稠油采出水納濾脫鹽技術(shù)的適應(yīng)性研究

楊萍萍 鄭帥 梅俊

中油（新疆）石油工程有限公司

稠油油田在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生高溫高礦化度采油廢水，目前的處置方式不能滿足環(huán)保法及生產(chǎn)要求，制約了油田的持續(xù)發(fā)展[1-2]。常規(guī)開發(fā)模式下稠油采出水（TDS小于或等于3 000 mg/L）凈化后回用注汽鍋爐已基本實(shí)現(xiàn)。但隨著非常規(guī)方式下稠油、超稠油開采，以及過熱注汽鍋爐和燃煤流化床鍋爐的推廣使用，采出液呈現(xiàn)黏度高、攜砂量大、硬度（小于或等于3 000 mg/L）和礦化度（10 000～50 000 mg/L）普遍較高的特點(diǎn)，采用凈化+樹脂軟化已經(jīng)不能達(dá)到鍋爐進(jìn)水指標(biāo)的要求。

膜分離技術(shù)已經(jīng)廣泛用于海水淡化、工業(yè)廢水等工程，對(duì)稠油油田采出水在深度處理回用方面有較大潛力，可以實(shí)現(xiàn)油氣田高濃度廢水資源化處理利用、零排放，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的[3-8]。針對(duì)稠油油田開發(fā)產(chǎn)生的高鹽高硬高硅稠油采出水及其他超稠油采出水進(jìn)行了納濾膜性能的影響因素試驗(yàn)，可為該類采出水處理回用膜的篩選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為大型試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 稠油采出水納濾脫鹽試驗(yàn)

1.1 原水水質(zhì)

典型稠油采出水水質(zhì)組成見表1。其中，高鹽高硬高硅稠油采出水TDS為16 252.1 mg/L，SiO2為207.2 mg/L，硬度為3 933.7 mg/L，遠(yuǎn)高于常規(guī)采出水。

1.2 設(shè)備及材料

納濾是介于超濾和反滲透之間的一種新型膜分離技術(shù)，屬于壓力驅(qū)動(dòng)膜過程，操作壓力通常為0.5～2.0 MPa。由于大部分納濾膜為荷電型，其對(duì)無機(jī)鹽的分離不僅僅受到化學(xué)勢(shì)控制，同時(shí)也受到電勢(shì)梯度的影響。該試驗(yàn)取凈化濾后水作為試驗(yàn)原水，泵入試驗(yàn)裝置的超濾膜組件中進(jìn)一步去除水中的溶解油、懸浮物、有機(jī)物，超濾產(chǎn)水進(jìn)入納濾裝置的進(jìn)水箱，再泵入納濾膜組件中，去除水中大部分離子的納濾產(chǎn)水作為注汽鍋爐進(jìn)水。圖1為納濾流程及裝置。超濾產(chǎn)水經(jīng)由1臺(tái)高壓泵、2只串聯(lián)納濾膜組件實(shí)現(xiàn)軟化及脫鹽，過濾速率為0.5～10 L/h。操作壓力通過調(diào)節(jié)濃水側(cè)閥門和高壓泵頻率來控制。一、二級(jí)納濾濃水部分排放至濃水箱收集，部分回流至中間水箱作為進(jìn)水回收使用。其中，二級(jí)納濾可供選擇性試驗(yàn)。

超濾膜組件為進(jìn)口有機(jī)膜，型號(hào)為SEPRO，截留分子量為5 000 D；納濾膜采用美國(guó)DOWS公司生產(chǎn)的復(fù)合聚酰胺膜NF90，尺寸為1 812 mm，有效膜面積為0.4 m2。

表1 非常規(guī)油田采出水水質(zhì)Tal.1 Water quality of non-conventtional oilfield produced water

圖1 納濾裝置試驗(yàn)流程Fig.1 Test procedure of nanofiltration unit

1.3 水質(zhì)分析方法

水質(zhì)的測(cè)定分析包括電導(dǎo)、pH值、濁度、污染指數(shù)SDI、主要無機(jī)離子 （Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-）的濃度、SiO2、油、懸浮物等。分析方法為SY/T 5523—2000《油氣田水分析方法》、GB/T 12149—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中硅的測(cè)定》。

2 納濾膜處理影響因素試驗(yàn)

2.1 操作壓力對(duì)離子截留率的影響

由圖2可知，對(duì)于高鹽高硬高硅稠油采出水，納濾NF90膜對(duì)Mg2+和SO42-具有100%的截留率，對(duì)Ca2+的截留率在85%以上，對(duì)Na+、Cl-的截留率超過80%，對(duì)SiO2的截留率最高可達(dá)85%左右。在實(shí)驗(yàn)的濃度范圍內(nèi)，操作壓力對(duì)SO42-和 Mg2+截留率的影響較小。NF90膜對(duì)Ca2+、Na+、Cl-及SiO2的截留率隨操作壓力增大而增大。

圖2 操作壓力對(duì)NF90膜截留率的影響Fig.2 Effect of operating pressure on the retention rate of NF90 membrane

NF90膜的脫鹽率隨操作壓力的增大而增大（圖3）。在進(jìn)水流量保持9～10 L/h時(shí)，在操作壓力范圍內(nèi)NF90膜對(duì)總TDS的去除率為77.6%～89.5%。

