劉歡

摘要：采用膜法技術(shù)對油田采出水進(jìn)行處理在全球范圍內(nèi)已運用了多年。隨著我國油田普遍完成第一次采油，相關(guān)法律法規(guī)對二、三次采油階段的采出水回注標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，引入陶瓷膜材料對膜法采出水技術(shù)進(jìn)行改良成為當(dāng)下我國油田采出水工作中的重點。本文通過對膜分離技術(shù)、陶瓷膜材料處理技術(shù)、陶瓷膜污染及清洗技術(shù)等進(jìn)行分析和總結(jié)，介紹了利用陶瓷膜材料對低滲透油田采出水的應(yīng)用方法和應(yīng)用進(jìn)展，對陶瓷超濾膜處理油田采出水工藝參數(shù)的優(yōu)化方法進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：陶瓷膜;低滲透油田;油田采出水;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TQl74.75⁺2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0017-03

業(yè)界通常將油層儲層滲透率低、豐度低且單井產(chǎn)油能力較差的油田稱為低滲透油田。該類油田在我國分布廣泛，其總儲量占我國全國油田總儲量的四分之一。隨著我國油田的采油工作普遍進(jìn)行第二、三階段，該類型油田的開發(fā)比例正處于逐年上升狀態(tài)，2018年該類型油田開發(fā)比例占總開發(fā)比例的40%以上。針對低滲透油田的開發(fā)優(yōu)化工作成為現(xiàn)階段我國油田開發(fā)工作中的重點。

油田采出水指的是，利用脫水轉(zhuǎn)油站對油田采出液進(jìn)行脫水和脫鹽處理后所得的廢水。我國油田每年約產(chǎn)生近7億噸的油田采出水，其中的絕大部分需回注地層。然而，經(jīng)脫水轉(zhuǎn)油站初步處理得到的廢水中含有較多的細(xì)菌、破乳劑和懸浮物等，且通常具有較高的溫度，需要通過陶瓷膜等材料或技術(shù)進(jìn)行二次處理。膜分離技術(shù)是當(dāng)下全球范圍內(nèi)進(jìn)行采出水處理工作主要使用的技術(shù)和方法，通過膜類材料對脫水轉(zhuǎn)油站排水的廢水進(jìn)行處理，能夠有效保證采出水的質(zhì)量及注水壓力，不會堵塞油層孔隙孔喉。

研究根據(jù)實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗及實驗，對采用陶瓷膜超濾技術(shù)的油田采出水工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化后的參數(shù)，可供其他同行業(yè)工作人員參考。

1陶瓷膜技術(shù)簡介

通過特殊的加工工藝，將無機(jī)陶瓷材料（主要有ZrO2、SiO2等）加工成一種呈管狀且管壁密布微孔的不對稱膜，這種膜能夠保證一定大小的物質(zhì)通過，從而對液體中的其余物質(zhì)進(jìn)行攔截，最終達(dá)到對某類液體進(jìn)行分離、提純的目的。這一技術(shù)被人們稱之為陶瓷膜超濾技術(shù)。陶瓷膜超濾技術(shù)最早由日本某企業(yè)引入中國市場，目前已廣泛應(yīng)用于生物、食品、藥物、石油化工等行業(yè)。

陶瓷膜材料用于處理低滲透油田采出水的優(yōu)勢主要有：①得益于其優(yōu)秀的親水憎油特性，陶瓷膜在對油田采出水進(jìn)行過濾的工作中能夠有效防止有幾類物質(zhì)的污染;②由于該類材料具有極其穩(wěn)定的化學(xué)特性，不會與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化性試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此能夠被該類清洗劑清洗;③陶瓷膜本身具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠應(yīng)對高溫狀態(tài)下的采出水以及高壓清洗氣體;④經(jīng)過陶瓷膜進(jìn)行超濾后的采出水擁有良好的水質(zhì)，能夠滿足較為嚴(yán)格的政策標(biāo)準(zhǔn)要求;⑤采用陶瓷膜為過濾材料的過濾裝置通常具有壽命長、產(chǎn)地面積小且不需要過多配套設(shè)施的優(yōu)勢。

2陶瓷超濾膜工作流程

超濾膜的工作方式通常有兩種：①錯流過濾，該方法能夠有效降低陶瓷膜表面出現(xiàn)濃差極化效應(yīng)，從而保證濃水循環(huán)能夠一直處于大比例狀態(tài);②死端過濾，該方法主要適用于采出水中所含固體比例較低時的過濾工作。通過實際工作條件下的實驗發(fā)現(xiàn)，死端過濾工作會較快造成陶瓷膜表面通量的下降，且由于該方法易造成清洗難度的提升，固本研究采取錯流過濾形式對采出水進(jìn)行處理。工藝流程如圖1所示。

按圖1設(shè)計的流程，利用脫水轉(zhuǎn)油站對油田采出液進(jìn)行處理后得到原水，左側(cè)為普通采出水處理流程及主系統(tǒng)，右側(cè)為使用了陶瓷膜技術(shù)的二氧化鋯陶瓷超濾膜組處理實驗流程。循環(huán)泵是實驗組流程中的能耗最大的環(huán)節(jié)或部件，其理論值基本等于循環(huán)流量x工作壓力。對于某固定油田采出水處理管道阻力系統(tǒng)來說，其工作壓力數(shù)值的大小主要取決于原水在系統(tǒng)中的流速或流量。因此，流程優(yōu)化工作的主要參考標(biāo)準(zhǔn)為原水循環(huán)流速以及排污比例，值越高則系統(tǒng)處理效率越高。

