油田海水回注水精细处理工艺的改造

侯玉琳，田 琳，王占旭，江 涛

（中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）

当前，油田多采用回注水方式来提高油田的二次采收率[1]。海水资源丰富，海上油田的回注水多采用海水。涠洲油田采用处理后的海水作为油田回注水，运行一段时间后出现了严重的地层结垢问题[2]，造成注水压力急剧增加，最终出现回注水无法注入、采不出油的情况。

笔者对上述情况进行调研后，针对海水水质的特征和结垢倾向的分析结果，对海水回注工艺进行改造，采用纳滤工艺对其进行精细化处理后，解决了地层不配伍造成的结垢问题。

1 原工艺简介

1.1 工艺流程

回注水原水为涠洲平台区域海水，海水经过提升泵后，由粗过滤器除去大颗粒悬浮物及藻类等杂质后进入细过滤器，再由细过滤器去除大部分的胶体、悬浮物、细菌等物质后进入脱氧塔。脱氧塔主要除去海水中的溶解氧，以防止发生海水管道腐蚀和细菌滋生等问题。在回注水注入前，向海水中投加阻垢剂，以减轻结垢问题。

1.2 水质及水量

海水的进水水质指标及系统的出水水质标准见表1。本工艺的最终产水量为240m³·h-1。

表1 进水及出水水质

1.3 主要设备参数

原工艺的主要处理设备为粗过滤器、细过滤器和脱氧塔。

粗过滤器为多柱式自动反洗过滤器，2台，一用一备，单台处理量为400m³·h-1，过滤精度180μm，双相不锈钢结构，2台成撬后的外形尺寸为4m×2.5m×3.2m，反洗周期约为2~12h。

细过滤器采用石英砂和锰砂两种滤料，3台，两用一备，单台处理量为190m³·h-1，设备尺寸为φ2.5m×2.0m。

立式真空脱氧塔1座，塔内采用两级填料，处理量为240m³·h-1，设备尺寸为φ2.5m×13m，塔体为碳钢衬玻璃鳞片结构。

1.4 运行问题分析

设备运行一段时间后，该油田注水用的增压泵压力不断提高，最终出现无法注水的现象。笔者对进水水质进行分析后发现，该区域海水中含有大量钙离子、硫酸根和碳酸氢根离子，有可能形成碳酸钙垢和硫酸钙垢。采用饱和指数法对水中的结垢趋势进行判断，两种垢型饱和指数的计算结果见表2。由饱和指数的计算结果可知，不同温度下，现场注入水的硫酸钙饱和指数均为负数，不具有结垢趋势；而碳酸钙的饱和指数大于1，具有结垢趋势，且随着温度升高，这种趋势逐渐增强。由此可知避免结垢的主要途径是降低钙离子浓度。

表2 不同温度下饱和指数的计算结果

此外，笔者对原工艺出水的水质进行分析后发现，悬浮物含量和中性粒子含量远高于《碎屑岩油藏注水水质推荐指标》中B3级指标的要求。对粗过滤器和细过滤器的出水水质分别进行测定后发现，粗过滤器可除去大颗粒悬浮物和胶体等物质，出水指标能够达到设计要求，而细过滤器的实际过滤精度偏低，对小颗粒悬浮物和胶体杂质等的截留效果不佳，造成悬浮物的去除率低，出水粒径中值也高于标准要求，需对其进行改进或补充处理。

对细过滤器的运行情况进行分析后发现，原有的细过滤器采用多介质过滤器，在运行过程中，海水中的微生物及藻类易附着板结，造成清洗困难，清洗频率高，且截留率较低，导致回注水中的微生物较多，对地层造成污染。

2 改进工艺介绍

2.1 工艺流程

对该油田的运行问题进行分析后，笔者在原工艺的基础上增加了纳滤工艺，用以除去二价离子，以彻底解决结垢问题，并增加了精细过滤装置，以去除小颗粒悬浮物和胶体等物质，延长纳滤膜的使用寿命。改进后的工艺流程为：提升泵→粗过滤→细过滤器→脱氧塔→精细过滤器（海水过滤器）→纳滤装置→注水泵。工艺流程见图1。

图1 纳滤工艺流程图

纳滤是改进后工艺的核心设施，纳滤膜孔径为1nm左右，虽与反渗透和超滤类似，都是压力驱动的膜过程，但是传质机理却有所不同。纳滤膜对二价和高价离子能保持较高的截留效果，却能使大部分的一价无机盐通过，特别是对硫酸根离子的截留率可稳定达到99%以上，并能截留大部分的钙、镁离子，在相对低的渗透压下，可有效实现对海水的软化处理。且纳滤工艺无污泥，占地小，操作简单[3]，适用于海上平台，是海水回注工艺的良好选择。

2.2 主要设备及参数

考虑到海上平台的占地和承重有限，笔者最大程度地利用了原有的工艺装置，在此基础上新增加了精细过滤器和纳滤装置。

精细过滤器主要用于去除微生物、藻类和细小砂砾等，并对纳滤膜进行保护。精细过滤器共2台，一用一备，单台处理量为390m³·h-1，为碳钢防腐结构，过滤精度50μm，滤芯材质为TA2。2台精细过滤器成撬后的尺寸为4.2m×2.5m×2.7m。

本工艺共有3套纳滤装置，两用一备，单套产水量为120m³·h-1，回收率为65%，采用7芯膜壳，一级一段，单支膜面积为37.16m2，单套膜支数为168支。纳滤装置包括增压泵、保安过滤器、高压泵和纳滤膜装置，成撬后的整体尺寸为8.7m×1.9m×2.3m。其中的保安过滤器是防止纳滤膜损伤的安保措施，用于滤除经过精细过滤器后的微小物质如微小的石英砂、活性炭颗粒等，避免对纳滤膜造成伤害。保安过滤器的过滤精度为5μm，每套纳滤装置前配置1台，单套内部装有6支20cm的大通量PP滤芯，单台处理量为185m³·h-1。

3 改造后的处理效果

该工艺于2017年5月调试后运行至今，设备运行正常，处理效果稳定，出水悬浮物及粒径中值均为0，钙离子＜ 40mg·L-1，镁离子＜ 40mg·L-1，硫酸根离子≤15mg·L-1。所有指标均满足《碎屑岩油藏注水水质推荐指标》中A2级的要求且大于B3级的指标要求。对硫酸根的去除率达到99.4%以上，对钙离子的去除率达到89%，镁离子去除率达到97%。通过计算，回注水不具备结垢趋势，采油产出率保持稳定。油田连续半年的部分监测数据见表3。

表3 涠洲油田回注水处理装置出水运行监测数据

4 结论

1）采用纳滤法处理海水回注水，能够有效去除二价致垢离子，硫酸根的去除率达到99.4%以上，对钙离子的去除率达到89%，镁离子的去除率达到97%，避免了海水回注导致的地层结垢问题，且出水水质稳定，各项指标均低于标准要求。

2）海水在进入纳滤前，需对绝大部分的悬浮物和颗粒物藻类等进行去除处理，以减少纳滤膜的污堵问题。

3）本项目是纳滤处理海水回注水工艺在国内的首次使用。受改造平台限制，纳滤前端预处理工艺的选择有限，运行过程中发现，纳滤膜清洗频率约为每3个月一次，建议今后平台如使用纳滤工艺处理回注水，应针对海水水质，选择合适的预处理工艺，以延长膜的清洗周期，进一步降低成本。