劉 萌，劉春雨，陳正文，王思港

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

近年來(lái)，渤海油田錨定建設(shè)世界一流油田的目標(biāo)，以穩(wěn)住老油田、加快新油田、突破“低滲、邊際、稠油”為主要方向，持續(xù)加大新油氣田開(kāi)發(fā)力度。渤海低滲油田探明儲(chǔ)量占比5%，約2.36×108t，是未來(lái)產(chǎn)量接替、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要組成部分。但近年來(lái)渤海低滲油田年產(chǎn)量?jī)H占渤海油田總產(chǎn)量的1.6%左右[1]，待開(kāi)發(fā)潛力巨大。低滲油田具有儲(chǔ)層滲透率低的特點(diǎn)（注入層平均空氣滲透率≤50×10-3μm2），因此，在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)水質(zhì)要求極為嚴(yán)格[2]，水處理工藝流程復(fù)雜。

渤海油田注水水質(zhì)現(xiàn)遵循Q/HS 2042—2014《海上碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》，在增儲(chǔ)上產(chǎn)的新形勢(shì)下，低滲油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目正逐漸增多。但目前推行的渤海油田標(biāo)準(zhǔn)化水處理工藝流程（表1）未涉及到低滲油田水處理，此外平臺(tái)現(xiàn)有低滲水處理工藝差異明顯。因此，有必要研究低滲油田水處理工藝，為渤海低滲油田的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)借鑒，進(jìn)一步推動(dòng)渤海低滲油田的開(kāi)發(fā)利用。

表1 渤海油田標(biāo)準(zhǔn)化水處理工藝流程

1 渤海油田現(xiàn)有低滲水處理工藝流程

渤海油田的開(kāi)發(fā)已歷經(jīng)五十多年的發(fā)展，水處理工藝流程能達(dá)到低滲注水水質(zhì)（表2）。

表2 渤海油田低滲水處理平臺(tái)統(tǒng)計(jì)

上述平臺(tái)水處理工藝流程主要有以下兩種：

（1）斜板除油器-氣浮-核桃殼過(guò)濾器-雙介質(zhì)過(guò)濾器-改性纖維球過(guò)濾器-膜過(guò)濾。2016 年投產(chǎn)的A 平臺(tái)采用了斜板除油器-氣浮-核桃殼過(guò)濾器-雙介質(zhì)過(guò)濾器-改性纖維球過(guò)濾器-膜過(guò)濾的六級(jí)水處理工藝流程，見(jiàn)圖1。

圖1 A 平臺(tái)水處理工藝流程

上述水處理工藝流程中，斜板除油器作為生產(chǎn)水處理的第一級(jí)工藝，主要去除生產(chǎn)水中的部分大油滴和雜質(zhì)；第二級(jí)處理工藝為氣浮，主要作用是通過(guò)微細(xì)氣泡去除污水中的部分細(xì)小油滴及懸浮物；第三級(jí)常規(guī)過(guò)濾工藝為核桃殼過(guò)濾器和雙介質(zhì)過(guò)濾器，主要作用是通過(guò)濾料的吸附和截留作用進(jìn)一步去除污水中的乳化油和懸浮物。這也是目前渤海油田普遍使用的生產(chǎn)水處理工藝流程[3]。當(dāng)注水水質(zhì)要求嚴(yán)格，核桃殼過(guò)濾器和雙介質(zhì)過(guò)濾器出口水質(zhì)無(wú)法滿足時(shí)，則需要增加精細(xì)過(guò)濾工藝。A 平臺(tái)精細(xì)過(guò)濾工藝包括改性纖維球過(guò)濾器和膜過(guò)濾，設(shè)備進(jìn)出口設(shè)計(jì)水質(zhì)要求見(jiàn)表3。

表3 A 平臺(tái)精細(xì)過(guò)濾工藝設(shè)備參數(shù)

膜過(guò)濾出口水質(zhì)見(jiàn)圖2。

圖2 A 平臺(tái)膜過(guò)濾出口水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

膜過(guò)濾投用初期，設(shè)備出口水質(zhì)滿足注水水質(zhì)要求。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，設(shè)備壓差上升速度快，出口含油量與懸浮固體含量逐漸升高，酸堿反洗頻率增加。反洗后膜通量恢復(fù)，設(shè)備出口含油量與懸浮固體含量均又下降。

（2）氣浮-核桃殼過(guò)濾器-改性纖維球過(guò)濾器-改性纖維球過(guò)濾器。FPSO 上采出水經(jīng)氣浮和核桃殼過(guò)濾器處理后，通過(guò)注水海管輸送至B 平臺(tái)，經(jīng)兩級(jí)串聯(lián)改性纖維球過(guò)濾器處理后，出口水質(zhì)要求達(dá)到含油量≤5.0 mg/L、懸浮固體含量≤1.0 mg/L、懸浮物粒徑中值≤1.0 μm，水處理工藝流程見(jiàn)圖3。改性纖維球過(guò)濾器由于接在核桃殼過(guò)濾器之后，入口含油量較高，設(shè)備出口水質(zhì)不穩(wěn)定，運(yùn)行一段時(shí)間后停運(yùn)。

