纖維球過濾技術在英東油田水處理應用試驗

王軍林 趙振宇 張智謀 付勇峰 趙燕紅 王彥峰

1中國石油青海油田分公司采油五廠

2中國石油青海油田分公司采油二廠

目前全國各油田進入二次采油時，地層虧空能量補給主要以注水為主。水來源于采出水[1-2]，它富含石油類和懸浮物固體。針對不同的油田注入水質成分不同，采取處理措施[3-4]也不同，常用水處理[5-8]技術有重力分離法、旋流分離法、粗粒化法、過濾法、吸附法、浮選法和膜分離法等，由于上述方法各有其局限性，在實際應用中通常是兩三種方法[9]聯合使用，使出水水質達到排放標準。近年來，水處理技術的發展主要體現在高效油水分離技術、精細過濾技術和膜分離技術、生物處理技術、高效新型設備以及油田用處理藥劑的選擇等。這些技術與裝置的成功開發，對提高油田水處理效率、改進設備的處理性能以及實現處理設備功能的一體化都具有重要意義。

注水水質是否達標決定著油田注水開發的成敗，注入水若不經處理注入地層[10]，會造成地層傷害，使注入壓力升高，注入量和吸水指數均下降，甚至注不進水。因此，各油田對注入水水質[11]特別重視，在注入之前都要進行系統處理。處理技術因地制宜，主要還是以石英砂或核桃殼[12]等剛性材料過濾為主，但也有油田選用新型高精慮[13]技術，如英東油田采用清水纖維球[14-15]過濾技術滿足油田注水需求。

纖維球過濾凈化技術在英東油田的應用過程簡單，操作方便。使注入水流經填充有纖維球過濾介質的腔室，形成理想的上大下小孔隙分布狀態，依靠直接攔截、慣性攔截和電化吸附去除有機物，增強截污能力；再將注入水引進裝有纖維球的過濾罐中，纖維球由頂部的垂直柱塞壓縮過濾，雖然懸浮物固體的負載量很高，但經纖維不斷地排斥懸浮物固體，使介質不會被污染或堵塞，就能使注入水中的懸浮物固體濃度（質量濃度）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（水質達標懸浮物濃度≤5 mg/L 標準），選用纖維球過濾凈化技術處理注入水后水質達到了油田注水需求。

1 水處理工藝技術選擇

英東油田累計探明地質儲量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，為復雜斷塊油氣藏，縱向上分12 套開發層系。

上油砂山組儲層巖性以棕灰色泥巖和灰色粉砂巖、細砂巖、含礫不等粒砂巖互層為主，孔隙吼道以中、細吼道為主，孔喉配置關系好。孔隙度平均為21.7%；滲透率平均為152.1 mD，整體評價為中高孔、中高滲優質儲層。

下油砂山組儲層巖性以灰色細砂巖、泥質粉砂巖互層為主，儲層孔隙吼道以細吼道為主，孔喉配置關系好。孔隙度平均為17.6%，滲透率平均為71.6 mD，整體評價為中孔、中滲儲層。

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。經過三年的運行，注水水質存在不達標、協調管理難度大、系統運行可靠性差等問題，嚴重影響英東油田注水工作的正常開展，制約了油田的發展。

為盡快將資源優勢轉變為效益優勢，英東油田不僅對砂40 井區轉注清水，充分利用寬溝水源地形高差，實現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 注水站內加裝纖維球過濾裝置，可解決水處理系統不完善問題，提高注水水質的達標率，降低供水運行成本，取得了良好的經濟和社會效益，為油田的快速發展打好了基礎。

通過對儲層特征的分析以及注入水水質對比，應用纖維球過濾清水凈化技術水質明顯得到改善，適用于目前的注水水質處理。

2 纖維球過濾技術特性

2.1 成熟性

纖維球過濾器是壓力過濾器中較為新型的水質精密處理設備。

該過濾設備具有雙層過濾的功能，原水流向為上進下出，由于水流受過濾層的阻力作用，濾料形成了上松下緊理想的空隙結構，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，并對水中的有機物、膠體、鐵、錳等有明顯的去除作用。該裝置應用于英東油田清水等方面的精細過濾，不但過濾量大且纖維球不易粘油污。

