低滲透油田回注水膜分離技術(shù)的研究

董立偉

（中油遼河油田公司興隆臺(tái)采油廠 遼寧盤錦 124011）

1 概述

低滲透油田回注水膜分離處理技術(shù)主要目的是將油田采油污水處理到《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》SY／T5329-94所推薦的A1級(jí)注水指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)采油污水的回用，節(jié)約淡水資源，減少污水外排和無效回注的費(fèi)用，最終促進(jìn)低滲透油藏的開發(fā)。膜分離（Membrane Separation）是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動(dòng)力的作用下，使原料中的某組分選擇性地透過膜，從而使混合物得以分離，達(dá)到提純、濃縮等目的的分離過程。由于采油污水的水質(zhì)復(fù)雜，難以處理，低滲透油田對回注水的水質(zhì)要求又很高，而本技術(shù)的研究與應(yīng)用成功攻克了這一壁壘，配合其他成熟處理技術(shù)，可以連續(xù)穩(wěn)定的將采油污水處理到優(yōu)于A1級(jí)的水質(zhì)要求，滿足注水系統(tǒng)對水質(zhì)水量的要求。

2 技術(shù)路線和工藝流程

2.1 低滲透油田回注水處理技術(shù)路線

在遼河油田污水處理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，低滲透油田回注水精細(xì)處理工藝流程如下：

圖1 低滲透油田回注水精細(xì)處理工藝流程簡圖

根據(jù)SY／T5329-94所推薦的A1級(jí)注水指標(biāo)，結(jié)合各處理單元流程特點(diǎn)，制定各單元出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

表1 各處理單元進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 膜分離裝置介紹

圖2 膜運(yùn)行工藝圖

3 膜分離技術(shù)的研究

3.1 膜性能的主要技術(shù)參數(shù)及特征

（1） 膜通量

膜通量是指在一定溫度和壓力條件下，在單位時(shí)間內(nèi)單位膜面積上透過的濾液的體積。在水處理過程中，其反應(yīng)了膜的處理能力。通常在實(shí)驗(yàn)室采用25℃、0.1MPa的壓力條件下采用純水進(jìn)行測試，其單位通常為：L/（m2.hr）。在水質(zhì)條件一定情況下，膜通量與膜的孔徑、開孔率有關(guān)。在能穩(wěn)定滿足出水水質(zhì)的條件下，膜通量越大越好。在膜面積一定情況下，膜出水水量與膜通量成正比。

（2）跨膜壓差

跨膜壓差是指在分離過程中膜兩側(cè)的壓力差，其反應(yīng)了膜透過水的難易程度。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常采取恒流量過濾，同時(shí)膜通量的數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確考察，通常觀測跨膜壓差的變化來了解膜的運(yùn)行狀態(tài)?？缒翰钆c膜通量正相關(guān)，在膜通量足以滿足生產(chǎn)水量的條件下，跨膜壓差越小，能耗越低，越有利于運(yùn)行管理和維護(hù)。 在一定壓力范圍，膜通量與跨膜壓差呈線型關(guān)系，當(dāng)跨膜壓差增加到一定值后膜天變化趨于平緩。膜被污染后，在同等膜通量條件下，跨膜壓差將增加。

（3）溫度

溫度對膜通量的影響很大，溫度越高膜通量越大。因油田采出水具有一定溫度，所以在設(shè)計(jì)時(shí)溫度是必須考慮的因素。

（4）膜污染與膜清洗

膜污染是指被處理物料中懸浮物的微粒（包括油）、膠體粒子和溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的膜表面沉積、膜表面或膜孔內(nèi)吸附、堵塞使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化的現(xiàn)象。膜污染將直接導(dǎo)致膜通量的下降，在生產(chǎn)中表現(xiàn)為跨膜壓差增加。根據(jù)膜污染種類的不同，采取合理的清洗方法，可以使膜通量得到一定的恢復(fù)。較快的膜污染速率將使得化學(xué)清洗周期變短，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。污染后的膜得不到有效的清洗，膜系統(tǒng)將無法繼續(xù)運(yùn)行。

3.2 膜及膜組件的選擇

（1）采油污水特點(diǎn)

采油污水水質(zhì)復(fù)雜，含有各種懸浮固體物、膠體顆粒、各種形態(tài)的石油、高分子有機(jī)物、細(xì)菌、結(jié)垢離子等等，易于對膜造成污染。因此膜在采油污水處理過程中遇到了很大的困難。