圖3 B 平臺(tái)水處理工藝流程

值得注意的是，不同廠家的改性纖維球過(guò)濾器性能差別較大，在入口條件一致時(shí)，統(tǒng)計(jì)了在海上平臺(tái)所應(yīng)用的改性纖維球過(guò)濾器性能指標(biāo)，見(jiàn)表4。其中僅有一廠家表示其改性纖維球過(guò)濾器出口水質(zhì)可達(dá)到低滲水質(zhì)要求，其余兩廠家表明無(wú)論單級(jí)還是兩級(jí)串聯(lián)，其生產(chǎn)的改性纖維球過(guò)濾器出口水質(zhì)無(wú)法達(dá)到低滲水質(zhì)要求。

表4 不同廠家改性纖維球過(guò)濾器出口水質(zhì)指標(biāo)

2 低滲水處理技術(shù)研究

綜上所述，目前能夠滿足渤海低滲油田注水水質(zhì)且有海上應(yīng)用業(yè)績(jī)的技術(shù)主要有膜過(guò)濾和改性纖維球過(guò)濾器兩種。

2.1 膜過(guò)濾

膜具有處理精度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。當(dāng)原料液以一定流速流經(jīng)具有特定孔徑的超濾膜表面時(shí)，在膜內(nèi)外壓差作用下，原料液中粒徑小于膜孔徑的溶質(zhì)和水透過(guò)超濾膜，形成過(guò)濾清液，而粒徑大于膜孔徑的溶質(zhì)則被膜截留。隨著超濾過(guò)程的進(jìn)行，原料液逐漸濃縮，達(dá)到一定濃縮程度時(shí)，以濃縮液的形式排出，分離原理見(jiàn)圖4。

圖4 超濾膜分離原理示意圖

膜污染是膜過(guò)濾的一個(gè)重要挑戰(zhàn)[5]。超濾膜精細(xì)水處理工藝流程見(jiàn)圖5。超濾膜多采用多級(jí)串/并聯(lián)膜單元連續(xù)錯(cuò)流過(guò)濾，處理之后的過(guò)濾清液回注地層，膜截留的濃縮液返回水處理工藝流程前端。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，油污、懸浮物等在膜表面堆積以及在膜孔中聚集吸附堵塞膜孔，最終導(dǎo)致膜污染[6]，膜污染一旦發(fā)生就會(huì)降低膜通量，增加進(jìn)料壓力，降低生產(chǎn)率，系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間隨之增加，此時(shí)需通過(guò)膜的清洗來(lái)恢復(fù)膜通量。

圖5 超濾膜精細(xì)水處理工藝流程

在平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)膜分離技術(shù)存在如下不足：

（1）采出水的溫度、礦化度、藥劑種類(lèi)及濃度對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性具有較大影響，系統(tǒng)抗干擾能力較弱；

（2）膜清洗等配套設(shè)備導(dǎo)致工藝流程復(fù)雜、整個(gè)系統(tǒng)的使用成本高、設(shè)備占地面積大、酸堿反洗頻繁、操作維護(hù)工作量大；

（3）膜濃縮液在水處理工藝流程內(nèi)不斷循環(huán)，導(dǎo)致膜濃縮液中懸浮固體含量不斷升高，從而導(dǎo)致膜污染進(jìn)程加快。

因此，研發(fā)新型經(jīng)濟(jì)的高通量抗污染膜材料已成為膜分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7]。同時(shí)也應(yīng)關(guān)注膜分離技術(shù)的工藝流程設(shè)計(jì)。在低滲水處理工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，建議將膜濃縮液返回原油處理系統(tǒng)或通過(guò)混輸海管輸送至下游常規(guī)水處理平臺(tái)，一方面可延緩膜清洗周期，另一方面也可減小膜清洗等配套設(shè)備的規(guī)格，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備占地面積，降低設(shè)備投資。

2.2 改性纖維球過(guò)濾器

改性纖維球是將普通親油性纖維材料改性為親水性纖維材料，其親水疏油特性能夠防止油污在纖維球表面黏附，抗油污性能顯著增強(qiáng)。改性前后，纖維球抗油污效果見(jiàn)圖6。改性纖維球具有密度小、可壓縮和孔隙率大的特點(diǎn)。相對(duì)于石英砂、核桃殼等常用濾料，改性纖維球過(guò)濾阻力小、過(guò)濾速度快、過(guò)濾精度高[8]。

