低渗透油田回注水膜分离技术的研究

董立伟

（中油辽河油田公司兴隆台采油厂 辽宁盘锦 124011）

1 概述

低渗透油田回注水膜分离处理技术主要目的是将油田采油污水处理到《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》SY／T5329-94所推荐的A1级注水指标，从而实现采油污水的回用，节约淡水资源，减少污水外排和无效回注的费用，最终促进低渗透油藏的开发。膜分离（Membrane Separation）是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，达到提纯、浓缩等目的的分离过程。由于采油污水的水质复杂，难以处理，低渗透油田对回注水的水质要求又很高，而本技术的研究与应用成功攻克了这一壁垒，配合其他成熟处理技术，可以连续稳定的将采油污水处理到优于A1级的水质要求，满足注水系统对水质水量的要求。

2 技术路线和工艺流程

2.1 低渗透油田回注水处理技术路线

在辽河油田污水处理经验的基础上，低渗透油田回注水精细处理工艺流程如下：

图1 低渗透油田回注水精细处理工艺流程简图

根据SY／T5329-94所推荐的A1级注水指标，结合各处理单元流程特点，制定各单元出水水质标准如下：

表1 各处理单元进出水水质标准

2.2 膜分离装置介绍

图2 膜运行工艺图

3 膜分离技术的研究

3.1 膜性能的主要技术参数及特征

（1） 膜通量

膜通量是指在一定温度和压力条件下，在单位时间内单位膜面积上透过的滤液的体积。在水处理过程中，其反应了膜的处理能力。通常在实验室采用25℃、0.1MPa的压力条件下采用纯水进行测试，其单位通常为：L/（m2.hr）。在水质条件一定情况下，膜通量与膜的孔径、开孔率有关。在能稳定满足出水水质的条件下，膜通量越大越好。在膜面积一定情况下，膜出水水量与膜通量成正比。

（2）跨膜压差

跨膜压差是指在分离过程中膜两侧的压力差，其反应了膜透过水的难易程度。在实际生产过程中，通常采取恒流量过滤，同时膜通量的数据难以准确考察，通常观测跨膜压差的变化来了解膜的运行状态。跨膜压差与膜通量正相关，在膜通量足以满足生产水量的条件下，跨膜压差越小，能耗越低，越有利于运行管理和维护。 在一定压力范围，膜通量与跨膜压差呈线型关系，当跨膜压差增加到一定值后膜天变化趋于平缓。膜被污染后，在同等膜通量条件下，跨膜压差将增加。

（3）温度

温度对膜通量的影响很大，温度越高膜通量越大。因油田采出水具有一定温度，所以在设计时温度是必须考虑的因素。

（4）膜污染与膜清洗

膜污染是指被处理物料中悬浮物的微粒（包括油）、胶体粒子和溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的膜表面沉积、膜表面或膜孔内吸附、堵塞使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化的现象。膜污染将直接导致膜通量的下降，在生产中表现为跨膜压差增加。根据膜污染种类的不同，采取合理的清洗方法，可以使膜通量得到一定的恢复。较快的膜污染速率将使得化学清洗周期变短，严重影响系统稳定运行。污染后的膜得不到有效的清洗，膜系统将无法继续运行。

3.2 膜及膜组件的选择

（1）采油污水特点

采油污水水质复杂，含有各种悬浮固体物、胶体颗粒、各种形态的石油、高分子有机物、细菌、结垢离子等等，易于对膜造成污染。因此膜在采油污水处理过程中遇到了很大的困难。

（2）膜材质选择

针对采油污水特点，膜材质应具备以下特征：耐氧化，强度高，疏油亲水耐污染。其中以PVDF、PES、PE、PAN均可满足疏油亲水耐污染要求，实验室用次氯酸钠溶液测定相对拉升强度（图3），以PVDF最为稳定，所以膜材质选择PVDF。

图3 四种常用膜材质提升强度对比图

（3）膜组件选择

表2 常用膜组件性能对比

根据所处理油田污水的特点，结合整体工艺，从表2性能对比中可以看出，气动膜更为适合污水处理。在膜粒径的选择方面，中空纤维微滤膜从化学清洗周期、平均水回收率和清洗操作方面来讲，均具有无可比拟的优势，成为首选。

3.3 膜运行性能的确定

（1）选择某采油厂一增注站采油污水和3.2节中膜及膜组件，模拟图2膜分离工艺，绘制周期内膜出水量与跨膜压差变化曲线如下：

图4 周期内跨膜压差和膜出水流量变化曲线

（2）膜通量与跨膜压差关系及化学清洗效果

图5 跨膜压差与膜出水量曲线

可以看出，1次清洗后和2次清洗后膜通量和跨膜压差基本可保持一致，证明所选择工艺和材质均可长期、连续应用。

3.4 膜设计通量确定

试验装置：3组膜组件，膜分离面积3×44m2

原则：确保稳定生产，出水水量稳定

方法：经验数值，试验确认

示例步骤：

（1） 2个化学清洗周期时分别测定化学清洗前和清洗后的膜出水流量-跨膜压差曲线图（图6）；20.0

图6 膜通量与跨膜压差数据对应图

（2） 据设计的最大跨膜压差和清洗前曲线得到试验膜出水水量：0.15MPa-6.8m3/h，根据过滤面积，得到膜通量51.5L/h/m2（0.15MPa，60℃）；

（3） 稳定膜通量系数取0.9，得到膜设计的膜通量46.4 L/h/m2（0.15MPa，60℃） 。

（4） 将该水源降至45℃后，可据温度曲线图得到温度系数，计算出45℃时的设计膜通量34.2L/h/m2。温度降低后，污水中污染物的性质可能发生改变，因此该值可能会稍有变化。

（5） 结合清洗后的曲线和设计的跨膜压差，可以得到膜的初始跨膜压差为0.045MPa左右。

4 现场应用

4.1 运行参数

该项技术已经成功应用于某采油厂一增注站，各项运行参数为：

纯水初始通量（25℃，0.1MPa）：160L/m2.hr

污水设计通量（25℃，0.1MPa）：30L/m2.hr

最大跨膜压差：0.15MPa

最大进水压力：0.2MPa

长期工作温度：5～45℃

化学清洗周期：20～40天污水回收率：≥95%

4.2 运行水质

运行期间平均水质如下表：

表3 某厂一增注站膜分离应用出水水质

可以看出，在前段预处理达标的前提下，膜出水主要控制指标机杂和含油均控制在表2要求以内，符合SY/T5329-94所推荐的A1级注水指标。

5 结论

该技术针对油田采出污水特征，筛选出适应油田污水的膜及膜组件，解决了以往研究中出现的膜污染严重、清洗频繁、回收水率低的难题，在国内同行业中处于领先水平，具有极高的应用及推广价值。目前存在的主要问题是膜分离设备工作温度较低5～45℃，而辽河油田常见高于45℃的污水。下一步工作将与膜厂商和科研机构合作开发耐高温膜。同时提高预处理水平以简化流程，增加污水回收率。