（2）膜材質(zhì)選擇

針對采油污水特點(diǎn)，膜材質(zhì)應(yīng)具備以下特征：耐氧化，強(qiáng)度高，疏油親水耐污染。其中以PVDF、PES、PE、PAN均可滿足疏油親水耐污染要求，實(shí)驗(yàn)室用次氯酸鈉溶液測定相對拉升強(qiáng)度（圖3），以PVDF最為穩(wěn)定，所以膜材質(zhì)選擇PVDF。

圖3 四種常用膜材質(zhì)提升強(qiáng)度對比圖

（3）膜組件選擇

表2 常用膜組件性能對比

根據(jù)所處理油田污水的特點(diǎn)，結(jié)合整體工藝，從表2性能對比中可以看出，氣動(dòng)膜更為適合污水處理。在膜粒徑的選擇方面，中空纖維微濾膜從化學(xué)清洗周期、平均水回收率和清洗操作方面來講，均具有無可比擬的優(yōu)勢，成為首選。

3.3 膜運(yùn)行性能的確定

（1）選擇某采油廠一增注站采油污水和3.2節(jié)中膜及膜組件，模擬圖2膜分離工藝，繪制周期內(nèi)膜出水量與跨膜壓差變化曲線如下：

圖4 周期內(nèi)跨膜壓差和膜出水流量變化曲線

（2）膜通量與跨膜壓差關(guān)系及化學(xué)清洗效果

圖5 跨膜壓差與膜出水量曲線

可以看出，1次清洗后和2次清洗后膜通量和跨膜壓差基本可保持一致，證明所選擇工藝和材質(zhì)均可長期、連續(xù)應(yīng)用。

3.4 膜設(shè)計(jì)通量確定

試驗(yàn)裝置：3組膜組件，膜分離面積3×44m2

原則：確保穩(wěn)定生產(chǎn)，出水水量穩(wěn)定

方法：經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，試驗(yàn)確認(rèn)

示例步驟：

（1） 2個(gè)化學(xué)清洗周期時(shí)分別測定化學(xué)清洗前和清洗后的膜出水流量-跨膜壓差曲線圖（圖6）；20.0

圖6 膜通量與跨膜壓差數(shù)據(jù)對應(yīng)圖

（2） 據(jù)設(shè)計(jì)的最大跨膜壓差和清洗前曲線得到試驗(yàn)?zāi)こ鏊浚?.15MPa-6.8m3/h，根據(jù)過濾面積，得到膜通量51.5L/h/m2（0.15MPa，60℃）；

（3） 穩(wěn)定膜通量系數(shù)取0.9，得到膜設(shè)計(jì)的膜通量46.4 L/h/m2（0.15MPa，60℃） 。

（4） 將該水源降至45℃后，可據(jù)溫度曲線圖得到溫度系數(shù)，計(jì)算出45℃時(shí)的設(shè)計(jì)膜通量34.2L/h/m2。溫度降低后，污水中污染物的性質(zhì)可能發(fā)生改變，因此該值可能會(huì)稍有變化。

（5） 結(jié)合清洗后的曲線和設(shè)計(jì)的跨膜壓差，可以得到膜的初始跨膜壓差為0.045MPa左右。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 運(yùn)行參數(shù)

該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于某采油廠一增注站，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)為：

純水初始通量（25℃，0.1MPa）：160L/m2.hr

污水設(shè)計(jì)通量（25℃，0.1MPa）：30L/m2.hr

最大跨膜壓差：0.15MPa

最大進(jìn)水壓力：0.2MPa

長期工作溫度：5～45℃

化學(xué)清洗周期：20～40天污水回收率：≥95%

4.2 運(yùn)行水質(zhì)

運(yùn)行期間平均水質(zhì)如下表：

表3 某廠一增注站膜分離應(yīng)用出水水質(zhì)

可以看出，在前段預(yù)處理達(dá)標(biāo)的前提下，膜出水主要控制指標(biāo)機(jī)雜和含油均控制在表2要求以內(nèi)，符合SY/T5329-94所推薦的A1級(jí)注水指標(biāo)。

5 結(jié)論

該技術(shù)針對油田采出污水特征，篩選出適應(yīng)油田污水的膜及膜組件，解決了以往研究中出現(xiàn)的膜污染嚴(yán)重、清洗頻繁、回收水率低的難題，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平，具有極高的應(yīng)用及推廣價(jià)值。目前存在的主要問題是膜分離設(shè)備工作溫度較低5～45℃，而遼河油田常見高于45℃的污水。下一步工作將與膜廠商和科研機(jī)構(gòu)合作開發(fā)耐高溫膜。同時(shí)提高預(yù)處理水平以簡化流程，增加污水回收率。