管式精濾設備在渤海稠油油田適應性分析

黃 巖，宋 鑫，劉春雨，曲兆光，陳 征

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

渤海稠油油田儲量豐富，占據地質儲量的40 %。隨著稠油油田開發的深入，常規水處理工藝處理稠油油田產出污水效率逐漸變差，需要對水處理工藝模式進行創新[1-4]。管式膜設備具有處理指標精細的特點，在海上油田應用的可靠性需要進一步論證。通過管式精濾膜處理平臺含油污水運行試驗，綜合考察產水指標與運行穩定性，來論證管式精濾膜在渤海稠油油田適應性[5-7]。實現油田綠色、高效開發等目的。

1 管式精濾設備介紹

1.1 油水分離原理

精濾設備主要采用錯流過濾，來液流經膜表面時產生剪切力將高黏油滴剝離在膜面上，其余的水透過膜本體從而實現油水分離[8-11]。在組件內部由往復泵將污水平行于膜面流動循環流動，逐級過濾，過濾動力主要由泵產生跨膜壓差作為推動力，管式膜本體（見圖1）。

圖1 管式膜本體實物圖

進行油水分離時體系中水為主體，此時分離膜設計為親水疏油性更適合該混合體系。為增加過濾精度、效率又避免快速污染，將膜網孔徑設計為25 nm～30 nm，此時大于膜孔徑的顆粒物被截留。通過來液指標可以自由調節膜面流速實現高效、精細處理含油污水[12，13]。

利用膜法油水分離的特點在于：（1）膜分離過程中沒有相變發生；（2）處理時不需投加藥劑，避免藥劑對膜構成污染；（3）運行處理成本低，分離指標精細。管式精濾膜的運行穩定性與抗腐蝕性決定了該技術在稠油油田污水處理中的應用前景。

圖2 管式精濾工藝處理流程圖

1.2 管式精濾裝置

海上平臺設備具有小型化、撬裝化的特點，因此設計了撬裝化集成管式膜精濾裝置。目前該裝置在陸地油田開展現場試驗取得不錯的分離效果。整個精濾系統采用PLC 模塊控制，大幅度提高了操作可靠性，減少膜受損的機率，從而延長膜的使用壽命，此次撬裝分離膜裝置主要設備參數（見表1）。

表1 管式分離膜試驗裝置參數

2 試驗

此次試驗用水取自水處理流程中不同位置的污水，接入管式膜設備入口，通過測試出口處的水含油量、懸浮物含量以及跨膜壓差來評價膜設備的處理能力。本次試驗進水分別設置為氣浮出口水樣、斜板出口水樣。

2.1 油水分離效果評價

斜板、氣浮出口水處理前后的水質指標（見表2）。在處理斜板出口水時，管式精濾膜處理后的水中含油量指標由95 mg/L～120 mg/L 降低至5 mg/L；在處理氣浮出口水時，管式精濾膜處理后的水中含油量指標由45 mg/L～60 mg/L 降低至4 mg/L；將設備接入斜板出口時處理指標稍高，但處理指標仍然能夠滿足注水水質A1 級標準。斜板出口接入時污水經處理后懸浮物含量由35 mg/L～55 mg/L 降低至2 mg/L；氣浮出口接入時污水經處理后懸浮物含量由20 mg/L～30 mg/L 降低至1 mg/L～2 mg/L，設備運行過程中處理指標相對穩定。

為了對比油水分離效果，分別記錄了接入氣浮出口處理前后的水樣。三個水樣顏色和濁度均不同，其中右側管式膜產水為無色透明狀，其透明度明顯優于膜原水和濃縮水，其余兩者均伴有少量黑色沉淀物。

表2 SZ36-1 現場含聚污水現場試驗水質分析小結

圖3 運行穩定性隨時間變化

2.2 設備運行穩定性評價

運行穩定性主要通過跨膜壓差進行判別。將管式精濾設備接在氣浮出口進行污水處理試驗。進水水溫設定為65 ℃，膜組件過濾溫度65 ℃～70 ℃。膜設定通量為300 L/（m2·h），濃縮比設定為5，膜面流速設定為3.2 m/s。試驗期間記錄跨膜壓差隨時間變化，跨膜壓差達到0.1 MPa 時認定膜已被污染，記錄結果（見圖3）。

