wú)法適用［2-3］。

渤海某油田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中要求回注水水質(zhì)達(dá)到SY/T 5329-2012中A2等級(jí)，即含油量≤6 mg/L，懸浮物含量≤2 mg/L，懸浮物中值粒徑≤1.5μm。因此需要對(duì)海上油田的回注水進(jìn)行精細(xì)過(guò)濾。結(jié)合陸上低滲油田開(kāi)發(fā)回注水的超濾處理工藝，該油田對(duì)預(yù)處理后的回注水采用膜技術(shù)進(jìn)行精濾。為保證該注水工藝在國(guó)內(nèi)海上油田首次應(yīng)用成功，經(jīng)過(guò)綜合分析多種膜元件的特性，最終確定了以功能化無(wú)機(jī)超濾膜為精濾核心的工藝流程，并根據(jù)該膜的特點(diǎn)對(duì)初期確定的超濾工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。該超濾注水工藝流程的應(yīng)用可為海上平臺(tái)類似油田開(kāi)發(fā)中回注水的處理工藝提供經(jīng)驗(yàn)。

1 超濾流程方案

根據(jù)工程開(kāi)發(fā)方案的前期調(diào)研，參照陸地低滲油田精細(xì)回注水處理的工藝流程，擬定了超濾工藝流程，其工藝流程如圖1所示。

經(jīng)過(guò)斜板除油器、氣浮選機(jī)、核桃殼過(guò)濾器、雙介質(zhì)過(guò)濾器預(yù)處理后的含油污水，經(jīng)過(guò)冷卻器降溫后，通過(guò)改性纖維球過(guò)濾器去除部分懸浮物和油類物質(zhì)，然后進(jìn)入一級(jí)燒結(jié)管過(guò)濾器（過(guò)濾元件采用無(wú)機(jī)膜）去除大部分懸浮物和石油類污染物，再進(jìn)入二級(jí)超濾裝置（過(guò)濾元件采用有機(jī)膜）進(jìn)一步過(guò)濾，最后出水滿足低滲油田回注水的水質(zhì)要求［4-6］。

圖1　原超濾系統(tǒng)流程

2 超濾流程試驗(yàn)研究

根據(jù)初步擬定的超濾注水工藝，一級(jí)微孔燒結(jié)管過(guò)濾器的過(guò)濾元件采用無(wú)機(jī)膜，從金屬膜、陶瓷膜或功能化無(wú)機(jī)超濾膜中篩選。二級(jí)超濾裝置的過(guò)濾元件采用有機(jī)膜，從中空纖維超濾膜和管式超濾膜中篩選［7-10］。

2.1膜元件的初步篩選

為了準(zhǔn)確地篩選膜組件，取相近海上在役平臺(tái)核桃殼過(guò)濾器的出水作為試驗(yàn)原水，分別經(jīng)過(guò)各膜元件過(guò)濾，過(guò)濾后的水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　不同膜元件過(guò)濾后水質(zhì)

從表1可以看出，鈦合金膜對(duì)含油量及懸浮物（SS）的去除率不高，且其過(guò)濾方式為死端過(guò)濾，膜污染后不容易清洗，因此下一步不再考慮鈦合金膜。中空纖維超濾膜、陶瓷膜、管式超濾膜、功能化無(wú)機(jī)超濾膜對(duì)油含量、懸浮物的去除率較高，考慮到中空纖維超濾膜不適合高溫（40℃以上）水處理，而陶瓷膜、管式超濾膜及功能化無(wú)機(jī)超濾膜能夠耐高溫（一般能耐55℃），因此優(yōu)選陶瓷膜、管式超濾膜和功能化無(wú)機(jī)超濾膜作為備選對(duì)象。

2.2全流程模擬平臺(tái)處理設(shè)施動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

為了更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)情況，進(jìn)行全流程模擬平臺(tái)含油污水處理設(shè)施的試驗(yàn)，其工藝流程如圖2所示?？紤]到含鹽量對(duì)膜元件的影響，在本次配水時(shí)，向原水中投加礦物離子。

圖2　全流程模擬平臺(tái)含油污水處理動(dòng)態(tài)試驗(yàn)工藝流程

通過(guò)全流程模擬試驗(yàn)對(duì)比，陶瓷膜和功能化無(wú)機(jī)超濾膜在相同條件下，功能化無(wú)機(jī)超濾膜由于表面具有抗污染層，在不加反洗和化學(xué)清洗的情況下，可連續(xù)運(yùn)行130 h，而普通的陶瓷膜在運(yùn)行48 h后通量衰減嚴(yán)重，基本不能產(chǎn)水。

