油田海水回注水精細(xì)處理工藝的改造

侯玉琳，田 琳，王占旭，江 濤

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131）

當(dāng)前，油田多采用回注水方式來提高油田的二次采收率[1]。海水資源豐富，海上油田的回注水多采用海水。潿洲油田采用處理后的海水作為油田回注水，運(yùn)行一段時間后出現(xiàn)了嚴(yán)重的地層結(jié)垢問題[2]，造成注水壓力急劇增加，最終出現(xiàn)回注水無法注入、采不出油的情況。

筆者對上述情況進(jìn)行調(diào)研后，針對海水水質(zhì)的特征和結(jié)垢傾向的分析結(jié)果，對海水回注工藝進(jìn)行改造，采用納濾工藝對其進(jìn)行精細(xì)化處理后，解決了地層不配伍造成的結(jié)垢問題。

1 原工藝簡介

1.1 工藝流程

回注水原水為潿洲平臺區(qū)域海水，海水經(jīng)過提升泵后，由粗過濾器除去大顆粒懸浮物及藻類等雜質(zhì)后進(jìn)入細(xì)過濾器，再由細(xì)過濾器去除大部分的膠體、懸浮物、細(xì)菌等物質(zhì)后進(jìn)入脫氧塔。脫氧塔主要除去海水中的溶解氧，以防止發(fā)生海水管道腐蝕和細(xì)菌滋生等問題。在回注水注入前，向海水中投加阻垢劑，以減輕結(jié)垢問題。

1.2 水質(zhì)及水量

海水的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)及系統(tǒng)的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。本工藝的最終產(chǎn)水量為240m3·h-1。

表1 進(jìn)水及出水水質(zhì)

1.3 主要設(shè)備參數(shù)

原工藝的主要處理設(shè)備為粗過濾器、細(xì)過濾器和脫氧塔。

粗過濾器為多柱式自動反洗過濾器，2臺，一用一備，單臺處理量為400m3·h-1，過濾精度180μm，雙相不銹鋼結(jié)構(gòu)，2臺成撬后的外形尺寸為4m×2.5m×3.2m，反洗周期約為2~12h。

細(xì)過濾器采用石英砂和錳砂兩種濾料，3臺，兩用一備，單臺處理量為190m3·h-1，設(shè)備尺寸為φ2.5m×2.0m。

立式真空脫氧塔1座，塔內(nèi)采用兩級填料，處理量為240m3·h-1，設(shè)備尺寸為φ2.5m×13m，塔體為碳鋼襯玻璃鱗片結(jié)構(gòu)。

1.4 運(yùn)行問題分析

設(shè)備運(yùn)行一段時間后，該油田注水用的增壓泵壓力不斷提高，最終出現(xiàn)無法注水的現(xiàn)象。筆者對進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域海水中含有大量鈣離子、硫酸根和碳酸氫根離子，有可能形成碳酸鈣垢和硫酸鈣垢。采用飽和指數(shù)法對水中的結(jié)垢趨勢進(jìn)行判斷，兩種垢型飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表2。由飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果可知，不同溫度下，現(xiàn)場注入水的硫酸鈣飽和指數(shù)均為負(fù)數(shù)，不具有結(jié)垢趨勢；而碳酸鈣的飽和指數(shù)大于1，具有結(jié)垢趨勢，且隨著溫度升高，這種趨勢逐漸增強(qiáng)。由此可知避免結(jié)垢的主要途徑是降低鈣離子濃度。

表2 不同溫度下飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果

此外，筆者對原工藝出水的水質(zhì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，懸浮物含量和中性粒子含量遠(yuǎn)高于《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)》中B3級指標(biāo)的要求。對粗過濾器和細(xì)過濾器的出水水質(zhì)分別進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)，粗過濾器可除去大顆粒懸浮物和膠體等物質(zhì)，出水指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而細(xì)過濾器的實(shí)際過濾精度偏低，對小顆粒懸浮物和膠體雜質(zhì)等的截留效果不佳，造成懸浮物的去除率低，出水粒徑中值也高于標(biāo)準(zhǔn)要求，需對其進(jìn)行改進(jìn)或補(bǔ)充處理。

對細(xì)過濾器的運(yùn)行情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，原有的細(xì)過濾器采用多介質(zhì)過濾器，在運(yùn)行過程中，海水中的微生物及藻類易附著板結(jié)，造成清洗困難，清洗頻率高，且截留率較低，導(dǎo)致回注水中的微生物較多，對地層造成污染。

