夏劍軍

大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠

近年來，隨著大慶油田采油九廠開發(fā)力度的不斷加大，除稠油區(qū)塊、新開發(fā)區(qū)塊平均空氣滲透率均小于0.02 μm2。由于這些區(qū)塊的儲(chǔ)層物性差、滲透率低且易于受到污染，為保證油田開發(fā)效果，對油田注入水質(zhì)要求更為嚴(yán)格，注入水必須滿足“5.1.1”（含油濃度5 mg/L，懸浮物固體濃度1 mg/L，懸浮固體粒徑中值1 μm）水質(zhì)指標(biāo)要求。原大慶油田的常規(guī)水處理工藝技術(shù)已不能夠滿足需求，要達(dá)到該項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，必須采用“5.1.1”水處理工藝技術(shù)。

1 “5.1.1”水處理工藝基本情況

1.1 地面建設(shè)現(xiàn)狀

采油九廠已建成各類工業(yè)水處理站場36 座，其中符合“5.1.1”標(biāo)準(zhǔn)的有19 座，均應(yīng)用于地下水處理站場。超濾技術(shù)主要采用無機(jī)膜和有機(jī)膜兩種過濾工藝，有機(jī)膜主要應(yīng)用的是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙?。≒VC），無機(jī)膜采用316L不銹鋼和雙向不銹鋼。

1.2 工藝技術(shù)原理

超濾膜過濾精度最高可達(dá)0.01 μm。該技術(shù)以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以膜絲為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時(shí)，膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側(cè)而成為濃縮液，從而實(shí)現(xiàn)對原液凈化、分離的目的[1]。

金屬膜采用不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)為過濾介質(zhì)，過濾精度可達(dá)1 μm，精細(xì)截留水體中的懸浮物、膠質(zhì)顆粒等，使水得到凈化。進(jìn)水采用螺型向下的方式，使得進(jìn)水在濾網(wǎng)外部形成渦旋流場，清潔濾桶表面，從而保證過濾通量的穩(wěn)定性；濾網(wǎng)中心嵌入超聲波振盒，根據(jù)運(yùn)行時(shí)間或壓差啟動(dòng)，利用空化作用清除附著在濾桶表面上的污染物，錯(cuò)流過濾時(shí)沖刷濾桶表面，降低污染物附著在濾桶表面的概率。

1.3 運(yùn)行及達(dá)標(biāo)情況

從水質(zhì)達(dá)標(biāo)率上看，“5.1.1”流程達(dá)標(biāo)率偏低，其中超濾膜達(dá)標(biāo)率為75%、金屬膜僅為38.9%。

2 建設(shè)及生產(chǎn)中存在的問題

近年來，通過對“5.1.1”處理工藝的前期整體規(guī)劃和后期運(yùn)行管理來看，存在著“投資大、成本高、管理難”等問題，制約了技術(shù)的推廣與發(fā)展。

2.1 投資占比大

該廠油田區(qū)塊分布零散、地面條件復(fù)雜、依托已建系統(tǒng)難度大。因此，采取“整裝區(qū)塊固定建站、偏遠(yuǎn)區(qū)塊橇裝建點(diǎn)”的方式，確保實(shí)現(xiàn)區(qū)塊有效作用，“十三五”期間建成水質(zhì)站13座，其中采用“5.1.1”工藝8座。

從地面投資來看，水處理系統(tǒng)在地面總投資的占比為10.5%，其中橇裝站平均占比為19.1%、固定站平均占比為6.3%；而超濾段在水處理系統(tǒng)總投資的占比為34.8%，其中橇裝站平均占比為33.7%、固定站平均占比為36.4%（表1）。部分項(xiàng)目需要采取優(yōu)化管網(wǎng)路、降低道路標(biāo)準(zhǔn)等方法來通過經(jīng)濟(jì)評價(jià)。

表1 “5.1.1”工藝投資費(fèi)用統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of"5.1.1"process investment expense

2.2 工藝適應(yīng)性差

（1）膜通量衰減速度快。古23 水質(zhì)站超濾裝置設(shè)計(jì)處理能力7.5 m3/h，進(jìn)水壓力0.3 MPa、出水壓力0.17 MPa、透膜壓差0.13 MPa。在運(yùn)行1 年后，實(shí)際處理能力降至3 m3/h、進(jìn)水壓力0.55 MPa、出水壓力0.13 MPa、透膜壓差0.42 MPa。

超濾膜的膜通量受水溫影響較大，當(dāng)水溫降低時(shí)，水分子活性降低，水的黏度增加，水體流動(dòng)阻力增大，超濾膜透水速率降低。古23 水質(zhì)站為橇裝建設(shè)模式，冬季保溫效果差、水溫較低，水溫在4 ℃，膜通量理論上只能達(dá)到設(shè)計(jì)能力的一半[2]。