納濾膜對(duì)各無機(jī)鹽離子的截留率隨著操作壓力的增大而增大，但當(dāng)壓力增加到0.6 MPa以后，截留率的增加速度變緩。對(duì)于溶解-擴(kuò)散模型而言，溶質(zhì)通量與膜兩側(cè)濃度差成正比，壓力增加導(dǎo)致水通量及離子截留率均增加；但是，壓力增大會(huì)導(dǎo)致濃度差極化和膜污染加劇，從而使膜通量下降和截留率降低。

圖3 操作壓力對(duì)TDS去除率的影響Fig.3 Effect of operating pressure on TDSremoval rate

2.2 操作壓力對(duì)膜通量及回收率的影響

操作壓力對(duì)NF90膜的膜通量及回收率的影響見圖4a、4b。在進(jìn)水流量為10 L/h、操作壓力從0.3 MPa增加到0.7 MPa時(shí)，膜通量從 5.5 L/(m2·h)升至7.9 L/(m2·h)，回收率由55%增至79%。

圖4 操作壓力對(duì)膜通量及回收率的影響Fig.4 Effect of operating pressure on membrane flux&recovery

從操作壓力對(duì)截留率、膜通量、回收率的影響效果可以看出，NF90膜的最佳操作壓力為0.6 MPa。

2.3 操作時(shí)間對(duì)各離子截留率的影響

由圖5可知，在8 h的運(yùn)行期間，NF90膜對(duì)SO42-的截留率超過97%，具有優(yōu)異的截留性能；對(duì)Mg2+、Na+的截留率隨著時(shí)間的增加略微下降；對(duì)Ca2+和Cl-的截留率隨時(shí)間變化小，對(duì)Ca2+的截留率維持在90%，對(duì)Cl-的截留率維持在85%；對(duì)SiO2的截留率維持在80%。

圖5 截留率隨時(shí)間的變化Fig.5 Retention rate changes with time

2.4 操作時(shí)間對(duì)膜通量的影響

由圖6可知，膜分離裝置經(jīng)過8 h的運(yùn)行，NF90膜的膜通量下降了2.6%，變化小，這是由于復(fù)合型納濾膜的耐壓密性強(qiáng)，使膜的截留率變化小和膜通量衰減輕。從操作時(shí)間對(duì)截留率和膜通量的影響看，NF90納濾膜具有操作時(shí)間短、處理效果穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖6 膜通量隨時(shí)間的變化Fig.6 Membrane flux changes with time

2.5 回收率對(duì)納濾膜脫鹽性能的影響

由圖7a可知，當(dāng)操作壓力保持在0.6 MPa時(shí)，系統(tǒng)回收率由15%增加至80%；NF90膜對(duì)SO42-的截留率為 98%～100%，對(duì) Mg2+截留率為 95%～100%，對(duì)Ca2+截留率為 95.5%～92.8%，對(duì)SiO2截留率為85.2%～68.2%。

由圖7b可知，NF90膜元件的產(chǎn)水中，隨回收率的提高，對(duì)一價(jià)Na+和Cl-的截留率降低。納濾膜的總脫鹽率隨回收率的增大而降低，在試驗(yàn)的回收率范圍內(nèi)，NF90膜對(duì)總TDS去除率為 92.9%～76.1%。

圖7 回收率對(duì)截留率及脫鹽率的影響Fig.7 Effect of recovery rate on retention ratio and desalinization ratio

2.6 回收率對(duì)膜通量的影響

保持操作壓力0.6 MPa，系統(tǒng)回收率通過部分濃水回流的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。由圖8可知，回收率由20%增加至80%，膜通量由 12 L/(m2·h)下降至9.0 L/(m2·h)，膜通量降低了25%。

圖8 回收率對(duì)膜通量的影響Fig.8 Effect of recovery rate on membrane flux

從試驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)回收率提高至80%時(shí)，NF90膜對(duì)二價(jià)離子的截留率依然維持在90%以上，對(duì)一價(jià)離子截留率維持在80%；但是，對(duì)SiO2的截留率下降最為明顯，應(yīng)在預(yù)處理過程中予以重視。同時(shí)，回收率提高至80%，膜通量下降不到25%，說明此工藝技術(shù)適應(yīng)性較好。

3 稠油采出水納濾處理成本

表2 納濾處理成本Tal.2 Cost of nanofiltration treatment

由表2可知，納濾處理高鹽高硬高硅稠油采出水的耗電量為0.5 kWh/m3，預(yù)處理費(fèi)用為2.1元/m3，阻垢劑投加量為50×10-6t/m3，合計(jì)納濾處理成本為3.38元/m3（不含設(shè)備折舊費(fèi)用）。

4 結(jié)論

（1）NF90膜在操作壓力為0.6 MPa時(shí)，回收率可達(dá)80%，膜通量為9.0 L/(m2·h)，具有低能耗、高效率的特點(diǎn)，在油氣田相關(guān)工程中具有應(yīng)用價(jià)值。

（2）NF90膜在各種工況下，對(duì)高鹽高硬高硅稠油采出水中Mg2+、SO42-、Ca2+的截留率維持在90%以上，對(duì)Na+、Cl-的截留率在80%以上，對(duì)SiO2的截留率維持在70%左右，出水中各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足鍋爐用水要求，具有很好的適應(yīng)性。