武 博

（中國石油長慶油田分公司第十一采油廠， 甘肅 慶陽 745000）

低滲油田回注水陶瓷膜除油過濾技術(shù)

武 博

（中國石油長慶油田分公司第十一采油廠， 甘肅 慶陽 745000）

注水是目前油田的主要開發(fā)方式，能有效保持地層壓力、驅(qū)替原油，提高采收率。通常利用采出的地層污水進(jìn)行除油、除污處理后再回注入地層。針對(duì)于低滲儲(chǔ)層若回注污水水質(zhì)較差，將導(dǎo)致儲(chǔ)層受到損害的問題，對(duì)回注污水水質(zhì)要求較高，因此有必要開展回注污水處理工藝技術(shù)的相關(guān)研究。分析了無機(jī)陶瓷膜處理回注污水的可行性，進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選了陶瓷膜最佳孔徑，并優(yōu)化了陶瓷膜過濾處理的工藝參數(shù)，并探討了陶瓷膜再生的技術(shù)方法。對(duì)陶瓷膜除油過濾技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)用效果表明，處理后水質(zhì)基本滿足了低滲油田I級(jí)回注水水質(zhì)要求。

低滲儲(chǔ)層；回注水；陶瓷膜；過濾

陶瓷膜具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機(jī)械強(qiáng)度高、再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護(hù)簡便、使用壽命長等眾多優(yōu)勢，已經(jīng)成功應(yīng)用于食品、飲料、植（藥）物深加工、生物醫(yī)藥、發(fā)酵、精細(xì)化工等眾多領(lǐng)域，可用于工藝過程中的分離、澄清、純化、濃縮、除菌、除鹽等，能應(yīng)用于諸多工藝［1］。

注水開發(fā)已被廣泛應(yīng)用多年，注入水可有效補(bǔ)充地層能量、驅(qū)替原油，最終達(dá)到提高采收率的目的。低滲油田在開發(fā)過程也同常規(guī)油田情況相似，在開發(fā)后期油田含水率逐漸上升，而不同之處在于低滲儲(chǔ)層孔隙吼道更容易被堵塞，因此在開發(fā)后期的注水時(shí)，在保證注入量和注水速度的前提下，必須保證注入水水質(zhì)合格［2-5］。在現(xiàn)場實(shí)際注水工作中，油田回注水主要為地層采出的含油污水，通過除油、沉降、過濾等一些列技術(shù)工藝手段處理，再回注入地層。污水處理后回注工程能極大的解決油田生產(chǎn)過程附帶污染，降低開發(fā)成本，節(jié)約水資源。

國內(nèi)低滲油田例如大慶油田在回注污水處理工藝方面，采用預(yù)處理+生物化學(xué)方法+超濾工藝，所處理后的水質(zhì)情況基本達(dá)到了I級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。超濾工藝所采用的聚丙烯管式膜和纖維濾膜過濾效果較好，但存在著耐油性能較差，無法持續(xù)反復(fù)利用，材料壽命較短，無形之中加大工藝成本。中原油田部分低滲開發(fā)區(qū)塊采用水質(zhì)調(diào)節(jié)+床層過濾+金屬膜處理的工藝，在水質(zhì)調(diào)節(jié)處理時(shí)加入了大量石灰堿，不僅能有效調(diào)節(jié)水質(zhì)酸堿度，還能吸附污水中的原油成分，但該工藝處理后產(chǎn)生污泥量較大，導(dǎo)致產(chǎn)生額外的污泥處理費(fèi)用，甚至產(chǎn)生二次污染［6,7］。針對(duì)低滲油田采出水物理法處理工藝，開展了阻截膜過濾的高效污水處理技術(shù)研究，選優(yōu)陶瓷膜進(jìn)行回注污水處理，并評(píng)價(jià)處理效果。該技術(shù)與其它回注水處理工藝配套，有效解決回注水水質(zhì)保障的問題，形成的配套技術(shù)在低滲油田回注水處理上有著可靠的實(shí)用意義。

1 技術(shù)原理

陶瓷膜是無機(jī)膜中的一種，屬于膜分離技術(shù)中的固體膜材料，主要以不同規(guī)格的氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦和氧化硅等無機(jī)陶瓷材料作為支撐體，經(jīng)表面涂膜、高溫?zé)贫桑?］。商品化的陶瓷膜通常具有三層結(jié)構(gòu)（多孔支撐層、過渡層及分離層），呈非對(duì)稱分布，其孔徑規(guī)格為0.05 ～2μm不等，過濾精度涵蓋微濾、超濾、納濾級(jí)別（圖1）。