3陶瓷超濾膜反沖洗方式與工藝優(yōu)化

錯流過濾方式能夠有效降低陶瓷膜表面出現(xiàn)濃差極化效應(yīng)。然而，隨著過濾工作的進(jìn)行，陶瓷膜的表面仍不可避免地形成一層凝膠層，此時需要針對表面凝膠層進(jìn)行反沖洗，從而使陶瓷膜恢復(fù)正常通量;系統(tǒng)長期工作后，陶瓷膜表面與膜內(nèi)部的孔道中會逐漸因為污染物的聚集而形成垢層，此時則需要通過對垢層進(jìn)行化學(xué)清晰，從而使陶瓷膜恢復(fù)正常通量。

經(jīng)實驗組長期運行與觀察可知，陶瓷膜的有效通量值在該膜運行很長一段時間后會出現(xiàn)明顯降低，即便經(jīng)過多次沖洗也無法改善。其主要原因在于，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行過較多次數(shù)的反沖洗行為后，管道內(nèi)的反沖洗用水會因為長期接觸壓縮空氣而形成飽和溶液。飽和溶液中的溶解性氣體在進(jìn)行陶瓷膜的內(nèi)孔道后，會因為壓力的降低而釋放，最終形成孔道氣栓，阻礙了系統(tǒng)原水流通，降低了管道通量，為應(yīng)對反沖洗過程中造成的孔道氣栓，在反沖洗罐內(nèi)設(shè)置一種價格低廉、運行可靠的氣動脈沖裝置，該裝置能夠保證在對膜組進(jìn)行反沖洗時不會將壓縮空氣滯留在陶瓷膜孔道中。經(jīng)過長時間運行實驗，反沖洗周期控制到一小時左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去90s的反沖洗周期。同時，膜通量的衰減最終控制在了9%以內(nèi)，通過反沖洗后可恢復(fù)99.5%以上。

4陶瓷超濾膜工作參數(shù)優(yōu)化

4.1循環(huán)流量與流速

陶瓷膜進(jìn)行采出水過濾的過程中，無機(jī)物垢層的生長速度V無機(jī)小于有機(jī)物垢層的生長速度V有機(jī)。采用提高流速或使用堿洗的方式能夠有效抑制有機(jī)物垢層的生長，使之處于一穩(wěn)定低值。通過長期實驗觀察，以膜通量衰減程度20%為基準(zhǔn)，對不同循環(huán)流量下對應(yīng)的有效工作周期進(jìn)行記錄，當(dāng)流量達(dá)到855m³/h以上區(qū)間時，膜表面流速穩(wěn)定在5.0m/s;堿洗周期穩(wěn)定在155～185h范圍內(nèi)，可獲得最佳濾除效果。

4.2排污比例

排污比例數(shù)值的大小直接決定了對應(yīng)的濃縮倍數(shù)的數(shù)值和能耗，采取錯流方式進(jìn)行超濾時，排污比例與濃縮倍數(shù)、能耗等成反比，且排除的濃水量越大系統(tǒng)工作壓力越小。然而，隨著排除濃水量的不斷增加，工作主線的處理負(fù)荷也會不斷增加，因此，需要找到流量平衡點，既能保證獲得最佳排污量，又能使工作主線處的處理負(fù)荷不過高。經(jīng)長時間實踐觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)排污量數(shù)值為8m³/h以上時，系統(tǒng)工作周期穩(wěn)定，排污比例為22%，原水回收率為78%。

5存在的問題及今后改進(jìn)方向

國內(nèi)外關(guān)于使用陶瓷膜對低滲透油田采出水進(jìn)行超濾處理的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，本研究基于國內(nèi)外學(xué)者理論研究和實際實驗，對超濾處理系統(tǒng)和流程進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后系統(tǒng)超濾效果良好，運行較為穩(wěn)定，但仍存在以下問題。

5.1處理規(guī)模問題

該系統(tǒng)處理規(guī)模達(dá)650m³/d-850m³/d，距離理想處理規(guī)模1000m³/d尚有一段距離。

5.2成本問題

系統(tǒng)從設(shè)計到運營總成本在180萬元左右，對于我國每年近7億噸的油田產(chǎn)出水處理量來說，成本太高。

6結(jié)語

本研究選擇陶瓷膜進(jìn)行油田采出水超濾工作的主要材料，能夠滿足目前最為嚴(yán)格的含油量5mg/L、懸浮物1mg/L、懸浮物粒徑中值1um的5.1.1環(huán)保要求。通過幾年的實踐實驗，開發(fā)出一套能夠處理650m³/d到850m³/d的半生產(chǎn)型陶瓷膜超濾實驗裝置，通過在裝置中添加氣動脈沖裝置有效控制了陶瓷膜的衰減，提升了系統(tǒng)工作效率。同時得到了該系統(tǒng)處理低滲透油田采出水時的最佳參數(shù)：膜表面流速控制在4-5m/s;排污比例最佳設(shè)定值為22%左右。