電磁脈沖除油及膜處理工藝在特低滲透油田采出水處理的應用

李金永 馬文娟 李棟 朱治國 杜航 谷勝群 鄧明

中國石油華北油田分公司第三采油廠

留西油田特低滲透斷塊比較多，注入層平均空氣滲透率≤0.01 μm2的斷塊注入水要求為A1級水質（含油質量濃度≤5 mg/L、懸浮物質量濃度≤1 mg/L、懸浮物中值粒徑≤1 μm），其中路44、西47 等斷塊及部分拉油點自注水系統投產后一直注清水，造成了嚴重的清水資源浪費、生產成本增加，并且清水和地層配伍性差，注入清水時間越長，地層水礦化度越低，鹽敏、水敏越嚴重（圖1），造成黏土礦物膨脹、滲透率下降、注水壓力持續增高，導致儲層損害嚴重，影響油田注水開發效果。注入采出水造成的儲層損害程度遠遠小于注入清水，因此處理合格的采出水是油田注入水的最佳選擇，更有利于提高油田注水開發效果。第三采油廠常用的采出水處理工藝有聚結除油器、聚結氣浮工藝、微生物除油工藝、雙濾料過濾器、清水纖維球過濾技術、懸浮污泥處理裝置等[1]，但處理效果距離A1級水質要求仍然存在一定的差距。

圖1 巖樣鹽敏曲線Fig.1 Salt sensitivity curve of rock samples

為解決上述問題，引進陶瓷膜過濾技術，并在陶瓷膜處理端前增加電磁脈沖除油、超精細纖維束過濾裝置，保證陶瓷膜進入水質穩定達標，避免堵塞，確保水處理設備高效穩定運行，對于保障生產和穩定出站水質，具有重要的實際生產意義。

1 留西特低滲透油田采出水處理現狀

留西油田留17 斷塊平均空氣滲透率在3.27×10-3～59.5×10-3μm2左右，注水水質要求為A1級，且距離路44、路47 斷塊的管線距離分別只有2.2、4.0 km。留17站水處理工藝流程：油區來水進入除油罐，然后進入懸浮污泥處理裝置，再進入調節罐、精細過濾器，最后進入注水罐（圖2），水處理效果不理想，可以達到A2 級水質標準（含油質量濃度≤6 mg/L、懸浮物質量濃度≤2 mg/L、懸浮物中值粒徑≤1.5 μm）[2]，距離A1 級水質指標仍有一定的差距，且目前設備已老化嚴重，處于停運狀態，采出水調至留二站處理。留二站運行工藝：油區來水經過除油罐、沉降后進入調節罐，沉降后的采出水經過濾器過濾后進入注水罐，一部分水在留二站進行污水回注，一部分水調入留17 站的注水罐，留二站處理后為C3 級水質，處理后再調至留17 站進行回注，不能滿足油田注水開發需求，且存在來回調用問題。

圖2 留17站水處理工藝流程Fig.2 Schematic diagram of water treatment process flow at Liu 17 Station

2 A1級水質水處理工藝研究

目前主流的A1級水質處理工藝有微生物法+微濾膜工藝、聚結氣浮工藝+多級過濾工藝、高頻脈沖除油技術/電磁脈沖除油技術+超精細纖維束過濾器+陶瓷膜工藝等，其中微生物法產生的生物泥包裹懸浮物，不易附著，且容易阻塞下一流程的膜；微濾膜吸附量非常少，基本無介質脫落、孔徑均勻，但是生產過程中極易堵塞；聚結氣浮工藝+級過濾工藝中濾料易結垢、板結，影響過濾精度，水質達標率不穩定，如果采出水礦化度及溫度高，易結垢阻塞氣浮口；高頻脈沖除油技術適用于含油質量濃度≥1 000 mg/L 的節點，留17 站油區放水質量濃度≤400 mg/L；電磁脈沖除油、超精細纖維束過濾器、陶瓷膜工藝集成化較高，流程較短，設備運行噸水耗電＜0.3 kWh、抗水質波動沖擊性強[3]，因此選擇電磁脈沖除油+超精細纖維束過濾器+油水分離專用陶瓷膜裝置進行A1級水處理。

