脫氣膜在海上油田海水注水處理中的應用性探討

陳子婧,高 鵬,竇培舉,胡 斌

(中海油研究總院，北京 100028)

脫氣膜在海上油田海水注水處理中的應用性探討

陳子婧,高 鵬,竇培舉,胡 斌

(中海油研究總院，北京 100028)

探討使用膜過濾和膜除氧工藝處理海水進行回注的新方法，闡述了脫氣膜的技術特性，介紹了以膜過濾為預處理的整套海水處理流程，并與傳統(tǒng)真空脫氧塔進行比對，總結了此種方法在海上油田海水回注處理上的應用性。

海上油田注水；海水處理；超濾膜過濾；脫氣膜脫氧

0 引 言

作為未來最具潛力的石油開采方式，海上石油開采已經(jīng)成為了我國具有重要戰(zhàn)略意義和維護國家海洋權益的重要舉措。同時，隨著國家對于海洋生態(tài)環(huán)境的日益重視，海上采油過程中所存在的諸多問題，特別是與水處理相關的技術問題也日益凸顯，而其中海上油田注水問題由于關系到海上油田的可持續(xù)開采以及海洋污染問題而格外地受到人們的關注和重視。

海上油田注水開發(fā)對于圈閉型油藏是維持或增加地層壓力，以保證原油產(chǎn)量的基本手段。目前我國油田的注水水質(zhì)標準參照石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》要求，注水水質(zhì)應控制含油量、懸浮固體含量、懸浮物粒徑中值、含氧量、細菌量等指標。對于海上油田，注入水的水源通常有油田生產(chǎn)水、海水、水源井水3種。其中，油田生產(chǎn)水由于含油量、礦化度和固體懸浮物含量高等原因，使其處理流程較長；開采水源井水成本高且與儲層水的鹽度相差較大，會引起儲層中黏土顆粒的遷移，致使?jié)B流孔堵塞[1]。而海水作為一種最方便且取之不盡的資源，擁有其作為海上油田注水得天獨厚的優(yōu)勢。對于海水的處理主要圍繞除懸浮物和除氧展開，但海上平臺的相關處理設備往往占地面積較大，處理效果有限,因此，采用新型技術和手段進行海上油田海水注水處理就變得尤為重要了。

膜技術由于其綠色高效、處理水效果可靠、適用性廣、設備緊湊占地面積小等特點，近些年來得到了越來越多的重視和運用。本文分析總結了以脫氣膜為主的海上油田海水注水處理技術的新方法，以及在海上油田的應用性。

1 海上油田海水注水及傳統(tǒng)處理工藝

海上油田對于海水中除懸浮物和除氧的處理工藝如圖1所示。海水由海水提升泵提升到平臺上，經(jīng)過粗過濾器初步過濾，再經(jīng)過細過濾器進一步除去懸浮物，出口設置在線濁度檢測及余氯檢測。細過濾器采用雙介質(zhì)濾器，占地面積大，操作重量大，處理效果易波動。過濾后的水輸送到脫氧設備脫除水中的氧氣達到回注標準。目前海上平臺采用的設計是真空填料塔脫氧，脫到含氧0.3 mg/L左右，由于利用真空達到徹底脫氧是不經(jīng)濟的，所以剩余的少量氧再用化學法脫除，達到注水要求的含氧量0.1～0.05 mg/L[2]。脫氧塔高度一般在20 m左右，對于海上平臺空間有限的條件，需要至少穿一層甲板，給平臺布置帶來較大的困難。

圖1 海上平臺海水回注典型流程圖Fig.1 Process flow diagram of seawater injection system of offshore platform

2 脫氣膜脫氧系統(tǒng)

脫氣膜是利用擴散原理將液體中的氣體，如二氧化碳、氧氣、氨氣、氮氣去除的膜分離產(chǎn)品(如圖2所示)。脫氣膜是中空纖維結構，氣體分子透過壁上的微孔溢出，不斷地由纖維外部的真空泵抽走，并形成一定的負壓，而水分子繼續(xù)在纖維內(nèi)部流動。這樣就實現(xiàn)了水中脫除氣體的目的。膜元件中含有的大量中空纖維膜絲，其氣液接觸面積較大，因此脫氣速率與效果都大大提高。目前脫氣膜的主要材料是聚丙烯高分子聚合物材料(PP)和聚四氟乙烯高分子聚合物材料(PTFE)。通過化學清洗去除膜污染。目前此項技術在醫(yī)療、制藥、半導體/平板、食品加工行業(yè)已有應用，經(jīng)過脫氣膜后含氧量可小于10 μg/L。

