纖維球過(guò)濾技術(shù)在英東油田水處理應(yīng)用試驗(yàn)

王軍林 趙振宇 張智謀 付勇峰 趙燕紅 王彥峰

1中國(guó)石油青海油田分公司采油五廠

2中國(guó)石油青海油田分公司采油二廠

目前全國(guó)各油田進(jìn)入二次采油時(shí)，地層虧空能量補(bǔ)給主要以注水為主。水來(lái)源于采出水[1-2]，它富含石油類和懸浮物固體。針對(duì)不同的油田注入水質(zhì)成分不同，采取處理措施[3-4]也不同，常用水處理[5-8]技術(shù)有重力分離法、旋流分離法、粗?；ā⑦^(guò)濾法、吸附法、浮選法和膜分離法等，由于上述方法各有其局限性，在實(shí)際應(yīng)用中通常是兩三種方法[9]聯(lián)合使用，使出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，水處理技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在高效油水分離技術(shù)、精細(xì)過(guò)濾技術(shù)和膜分離技術(shù)、生物處理技術(shù)、高效新型設(shè)備以及油田用處理藥劑的選擇等。這些技術(shù)與裝置的成功開(kāi)發(fā)，對(duì)提高油田水處理效率、改進(jìn)設(shè)備的處理性能以及實(shí)現(xiàn)處理設(shè)備功能的一體化都具有重要意義。

注水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)決定著油田注水開(kāi)發(fā)的成敗，注入水若不經(jīng)處理注入地層[10]，會(huì)造成地層傷害，使注入壓力升高，注入量和吸水指數(shù)均下降，甚至注不進(jìn)水。因此，各油田對(duì)注入水水質(zhì)[11]特別重視，在注入之前都要進(jìn)行系統(tǒng)處理。處理技術(shù)因地制宜，主要還是以石英砂或核桃殼[12]等剛性材料過(guò)濾為主，但也有油田選用新型高精慮[13]技術(shù)，如英東油田采用清水纖維球[14-15]過(guò)濾技術(shù)滿足油田注水需求。

纖維球過(guò)濾凈化技術(shù)在英東油田的應(yīng)用過(guò)程簡(jiǎn)單，操作方便。使注入水流經(jīng)填充有纖維球過(guò)濾介質(zhì)的腔室，形成理想的上大下小孔隙分布狀態(tài)，依靠直接攔截、慣性攔截和電化吸附去除有機(jī)物，增強(qiáng)截污能力；再將注入水引進(jìn)裝有纖維球的過(guò)濾罐中，纖維球由頂部的垂直柱塞壓縮過(guò)濾，雖然懸浮物固體的負(fù)載量很高，但經(jīng)纖維不斷地排斥懸浮物固體，使介質(zhì)不會(huì)被污染或堵塞，就能使注入水中的懸浮物固體濃度（質(zhì)量濃度）從100 mg/L 降至低于1 mg/L。

英東油田目前注入水為清水，懸浮物固體濃度為8.6 mg/L（水質(zhì)達(dá)標(biāo)懸浮物濃度≤5 mg/L 標(biāo)準(zhǔn)），選用纖維球過(guò)濾凈化技術(shù)處理注入水后水質(zhì)達(dá)到了油田注水需求。

1 水處理工藝技術(shù)選擇

英東油田累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量8.27×107t，油氣層主要分布在上油砂山組下段和下油砂山組上段，為復(fù)雜斷塊油氣藏，縱向上分12 套開(kāi)發(fā)層系。

上油砂山組儲(chǔ)層巖性以棕灰色泥巖和灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、含礫不等粒砂巖互層為主，孔隙吼道以中、細(xì)吼道為主，孔喉配置關(guān)系好?？紫抖绕骄鶠?1.7%；滲透率平均為152.1 mD，整體評(píng)價(jià)為中高孔、中高滲優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

下油砂山組儲(chǔ)層巖性以灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層為主，儲(chǔ)層孔隙吼道以細(xì)吼道為主，孔喉配置關(guān)系好?？紫抖绕骄鶠?7.6%，滲透率平均為71.6 mD，整體評(píng)價(jià)為中孔、中滲儲(chǔ)層。

英東油田注水水源為采油二廠烏南油田處理的油田采出水和寬溝水源地清水。經(jīng)過(guò)三年的運(yùn)行，注水水質(zhì)存在不達(dá)標(biāo)、協(xié)調(diào)管理難度大、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響英東油田注水工作的正常開(kāi)展，制約了油田的發(fā)展。