陶瓷膜及功能化無(wú)機(jī)超濾膜在0.1 MPa下通量變化曲線如圖3所示。從通量來(lái)看，普通的陶瓷膜通量和功能化無(wú)機(jī)過(guò)濾膜初始通量基本一樣，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，普通陶瓷膜的通量衰減很快，而功能化無(wú)機(jī)超濾膜的通量在230 L/（m2·h）。

圖3　陶瓷膜及功能化無(wú)機(jī)超濾膜通量變化

從產(chǎn)水水質(zhì)來(lái)看，經(jīng)兩種膜過(guò)濾后的水都能達(dá)到回注水水質(zhì)A2標(biāo)準(zhǔn)的要求，含油量對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)功能化無(wú)機(jī)超濾膜過(guò)濾后的產(chǎn)水的含油量小于3 mg/L，經(jīng)陶瓷膜過(guò)濾的產(chǎn)水的含油量小于5 mg/L。經(jīng)功能化無(wú)機(jī)超濾膜過(guò)濾的產(chǎn)水水質(zhì)略好于陶瓷膜。經(jīng)功能化無(wú)機(jī)超濾膜的產(chǎn)水水質(zhì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而升高，而經(jīng)陶瓷膜過(guò)濾的產(chǎn)水含油量在膜污堵后反而降低，這就說(shuō)明功能化無(wú)機(jī)超濾膜的污染是在膜表面，而沒(méi)有滲透到膜里面；而陶瓷膜的污堵污染物直接把膜的孔徑堵死。功能化無(wú)機(jī)超濾膜由于膜表面存在親水疏油層，使得污染物只留在膜表面，這樣的結(jié)構(gòu)也便于膜元件清洗和通量的恢復(fù)。

圖4　經(jīng)陶瓷膜及功能化無(wú)機(jī)超濾膜過(guò)濾的產(chǎn)水含油量

2.3功能化無(wú)機(jī)超濾膜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)功能化超濾膜的過(guò)濾水質(zhì)和膜通量方面均優(yōu)于其他膜元件，為驗(yàn)證該膜在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的效果，選擇在海上平臺(tái)進(jìn)行功能化無(wú)機(jī)超濾膜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.3.1穩(wěn)定性試驗(yàn)

功能化無(wú)機(jī)超濾膜的中試裝置安裝調(diào)試后，設(shè)定中試裝置的跨膜壓差最大值為0.1 MPa，膜面流速為5 m/s，流量為1 m3/h，進(jìn)水水溫為40～50℃。經(jīng)過(guò)幾天的連續(xù)試驗(yàn)，出水水質(zhì)的化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，經(jīng)化驗(yàn)分析均滿足項(xiàng)目注水水質(zhì)要求。中試裝置運(yùn)行狀況基本穩(wěn)定，處理量穩(wěn)定在1 m3/h左右。

2.3.2跨膜壓差和進(jìn)水溫度對(duì)膜通量的影響

對(duì)功能化無(wú)機(jī)超濾膜壓差和進(jìn)水溫度對(duì)膜通量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果分別如圖6、7所示。

由圖6可以看出，在過(guò)濾過(guò)程中，膜通量隨跨膜壓差的增加而增大，但膜通量的衰減速度隨跨膜壓差的增加而增加。這是因?yàn)殡S著跨膜壓差的增大，膜過(guò)濾過(guò)程的推動(dòng)力增加，從而膜通量增加，同時(shí)較大的跨膜壓差會(huì)使得采出水中的油滴、懸浮物等在膜孔或者膜面的沉積速度增加，甚至可以將油滴、懸浮物等擠入膜孔內(nèi)，造成膜孔堵塞，使得膜污染速度加快，導(dǎo)致膜通量衰減較快。

圖5　中試裝置出水水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

圖6　跨膜壓差對(duì)超濾膜通量的影響

圖7　進(jìn)水溫度對(duì)超濾膜通量的影響

溫度對(duì)膜通量的影響非常重要，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論在壓力控制區(qū)還是傳質(zhì)控制區(qū)，升高溫度都能提高膜通量。在試驗(yàn)中，通過(guò)加熱器對(duì)進(jìn)水水溫進(jìn)行控制，并在保持跨膜壓差0.1 MPa，膜面流速為5 m/s不變情況下，考察膜通量隨溫度的變化關(guān)系。從圖7可以看出，溫度對(duì)膜通量的影響較為顯著。通量與溫度近似成線性關(guān)系。這是由于隨著料液溫度的升高，黏度減小，膜過(guò)濾的傳質(zhì)阻力減小，從而提高膜通量。另一方面，溫度的升高同時(shí)使得料液的擴(kuò)散能力得到提升，這也是膜通量得以提高的原因。