圖6 纖維球改性前后抗油污效果

但在海上平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)改性纖維球過(guò)濾器存在如下不足：

（1）改性纖維球?yàn)V料納污能力弱。改性纖維球?yàn)V料比表面積大，濾料表面雖不易黏附油污，但其內(nèi)部易積聚油污、污泥。僅使用水反洗效果不佳，需氣水聯(lián)合洗，且氣體需采用氮?dú)獾榷栊詺怏w；（2）部分改性纖維球過(guò)濾器配置有攪拌器，反洗過(guò)程中攪拌器易打碎改性纖維球?yàn)V料，影響設(shè)備分離效果；（3）改性纖維球捆扎強(qiáng)度不足。改性纖維球是由多束纖維絲組合結(jié)扎而成，使用一段時(shí)間后纖維絲易大量散開(kāi)形成棉絮塊，堵塞篩網(wǎng)且影響泵的運(yùn)行；（4）不同廠家生產(chǎn)的改性纖維球過(guò)濾器性能差別較大。

3 低滲油田水處理工藝優(yōu)選

考慮海上已有低滲水處理技術(shù)應(yīng)用效果，在渤海油田標(biāo)準(zhǔn)化水處理工藝流程基礎(chǔ)上，增加了膜過(guò)濾或改性纖維球過(guò)濾器等精細(xì)過(guò)濾工藝，形成了低滲水處理工藝流程，見(jiàn)圖7。

圖7 低滲水處理工藝流程

精細(xì)過(guò)濾工藝設(shè)備出口水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表5。雙介質(zhì)過(guò)濾器出口水質(zhì)可滿足膜過(guò)濾入口水質(zhì)要求，此外單臺(tái)膜過(guò)濾出口水質(zhì)可達(dá)到“5、1、1”。

表5 精細(xì)過(guò)濾工藝設(shè)備出口水質(zhì)指標(biāo)

比較了幾種膜過(guò)濾技術(shù)與以改性纖維球過(guò)濾器為代表的顆粒過(guò)濾技術(shù)（表6）。

表6 幾種低滲水處理技術(shù)性能參數(shù)比較

由表6 可知，不同膜過(guò)濾設(shè)備干重、設(shè)備操作重、藥劑費(fèi)用差別較大；膜過(guò)濾占地面積較改性纖維球過(guò)濾器大。膜過(guò)濾是通過(guò)膜孔徑大小攔截油污及懸浮物，因而處理精度高，設(shè)備出口水質(zhì)理想，但膜污染后需要酸堿反洗，導(dǎo)致設(shè)備占地面積大；而以改性纖維球?yàn)榇淼念w粒過(guò)濾器是通過(guò)濾料之間的間隙來(lái)攔截油污及懸浮物，從現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，出口水質(zhì)不穩(wěn)定，同時(shí)設(shè)備故障率較膜過(guò)濾高，但通過(guò)水洗、氣洗即可松動(dòng)濾料，因而輔助設(shè)備少，設(shè)備占地面積小、投資費(fèi)用低。根據(jù)已有項(xiàng)目投資情況，膜過(guò)濾的費(fèi)用普遍比改性纖維球過(guò)濾器高10 倍左右。

4 結(jié)語(yǔ)

渤海低滲油田儲(chǔ)量可觀，待開(kāi)發(fā)潛力大?？紤]海上現(xiàn)有低滲水處理工藝流程及應(yīng)用效果，在渤海油田標(biāo)準(zhǔn)化水處理工藝流程基礎(chǔ)上，形成了斜板除油器-氣浮-核桃殼過(guò)濾器-雙介質(zhì)過(guò)濾器-膜過(guò)濾/改性纖維球過(guò)濾器的低滲水處理工藝流程。膜過(guò)濾與改性纖維球過(guò)濾器能夠達(dá)到低滲注水水質(zhì)，但難以同時(shí)滿足緊湊高效經(jīng)濟(jì)的要求。要想使低滲水處理工藝更加經(jīng)濟(jì)高效，還需加強(qiáng)以下工作：

（1）目前有聚結(jié)除油器[9]、渦流三相混合氣浮[10]能夠替代斜板除油器+氣浮兩級(jí)處理，以此可減少低滲水處理級(jí)數(shù)。同時(shí)應(yīng)積極探索采用更加高效的常規(guī)單級(jí)過(guò)濾技術(shù)替代核桃殼過(guò)濾器+雙介質(zhì)過(guò)濾器兩級(jí)，從而可進(jìn)一步減少低滲水處理級(jí)數(shù)及設(shè)備占地面積。

（2）膜過(guò)濾技術(shù)具有過(guò)濾精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際使用過(guò)程中膜清洗頻繁，設(shè)備費(fèi)用高。一方面應(yīng)從膜材料的制備和選取上尋求突破，研發(fā)更加經(jīng)濟(jì)且抗污染的膜材料；另一方面應(yīng)優(yōu)化低滲水處理工藝流程，避免膜濃縮液在水處理工藝流程內(nèi)循環(huán)，加速膜污染進(jìn)程。

（3）以改性纖維球過(guò)濾器為代表的顆粒過(guò)濾技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性與占地面積上優(yōu)于膜過(guò)濾，但其出口水質(zhì)不穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)新型顆粒濾料的研發(fā)，確保設(shè)備出口水質(zhì)穩(wěn)定。