為盡快將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾б鎯?yōu)勢(shì)，英東油田不僅對(duì)砂40 井區(qū)轉(zhuǎn)注清水，充分利用寬溝水源地形高差，實(shí)現(xiàn)英東油田供水全程重力流，提高了英東油田注水可靠性；而且在砂40 注水站內(nèi)加裝纖維球過(guò)濾裝置，可解決水處理系統(tǒng)不完善問(wèn)題，提高注水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率，降低供水運(yùn)行成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為油田的快速發(fā)展打好了基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層特征的分析以及注入水水質(zhì)對(duì)比，應(yīng)用纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)水質(zhì)明顯得到改善，適用于目前的注水水質(zhì)處理。

2 纖維球過(guò)濾技術(shù)特性

2.1 成熟性

纖維球過(guò)濾器是壓力過(guò)濾器中較為新型的水質(zhì)精密處理設(shè)備。

該過(guò)濾設(shè)備具有雙層過(guò)濾的功能，原水流向?yàn)樯线M(jìn)下出，由于水流受過(guò)濾層的阻力作用，濾料形成了上松下緊理想的空隙結(jié)構(gòu)，不但通量大，還增加了截污能力，有效去除水中的懸浮物與泥沙，并對(duì)水中的有機(jī)物、膠體、鐵、錳等有明顯的去除作用。該裝置應(yīng)用于英東油田清水等方面的精細(xì)過(guò)濾，不但過(guò)濾量大且纖維球不易粘油污。

該設(shè)備的濾料是一種新型的滌綸纖維球?yàn)V料，具有密度小、柔性好、可壓縮和空隙率大的特點(diǎn)。過(guò)濾時(shí)受到壓力，纖維球互相交叉，形成上松下密的濾層分布狀態(tài)。纖維球以獨(dú)有的特質(zhì)，極大的比表面積和孔隙率，在吸附同時(shí)截留水中的懸浮顆粒，充分發(fā)揮出濾料深層截污能力；纖維球具有不易粘油的特點(diǎn)，因此反沖洗較為容易，進(jìn)而用水率降低；具有耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)濾料受有機(jī)物污染嚴(yán)重時(shí)，采用化學(xué)清洗方法再生，實(shí)用性強(qiáng)。

2.2 先進(jìn)性

（1）改性纖維球絲徑細(xì)，比表面積大，可達(dá)2 000 m2/g。由于纖維絲徑細(xì)的特點(diǎn)，它疊加后濾層孔隙小，而疊加后濾層孔隙度在80%以上，對(duì)懸浮物的攔截作用比其他濾料都優(yōu)良。因此對(duì)低滲透油藏的注入水處理尤為理想；對(duì)高含懸浮物水的排放和回用有要求的過(guò)濾更加適用。

（2）對(duì)纖維絲進(jìn)行了改性處理，使其具有親水疏油的特性。不管改性纖維絲粘上純油還是含油污水，遇水時(shí)水分子都能滲透到改性纖維絲表面，形成一層水膜，將纖維絲和油隔開(kāi)；反洗時(shí)能將粘附在其表面的原油清洗干凈，反洗再生性能特別好。

（3）改性纖維球比普通纖維球密度大且不粘油，過(guò)濾時(shí)在水力作用下能下沉到罐底，上松下緊濾層孔隙結(jié)構(gòu)好；改性纖維球?yàn)V料運(yùn)行時(shí)濾層孔隙率沿水流的方向逐漸變小，形成了比較理想的濾料孔隙分布狀態(tài)，攔截作用增強(qiáng)，過(guò)濾效果好。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 水處理工藝現(xiàn)狀

英東油田建設(shè)2 座注水站，主要負(fù)責(zé)水的過(guò)濾、沉降、提壓，再輸入各注水井。砂40 注水站目前水處理能力為2 500 m3/d，能夠滿足目前生產(chǎn)需要。該注水站清水處理流程工藝為：寬溝來(lái)水經(jīng)自壓進(jìn)入并聯(lián)自動(dòng)高效快速纖維球過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，使過(guò)濾后的水體達(dá)到注水水質(zhì)指標(biāo)；過(guò)濾后的水進(jìn)入2 座700 m3凈化水罐，利用原注水站計(jì)量泵加藥裝置向注水水體中加入殺菌、除氧等藥劑；凈化水罐出水經(jīng)喂水泵向注水泵提供注水水體，再經(jīng)高壓注水干線輸往站外各注水井。根據(jù)注水站現(xiàn)有設(shè)備及注水規(guī)模，砂40 注水站選用并聯(lián)自動(dòng)高效快速纖維球過(guò)濾器，處理量110 m3/h，設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa。工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 砂40 注水站水處理工藝流程Fig.1 Process flow for produced water in Sha 40 Water Injection Station