由圖3 可知，經過長達96 h 的連續試驗，超濾膜裝置跨膜壓差未超過0.1 MPa，運行90 h 時跨膜壓差升高至0.09 MPa。設備在運行28 h 后提高泵頻使膜面流速升高至3.5 m/s，此時跨膜壓差從0.03 MPa 下降為0.02 MPa，通過調整流速能夠抑制跨膜壓差升高速度從而緩解污染程度。隨著膜面流速恢復至初始值8 h后跨膜壓差呈現繼續增長。運行90 h 時跨膜壓差升高至0.09 MPa。當跨膜壓差達到0.07 MPa 時表現為中度污染，此時調整流速對于污染程度的改善效果較弱。因此污染初期可通過調速緩解污染，污染程度較嚴重時需要進行清洗工藝來恢復膜本體的選擇通過性。

分別對油水分離處理前后的膜進水、膜產水、膜濃水進行取樣拍照，結果（見圖4）。三個水樣顏色和濁度均不同，其中超濾膜產水為無色透明狀，膜原水和濃縮水可見淡白色渾濁狀，并有少量黑褐色沉淀存在其中。膜產水水質經化驗分析，油含量均＜5 mg/L，懸浮物含量＜1 mg/L，粒徑中值＜1 μm。

2.3 清洗效果評價

圖4 氣浮處理膜進水、膜濃縮液、膜產水照片

當精濾膜設備達到中度、重度污染時，需要對膜本體進行清洗恢復膜通量。通過室內對清洗配方的優化，形成表面活性劑洗、酸洗、堿洗復合三步清洗工藝，針對此次重度污染的膜設備進行了清洗評價試驗。試驗條件為清洗溫度40 ℃，每步清洗用水量為6 m3，設計的清洗流程（見表3）。

表3 三個階段清洗流程與方法

衡量精濾設備清洗效果的標準主要是跨膜壓差的變化與通量的恢復率。試驗過程中記錄了清洗前后跨膜壓差的變化（見圖5）。

圖5 三階段跨膜壓差隨清洗時間變化

經歷第一階段表面活性劑清洗主要利用活性劑對污染物、污垢的乳化作用，使附著表面的污染物流動，清洗20 min 后效果開始顯現，此時跨膜壓差降低44%。經歷第二階段酸洗，主要對含鐵氧化物、碳酸鈣、硫酸鈣等垢組分，減少膜表面和膜孔內沉積的無機污染物，實現對膜孔和膜腔的全面清洗，此時跨膜壓差降低30 %；最后堿洗時采用無滲透清洗避免膜表面殘留雜質對膜再次污染，此時可使跨膜壓差恢復到0.01 MPa，實現徹底清潔。

通過對清洗后膜體的膜通量測定，通量恢復值為295 L/（m2·h），恢復率分別為98.3 %，充分說明所優化的三段復合清洗工藝方案效果良好，對殘留雜質、堵塞垢清除效果較好。

3 適應性分析

3.1 工藝特點分析

經過一系列精濾工藝處理效果評價試驗可知，精濾膜主要特點是抗腐蝕性強、抗污染能力強、工藝靈活簡便、入水標準低、處理指標精細化，對于海上稠油油田回注水質指標要求高、處理規模大等特點具有很好的適應性，但針對不同油田水質情況，膜本體的結構、孔徑以及清洗藥劑的用量要進行個性化設計，以滿足不同區塊油田的要求（見表4）。

表4 管式精濾膜工藝特點

3.2 海上油田應用效果

經過持續的深入研究，管式精濾設備在渤中34-2/4A 平臺上建造了一套處理量為2 400 m3/d 的膜分離裝置。

整套裝置占用空間為9.5 m×5.5 m×3 m，重約25 t，建成后運行穩定性好，產水指標油含量＜10mg/L，懸浮物含量＜3 mg/L，粒徑中值＜1 μm。清洗周期相對穩定，現場應用效果為管式精濾工藝在海上稠油油田油水處理的應用奠定了技術基礎。

4 結論

（1）利用管式精濾工藝對稠油油田產水水樣開展了分離效果評價試驗，氣浮出口接入時污水經處理后懸浮物含量由20 mg/L～30 mg/L 降低至1 mg/L～2 mg/L，滿足回注水質A1 級標準。經過長達96 h 的連續試驗，超濾膜裝置跨膜壓差未超過0.1 MPa。污染初期可通過調節膜面流速來減緩污染。

（2）通過對清洗配方的優化，采用表面活性劑洗、酸洗、堿洗復合三步清洗工藝能夠重度污染后的膜通量恢復原通量的98 %以上，對殘留雜質、堵塞垢清除效果較好。

（3）該膜處理工藝針對海上油田產出水具有高效、穩定、節能的特點，對于海上稠油油田回注水質指標要求高、處理規模大等特點具有很好的適應性。