海上油田回注水超滤工艺的研究及应用

刘富有，赵庆凯，李强，胡冠涛中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300457

海上油田回注水超滤工艺的研究及应用

刘富有，赵庆凯，李强，胡冠涛
中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300457

渤海某油田对回注水水质要求较高，目前海上油田传统的水处理技术已不能满足该油田回注水水质的处理要求。结合陆上低渗油田开发回注水的超滤处理技术，该油田对预处理后的回注水采用膜技术进行精滤，并初步拟定了超滤注水流程。为保证流程的可靠性，通过对膜元件的试验筛选，最终确定了以功能化无机超滤膜为核心的超滤工艺流程，并根据其特点对初期拟定的超滤工艺流程进行了优化。该工艺在国内海上油田开发中首次应用，取得良好效果，可为海上类似低渗油田的开发提供经验。

海上油田；超滤流程；工艺优化；含油污水

海上油田含油污水的处理主要是针对水中的油以及固体悬浮物，国内外普遍采用“三段式处理工艺”，即斜板除油-气浮除油-核桃壳过滤预处理与纤维球精细过滤组合的处理工艺。但传统工艺对含油污水中的乳化油、细微颗粒悬浮物以及细菌去除效果有限，产水指标大多只能达到SY/T5329-2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》［1］中B1及以下等级，对回注水要求较高的低渗油田已无法适用［2-3］。

渤海某油田在开发过程中要求回注水水质达到SY/T 5329-2012中A2等级，即含油量≤6 mg/L，悬浮物含量≤2 mg/L，悬浮物中值粒径≤1.5μm。因此需要对海上油田的回注水进行精细过滤。结合陆上低渗油田开发回注水的超滤处理工艺，该油田对预处理后的回注水采用膜技术进行精滤。为保证该注水工艺在国内海上油田首次应用成功，经过综合分析多种膜元件的特性，最终确定了以功能化无机超滤膜为精滤核心的工艺流程，并根据该膜的特点对初期确定的超滤工艺流程进行了优化。该超滤注水工艺流程的应用可为海上平台类似油田开发中回注水的处理工艺提供经验。

1 超滤流程方案

根据工程开发方案的前期调研，参照陆地低渗油田精细回注水处理的工艺流程，拟定了超滤工艺流程，其工艺流程如图1所示。

经过斜板除油器、气浮选机、核桃壳过滤器、双介质过滤器预处理后的含油污水，经过冷却器降温后，通过改性纤维球过滤器去除部分悬浮物和油类物质，然后进入一级烧结管过滤器（过滤元件采用无机膜）去除大部分悬浮物和石油类污染物，再进入二级超滤装置（过滤元件采用有机膜）进一步过滤，最后出水满足低渗油田回注水的水质要求［4-6］。

图1　原超滤系统流程

2 超滤流程试验研究

根据初步拟定的超滤注水工艺，一级微孔烧结管过滤器的过滤元件采用无机膜，从金属膜、陶瓷膜或功能化无机超滤膜中筛选。二级超滤装置的过滤元件采用有机膜，从中空纤维超滤膜和管式超滤膜中筛选［7-10］。

2.1膜元件的初步筛选

为了准确地筛选膜组件，取相近海上在役平台核桃壳过滤器的出水作为试验原水，分别经过各膜元件过滤，过滤后的水质见表1。

表1　不同膜元件过滤后水质

从表1可以看出，钛合金膜对含油量及悬浮物（SS）的去除率不高，且其过滤方式为死端过滤，膜污染后不容易清洗，因此下一步不再考虑钛合金膜。中空纤维超滤膜、陶瓷膜、管式超滤膜、功能化无机超滤膜对油含量、悬浮物的去除率较高，考虑到中空纤维超滤膜不适合高温（40℃以上）水处理，而陶瓷膜、管式超滤膜及功能化无机超滤膜能够耐高温（一般能耐55℃），因此优选陶瓷膜、管式超滤膜和功能化无机超滤膜作为备选对象。

