滤膜在油田注入水除菌工艺中的应用

（长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023）

人们在几千年前就开始使用过滤技术，而滤除细菌的过滤技术是近几十年来伴随着科技的发展、新型材料的研发以及人们对生活品质的注重而兴起的新方向，也是近年来的研究热点［1］，其中膜过滤技术因为操作简单、去除效果好等优点更是受到人们的关注。高分子纳滤膜是近年来国际上发展较快的膜品种之一，该类膜对相对分子质量在300以上的有机物的截留率较高，对细菌、病毒的过滤效果较好［2］。细菌直径一般在0.1μm 到十几微米之间，只有孔隙比其更小的过滤介质才能发挥作用，而纳滤膜的孔隙远小于细菌直径。研究发现各种过滤技术主要是通过机械筛滤和吸附截留作用起到过滤的效果［3］。

目前，注水开发依然是各个油田采油的主要开发方式。长期的油田注水实践证明，在注水开发中，注入水水质是一项关键性因素［4］，不仅对水驱油藏的采收率和开发效果有着重要影响，而且对地面的工程设施、设备的机械效率及使用寿命都会带来巨大的影响，这些最终都会体现在注水开发原油的效益上。采油注入水中含有的细菌容易引起注水管线及设备的腐蚀［5］，缩短其使用寿命，增加后期的运行成本及处理难度，从而降低油田的整体开发水平和经济效益。因此，采油注入水中细菌必须经过处理达标后才能用于回注。回注水中的硫酸盐还原菌含量一般很高，是因为处理后的回注水在输送过程中，经过漫长缺氧的密封管道，适合厌氧型的硫酸盐还原菌（SRB）大量生长繁殖。在处理注入水时，即使最终水体中只含少量的细菌，也会在漫长密封的输送过程中重新生长繁殖，造成水质的恶化。因此，除菌一定要完全彻底，使其失去繁殖的可能，才能真正达到除菌的目的。作者针对红山嘴油田回注水中硫酸盐还原菌恶性繁殖的问题进行了膜过滤除菌工艺的研究。

1 实验

1.1 材料与仪器

纳滤膜元件（HNF40－4040、HNF70－4040）、反渗透膜元件（ROSW1－4040），北京海德能水处理设备制造有限公司；红山嘴油田回注水。

125L·h－1海水淡化设备，北京海德能水处理设备制造有限公司；SPX－150B－Z型生化培养箱，上海博迅实业有限公司；电子分析天平（精度万分之一）；SRB－HX－7型硫酸盐还原菌测试瓶，北京华兴化学试剂厂。

1.2 方法

1.2.1 回注水水质分析

取红山嘴油田回注水水样进行水质分析，结果见表1。

表1 红山嘴油田回注水水质分析结果Tab.1 The analytical results of injection water quality in Hongshanzui Oilfield

1.2.2 模拟水的配制

根据红山嘴油田回注水的水质分析结果，用去离子水配制适量的模拟水，模拟水中的各离子浓度及总矿化度与红山嘴油田回注水相同（除Na＋、K＋、Cl－外），所需矿化度用NaCl填补。模拟水的组成成分如表2所示。

表2 模拟水的组成成分／（mg·L－1）Tab.2 The composition of simulated water／（mg·L－1）

1.2.3 硫酸盐还原菌培养基的配制及细菌培养

向10L水中依次加入5g K2HPO4、10g NH4Cl、10g MgSO4、5g Na2SO4、1g CaCl2、10g酵母膏、40 mL乳酸钠，溶解后用10%氢氧化钠溶液调节pH 值至7.4～7.6，密封，用牛皮纸包好，进行湿热灭菌。

向灭菌后的培养基中加入适量的红山嘴油田回注水水样，密封保存，放置在阴暗地方，SRB 繁殖。当繁殖到一定数量时，将其倒入装有一定量模拟水的容器中，再次密封保存，放置在阴暗处，让细菌继续繁殖。繁殖一定时间后，测定SRB 细菌含量，并立即用膜装置过滤，收集滤液并测定其中的SRB细菌含量。计算细菌去除率。去除率越高，除菌效果越好。

1.2.4 SRB细菌含量的测定

SRB细菌含量的测定采用文献［6］中的绝迹稀释法，即用1mL无菌注射器吸取含SRB细菌水体，逐级注入细菌培养瓶中，放入37 ℃的生化培养箱中培养7d。铁钉变黑或有黑色沉淀即说明有细菌生长。