2018 年9 月中旬前，英東油田注入水由采油二廠提供，砂40 井區(qū)注入寬溝清水，英東118 井區(qū)注入烏南聯(lián)合站處理后的污水，有2 套加藥裝置（兩罐連裝），通過(guò)在英東118 注水站加藥裝置開(kāi)展系統(tǒng)擠注生物激活劑除硫。按照60 mg/L 的藥量在英東118 注水站注入水中添加生物激活劑，進(jìn)入2018年后，烏南聯(lián)合站污水出口水質(zhì)本身較差，為更好地除硫，生物激活劑濃度由60 mg/L 上調(diào)至80 mg/L，由于源頭水質(zhì)污染嚴(yán)重，所以加藥劑效果還是不太理想。2018 年9 月中旬，為了提高水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，英東118 井區(qū)也被轉(zhuǎn)注清水，從運(yùn)行情況看，目前兩站注清水經(jīng)過(guò)纖維球過(guò)濾器過(guò)濾，能夠滿足當(dāng)前英東油田注水要求。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 應(yīng)用前后水質(zhì)變化情況

砂40 注水站于2013 年建站投入使用以來(lái)，根據(jù)系統(tǒng)注水與地層配伍實(shí)驗(yàn)，英東注入水與烏南污水的配伍性好于與寬溝清水的配伍性，更好于與烏南污水和寬溝清水混配的配伍性，因此選擇注入烏南污水。隨著英東油田的不斷開(kāi)發(fā)，水井不斷增加，烏南污水供用不能滿足英東油田的發(fā)展，水質(zhì)越注越差。2015 年12 月，砂40 注水站轉(zhuǎn)注清水，應(yīng)用纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率明顯好轉(zhuǎn)，具體情況如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)注清水前后水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況Fig.2 Standard reaching conditions of water quality before and after fresh water injection

3.2.2 水處理技術(shù)應(yīng)用效果分析

（1）初期纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)應(yīng)用效果分析。2015 年年底，砂40 井區(qū)轉(zhuǎn)注清水，應(yīng)用纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)后整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)率明顯提升，但不穩(wěn)定，主要受前期管線殘留污水影響，體現(xiàn)在pH 值、含鐵、機(jī)械雜質(zhì)指標(biāo)上（表1）。

表1 2016 年轉(zhuǎn)注清水后水質(zhì)跟蹤情況Tab.1 Water quality tracking conditions after fresh water injection in 2016

通過(guò)加強(qiáng)對(duì)纖維球過(guò)濾裝置大排量反沖洗、排污，重要跟蹤水質(zhì)含鐵、懸浮物固體變化情況，摸索出適合英東油田水處理的清洗標(biāo)準(zhǔn)、清洗時(shí)間、液量及周期，具體情況如表2 所示。

表2 纖維球過(guò)濾器反沖洗標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Back washing standard of fiber ball filter

（2）近三年纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)應(yīng)用效果分析。采用纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)后，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率明顯好轉(zhuǎn)，具體情況如表3 所示。

表3 纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)應(yīng)用后水質(zhì)達(dá)標(biāo)率變化情況Tab.3 Water qualification rate variation after fiber ball filtration treshwater purification technology application %

（3）目前纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)應(yīng)用效果分析。2018 年10 月，增加溶解氧指標(biāo)后，溶解氧及腐蝕率超標(biāo)導(dǎo)致注水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率下降；2019 年2 月加密跟蹤溶解氧及腐蝕率變化情況，腐蝕率合格，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率上升，目前水質(zhì)均達(dá)標(biāo)（圖3）。

圖3 英東油田砂40 注水站水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Monitoring results of water quality in Sha 40 Water Injection Station in Yingdong Oilfiled