脫氣膜具有脫氣效率高、出水含氧低的特點，同時系統(tǒng)操作自動化，無需化學品，環(huán)保安全，適合海上操作人員有限、安全性要求高的條件。但是中空纖維膜對進水水質(zhì)有一定的要求，前端應做一定的預處理。

圖2 脫氣膜脫氣原理Fig.2 Degassing principle

表1 脫氣膜對進水水質(zhì)的一般要求Table 1 General requirement of inlet water for degassing membrane

表1為脫氣膜對進水水質(zhì)的一般要求，可以看出，膜對懸浮物含量、溶劑類和親水劑的含量有明確要求，烴類物質(zhì)對膜也會有影響。所以海水脫氧前需要根據(jù)所處海域的海水水質(zhì)進行有針對性的預處理。

3 脫氣膜在海水注水處理中的應用性探討

海上某油田進行調(diào)整開發(fā)，需要海水進行回注。海水回注量約為40 000 m3/d?；刈⑺|(zhì)要求：海水中含氧量小于0.02 mg/L，懸浮物含量小于10 mg/L。已有平臺上目前采用真空脫氧塔進行除氧。下面對脫氣膜在海水回注中的適應性進行探討。

油田所處海域海水水質(zhì)的主要指標如表2所示。

表2 海水水質(zhì)數(shù)據(jù)Table 2 Seawater quality data

從表中數(shù)據(jù)可以看出，該海域海水中懸浮物含量稍高，石油烴類在允許范圍以內(nèi)，需要針對懸浮物進行預處理后再使用脫氧膜進行除氧。超濾膜利用吸附和截留原理，所分離的組分直徑為0.005～10 μm,一般相對分子質(zhì)量大于500的大分子和膠體均可濾除，超濾膜產(chǎn)水濁度通常達到0.1 NTU以下，而且不隨原水水質(zhì)波動而變化。對顆粒物質(zhì)的去除率可達99.9%以上[4]。20世紀90年代開始，超濾膜技術被逐漸應用于水處理行業(yè)，歐美國家和日本等發(fā)展較為迅速。目前加拿大、法國、日本的自來水廠已成功應用此項技術。此處預處理工藝選擇砂濾和超濾進行對比。

圖3 預過濾流程圖Fig.3 Pre-filter process flow diagram

砂濾采用石英砂和無煙煤的雙介質(zhì)過濾器，為保證脫氣膜進口懸浮物要求，膜入口設置兩級保安濾器。超濾采用中空纖維膜，膜對入口來水的懸浮物、含油量等指標也有一定要求[5](見表3)，前置保安濾器。

表3 超(微)濾系統(tǒng)的進水水質(zhì)要求Table 3 Requirement of inlet water for ultrafiltration (microfiltration) system

注：浸沒式超(微)濾裝置一般對進水濁度無要求，僅要求水中無大顆粒雜質(zhì)。

表4 砂濾和超濾對比Table 4 Comparison between sand filtration and ultrafiltration

根據(jù)對比可以看出，超濾可以大幅度地減小占地面積。這對海上油田開發(fā)有著較大意義。其他研究與應用表明，超濾膜技術更能確保水質(zhì)安全，具有經(jīng)濟性、高效性和綠色環(huán)保等優(yōu)點[5]。因此采用超濾進行脫氣膜的前段預處理。海水脫氧整套處理流程如圖4所示。