2 改進(jìn)工藝介紹

2.1 工藝流程

對該油田的運(yùn)行問題進(jìn)行分析后，筆者在原工藝的基礎(chǔ)上增加了納濾工藝，用以除去二價離子，以徹底解決結(jié)垢問題，并增加了精細(xì)過濾裝置，以去除小顆粒懸浮物和膠體等物質(zhì)，延長納濾膜的使用壽命。改進(jìn)后的工藝流程為：提升泵→粗過濾→細(xì)過濾器→脫氧塔→精細(xì)過濾器（海水過濾器）→納濾裝置→注水泵。工藝流程見圖1。

圖1 納濾工藝流程圖

納濾是改進(jìn)后工藝的核心設(shè)施，納濾膜孔徑為1nm左右，雖與反滲透和超濾類似，都是壓力驅(qū)動的膜過程，但是傳質(zhì)機(jī)理卻有所不同。納濾膜對二價和高價離子能保持較高的截留效果，卻能使大部分的一價無機(jī)鹽通過，特別是對硫酸根離子的截留率可穩(wěn)定達(dá)到99%以上，并能截留大部分的鈣、鎂離子，在相對低的滲透壓下，可有效實(shí)現(xiàn)對海水的軟化處理。且納濾工藝無污泥，占地小，操作簡單[3]，適用于海上平臺，是海水回注工藝的良好選擇。

2.2 主要設(shè)備及參數(shù)

考慮到海上平臺的占地和承重有限，筆者最大程度地利用了原有的工藝裝置，在此基礎(chǔ)上新增加了精細(xì)過濾器和納濾裝置。

精細(xì)過濾器主要用于去除微生物、藻類和細(xì)小砂礫等，并對納濾膜進(jìn)行保護(hù)。精細(xì)過濾器共2臺，一用一備，單臺處理量為390m3·h-1，為碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，過濾精度50μm，濾芯材質(zhì)為TA2。2臺精細(xì)過濾器成撬后的尺寸為4.2m×2.5m×2.7m。

本工藝共有3套納濾裝置，兩用一備，單套產(chǎn)水量為120m3·h-1，回收率為65%，采用7芯膜殼，一級一段，單支膜面積為37.16m2，單套膜支數(shù)為168支。納濾裝置包括增壓泵、保安過濾器、高壓泵和納濾膜裝置，成撬后的整體尺寸為8.7m×1.9m×2.3m。其中的保安過濾器是防止納濾膜損傷的安保措施，用于濾除經(jīng)過精細(xì)過濾器后的微小物質(zhì)如微小的石英砂、活性炭顆粒等，避免對納濾膜造成傷害。保安過濾器的過濾精度為5μm，每套納濾裝置前配置1臺，單套內(nèi)部裝有6支20cm的大通量PP濾芯，單臺處理量為185m3·h-1。

3 改造后的處理效果

該工藝于2017年5月調(diào)試后運(yùn)行至今，設(shè)備運(yùn)行正常，處理效果穩(wěn)定，出水懸浮物及粒徑中值均為0，鈣離子＜ 40mg·L-1，鎂離子＜ 40mg·L-1，硫酸根離子≤15mg·L-1。所有指標(biāo)均滿足《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)》中A2級的要求且大于B3級的指標(biāo)要求。對硫酸根的去除率達(dá)到99.4%以上，對鈣離子的去除率達(dá)到89%，鎂離子去除率達(dá)到97%。通過計(jì)算，回注水不具備結(jié)垢趨勢，采油產(chǎn)出率保持穩(wěn)定。油田連續(xù)半年的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 潿洲油田回注水處理裝置出水運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）采用納濾法處理海水回注水，能夠有效去除二價致垢離子，硫酸根的去除率達(dá)到99.4%以上，對鈣離子的去除率達(dá)到89%，鎂離子的去除率達(dá)到97%，避免了海水回注導(dǎo)致的地層結(jié)垢問題，且出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）海水在進(jìn)入納濾前，需對絕大部分的懸浮物和顆粒物藻類等進(jìn)行去除處理，以減少納濾膜的污堵問題。

3）本項(xiàng)目是納濾處理海水回注水工藝在國內(nèi)的首次使用。受改造平臺限制，納濾前端預(yù)處理工藝的選擇有限，運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，納濾膜清洗頻率約為每3個月一次，建議今后平臺如使用納濾工藝處理回注水，應(yīng)針對海水水質(zhì)，選擇合適的預(yù)處理工藝，以延長膜的清洗周期，進(jìn)一步降低成本。