該設備的濾料是一種新型的滌綸纖維球濾料，具有密度小、柔性好、可壓縮和空隙率大的特點。過濾時受到壓力，纖維球互相交叉，形成上松下密的濾層分布狀態。纖維球以獨有的特質，極大的比表面積和孔隙率，在吸附同時截留水中的懸浮顆粒，充分發揮出濾料深層截污能力；纖維球具有不易粘油的特點，因此反沖洗較為容易，進而用水率降低；具有耐磨損、化學穩定性強的優點；當濾料受有機物污染嚴重時，采用化學清洗方法再生，實用性強。

2.2 先進性

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

（2）對纖維絲進行了改性處理，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；反洗時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，過濾時在水力作用下能下沉到罐底，上松下緊濾層孔隙結構好；改性纖維球濾料運行時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，攔截作用增強，過濾效果好。

3 技術應用

3.1 水處理工藝現狀

英東油田建設2 座注水站，主要負責水的過濾、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，能夠滿足目前生產需要。該注水站清水處理流程工藝為：寬溝來水經自壓進入并聯自動高效快速纖維球過濾器進行過濾，使過濾后的水體達到注水水質指標；過濾后的水進入2 座700 m3凈化水罐，利用原注水站計量泵加藥裝置向注水水體中加入殺菌、除氧等藥劑；凈化水罐出水經喂水泵向注水泵提供注水水體，再經高壓注水干線輸往站外各注水井。根據注水站現有設備及注水規模，砂40 注水站選用并聯自動高效快速纖維球過濾器，處理量110 m3/h，設計壓力0.6 MPa。工藝流程見圖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 井區注入寬溝清水，英東118 井區注入烏南聯合站處理后的污水，有2 套加藥裝置（兩罐連裝），通過在英東118 注水站加藥裝置開展系統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，進入2018年后，烏南聯合站污水出口水質本身較差，為更好地除硫，生物激活劑濃度由60 mg/L 上調至80 mg/L，由于源頭水質污染嚴重，所以加藥劑效果還是不太理想。2018 年9 月中旬，為了提高水質達標率，英東118 井區也被轉注清水，從運行情況看，目前兩站注清水經過纖維球過濾器過濾，能夠滿足當前英東油田注水要求。

3.2 應用效果

3.2.1 應用前后水質變化情況

砂40 注水站于2013 年建站投入使用以來，根據系統注水與地層配伍實驗，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發，水井不斷增加，烏南污水供用不能滿足英東油田的發展，水質越注越差。2015 年12 月，砂40 注水站轉注清水，應用纖維球過濾清水凈化技術水質達標率明顯好轉，具體情況如圖2 所示。

圖2 轉注清水前后水質達標情況Fig.2 Standard reaching conditions of water quality before and after fresh water injection

3.2.2 水處理技術應用效果分析

（1）初期纖維球過濾清水凈化技術應用效果分析。2015 年年底，砂40 井區轉注清水，應用纖維球過濾清水凈化技術后整體水質達標率明顯提升，但不穩定，主要受前期管線殘留污水影響，體現在pH 值、含鐵、機械雜質指標上（表1）。

表1 2016 年轉注清水后水質跟蹤情況Tab.1 Water quality tracking conditions after fresh water injection in 2016

通過加強對纖維球過濾裝置大排量反沖洗、排污，重要跟蹤水質含鐵、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準、清洗時間、液量及周期，具體情況如表2 所示。

