陶瓷膜處理低滲透油田采出水的研究與改進

劉歡

摘要：采用膜法技術對油田采出水進行處理在全球范圍內(nèi)已運用了多年。隨著我國油田普遍完成第一次采油，相關法律法規(guī)對二、三次采油階段的采出水回注標準逐漸提高，引入陶瓷膜材料對膜法采出水技術進行改良成為當下我國油田采出水工作中的重點。本文通過對膜分離技術、陶瓷膜材料處理技術、陶瓷膜污染及清洗技術等進行分析和總結(jié)，介紹了利用陶瓷膜材料對低滲透油田采出水的應用方法和應用進展，對陶瓷超濾膜處理油田采出水工藝參數(shù)的優(yōu)化方法進行了論述。

關鍵詞：陶瓷膜;低滲透油田;油田采出水;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TQl74.75⁺2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0017-03

業(yè)界通常將油層儲層滲透率低、豐度低且單井產(chǎn)油能力較差的油田稱為低滲透油田。該類油田在我國分布廣泛，其總儲量占我國全國油田總儲量的四分之一。隨著我國油田的采油工作普遍進行第二、三階段，該類型油田的開發(fā)比例正處于逐年上升狀態(tài)，2018年該類型油田開發(fā)比例占總開發(fā)比例的40%以上。針對低滲透油田的開發(fā)優(yōu)化工作成為現(xiàn)階段我國油田開發(fā)工作中的重點。

油田采出水指的是，利用脫水轉(zhuǎn)油站對油田采出液進行脫水和脫鹽處理后所得的廢水。我國油田每年約產(chǎn)生近7億噸的油田采出水，其中的絕大部分需回注地層。然而，經(jīng)脫水轉(zhuǎn)油站初步處理得到的廢水中含有較多的細菌、破乳劑和懸浮物等，且通常具有較高的溫度，需要通過陶瓷膜等材料或技術進行二次處理。膜分離技術是當下全球范圍內(nèi)進行采出水處理工作主要使用的技術和方法，通過膜類材料對脫水轉(zhuǎn)油站排水的廢水進行處理，能夠有效保證采出水的質(zhì)量及注水壓力，不會堵塞油層孔隙孔喉。

研究根據(jù)實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗及實驗，對采用陶瓷膜超濾技術的油田采出水工藝進行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化后的參數(shù)，可供其他同行業(yè)工作人員參考。

1陶瓷膜技術簡介

通過特殊的加工工藝，將無機陶瓷材料（主要有ZrO2、SiO2等）加工成一種呈管狀且管壁密布微孔的不對稱膜，這種膜能夠保證一定大小的物質(zhì)通過，從而對液體中的其余物質(zhì)進行攔截，最終達到對某類液體進行分離、提純的目的。這一技術被人們稱之為陶瓷膜超濾技術。陶瓷膜超濾技術最早由日本某企業(yè)引入中國市場，目前已廣泛應用于生物、食品、藥物、石油化工等行業(yè)。

陶瓷膜材料用于處理低滲透油田采出水的優(yōu)勢主要有：①得益于其優(yōu)秀的親水憎油特性，陶瓷膜在對油田采出水進行過濾的工作中能夠有效防止有幾類物質(zhì)的污染;②由于該類材料具有極其穩(wěn)定的化學特性，不會與強酸、強堿或強氧化性試劑發(fā)生化學反應，因此能夠被該類清洗劑清洗;③陶瓷膜本身具有較高的機械強度，能夠應對高溫狀態(tài)下的采出水以及高壓清洗氣體;④經(jīng)過陶瓷膜進行超濾后的采出水擁有良好的水質(zhì)，能夠滿足較為嚴格的政策標準要求;⑤采用陶瓷膜為過濾材料的過濾裝置通常具有壽命長、產(chǎn)地面積小且不需要過多配套設施的優(yōu)勢。

2陶瓷超濾膜工作流程

超濾膜的工作方式通常有兩種：①錯流過濾，該方法能夠有效降低陶瓷膜表面出現(xiàn)濃差極化效應，從而保證濃水循環(huán)能夠一直處于大比例狀態(tài);②死端過濾，該方法主要適用于采出水中所含固體比例較低時的過濾工作。通過實際工作條件下的實驗發(fā)現(xiàn)，死端過濾工作會較快造成陶瓷膜表面通量的下降，且由于該方法易造成清洗難度的提升，固本研究采取錯流過濾形式對采出水進行處理。工藝流程如圖1所示。

按圖1設計的流程，利用脫水轉(zhuǎn)油站對油田采出液進行處理后得到原水，左側(cè)為普通采出水處理流程及主系統(tǒng)，右側(cè)為使用了陶瓷膜技術的二氧化鋯陶瓷超濾膜組處理實驗流程。循環(huán)泵是實驗組流程中的能耗最大的環(huán)節(jié)或部件，其理論值基本等于循環(huán)流量x工作壓力。對于某固定油田采出水處理管道阻力系統(tǒng)來說，其工作壓力數(shù)值的大小主要取決于原水在系統(tǒng)中的流速或流量。因此，流程優(yōu)化工作的主要參考標準為原水循環(huán)流速以及排污比例，值越高則系統(tǒng)處理效率越高。