圖4 海水處理流程圖Fig.4 Process flow diagram for seawater system

海水經(jīng)泵提升上來后先經(jīng)過粗過濾系統(tǒng)，這一步是為了過濾掉海水中的垃圾、雜質(zhì)、沙子等大顆粒物質(zhì)，然后經(jīng)過精度為100 μm以內(nèi)的保安濾器，進一步去除水體中的懸浮物和腐蝕物等顆粒物質(zhì)，再經(jīng)過超濾膜，將濁度降低到0.5 NTU以下，懸浮物含量降低到5 mg/L以下，保證后續(xù)脫氣膜系統(tǒng)的安全。超濾系統(tǒng)單支膜通量為6.7 t/h，單支膜組件有效過濾面積為102 m2。超濾膜的清洗分為物理清洗和化學清洗，設置酸堿藥劑儲罐及加藥泵。清洗水經(jīng)過中和后排放入海。

脫氣膜系統(tǒng)單支膜通量為25 t/h，單支膜組件有效過濾面積為120 m2，系統(tǒng)24 h連續(xù)運行，理論計算每半年進行一次原地清洗(CIP清洗)。若水體變差，則實際運行反洗周期會相應縮短。CIP清洗時采用類似于超濾膜的CIP清洗方案，酸堿清洗完的廢液排放至中和池中和后外排入海。在實際運行的過程中，膜絲的內(nèi)側用真空泵抽真空，同時輔助微量的高純氮氣吹掃，出水含氧量小于50 μg/L。整套脫氣膜系統(tǒng)綜合參數(shù)如表5所示。表5還具體對比了海水真空脫氧塔系統(tǒng)和脫氣膜系統(tǒng)。

表5 真空脫氧系統(tǒng)和脫氣膜系統(tǒng)參數(shù)表Table 5 Data of vacuum deoxidation and degassing membrane system

從對比中可以看出，脫氣膜系統(tǒng)雖然采用了高效的膜元件，同時進行了2層疊放布置，但由于其對預處理要求嚴格且需要定時清洗，所以仍需要一定的占地面積，然而其設備重量較輕。另外脫氣膜運行時不需要加入化學藥劑，系統(tǒng)平穩(wěn)狀態(tài)下日常不需要清洗，操作的自動化水平較高。膜元件壽命一般在3～5年。真空脫氧塔內(nèi)部在使用一定時間后會出現(xiàn)腐蝕情況，需定期進行維護和修補。

4 結 論

脫氣膜的脫氧性能高于傳統(tǒng)的脫氧塔，完全可以滿足海上油田對于海水回注脫氧的要求。加之運行穩(wěn)定、設備輕、布置靈活，還可以節(jié)省脫氧劑的使用，在海上油田具有一定的適應性和推廣價值。為了保證處理效果和使用周期，脫氣膜需要預處理，采用超濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定且占地節(jié)省，比粗過濾系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

[1] 蘇保衛(wèi). 海上采油水處理技術的研究進展 [J]. 中國給水排水，2009,25(24):23.

[2] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南，第1冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[3] 顏翠平,王成端,張明星. 超濾膜在水處理中的應用[J]. 貴州化工， 2006，31(2)：25.

[4] 趙雪蓮，翟東會，王凱. 超濾膜技術在自來水處理中的研究與應用進展[J]. 北京水務, 2011(6)：41.

[5] 林英姿，史妍. 超濾膜技術在飲用水處理中的研究現(xiàn)狀[J]. 吉林建筑工程學院學報，2014,31(3)：40.

[6] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.DL/T 5068—2006，火力發(fā)電廠化學設計技術規(guī)程[S].2007.

StudyonDegassingMembraneApplicabilityonWaterInjectionTreatmentofOffshoreOilField

CHEN Zi-jing, GAO Peng, DOU Pei-ju, HU bin

(CNOOCResearchInstitute,Bejing100028,China)

We study the water reinjection methods of using membrane filtration and membrane deoxidization process. The technical characteristics of degassing membrane are expounded, a complete set of seawater treatment process with membrane filtration as the pretreatment is introduced and compared with the traditional vacuum deaeration tower. The applicability of this method applicability on water reinjection treatment of offshore oil field is summarized.

water rejection in offshore oil field; seawater treatment; filtration with ultrafiltration membrane; deoxygenation with degassing membrane

2015-10-08

陳子婧(1984—)，女，碩士，主要從事海上油氣田給排水及消防安全設計工作。

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A

2095-7297(2015)05-0296-04