陶瓷膜處理低滲透油田采出水的研究與改進(jìn)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
業(yè)界通常將油層儲(chǔ)層滲透率低、豐度低且單井產(chǎn)油能力較差的油田稱為低滲透油田。該類油田在我國分布廣泛，其總儲(chǔ)量占我國全國油田總儲(chǔ)量的四分之一。隨著我國油田的采油工作普遍進(jìn)行第二、三階段，該類型油田的開發(fā)比例正處于逐年上升狀態(tài)，2018年改類型油田開發(fā)比例占總開發(fā)比例的40%以上。針對低滲透油田的開發(fā)優(yōu)化工作成為現(xiàn)階段我國油田開發(fā)工作中的重點(diǎn)。
油田采出水指的是，利用脫水轉(zhuǎn)油站對油田采出液進(jìn)行脫水和脫鹽處理后所得的廢水。我國油田每年約產(chǎn)生近7億噸的油田采出水，其中的絕大部分需回注地層。然而，經(jīng)脫水轉(zhuǎn)油站初步處理得到的廢水中含有較多的細(xì)菌、破乳劑和懸浮物等，且通常具有較高的溫度，需要通過陶瓷膜等材料或技術(shù)進(jìn)行二次處理。膜分離技術(shù)是當(dāng)下全球范圍內(nèi)進(jìn)行采出水處理工作主要使用的技術(shù)和方法，通過膜類材料對脫水轉(zhuǎn)油站排水的廢水進(jìn)行處理，能夠有效保證采出水的質(zhì)量及注水壓力，不會(huì)堵塞油層孔隙孔喉。
研究根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)，對采用陶瓷膜超濾技術(shù)的油田采出水工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化后的參數(shù)，可供其他同行業(yè)工作人員參考。
1 陶瓷膜技術(shù)簡介
通過特殊的加工工藝，將無機(jī)陶瓷材料（主要有ZrO2、SiO2等）加工成一種呈管狀且管壁密布微孔的不對稱膜，這種膜能夠保證一定大小的物質(zhì)通過，從而對液體中的其余物質(zhì)進(jìn)行攔截，達(dá)到對某類液體進(jìn)行分離、提純的目的。這一技術(shù)被人們稱之為陶瓷膜超濾技術(shù)。陶瓷膜超濾技術(shù)由日本某企業(yè)引入中國市場，目前已廣泛應(yīng)用于生物、食品、藥物、石油化工等行業(yè)。
陶瓷膜材料用于處理低滲透油田采出水的優(yōu)勢主要有：
（1）得益于其優(yōu)秀的親水憎油特性，陶瓷膜在對油田采出水進(jìn)行過濾的工作中能夠有效防止幾類物質(zhì)的污染。
（2）由于該類材料具有極其穩(wěn)定的化學(xué)特性，不會(huì)與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化性試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此能夠被改類清洗劑清洗。
（3）陶瓷膜本身具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠應(yīng)對高溫狀態(tài)下的采出水以及高壓清洗氣體。
（4）經(jīng)過陶瓷膜進(jìn)行超濾后的采出水擁有良好的水質(zhì)，能夠滿足較為嚴(yán)格的政策標(biāo)準(zhǔn)要求。
（5）采用陶瓷膜為過濾材料的過濾裝置通常具有壽命長、產(chǎn)地面積小且不需要過多配套設(shè)施的優(yōu)勢。
2 陶瓷超濾膜工作流程
超濾膜的工作方式通常有兩種：
（1）錯(cuò)流過濾，該方法能夠有效降低陶瓷膜表面出現(xiàn)濃差極化效應(yīng)，從而保證濃水循環(huán)能夠一直處于大比例狀態(tài)。
（2）死端過濾，該方法主要適用于采出水中所含固體比例較低時(shí)的過濾工作。通過實(shí)際工作條件下的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，死端過濾工作會(huì)較快造成陶瓷膜表面通量的下降，且由于該方法易造成清洗難度的提升，固本研究采取錯(cuò)流過濾形式對采出水進(jìn)行處理。
利用脫水轉(zhuǎn)油站對油田采出液進(jìn)行處理后得到原水，左側(cè)為普通采出水處理流程及主系統(tǒng)，右側(cè)為使用了陶瓷膜技術(shù)的二氧化鋯陶瓷超濾膜組處理實(shí)驗(yàn)流程。循環(huán)泵是實(shí)驗(yàn)組流程中的能耗較大的環(huán)節(jié)或部件，其理論值基本等于循環(huán)流量×工作壓力。對于某固定油田采出水處理管道阻力系統(tǒng)來說，其工作壓力數(shù)值的大小主要取決于原水在系統(tǒng)中的流速或流量。因此，流程優(yōu)化工作的主要參考標(biāo)準(zhǔn)為原水循環(huán)流速以及排污比例，值越高則系統(tǒng)處理效率越高。
3 陶瓷超濾膜反沖洗方式與工藝優(yōu)化。