2.1 電磁脈沖除油工藝

電磁脈沖除油的進水水質要求：含油質量濃度＜1 000 mg/L，懸浮物質量濃度＜300 mg/L；出水水質可以達到：含油質量濃度＜30 mg/L，懸浮物去除率40%～60%，完全符合油田水處理系統生產要求。壞油罐底水直接進入該裝置的處理倉1（圖3），通過該倉底部脈沖破乳電極實現破乳以及頂部預氧化電極有效破壞油滴表面的乳化膜，使乳化液中的油水進行分離；接著通過隔板上溢流進入過渡倉，再通過底部連通槽內的電凝聚電極進入處理倉2，在電凝聚電極作用下，使水中的膠態雜質、懸浮雜質與羥基絡合物凝聚而生成沉淀；通過底部折流上部溢流的兩道隔板進入處理倉3，處理倉底部安裝脈沖破乳電極和微壓氣浮電極，通過微壓電氣浮技術，利用電極反應產生大量高度分散的微氣泡，聯合高效柱狀旋流技術使破乳脫穩后的小油滴快速集聚上浮；最后通過底部折流上部溢流的兩道隔板進入緩沖倉，再由輸送泵輸送至站場的緩沖罐。裝置頂部設有刮油器，根據工況將頂部浮油刮出至裝置一側的收油槽內，再由收油泵定期將槽內污油輸送至現場污油罐；裝置內底部采出水通過排污泵輸送至站場干化池[4-6]。

圖3 電磁脈沖除油工藝流程Fig.3 Electromagnetic pulse oil removal process flow

2.2 超精細纖維束過濾工藝

超精細纖維束過濾器的進水水質要求：含油質量濃度＜50 mg/L，懸浮物質量濃度＜50 mg/L；出水水質：含油質量濃度＜10 mg/L，懸浮物質量濃度＜10 mg/L。超精細纖維束過濾器[7-9]過濾精度高且穩定，其各濾層孔隙可以進行調節，反洗再生方式獨特，反洗徹底，保證高精度過濾水質；其結構上采用成熟的液壓系統，結構可靠，適用于含油采出水的精細過濾；該過濾器選用的纖維束濾料經過纖維絲的改性處理，將纖維濾料由親油型改變為親水型，改性后的纖維不易粘油，便于反洗再生、過濾精度高。采用改性纖維束作為過濾介質，過濾時通過濾層的孔隙調節，來水通過濾料的攔截、吸附、架橋作用，對水中的懸浮物及污油進行濾除，不同的孔隙度會實現不同的出水質量。反沖洗時，濾層孔隙不斷變化，同時從底部進水、進氣進行反沖洗，實現濾料再生。

2.3 油水分離專用陶瓷膜工藝

傳統的有機膜（圖4a）過濾孔徑一致，容易污染，反沖洗不徹底，通量不能完全恢復，雖然價格低，但是不耐油，對進水水質要求高（含油質量濃度＜10 mg/L），通量衰減快，使用壽命短；普通的陶瓷膜機械強度大、不耐油，對進水水質要求比較高，通量衰減快，難于清洗；針對有機膜和普通陶瓷膜在油田采出水處理領域應用時通量衰減快，難于清洗的問題，引進油水分離專用陶瓷膜（圖4b）過濾技術，其具有親水憎油的特性（圖5），適應各種油田采出水處理工況的要求。油水分離專用陶瓷膜[4-6]材質為SiO2和TiO2膜，膜孔徑為200 nm，采用分層燒制的工藝，可以直接燒制出大直徑、多通道、密集型陶瓷膜，過濾孔徑由小到大，梯度結構優勢明顯，不易糊堵，通量衰減慢；耐污染能力強；反沖洗效果好，可以迅速恢復通量，單支膜的直徑為140 mm，有效過濾面積7 m2，在同等處理量下減少了膜的使用數量。油水分離專用陶瓷膜過濾裝置進水水質要求含油質量濃度＜15 mg/L，懸浮物質量濃度＜10 mg/L，過濾后水中含油質量濃度≤5 mg/L，懸浮物質量濃度≤1 mg/L，可以穩定達到A1級水質要求。

圖4 微觀結構照片Fig.4 Microstructure photo

圖5 油田采出水通過膜過濾的示意圖Fig.5 Schematic diagram of oilfield produced water passing through membrane filtration