對(duì)鈦合金膜、陶瓷膜、功能化無(wú)機(jī)超濾膜、中空纖維膜、管式超濾膜的性能進(jìn)行了分析以及試驗(yàn)研究，最終推薦以功能化無(wú)機(jī)超濾膜為核心膜元件的超濾裝置。功能化無(wú)機(jī)超濾膜具有以下特點(diǎn)：其一，滲透阻力小，抗污染。其二，耐溫性好，可承受操作溫度達(dá)80℃，從而提高清潔效率和減少化學(xué)品消耗。其三，經(jīng)膜過(guò)濾后產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)含油量均＜5 mg/L，懸浮物含量＜1 mg/L，粒徑中值＜0.5 μm，能夠滿足本項(xiàng)目回注水質(zhì)要求。

3 超濾方案優(yōu)化

根據(jù)功能化無(wú)機(jī)超濾膜的上述特點(diǎn)，采用功能化無(wú)機(jī)超濾膜進(jìn)行一級(jí)過(guò)濾，即可滿足本油田回注水水質(zhì)要求，并且其耐溫性好，操作溫度可達(dá)80℃，因而對(duì)原超濾流程方案進(jìn)行了優(yōu)化，取消了原流程中的換熱器、改性纖維球過(guò)濾器及二級(jí)超濾過(guò)濾裝置，優(yōu)化后的超濾系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8　優(yōu)化后的超濾系統(tǒng)流程

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述優(yōu)化方案，在該渤海油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中進(jìn)行了精細(xì)注水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建造工作，其裝置如圖9所示。目前該系統(tǒng)已投用，流程設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)平臺(tái)化驗(yàn)室檢測(cè)，功能化無(wú)機(jī)超濾膜過(guò)濾器進(jìn)水的含油量為18 mg/L，懸浮物含量為7 mg/L；經(jīng)過(guò)濾后其濾器出口水的含油量＜5 mg/L，懸浮物含量＜1 mg/L，提高了平臺(tái)回注水的水質(zhì)，達(dá)到了預(yù)期效果。目前該系統(tǒng)已投用，流程設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，出水指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)SY/T5329-2012中A1等級(jí)。

圖9　超濾裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

目前雖然中海油低滲油田探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量分別占中海油總探明儲(chǔ)量和總產(chǎn)量的比例較小，但隨著世界原油需求的增長(zhǎng)，低滲油田的開(kāi)采勢(shì)在必行。相對(duì)于傳統(tǒng)海上油田生產(chǎn)水的深度處理方法，本文介紹的超濾處理技術(shù)產(chǎn)水水質(zhì)好，效率高，在海上低滲油田生產(chǎn)水處理中具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］SY/T 5329-2012，碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法［S］.

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Research and Application of Reinjection Water Ultrafiltration Technique in Offshore Oilfield

LIU Fuyou，ZHAO Qingkai，LIQiang，HU Guantao
CNOOC（China）Co.，Ltd.Tianjin Branch，Tianjin 300457，China

A certain Bohai oilfield requires higher quality of reinjection water，but current traditional water treatment technology for offshore oilfields can not satisfy the requirement.Based on the reinjection water ultrafiltration technique used in land low permeability oilfields，this offshore oilfield adopts membrane fine filtration technique for pretreated reinjection water and maps out primary ultrafiltration water reinjection process flow.In order to ensure the reliability of the process flow，selection and test of membrane elements are conducted and the ultrafiltration process flow in which the functional inorganic ultrafiltration membrane as the core is finally determined，then the primary ultrafiltration process flow is optimized.The first application of this process in domestic offshore oilfield is successful and provides valuable experience for offshore low permeability oilfield development.

offshore oilfield；ultrafiltration process flow；process optimization；oily wastewater

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.015

劉富有（1983-），男，天津人，工程師，2005年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院內(nèi)燃機(jī)制造與維修專業(yè)，現(xiàn)從事海洋工程建設(shè)工作。

Email：38719587@qq.com

2015-08-10；

2016-01-15