錯(cuò)流過濾方式能夠有效降低陶瓷膜表面出現(xiàn)濃差極化效應(yīng)。然而，隨著過濾工作的進(jìn)行，陶瓷膜的表面仍不可避免地形成一層凝膠層，此時(shí)需要針對表面凝膠層進(jìn)行反沖洗，從而使陶瓷膜恢復(fù)正常通量；系統(tǒng)長期工作后，陶瓷膜表面與膜內(nèi)部的孔道中會(huì)逐漸因?yàn)槲廴疚锏木奂纬晒笇?，此時(shí)則需要通過對垢層進(jìn)行化學(xué)清洗，從而使陶瓷膜恢復(fù)正常通量。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)組長期運(yùn)行與觀察可知，陶瓷膜的有效通量值在該膜運(yùn)行很長一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)明顯降低，即便經(jīng)過多次沖洗也無法改善。其主要原因在于，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行過較多次數(shù)的反沖洗行為后，管道內(nèi)的反沖洗用水會(huì)因?yàn)殚L期接觸壓縮空氣而形成飽和溶液。飽和溶液中的溶解性氣體在進(jìn)行陶瓷膜的內(nèi)孔道后，會(huì)因?yàn)閴毫Φ慕档投尫?，形成孔道氣栓，阻礙了系統(tǒng)原水流通，降低了管道通量，為應(yīng)對反沖洗過程中造成的孔道氣栓，在反沖洗罐內(nèi)設(shè)置一種價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠的氣動(dòng)脈沖裝置，該裝置能夠保證在對模組進(jìn)行反沖洗時(shí)不會(huì)將壓縮空氣滯留在陶瓷膜孔道中。經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，反沖洗周期控制在一小時(shí)左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去90s的反沖洗周期。同時(shí)，膜通量的衰減控制在了9%以內(nèi)，通過反沖洗后可恢復(fù)99.5%以上。
4 陶瓷超濾膜工作參數(shù)優(yōu)化
4.1 循環(huán)流量與流速
陶瓷膜進(jìn)行采出水過濾的過程中，無機(jī)物垢層的生長速度小于有機(jī)物垢層的生長速度。采用提高流速或使用堿洗的方式能夠有效抑制有機(jī)物垢層的生長，使之處于一穩(wěn)定低值。通過長期實(shí)驗(yàn)觀察，以膜通量衰減程度20%為基準(zhǔn)，對不同循環(huán)流量下對應(yīng)的有效工作周期進(jìn)行記錄，當(dāng)流量達(dá)到855m3/h以上區(qū)間時(shí)，膜表面流速穩(wěn)定在5.0m/s；堿洗周期穩(wěn)定在155～185h范圍內(nèi)，可獲得較佳濾除效果。
4.2 排污比例
排污比例數(shù)值的大小直接決定了對應(yīng)的濃縮倍數(shù)的數(shù)值和能耗，采取錯(cuò)流方式進(jìn)行超濾時(shí)，排污比例與濃縮倍數(shù)、能耗等成反比，且排除的濃水量越大系統(tǒng)工作壓力越小。然而，隨著排除濃水量的不斷增加，工作主線的處理負(fù)荷也會(huì)不斷增加，因此，需要找到流量平衡點(diǎn)，既能保證獲得較佳排污量，又能使工作主線處的處理負(fù)荷不過高。經(jīng)長時(shí)間實(shí)踐觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)排污量數(shù)值為8m3/h以上時(shí)，系統(tǒng)工作周期穩(wěn)定，排污比例為22%，原水回收率為78%。
5 存在的問題及今后改進(jìn)方向
國內(nèi)外關(guān)于使用陶瓷膜對低滲透油田采出水進(jìn)行超濾處理的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，本研究基于國內(nèi)外學(xué)者理論研究和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，對超濾處理系統(tǒng)和流程進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后系統(tǒng)超濾效果良好，運(yùn)行較為穩(wěn)定，但仍存在以下問題。
5.1 處理規(guī)模問題
該系統(tǒng)處理規(guī)模達(dá)650m3/d～850m3/d，距離理想處理規(guī)模1000m3/d尚有一段距離。
5.2 成本問題
系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到運(yùn)營總成本在180萬元左右，對于我國每年近7億噸的油田產(chǎn)出水處理量來說，成本太高。
6 結(jié)語
本研究選擇陶瓷膜進(jìn)行油田采出水超濾工作的主要材料，能夠滿足目前較為嚴(yán)格的含油量5mg/L、懸浮物1mg/L、懸浮物粒徑中值1μm的5.1.1環(huán)保要求。通過幾年的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出一套能夠處理650m3/d到850m3/d的半生產(chǎn)型陶瓷膜超濾實(shí)驗(yàn)裝置，通過在裝置中添加氣動(dòng)脈沖裝置有效控制了陶瓷膜的衰減，提升了系統(tǒng)工作效率。同時(shí)得到了該系統(tǒng)處理低滲透油田采出水時(shí)的較佳參數(shù)：膜表面流速控制在4～5m/s；排污比例較佳設(shè)定值為22%左右。