（2）對來水水質(zhì)要求高，鐵離子濃度要求≤0.5 mg/L[3-4]。該廠部分區(qū)塊地下水含鐵濃度在5 mg/L左右，經(jīng)過錳砂除鐵過濾后，剩余鐵濃度為1～2 mg/L；懸浮物濃度要求≤10 mg/L。反沖洗水回收時(shí)，在經(jīng)過石英砂過濾后，出水懸浮物濃度可以達(dá)到22.6～38.6 mg/L。

來水水質(zhì)均要高于金屬膜進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)，突顯了工藝的不適應(yīng)性。

2.3 運(yùn)行費(fèi)用高

運(yùn)行中的問題主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：①閥門故障，電磁閥、氣動(dòng)閥延遲或失效不動(dòng)作；②濾膜堵塞，反洗效果差，懸浮物殘留濾膜表面；③管線滲漏，管體憋壓易穿孔，管件低溫易凍裂；④系統(tǒng)失靈，程序混亂，不能及時(shí)執(zhí)行生產(chǎn)指令。

由于設(shè)備故障率較高，平均單座站場年維修費(fèi)用10～20萬元。綜合運(yùn)行費(fèi)用對比（主要包括膜耗材、藥劑費(fèi)和電費(fèi)），超濾膜噸水運(yùn)行成本0.98元，金屬膜噸水運(yùn)行成本1.86元，其中膜耗材占運(yùn)行成本比例較大，超濾膜占61.2%，金屬膜占88.2%。

2.4 運(yùn)維難度大

該廠偏遠(yuǎn)零散區(qū)塊建設(shè)模式以可搬遷的橇裝形式為主，超濾裝置內(nèi)工藝管線多采用塑料材質(zhì)。因保溫效果差，時(shí)常會(huì)發(fā)生管線變形、管件斷裂的情況。

橇裝設(shè)備無地漏排水流程，在進(jìn)行管線堵漏、濾芯更換、機(jī)泵保養(yǎng)等工作時(shí)，夏季容易形成積水、冬季立即凍成冰面，給員工的日常巡檢帶來較大的安全隱患。

膜處理工藝是一種設(shè)備集成化、操作自動(dòng)化的專業(yè)管理技術(shù)，流程相對復(fù)雜、管理難度較大。設(shè)備的日常運(yùn)維及管理對崗位員工提出了更高的要求，導(dǎo)致運(yùn)維能力不足。

（1）日常維護(hù)。正洗、反洗：清除膜表面的附著物；氣洗：利用壓縮空氣在水中形成強(qiáng)力湍動(dòng)并有效地清除膜表面的污染層；化學(xué)清洗：通過化學(xué)藥劑來清除膠體、有機(jī)物、無機(jī)鹽等在過濾介質(zhì)表面和內(nèi)部形成的污堵[5-6]。

（2）停運(yùn)保養(yǎng)要點(diǎn)。小于2 天可每天執(zhí)行1 遍氣洗和反洗過程，隨后關(guān)閉所有閥門待用；2～7天每天運(yùn)行30 min（必須有1 次氣洗和反洗全過程），隨后關(guān)閉所有閥門待用。或者氣洗和反洗過程完成后，灌注保護(hù)液注入膜組件內(nèi)，以防止細(xì)菌污染；大于7 天必須將膜組件進(jìn)行充分的化學(xué)清洗，然后將保護(hù)液注入膜組件內(nèi)，且每3個(gè)月更換保護(hù)液1次[7-8]。

3 預(yù)涂膜處理“5.1.1”水質(zhì)試驗(yàn)效果

基于金屬膜和超濾膜的實(shí)際運(yùn)行情況，該廠繼續(xù)探索低成本、穩(wěn)定的處理技術(shù)。分別于2018 年建成高精濾處理工藝，2020 年協(xié)助集團(tuán)公司規(guī)劃總院在該廠龍二轉(zhuǎn)開展含油污水“5.1.1”處理技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)。

3.1 技術(shù)原理

預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)是指含有涂膜材料的溶液在一定的壓力和流速下流經(jīng)多孔支撐層，在孔內(nèi)或表面沉積而形成的具有分離作用的濾餅層，當(dāng)過濾阻力升高到某一臨界值或出水水質(zhì)不能滿足要求時(shí)，通過反沖洗或其他手段把預(yù)涂的濾餅層與污染物質(zhì)一起清洗掉，然后接著開始下一輪的涂膜、過濾和清洗過程（圖1）。

圖1 預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜過濾原理Fig.1 Principle of pre-coated dynamic membrane filtration

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）水質(zhì)要求低。進(jìn)水含油、懸浮固體濃度小于50 mg/L，濁度不超過350NTU。

（2）過濾級數(shù)少。與常規(guī)“8.3.2”處理工藝相比，過濾段減少2～3級。

（3）阻力損失小。正常運(yùn)行時(shí)膜阻力損失小于0.07 MPa。

（4）自控程度高。除添加膜粉、設(shè)備保養(yǎng)需要人工外，其他操作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜工藝見圖2。