2 结果与讨论

2.1 不同膜过滤工艺的除菌效果

在相同的条件下，将回注水水样培养3d、5d后，分别用三种膜进行过滤，取过滤10min时的水样测定SRB细菌含量，与过滤前细菌含量作对比，结果见表3。

表3 膜过滤前后的SRB细菌含量测定结果Tab.3 The results of SRB bacteria content before and after filtration

从表3可知，除了纳滤膜HNF40－4040由于膜孔较大，在去除离子能力较差的同时，也能透过少量细菌，致使处理后的水体菌量不能达到回注水标准［6］。而纳滤膜HNF70－4040和反渗透膜ROSW1－4040 处理后水体细菌含量都能达标，其中反渗透膜的效果最好，能够做到完全除尽细菌。但纳滤膜HNF70－4040没有完全除尽细菌，在后续的输送过程中细菌有可能继续生长繁殖。

2.2 过滤后水样的静态稳定性

取适量刚过滤的水样和灭菌处理过的模拟水，以1∶10的比例混合，装入容器，密封保存在37 ℃的无菌条件下，静置不同时间后分别测定其中的细菌含量，结果见表4。

表4 静置不同时间后的细菌含量／（个·mL－1）Tab.4 Bacterial content at different times／（number·mL－1）

从表4可知，经过两种纳滤膜处理的水样，由于起始含有少量细菌，在水体中存在营养物质的前提下能够快速繁殖，因而细菌含量快速上升，在第3d时就超过了回注水的SRB细菌含量指标。而在15d时几乎没有细菌，是因为营养物质逐渐被消耗完导致细菌饥饿死亡。反渗透膜过滤的水样，不管放置多久，都没有细菌生长，具有很好的稳定性，再次证明反渗透能够很好除尽细菌。

2.3 纳滤与化学杀菌剂的协同作用效果

虽然反渗透能够彻底地除去细菌，满足处理要求，但因为反渗透膜容易污染，且容易被Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Cl－等离子损坏，造成逆渗透效率下降，需清洗，操作复杂，提高了处理成本。相对纳滤而言，工艺上不建议使用反渗透除菌。为了能够完全除菌，考虑在纳滤的基础上，加入化学杀菌剂进一步杀菌，结果见表5。

表5 纳滤与化学杀菌剂的协同作用效果／（个·mL－1）Tab.5 Synergistic effect of nanofiltration and chemical bactericides／（number·mL－1）

从表5可知，纳滤后只需加入少量的杀菌剂就可以彻底杀菌。这样既节约了药剂成本，简化了工艺，又可以避免过多的化学药剂对地层的损害，同时对杀菌剂的杀菌能力要求降低，使工艺中对杀菌剂的使用具有更多的选择。

3 结论

（1）反渗透和纳滤膜过滤工艺均具有除菌效果，其中反渗透膜的除菌效果更好。

（2）在纳滤膜HNF70－4040 水处理工艺中，除菌率高且处理后水体菌量达到注水标准，但并不能完全达到除菌效果，必须彻底除菌，才能避免后续输送过程中出现的细菌再繁殖问题。

（3）虽然反渗透能够完全除菌，满足处理要求，但反渗透膜容易污染，且容易被Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Cl－等离子损坏，造成逆渗透效率下降，需清洗，操作复杂，提高了处理成本。所以工艺上不建议使用反渗透除菌。而纳滤除菌后再加化学杀菌剂杀菌，不仅只需极少量的化学药剂，而且处理效果完全能够满足要求，将是油田注入水除菌工艺的发展趋势。

［1］任峰，刘太奇.过滤除菌用净化材料的研究与应用［J］.化学世界，2007，48（2）：121－124.

［2］梁雪梅，陆晓峰，王彬芳，等.高分子纳滤膜的研究及进展［J］.功能高分子学报，1999，12（1）：102－111.

［3］蒋绍阶，石长恩，江志贤.膜过滤技术用于饮用水消毒可行性探讨［J］.重庆环境科学，2003，25（4）：52－54.

［4］汪亚蓉，汪伟英，刘子雄，等.注水水质对油藏开发指标的影响研究［J］.断块油气田，2010，17（1）：82－84.

［5］薛瑞，姚光源，滕厚开.油田杀菌剂研究现状与展望［J］.工业水处理，2007，27（10）：1－4.

［6］SY／T 5329－2012，碎屑岩油藏注水推荐指标及分析方法［S］.