陶瓷膜处理低渗透油田采出水的研究与改进

刘欢

摘要：采用膜法技术对油田采出水进行处理在全球范围内已运用了多年。随着我国油田普遍完成第一次采油，相關法律法规对二、三次采油阶段的采出水回注标准逐渐提高，引入陶瓷膜材料对膜法采出水技术进行改良成为当下我国油田采出水工作中的重点。本文通过对膜分离技术、陶瓷膜材料处理技术、陶瓷膜污染及清洗技术等进行分析和总结，介绍了利用陶瓷膜材料对低渗透油田采出水的应用方法和应用进展，对陶瓷超滤膜处理油田采出水工艺参数的优化方法进行了论述。

关键词：陶瓷膜;低渗透油田;油田采出水;工艺优化

中图分类号：TQl74.75⁺2 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）09-0017-03

业界通常将油层储层渗透率低、丰度低且单井产油能力较差的油田称为低渗透油田。该类油田在我国分布广泛，其总储量占我国全国油田总储量的四分之一。随着我国油田的采油工作普遍进行第二、三阶段，该类型油田的开发比例正处于逐年上升状态，2018年该类型油田开发比例占总开发比例的40%以上。针对低渗透油田的开发优化工作成为现阶段我国油田开发工作中的重点。

油田采出水指的是，利用脱水转油站对油田采出液进行脱水和脱盐处理后所得的废水。我国油田每年约产生近7亿吨的油田采出水，其中的绝大部分需回注地层。然而，经脱水转油站初步处理得到的废水中含有较多的细菌、破乳剂和悬浮物等，且通常具有较高的温度，需要通过陶瓷膜等材料或技术进行二次处理。膜分离技术是当下全球范围内进行采出水处理工作主要使用的技术和方法，通过膜类材料对脱水转油站排水的废水进行处理，能够有效保证采出水的质量及注水压力，不会堵塞油层孔隙孔喉。

研究根据实际生产中的经验及实验，对采用陶瓷膜超滤技术的油田采出水工艺进行了优化，得到了优化后的参数，可供其他同行业工作人员参考。

1陶瓷膜技术简介

通过特殊的加工工艺，将无机陶瓷材料（主要有ZrO2、SiO2等）加工成一种呈管状且管壁密布微孔的不对称膜，这种膜能够保证一定大小的物质通过，从而对液体中的其余物质进行拦截，最终达到对某类液体进行分离、提纯的目的。这一技术被人们称之为陶瓷膜超滤技术。陶瓷膜超滤技术最早由日本某企业引入中国市场，目前已广泛应用于生物、食品、药物、石油化工等行业。

陶瓷膜材料用于处理低渗透油田采出水的优势主要有：①得益于其优秀的亲水憎油特性，陶瓷膜在对油田采出水进行过滤的工作中能够有效防止有几类物质的污染;②由于该类材料具有极其稳定的化学特性，不会与强酸、强碱或强氧化性试剂发生化学反应，因此能够被该类清洗剂清洗;③陶瓷膜本身具有较高的机械强度，能够应对高温状态下的采出水以及高压清洗气体;④经过陶瓷膜进行超滤后的采出水拥有良好的水质，能够满足较为严格的政策标准要求;⑤采用陶瓷膜为过滤材料的过滤装置通常具有寿命长、产地面积小且不需要过多配套设施的优势。

2陶瓷超滤膜工作流程

超滤膜的工作方式通常有两种：①错流过滤，该方法能够有效降低陶瓷膜表面出现浓差极化效应，从而保证浓水循环能够一直处于大比例状态;②死端过滤，该方法主要适用于采出水中所含固体比例较低时的过滤工作。通过实际工作条件下的实验发现，死端过滤工作会较快造成陶瓷膜表面通量的下降，且由于该方法易造成清洗难度的提升，固本研究采取错流过滤形式对采出水进行处理。工艺流程如图1所示。