表2 纖維球過濾器反沖洗標準Tab.2 Back washing standard of fiber ball filter

（2）近三年纖維球過濾清水凈化技術應用效果分析。采用纖維球過濾清水凈化技術后，水質各項指標趨于穩定，水質達標率明顯好轉，具體情況如表3 所示。

表3 纖維球過濾清水凈化技術應用后水質達標率變化情況Tab.3 Water qualification rate variation after fiber ball filtration treshwater purification technology application %

（3）目前纖維球過濾清水凈化技術應用效果分析。2018 年10 月，增加溶解氧指標后，溶解氧及腐蝕率超標導致注水水質達標率下降；2019 年2 月加密跟蹤溶解氧及腐蝕率變化情況，腐蝕率合格，水質達標率上升，目前水質均達標（圖3）。

圖3 英東油田砂40 注水站水質監測結果Fig.3 Monitoring results of water quality in Sha 40 Water Injection Station in Yingdong Oilfiled

英東油田注水指標的提升主要取決于水處理采用了纖維球過濾清水凈化技術。

3.3 應用管理

（1）加強水質處理制度完善，強化水質管理。砂40 注水站加裝纖維球過濾器及工藝配套后，相關科室不斷修訂、完善水質管理制度，加強注水站內水處理和注水系統儲罐排污、清淤及管線除垢、清洗等工作，減少水質的二次污染，保證系統平穩運行、水質長期達標。具體做法包括：纖維球過濾器的濾料應定期開罐檢查（清水每年不少于一次），根據濾料漏失及污染情況，及時補充或清洗、2 年更換濾料一次，保證過濾后清水水質達標；按照“出水水質差于進水水質時，必須清淤”的原則，建立儲罐清淤制度。清淤過程中產生的各種含油污泥，按照油田公司相關環保要求進行處置。

（2）強化節點控制，制訂節點監測和分析制度。加強注水大罐、纖維球過濾器、外輸泵等監測點的水質監測，定點、定時對水質監測點取樣化驗，分析含氧、含鐵、機械雜質等指標，根據指標定期采取大罐排污、反洗等措施確保水質達標。每月完成全部沿程水質及各注水井井口水質取樣化驗工作，分析井口主要超標項，提出下步解決方案，確保水質達標率穩步提升（表4）。

表4 水質達標率控制指標Tab.4 Control indexes of water qualification rates

3.4 配套工藝

（1）自開展注水工作以來，根據沿程水質檢測井口懸浮物固體達標情況，連續兩月懸浮物固體＞3 mg/L 時對注水管線進行清洗，制訂清洗方案。應用泵車選擇合適的井，進行井對井清洗。根據熱水+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，清洗后井口水質達標率較清洗前提高了5%，英東油田清水井口水質達標率提升至94.47%。

（2）通過安裝高壓自控流量裝置并分析對比單井井口水質化驗數據，對英東油田分注水管線進行了沖洗維護，共沖洗管線5 km。沖洗后，英東油田清水井口水質達標率為94%（圖4）。

圖4 英東油田井口水質監測結果Fig.4 Monitoring results of the wellhead water quality in Yingdong Oilfiled

4 結論

（1）英東油田砂40 注水站采用新型水處理纖維球過濾凈化技術后，不但對油田穩產提供有力保障，而且水質可滿足地層地質要求。

（2）英東油田采用新型纖維球作為過濾材料，表面親水疏油，懸浮物固體不會黏附在濾料上，反洗時懸浮物固體易于脫除；采用氣缸機構來控制濾料的壓縮和疏松，以達到高精度的過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，出水水質穩定。

（3）砂40 注水站加裝纖維球過濾凈化裝置后，定期對注水系統中水質情況進行監測統計分析，及時掌握水質的變化，確保水質中懸浮物固體濃度控制在5.0 mg/L 之內。

（4）根據水質的變化對設備運行參數進行調整，使水質穩定且符合標準。

（5）纖維球過濾凈化設備需每年開罐檢查一次、每周反沖洗一次，每2 年濾料更換一次，才能確保出站水質達標；注入水出站至井口經過管線會形成二次污染，需加強管線清洗，才能確保注水水質達標。