2.2全流程模拟平台处理设施动态试验

为了更好地模拟现场的试验情况，进行全流程模拟平台含油污水处理设施的试验，其工艺流程如图2所示。考虑到含盐量对膜元件的影响，在本次配水时，向原水中投加矿物离子。

图2　全流程模拟平台含油污水处理动态试验工艺流程

通过全流程模拟试验对比，陶瓷膜和功能化无机超滤膜在相同条件下，功能化无机超滤膜由于表面具有抗污染层，在不加反洗和化学清洗的情况下，可连续运行130 h，而普通的陶瓷膜在运行48 h后通量衰减严重，基本不能产水。

陶瓷膜及功能化无机超滤膜在0.1 MPa下通量变化曲线如图3所示。从通量来看，普通的陶瓷膜通量和功能化无机过滤膜初始通量基本一样，但随着运行时间的增加，普通陶瓷膜的通量衰减很快，而功能化无机超滤膜的通量在230 L/（m2·h）。

图3　陶瓷膜及功能化无机超滤膜通量变化

从产水水质来看，经两种膜过滤后的水都能达到回注水水质A2标准的要求，含油量对比如图4所示。从图4可以看出，经功能化无机超滤膜过滤后的产水的含油量小于3 mg/L，经陶瓷膜过滤的产水的含油量小于5 mg/L。经功能化无机超滤膜过滤的产水水质略好于陶瓷膜。经功能化无机超滤膜的产水水质随着运行时间的增加而升高，而经陶瓷膜过滤的产水含油量在膜污堵后反而降低，这就说明功能化无机超滤膜的污染是在膜表面，而没有渗透到膜里面；而陶瓷膜的污堵污染物直接把膜的孔径堵死。功能化无机超滤膜由于膜表面存在亲水疏油层，使得污染物只留在膜表面，这样的结构也便于膜元件清洗和通量的恢复。

图4　经陶瓷膜及功能化无机超滤膜过滤的产水含油量

2.3功能化无机超滤膜的现场试验

经上述实验可见功能化超滤膜的过滤水质和膜通量方面均优于其他膜元件，为验证该膜在实际生产过程中的效果，选择在海上平台进行功能化无机超滤膜的现场试验。

2.3.1稳定性试验

功能化无机超滤膜的中试装置安装调试后，设定中试装置的跨膜压差最大值为0.1 MPa，膜面流速为5 m/s，流量为1 m3/h，进水水温为40～50℃。经过几天的连续试验，出水水质的化验结果见图5，经化验分析均满足项目注水水质要求。中试装置运行状况基本稳定，处理量稳定在1 m3/h左右。

2.3.2跨膜压差和进水温度对膜通量的影响

对功能化无机超滤膜压差和进水温度对膜通量的影响进行了试验研究，结果分别如图6、7所示。

由图6可以看出，在过滤过程中，膜通量随跨膜压差的增加而增大，但膜通量的衰减速度随跨膜压差的增加而增加。这是因为随着跨膜压差的增大，膜过滤过程的推动力增加，从而膜通量增加，同时较大的跨膜压差会使得采出水中的油滴、悬浮物等在膜孔或者膜面的沉积速度增加，甚至可以将油滴、悬浮物等挤入膜孔内，造成膜孔堵塞，使得膜污染速度加快，导致膜通量衰减较快。

图5　中试装置出水水质化验结果

图6　跨膜压差对超滤膜通量的影响

图7　进水温度对超滤膜通量的影响

温度对膜通量的影响非常重要，一般来说，无论在压力控制区还是传质控制区，升高温度都能提高膜通量。在试验中，通过加热器对进水水温进行控制，并在保持跨膜压差0.1 MPa，膜面流速为5 m/s不变情况下，考察膜通量随温度的变化关系。从图7可以看出，温度对膜通量的影响较为显著。通量与温度近似成线性关系。这是由于随着料液温度的升高，黏度减小，膜过滤的传质阻力减小，从而提高膜通量。另一方面，温度的升高同时使得料液的扩散能力得到提升，这也是膜通量得以提高的原因。