按图1设计的流程，利用脱水转油站对油田采出液进行处理后得到原水，左侧为普通采出水处理流程及主系统，右侧为使用了陶瓷膜技术的二氧化锆陶瓷超滤膜组处理实验流程。循环泵是实验组流程中的能耗最大的环节或部件，其理论值基本等于循环流量x工作压力。对于某固定油田采出水处理管道阻力系统来说，其工作压力数值的大小主要取决于原水在系统中的流速或流量。因此，流程优化工作的主要参考标准为原水循环流速以及排污比例，值越高则系统处理效率越高。

3陶瓷超滤膜反冲洗方式与工艺优化

错流过滤方式能够有效降低陶瓷膜表面出现浓差极化效应。然而，随着过滤工作的进行，陶瓷膜的表面仍不可避免地形成一层凝胶层，此时需要针对表面凝胶层进行反冲洗，从而使陶瓷膜恢复正常通量;系统长期工作后，陶瓷膜表面与膜内部的孔道中会逐渐因为污染物的聚集而形成垢层，此时则需要通过对垢层进行化学清晰，从而使陶瓷膜恢复正常通量。

经实验组长期运行与观察可知，陶瓷膜的有效通量值在该膜运行很长一段时间后会出现明显降低，即便经过多次冲洗也无法改善。其主要原因在于，当系统进行过较多次数的反冲洗行为后，管道内的反冲洗用水会因为长期接触压缩空气而形成饱和溶液。饱和溶液中的溶解性气体在进行陶瓷膜的内孔道后，会因为压力的降低而释放，最终形成孔道气栓，阻碍了系统原水流通，降低了管道通量，为应对反冲洗过程中造成的孔道气栓，在反冲洗罐内设置一种价格低廉、运行可靠的气动脉冲装置，该装置能够保证在对膜组进行反冲洗时不会将压缩空气滞留在陶瓷膜孔道中。经过长时间运行实验，反冲洗周期控制到一小时左右，远远超过过去90s的反冲洗周期。同时，膜通量的衰减最终控制在了9%以内，通过反冲洗后可恢复99.5%以上。

4陶瓷超滤膜工作参数优化

4.1循环流量与流速

陶瓷膜进行采出水过滤的过程中，无机物垢层的生长速度V无机小于有机物垢层的生长速度V有机。采用提高流速或使用碱洗的方式能够有效抑制有机物垢层的生长，使之处于一稳定低值。通过长期实验观察，以膜通量衰减程度20%为基准，对不同循环流量下对应的有效工作周期进行记录，当流量达到855m³/h以上区间时，膜表面流速稳定在5.0m/s;碱洗周期稳定在155～185h范围内，可获得最佳滤除效果。

4.2排污比例

排污比例数值的大小直接决定了对应的浓缩倍数的数值和能耗，采取错流方式进行超滤时，排污比例与浓缩倍数、能耗等成反比，且排除的浓水量越大系统工作压力越小。然而，随着排除浓水量的不断增加，工作主线的处理负荷也会不断增加，因此，需要找到流量平衡点，既能保证获得最佳排污量，又能使工作主线处的处理负荷不过高。经长时间实践观察，发现当排污量数值为8m³/h以上时，系统工作周期稳定，排污比例为22%，原水回收率为78%。

5存在的问题及今后改进方向

国内外关于使用陶瓷膜对低渗透油田采出水进行超滤处理的研究已经进行了多年，本研究基于国内外学者理论研究和实际实验，对超滤处理系统和流程进行了改进。改进后系统超滤效果良好，运行较为稳定，但仍存在以下问题。

5.1处理规模问题

该系统处理规模达650m³/d-850m³/d，距离理想处理规模1000m³/d尚有一段距离。

5.2成本问题

系统从设计到运营总成本在180万元左右，对于我国每年近7亿吨的油田产出水处理量来说，成本太高。

6结语

本研究选择陶瓷膜进行油田采出水超滤工作的主要材料，能够满足目前最为严格的含油量5mg/L、悬浮物1mg/L、悬浮物粒径中值1um的5.1.1环保要求。通过几年的实践实验，开发出一套能够处理650m³/d到850m³/d的半生产型陶瓷膜超滤实验装置，通过在装置中添加气动脉冲装置有效控制了陶瓷膜的衰减，提升了系统工作效率。同时得到了该系统处理低渗透油田采出水时的最佳参数：膜表面流速控制在4-5m/s;排污比例最佳设定值为22%左右。