3 技術應用

3.1 采出水處理系統

應用初期，留17 站日產水量約1 000 m3左右，采出水處理過程中不投加任何化學藥劑，效果比較穩定，基本可以達到A1 級水質標準，水中含油質量濃度≤5 mg/L，懸浮物質量濃度≤1 mg/L，但是陶瓷膜運行過程中存在產水側和進水側之間的壓差升高過快的問題。運行第7 天壓力由0.06 MPa升高至0.18 MPa，陶瓷膜的堵塞很快，第9 天壓力升高至0.25 MPa，隨即進行了化學清洗，之后壓力恢復正常。進行原因分析可知，系統調試期間處理效果不穩定，采出水中的懸浮物固體和浮油將濾膜表面“糊住”，同時與陶瓷膜過濾孔徑大小相近的微小懸浮物顆粒，將膜孔隙堵塞。為進一步驗證，分別取4份采出水水樣，分別按質量濃度為40、50、60、70 mg/L 加入凈水劑（聚合氯化鋁），充分攪拌后靜置2 h，實驗結果如圖6所示。

圖6 過濾后水樣加入不同濃度凈水劑實驗效果Fig.6 Experimental effect of adding different concentrations of water purification agents to the water samples after filtration

由圖6 可知，加藥質量濃度為40 mg/L 時，水中絮體比較少，加藥質量濃度分別為50 mg/L 時，絮體多且沉淀快，加藥質量濃度為50、60與70 mg/L時變化不顯著。取加藥濃度為50 mg/L 的采出水樣品上層清液進行陶瓷膜過濾實驗，陶瓷膜沒有迅速堵塞，證明前期堵塞陶瓷膜的微小顆粒絕大部分被絮凝沉降。為解決上述問題，對留17 站的采出水處理工藝進行了調整，在1 000 m3緩沖罐添加50 mg/L 的凈水劑，并在采出水進入油水分離專用陶瓷膜之前增加了50 m3調節罐進行預處理（圖7，紅色箭頭方向為水流方向）。在調節罐內部增加了堰板和填料等結構，延長沉降時間，提高沉降效果。

圖7 50 m3調節罐結構調整示意圖Fig.7 Schematic diagram of structure adjustment of 50 m3 regulating tank

原工藝流程：油區來水、電磁脈沖除油、1 000 m3除油罐、超精細纖維束過濾器、陶瓷膜、注水罐；改進后工藝流程：油區來水、電磁脈沖除油、加藥裝置、1 000 m3除油罐、超精細纖維束過濾器、50 m3調節罐、陶瓷膜、注水罐。

工藝改進后，日均處理水量1 000 m3，陶瓷膜化學清洗周期提升至15～20 d，處理后水質穩定達標，陶瓷膜過濾后采出中含油質量濃度≤5 mg/L，懸浮物質量濃度≤1 mg/L，懸浮物中值粒徑≤1 μm，達到了A1 級回注水水質指標，有效保障了該廠留西油田注水開發水質。

3.2 盤活水量與管線

新建留17 注水站至邊緣站點（路44、路47站）調水線，利用留17 站處理后的采出水供路44、路47 斷塊進行注水，實現路44、路47 站清改污。

留二站目前采出液為442 m3，采出水為390 m3，均為無效注水，留17 站進液量為1 000 m3，日配注1 010 m3；利舊輸低含水油管線，將留二站采出液輸送至留17 油站三相分離器進口前，增加留17 站采出水量，停用留二站油水處理系統，整體解決留西油田開發存在的問題。

4 結論

留17 站應用電磁脈沖除油、超精細纖維束過濾器和油水分離專用陶瓷膜過濾技術后，處理后水質穩定達到A1 級注水指標要求，滿足了留17 斷塊、路44斷塊、路47 斷塊水質要求，滿足油田開發需求，減少了水資源浪費，日均節約清水550 m3，預估節約420 萬元/a。自動化程度有所提高，減輕了工人勞動強度。

留二站水處理系統停運，減少崗位人員10人，減少化學藥劑66 t/a，留西至留二站管線減少漏失、維護費用和污染補充等費用30萬元/a。通過整合區域運行功能，解決了留西油田采出水存在來回調用、流向不合理問題，降低了系統運行成本。