3陶瓷超濾膜反沖洗方式與工藝優(yōu)化

錯流過濾方式能夠有效降低陶瓷膜表面出現(xiàn)濃差極化效應。然而，隨著過濾工作的進行，陶瓷膜的表面仍不可避免地形成一層凝膠層，此時需要針對表面凝膠層進行反沖洗，從而使陶瓷膜恢復正常通量;系統(tǒng)長期工作后，陶瓷膜表面與膜內(nèi)部的孔道中會逐漸因為污染物的聚集而形成垢層，此時則需要通過對垢層進行化學清晰，從而使陶瓷膜恢復正常通量。

經(jīng)實驗組長期運行與觀察可知，陶瓷膜的有效通量值在該膜運行很長一段時間后會出現(xiàn)明顯降低，即便經(jīng)過多次沖洗也無法改善。其主要原因在于，當系統(tǒng)進行過較多次數(shù)的反沖洗行為后，管道內(nèi)的反沖洗用水會因為長期接觸壓縮空氣而形成飽和溶液。飽和溶液中的溶解性氣體在進行陶瓷膜的內(nèi)孔道后，會因為壓力的降低而釋放，最終形成孔道氣栓，阻礙了系統(tǒng)原水流通，降低了管道通量，為應對反沖洗過程中造成的孔道氣栓，在反沖洗罐內(nèi)設置一種價格低廉、運行可靠的氣動脈沖裝置，該裝置能夠保證在對膜組進行反沖洗時不會將壓縮空氣滯留在陶瓷膜孔道中。經(jīng)過長時間運行實驗，反沖洗周期控制到一小時左右，遠遠超過過去90s的反沖洗周期。同時，膜通量的衰減最終控制在了9%以內(nèi)，通過反沖洗后可恢復99.5%以上。

4陶瓷超濾膜工作參數(shù)優(yōu)化

4.1循環(huán)流量與流速

陶瓷膜進行采出水過濾的過程中，無機物垢層的生長速度V無機小于有機物垢層的生長速度V有機。采用提高流速或使用堿洗的方式能夠有效抑制有機物垢層的生長，使之處于一穩(wěn)定低值。通過長期實驗觀察，以膜通量衰減程度20%為基準，對不同循環(huán)流量下對應的有效工作周期進行記錄，當流量達到855m³/h以上區(qū)間時，膜表面流速穩(wěn)定在5.0m/s;堿洗周期穩(wěn)定在155～185h范圍內(nèi)，可獲得最佳濾除效果。

4.2排污比例

排污比例數(shù)值的大小直接決定了對應的濃縮倍數(shù)的數(shù)值和能耗，采取錯流方式進行超濾時，排污比例與濃縮倍數(shù)、能耗等成反比，且排除的濃水量越大系統(tǒng)工作壓力越小。然而，隨著排除濃水量的不斷增加，工作主線的處理負荷也會不斷增加，因此，需要找到流量平衡點，既能保證獲得最佳排污量，又能使工作主線處的處理負荷不過高。經(jīng)長時間實踐觀察，發(fā)現(xiàn)當排污量數(shù)值為8m³/h以上時，系統(tǒng)工作周期穩(wěn)定，排污比例為22%，原水回收率為78%。

5存在的問題及今后改進方向

國內(nèi)外關于使用陶瓷膜對低滲透油田采出水進行超濾處理的研究已經(jīng)進行了多年，本研究基于國內(nèi)外學者理論研究和實際實驗，對超濾處理系統(tǒng)和流程進行了改進。改進后系統(tǒng)超濾效果良好，運行較為穩(wěn)定，但仍存在以下問題。

5.1處理規(guī)模問題

該系統(tǒng)處理規(guī)模達650m³/d-850m³/d，距離理想處理規(guī)模1000m³/d尚有一段距離。

5.2成本問題

系統(tǒng)從設計到運營總成本在180萬元左右，對于我國每年近7億噸的油田產(chǎn)出水處理量來說，成本太高。

6結(jié)語

本研究選擇陶瓷膜進行油田采出水超濾工作的主要材料，能夠滿足目前最為嚴格的含油量5mg/L、懸浮物1mg/L、懸浮物粒徑中值1um的5.1.1環(huán)保要求。通過幾年的實踐實驗，開發(fā)出一套能夠處理650m³/d到850m³/d的半生產(chǎn)型陶瓷膜超濾實驗裝置，通過在裝置中添加氣動脈沖裝置有效控制了陶瓷膜的衰減，提升了系統(tǒng)工作效率。同時得到了該系統(tǒng)處理低滲透油田采出水時的最佳參數(shù)：膜表面流速控制在4-5m/s;排污比例最佳設定值為22%左右。