英東油田注水指標(biāo)的提升主要取決于水處理采用了纖維球過(guò)濾清水凈化技術(shù)。

3.3 應(yīng)用管理

（1）加強(qiáng)水質(zhì)處理制度完善，強(qiáng)化水質(zhì)管理。砂40 注水站加裝纖維球過(guò)濾器及工藝配套后，相關(guān)科室不斷修訂、完善水質(zhì)管理制度，加強(qiáng)注水站內(nèi)水處理和注水系統(tǒng)儲(chǔ)罐排污、清淤及管線除垢、清洗等工作，減少水質(zhì)的二次污染，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行、水質(zhì)長(zhǎng)期達(dá)標(biāo)。具體做法包括：纖維球過(guò)濾器的濾料應(yīng)定期開(kāi)罐檢查（清水每年不少于一次），根據(jù)濾料漏失及污染情況，及時(shí)補(bǔ)充或清洗、2 年更換濾料一次，保證過(guò)濾后清水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；按照“出水水質(zhì)差于進(jìn)水水質(zhì)時(shí)，必須清淤”的原則，建立儲(chǔ)罐清淤制度。清淤過(guò)程中產(chǎn)生的各種含油污泥，按照油田公司相關(guān)環(huán)保要求進(jìn)行處置。

（2）強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)控制，制訂節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和分析制度。加強(qiáng)注水大罐、纖維球過(guò)濾器、外輸泵等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，定點(diǎn)、定時(shí)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取樣化驗(yàn)，分析含氧、含鐵、機(jī)械雜質(zhì)等指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)定期采取大罐排污、反洗等措施確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)。每月完成全部沿程水質(zhì)及各注水井井口水質(zhì)取樣化驗(yàn)工作，分析井口主要超標(biāo)項(xiàng)，提出下步解決方案，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)率穩(wěn)步提升（表4）。

表4 水質(zhì)達(dá)標(biāo)率控制指標(biāo)Tab.4 Control indexes of water qualification rates

3.4 配套工藝

（1）自開(kāi)展注水工作以來(lái)，根據(jù)沿程水質(zhì)檢測(cè)井口懸浮物固體達(dá)標(biāo)情況，連續(xù)兩月懸浮物固體＞3 mg/L 時(shí)對(duì)注水管線進(jìn)行清洗，制訂清洗方案。應(yīng)用泵車選擇合適的井，進(jìn)行井對(duì)井清洗。根據(jù)熱水+表面活性劑（0.5%）+生物激活劑（30 mg/L）的配方，按地面管線容積計(jì)算液量，洗線液量為理論注水管線容積的3 倍，清洗后井口水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較清洗前提高了5%，英東油田清水井口水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升至94.47%。

（2）通過(guò)安裝高壓自控流量裝置并分析對(duì)比單井井口水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)英東油田分注水管線進(jìn)行了沖洗維護(hù)，共沖洗管線5 km。沖洗后，英東油田清水井口水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為94%（圖4）。

圖4 英東油田井口水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of the wellhead water quality in Yingdong Oilfiled

4 結(jié)論

（1）英東油田砂40 注水站采用新型水處理纖維球過(guò)濾凈化技術(shù)后，不但對(duì)油田穩(wěn)產(chǎn)提供有力保障，而且水質(zhì)可滿足地層地質(zhì)要求。

（2）英東油田采用新型纖維球作為過(guò)濾材料，表面親水疏油，懸浮物固體不會(huì)黏附在濾料上，反洗時(shí)懸浮物固體易于脫除；采用氣缸機(jī)構(gòu)來(lái)控制濾料的壓縮和疏松，以達(dá)到高精度的過(guò)濾和良好的反沖效果，使懸浮物固體濃度由8.6 mg/L 降至2.4 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

（3）砂40 注水站加裝纖維球過(guò)濾凈化裝置后，定期對(duì)注水系統(tǒng)中水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)掌握水質(zhì)的變化，確保水質(zhì)中懸浮物固體濃度控制在5.0 mg/L 之內(nèi)。

（4）根據(jù)水質(zhì)的變化對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使水質(zhì)穩(wěn)定且符合標(biāo)準(zhǔn)。

（5）纖維球過(guò)濾凈化設(shè)備需每年開(kāi)罐檢查一次、每周反沖洗一次，每2 年濾料更換一次，才能確保出站水質(zhì)達(dá)標(biāo)；注入水出站至井口經(jīng)過(guò)管線會(huì)形成二次污染，需加強(qiáng)管線清洗，才能確保注水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。