圖1 陶瓷膜電鏡掃描照片F(xiàn)ig.1 Scanning electron microscopy of ceramic membrane

陶瓷膜分離工藝是一種“錯(cuò)流過濾”形式的流體分離過程，主要利用原料液在膜管內(nèi)高速流動(dòng)，在壓力驅(qū)動(dòng)下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜，含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留，從而使流體達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。

2 陶瓷膜除油處理工藝

本研究中利用無機(jī)陶瓷膜對(duì)油田回注污水的過濾實(shí)驗(yàn)，來分析無極陶瓷膜的過濾效果，并有選擇出最佳的處理工藝參數(shù)。

2.1 水質(zhì)情況及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

利用某采油廠聯(lián)合站污水分離后的含油污水，并經(jīng)過污水處理站一次除油、過濾懸浮污泥后再進(jìn)入陶瓷薄膜水處理裝置，水質(zhì)情況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)情況Table 1 Experimental water quality

實(shí)驗(yàn)裝置為小型平板陶瓷膜組，主要應(yīng)用污水處理、含油廢水處理工程等小試、中試設(shè)備中，小型平板陶瓷膜組規(guī)格主要有2平方、5平方，過濾孔徑有0.05、0.1和1μm（圖2）。

圖2 小型平板陶瓷膜組Fig.2 Small flat ceramic membrane group

2.2 陶瓷膜孔徑優(yōu)選

對(duì)水樣的懸浮顆粒粒徑中值進(jìn)行了測定，得到從某站經(jīng)過初次處理后的污水粒徑中值集中分布在290～400 nm之間，正態(tài)平均中值為約320 nm。根據(jù)陶瓷膜 1/3粒徑堵塞理論，即顆粒粒徑小于 1/3膜孔時(shí)，顆粒能良好的通過膜孔。小型平板陶瓷膜組規(guī)格主要有2平方、5平方，選擇過濾孔徑為0.05、0.1和0.2μm的陶瓷模組進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，分析過濾后水質(zhì)情況，對(duì)過濾后水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果如下表2。

表2 不同粒徑過濾水質(zhì)情況Table 2 Water quality with different pore sizes

監(jiān)測成果表明，選擇的三種孔徑的陶瓷膜對(duì)含油量及懸浮顆粒的過濾效果都較好，含油量的處理上基本都達(dá)到了石油行業(yè)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但固體懸浮顆粒過濾上，0.1和0.2μm的孔徑過濾穩(wěn)定性不足，因此最終決定采用孔徑為0.05μm的陶瓷膜組件。

2.3 透膜壓差對(duì)過濾效果的影響

透膜壓差即為過濾過程進(jìn)水端與出水端壓力差，為驅(qū)動(dòng)過濾液流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)過濾的效果有著較大的影響。一般情況，在透膜壓差逐漸增大的情況下，過濾液膜透液量會(huì)提高，但隨著透膜壓差的逐漸增大，過濾液膜透液量提高速率會(huì)逐漸變緩。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)行分析透膜壓差與膜透量的關(guān)系，以確定最優(yōu)的透膜壓差。

首先分析不同透膜壓差下隨著過濾時(shí)間的變化，膜透量的動(dòng)態(tài)變化情況。設(shè)定0.02、0.06、0.10、0.14、0.18、0.22 MPa六個(gè)不同的透膜壓差進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，各透膜壓差實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，透膜壓差越大，初始膜透量越大，但都表現(xiàn)出越高的透膜壓差下膜透量降低速度越快。理論上分析其原因，隨著透膜壓差的增大，污水中含油成分、懸浮顆粒濾出速度增大，將造成透膜孔徑堵塞，使得透膜量降低。

假定通透膜穩(wěn)定運(yùn)行，操作溫度 50 ℃，膜面過濾液流速6 m/s，再分析不同透膜壓差與膜透量的關(guān)系（圖3）。實(shí)驗(yàn)表明，隨著透膜壓差的逐漸增大，膜透量也持續(xù)增大，但在超過0.16 MPa時(shí)增幅降低，因此綜合考慮能耗成本，確定透膜壓差為0.16 MPa。

圖3 透膜壓差與膜透量關(guān)系Fig.3 The relationship between membrane pressure difference and membrane permeability

2.4 透膜流速對(duì)過濾效果的影響

透過膜系統(tǒng)透膜壓差0.16MPa，濾液溫度51℃，分析不同的膜面流速與膜透量的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)測定情況反應(yīng)出，膜透量隨膜面流速的增大而增大，但在超過4 m/s開始時(shí)增幅降低，在5 m/s開始膜透量呈現(xiàn)下降趨勢。其原因?yàn)楫?dāng)透膜壓差不變時(shí)，膜面流速加大將導(dǎo)致膜面壓降降低，勢必產(chǎn)生跨膜壓差降低，因此產(chǎn)生膜透量不升反而下降。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果，結(jié)合能耗綜合確定以4～6 m/s為膜面流速。