圖2 預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of pre-coated dynamic membrane process

（5）處理效果好。含油去除率為98.5%～98.8%；懸浮物去除率為94.8%～96%；粒徑中值去除率為66.5%～70.5%。檢測結(jié)果見表2和表3。

表2 進(jìn)出水濁度檢測Tab.2 Test for turbidity of inlet and outlet water

表3 進(jìn)出水三項(xiàng)指標(biāo)檢測Tab.3 Test for three indicators of inlet and outlet water

鑒于該工藝在污水處理應(yīng)用的良好效果，建議進(jìn)一步在清水處理上進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)探索其他流程簡化、便于管理的“5.1.1”處理技術(shù)。

4 措施及建議

（1）技術(shù)上重源頭保過程。通過垢樣成分分析，地下水水質(zhì)主要以無機(jī)污染為主，導(dǎo)致超濾膜污染的主要因素為水中的二價(jià)鐵含量，鐵垢含量占全部垢樣70%以上。為此，從優(yōu)化曝氣工藝（采用微孔曝氣技術(shù)）、優(yōu)化曝氣參數(shù)和注重錳砂活性濾膜培養(yǎng)[9]三方面入手，降低超濾裝置來水鐵、錳含量，超濾進(jìn)水含鐵指標(biāo)控制在不超過0.3 mg/L。

為防止超濾膜發(fā)生不可恢復(fù)的污堵傾向，日常繪制超濾膜壓差運(yùn)行曲線，當(dāng)曲線出現(xiàn)異常時(shí)，立即進(jìn)行化學(xué)清洗；針對每種具體的水質(zhì)，超濾都存在一個(gè)臨界通量，為防止超過臨界通量運(yùn)行，在注水井投產(chǎn)初期，推水圈導(dǎo)致注水量增加時(shí)，采出部分來水走旁通的方式，避免超濾膜高負(fù)荷產(chǎn)生不可恢復(fù)的浸染[10]。

（2）管理上定指標(biāo)重培訓(xùn)。細(xì)化膜處理工藝考核制度，將考核指標(biāo)分解到各作業(yè)區(qū)、各基層班組，確保專人專管。邀請?jiān)O(shè)備廠家技術(shù)人員定期開展技術(shù)指導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)交流，從工藝流程、操作規(guī)程、故障分析、維護(hù)保養(yǎng)等方面，加強(qiáng)對膜處理工藝的技術(shù)講解，使生產(chǎn)管理人員精原理、懂操作。同時(shí)，強(qiáng)化設(shè)備維修保養(yǎng)，為了保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)率，委托專業(yè)維修隊(duì)伍進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。

（3）開發(fā)上探索新模式尋求低成本。新站地區(qū)平均空氣滲透率為6.5×10-3μm2，執(zhí)行“5.1.1”注入水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際回注水質(zhì)均為“8.3.2”。2000年新站油田轉(zhuǎn)入注水開發(fā)以來，從新站油田的吸水指數(shù)和啟動(dòng)壓力變化曲線上看，啟動(dòng)壓力由12.25 MPa 穩(wěn)定在12.87 MPa，吸水指數(shù)由22.07 m3/(MPa·d)穩(wěn)定在22.48 m3/(MPa·d)，吸水能力能滿足油田開發(fā)的需要。油田受效比例達(dá)到87.0%，受效后單井日產(chǎn)液由2.1 t 上升到4.2 t，采液指數(shù)由0.21 t/(MPa·d)上升到0.39 t/(MPa·d)，自然遞減率不超過17.22%，取得較好的注水開發(fā)效果。

因此，應(yīng)與開發(fā)部門結(jié)合，論證“5.1.1”標(biāo)準(zhǔn)對油田開發(fā)的影響程度，尤其是偏遠(yuǎn)零散小區(qū)塊的建設(shè)必要性?？梢韵绕诮ㄔO(shè)“8.3.2”水質(zhì)處理工藝，預(yù)留“5.1.1”水質(zhì)處理工藝建設(shè)空間，根據(jù)油田開發(fā)效果再?zèng)Q定是否使用“5.1.1”水質(zhì)處理工藝，以降低油田開發(fā)投資和運(yùn)行成本。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）膜過濾介質(zhì)完好的情況下，膜過濾技術(shù)可以有效地去除地下水中的懸浮物、滿足“5.1.1”的水質(zhì)要求，且可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（2）精細(xì)的管理可以更大程度地發(fā)揮膜過濾技術(shù)的效果，同時(shí)延長設(shè)備的壽命，降低膜裝置運(yùn)行成本。

（3）應(yīng)持續(xù)摸索膜過濾技術(shù)的運(yùn)行、反洗、加藥等動(dòng)態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“一站一策”的管理模式。