对钛合金膜、陶瓷膜、功能化无机超滤膜、中空纤维膜、管式超滤膜的性能进行了分析以及试验研究，最终推荐以功能化无机超滤膜为核心膜元件的超滤装置。功能化无机超滤膜具有以下特点：其一，渗透阻力小，抗污染。其二，耐温性好，可承受操作温度达80℃，从而提高清洁效率和减少化学品消耗。其三，经膜过滤后产水水质稳定，产水水质含油量均＜5 mg/L，悬浮物含量＜1 mg/L，粒径中值＜0.5 μm，能够满足本项目回注水质要求。

3 超滤方案优化

根据功能化无机超滤膜的上述特点，采用功能化无机超滤膜进行一级过滤，即可满足本油田回注水水质要求，并且其耐温性好，操作温度可达80℃，因而对原超滤流程方案进行了优化，取消了原流程中的换热器、改性纤维球过滤器及二级超滤过滤装置，优化后的超滤系统流程如图8所示。

图8　优化后的超滤系统流程

4 现场应用

根据上述优化方案，在该渤海油田开发项目中进行了精细注水系统的设计及建造工作，其装置如图9所示。目前该系统已投用，流程设备运行平稳，经平台化验室检测，功能化无机超滤膜过滤器进水的含油量为18 mg/L，悬浮物含量为7 mg/L；经过滤后其滤器出口水的含油量＜5 mg/L，悬浮物含量＜1 mg/L，提高了平台回注水的水质，达到了预期效果。目前该系统已投用，流程设备运行平稳，出水指标达到标准SY/T5329-2012中A1等级。

图9　超滤装置

5 结束语

目前虽然中海油低渗油田探明储量和产量分别占中海油总探明储量和总产量的比例较小，但随着世界原油需求的增长，低渗油田的开采势在必行。相对于传统海上油田生产水的深度处理方法，本文介绍的超滤处理技术产水水质好，效率高，在海上低渗油田生产水处理中具有广泛的应用前景。

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

［2］李影.新型含油污水处理工艺用于特低渗透油田［J］.油气田地面工程，2008，27（4）：24-25.

［3］延磊.海上油田污水处理系统［J］.油气田地面工程，2013，32 （6）：59-60.

［4］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计概论与工艺设计［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［5］罗杨，谭云贤，王磊，等.油田采出污水精细处理技术应用研究［J］.石油与天然气化工，2010，39（1）：87-90.

［6］王春梅，谷和平，王义刚.陶瓷微滤膜处理含油废水的工艺研究［J］.高校化学工程学报，2000，22（5）：38-42.

［7］华耀祖.膜分离技术与应用丛书—超滤技术与应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［8］邹启贤，吴静，许裕金，等.陶瓷膜处理油田外排废水实验研究［J］.化工环保，2002，22（6）：324-327.

［9］尹赐禹，张洪良.超滤膜处理油田含油污水的实验研究［J］.石油机械，2003，31（8）：1-3.

［10］陈珍伟，陈珍武，朱智文，等.高分子功能材料膜处理含油污水［J］.油气田地面工程，2011，30（8）：34-36.

Research and Application of Reinjection Water Ultrafiltration Technique in Offshore Oilfield

LIU Fuyou，ZHAO Qingkai，LIQiang，HU Guantao
CNOOC（China）Co.，Ltd.Tianjin Branch，Tianjin 300457，China

A certain Bohai oilfield requires higher quality of reinjection water，but current traditional water treatment technology for offshore oilfields can not satisfy the requirement.Based on the reinjection water ultrafiltration technique used in land low permeability oilfields，this offshore oilfield adopts membrane fine filtration technique for pretreated reinjection water and maps out primary ultrafiltration water reinjection process flow.In order to ensure the reliability of the process flow，selection and test of membrane elements are conducted and the ultrafiltration process flow in which the functional inorganic ultrafiltration membrane as the core is finally determined，then the primary ultrafiltration process flow is optimized.The first application of this process in domestic offshore oilfield is successful and provides valuable experience for offshore low permeability oilfield development.

offshore oilfield；ultrafiltration process flow；process optimization；oily wastewater

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.015

刘富有（1983-），男，天津人，工程师，2005年毕业于重庆科技学院内燃机制造与维修专业，现从事海洋工程建设工作。

Email：38719587@qq.com

2015-08-10；

2016-01-15