低滲透油田回注水膜分離技術的研究

董立偉

（中油遼河油田公司興隆臺采油廠 遼寧盤錦 124011）

1 概述

低滲透油田回注水膜分離處理技術主要目的是將油田采油污水處理到《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》SY／T5329-94所推薦的A1級注水指標，從而實現采油污水的回用，節約淡水資源，減少污水外排和無效回注的費用，最終促進低滲透油藏的開發。膜分離（Membrane Separation）是以選擇性透過膜為分離介質，在膜兩側一定推動力的作用下，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，達到提純、濃縮等目的的分離過程。由于采油污水的水質復雜，難以處理，低滲透油田對回注水的水質要求又很高，而本技術的研究與應用成功攻克了這一壁壘，配合其他成熟處理技術，可以連續穩定的將采油污水處理到優于A1級的水質要求，滿足注水系統對水質水量的要求。

2 技術路線和工藝流程

2.1 低滲透油田回注水處理技術路線

在遼河油田污水處理經驗的基礎上，低滲透油田回注水精細處理工藝流程如下：

圖1 低滲透油田回注水精細處理工藝流程簡圖

根據SY／T5329-94所推薦的A1級注水指標，結合各處理單元流程特點，制定各單元出水水質標準如下：

表1 各處理單元進出水水質標準

2.2 膜分離裝置介紹

圖2 膜運行工藝圖

3 膜分離技術的研究

3.1 膜性能的主要技術參數及特征

（1） 膜通量

膜通量是指在一定溫度和壓力條件下，在單位時間內單位膜面積上透過的濾液的體積。在水處理過程中，其反應了膜的處理能力。通常在實驗室采用25℃、0.1MPa的壓力條件下采用純水進行測試，其單位通常為：L/（m2.hr）。在水質條件一定情況下，膜通量與膜的孔徑、開孔率有關。在能穩定滿足出水水質的條件下，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的壓力差，其反應了膜透過水的難易程度。在實際生產過程中，通常采取恒流量過濾，同時膜通量的數據難以準確考察，通常觀測跨膜壓差的變化來了解膜的運行狀態。跨膜壓差與膜通量正相關，在膜通量足以滿足生產水量的條件下，跨膜壓差越小，能耗越低，越有利于運行管理和維護。 在一定壓力范圍，膜通量與跨膜壓差呈線型關系，當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，所以在設計時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）、膠體粒子和溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的膜表面沉積、膜表面或膜孔內吸附、堵塞使膜產生透過流量與分離特性的不可逆變化的現象。膜污染將直接導致膜通量的下降，在生產中表現為跨膜壓差增加。根據膜污染種類的不同，采取合理的清洗方法，可以使膜通量得到一定的恢復。較快的膜污染速率將使得化學清洗周期變短，嚴重影響系統穩定運行。污染后的膜得不到有效的清洗，膜系統將無法繼續運行。

3.2 膜及膜組件的選擇

（1）采油污水特點

采油污水水質復雜，含有各種懸浮固體物、膠體顆粒、各種形態的石油、高分子有機物、細菌、結垢離子等等，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）膜材質選擇

針對采油污水特點，膜材質應具備以下特征：耐氧化，強度高，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，實驗室用次氯酸鈉溶液測定相對拉升強度（圖3），以PVDF最為穩定，所以膜材質選擇PVDF。

圖3 四種常用膜材質提升強度對比圖

（3）膜組件選擇

表2 常用膜組件性能對比

根據所處理油田污水的特點，結合整體工藝，從表2性能對比中可以看出，氣動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勢，成為首選。

3.3 膜運行性能的確定

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

圖4 周期內跨膜壓差和膜出水流量變化曲線

（2）膜通量與跨膜壓差關系及化學清洗效果

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均可長期、連續應用。

3.4 膜設計通量確定

試驗裝置：3組膜組件，膜分離面積3×44m2

原則：確保穩定生產，出水水量穩定

方法：經驗數值，試驗確認

示例步驟：

（1） 2個化學清洗周期時分別測定化學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據對應圖

（2） 據設計的最大跨膜壓差和清洗前曲線得到試驗膜出水水量：0.15MPa-6.8m3/h，根據過濾面積，得到膜通量51.5L/h/m2（0.15MPa，60℃）；

（3） 穩定膜通量系數取0.9，得到膜設計的膜通量46.4 L/h/m2（0.15MPa，60℃） 。

（4） 將該水源降至45℃后，可據溫度曲線圖得到溫度系數，計算出45℃時的設計膜通量34.2L/h/m2。溫度降低后，污水中污染物的性質可能發生改變，因此該值可能會稍有變化。

（5） 結合清洗后的曲線和設計的跨膜壓差，可以得到膜的初始跨膜壓差為0.045MPa左右。

4 現場應用

4.1 運行參數

該項技術已經成功應用于某采油廠一增注站，各項運行參數為：

純水初始通量（25℃，0.1MPa）：160L/m2.hr

污水設計通量（25℃，0.1MPa）：30L/m2.hr

最大跨膜壓差：0.15MPa

最大進水壓力：0.2MPa

長期工作溫度：5～45℃

化學清洗周期：20～40天污水回收率：≥95%

4.2 運行水質

運行期間平均水質如下表：

表3 某廠一增注站膜分離應用出水水質

可以看出，在前段預處理達標的前提下，膜出水主要控制指標機雜和含油均控制在表2要求以內，符合SY/T5329-94所推薦的A1級注水指標。

5 結論

該技術針對油田采出污水特征，篩選出適應油田污水的膜及膜組件，解決了以往研究中出現的膜污染嚴重、清洗頻繁、回收水率低的難題，在國內同行業中處于領先水平，具有極高的應用及推廣價值。目前存在的主要問題是膜分離設備工作溫度較低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構合作開發耐高溫膜。同時提高預處理水平以簡化流程，增加污水回收率。