2.5 溫度對(duì)過濾效果的影響

為進(jìn)一步明確陶瓷膜過濾系統(tǒng)的性能，分析不同溫度的濾液對(duì)膜透量的影響，因此，在膜面流速6 m/s，透膜壓差為0.16 MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別分析濾液溫度為 20、30、40、50、60 ℃條件下膜透量的變化情況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析表明，在實(shí)驗(yàn)所選用的濾液溫度范圍內(nèi)，膜透量隨著濾液溫度的增高而持續(xù)上升。主要原因?yàn)闇囟鹊纳?，?dǎo)致膜透面滲透壓降低，有利于提高膜透量［7］。

綜合實(shí)際工藝處理，若采取刻意提高過濾液溫度來達(dá)到目的，將會(huì)增大能耗及處理成本，因此在實(shí)際應(yīng)用過程，按照現(xiàn)場實(shí)際水溫進(jìn)行即可。

3 陶瓷膜再生技術(shù)

陶瓷膜過濾系統(tǒng)在對(duì)污水處理過程，不可避免的將會(huì)產(chǎn)生污染，主要采用物理清洗及化學(xué)清洗兩種方法，來解決膜污染的問題，經(jīng)過清洗處理后的陶瓷膜可進(jìn)行反復(fù)利用，達(dá)到再生技術(shù)的目的。

3.1 反洗技術(shù)

采用水、氮?dú)夂偷獨(dú)馀c水混合物進(jìn)行反沖洗，特別需要之處的是，由于油田回注水有含氧量的要求，因此不能用空氣進(jìn)行反洗。

3.2 清洗方法及清洗劑

陶瓷膜在過濾過程，膜表面會(huì)吸附油污、顆粒懸浮物等，采用物理的反沖洗，能清除掉大部分過濾后的污染物，但仍有部分污染物附著于膜孔表面，這就必須要采用化學(xué)清洗的方法來進(jìn)行清除。

陶瓷膜具有良好的耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的特性，因此在化學(xué)清洗時(shí)可采用：

（1） 強(qiáng)酸，溶解污染物質(zhì)；

（2） 強(qiáng)氧化劑強(qiáng)堿，清除油脂類有機(jī)質(zhì)；

（3） 表明活性劑，清楚有機(jī)質(zhì)。

4 結(jié)束語

（1） 對(duì)陶瓷膜除油過濾技術(shù)的研究分析，基本形成了相關(guān)的及方法，包括對(duì)陶瓷膜過濾孔徑的優(yōu)選，分析了過濾處理工藝的透膜壓差、透膜流速和溫度對(duì)過濾效果的影響，并確定了最優(yōu)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。

（2） 討論了陶瓷膜的可再生技術(shù)方法，即采用物理和化學(xué)的清洗方法，對(duì)陶瓷膜過濾后的過濾物、附著污染物進(jìn)行清除，使得陶瓷膜可進(jìn)行重復(fù)利用。

［1］ 張杰，劉仁樓，喬玉珠，等.HK阻截膜除油技術(shù)在離溫凝結(jié)水回收系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工科技，2010，18(5)：38-40.

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Ceramic Membrane Filtration Technology for Oil Removal of Reinjection Water in Low Permeability Oilfields

WU Bo
(No.11 Oil Production Plant,PetroChina Changqing Oilfield Company,Gansu Qingyang 745000, China)

Water injection is now main development method of oilfields, which can effectively maintain formation pressure, drive oil and improve oil recovery. Strata produced water is usually treated by removing oil and other pollutant process and then is reinjected into the stratum. Aiming at the problem that poor quality reinjected water can cause reservoir damage in low permeability reservoirs, and required quality of reinjected water is higher, it is necessary to study the relevant sewage treatment technology. In this paper, the feasibility of using inorganic ceramic membrane to treat recycling sewage was analyzed, the ceramic membrane aperture was optimized by indoor experiments, and the process parameters of ceramic membrane filtration were also optimized, and the technical method of ceramic membrane regeneration was discussed. The application results of ceramic membrane filtration technology showed that the treated water can meet the basic requirements of grade I low permeability oilfield reinjection water quality.

Low permeability reservoir;Reinjection water;Ceramic membrane;Filter

TE 992.2

A

1671-0460（2017）11-2379-03

2017-03-01

武博（1972-），男，工程師，甘肅慶陽人，研究方向：從事油田開發(fā)管理工作。