应用陶瓷膜滤器处理某海上油田生产水现场试验

于成龙 杨 森 曾云飞 岑剑锋 苏耀均

中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司, 广东 湛江 524057

0 前言

目前，海上油气田的生产水主要经平台、FPSO、陆地终端等进行处理,满足国家相关法律法规要求后排海,或回注到地层用于驱油/保持地层压力等。海上油气田生产水处理流程受制于油气田所在海域、油品性质、设施规模、排海要求、注水水质等因素[1-4]。海上油气田传统的生产水处理设备主要有水力旋流器、板式聚结器、气浮选、纤维球精细过滤器、改性纤维球过滤器、超声波精细过滤器等[5-14]。

某海上油田属海相多层系砂岩油藏,注水层渗透率10×10-3～50×10-3μm2,属于低渗透地层[15]。根据油田开发实际情况,部分生产水需回注到地层以保持地层压力。参考SY/T 5329-2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标》、Q/HS 2042-2014《海上碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》及前期研究结果,油田总体开发方案推荐油田注入水含油量低于8.0 mg/L、悬浮物颗粒粒径中值小于2 μm,经传统设备处理的生产水无法满足油田回注水水质要求。根据前期研究结果并借鉴国内外类似油田的实际开发经验,经与国内外生产水处理专业厂家、科研院所深度技术交流,综合经济、技术、平台空间等各方面因素制定了生产水先经水力旋流器、紧凑式气浮选装置处理后,再经过核桃壳滤器、陶瓷膜滤器深度处理的技术方案。因陶瓷膜滤器在国内海上油气田应用案例较少,为验证上述技术方案的可行性，在某海上油田所依托的老设施上进行现场试验。

1 陶瓷膜简介

陶瓷膜是一种固态膜过滤分离材料,多孔陶瓷作为载体支持体、微孔陶瓷膜作为过滤层,主要以Al2O3、ZrO2、SiC、TiO2及SiO2等为原材料,采用特殊工艺制备[16-17]。陶瓷膜成品一般呈管状或多通道状,管壁密布大量微孔,在压力作用下液体及小分子物质透过膜,大分子物质无法透过膜被截留。20世纪50年代,法国、美国为浓缩铀事业开发了陶瓷膜,70年代法国将其利用在核工业,从此进入了商业开发,80年代中国开始陶瓷膜研究[18]。因陶瓷膜具有耐酸碱、耐有机溶剂、耐高温及机械强度高等优点,目前已广泛应用于食品、化学、石油、冶金、制药、生物工程等行业。

陶瓷膜在油田生产水处理方面的研究,最早于20世纪90年代在美国开展,采用法国生产的陶瓷膜在海上、陆地油田开展小规模生产试验[19]。随着陶瓷膜技术日益成熟,中国陆地的大庆、胜利、江苏、长庆等及海上JZ 25-1、BZ 25-1、SZ 36-1、BZ 34-2/4、WZ 12-1等油气田进行过现场试验[20-23],并成功应用于LW 3-1、WZ 6-13、BZ 34-2/4等油气田[24-26]。目前应用于油气田生产水处理的陶瓷膜滤器,绝大部分采用错流过滤工艺,膜面上滞留的颗粒及污染物被料液流经膜表面时产生的剪切力带走,大大减缓陶瓷膜的污染,延长清洗周期,为设备连续运行提供了保障。此外,陶瓷膜滤器占地面积小、自动化控制程度高,非常适合海上油气田生产水深度处理。

2 某海上油田生产水处理工艺流程

根据前期技术方案,某海上油田生产分离器分离出的生产水经水力旋流器、紧凑式气浮选装置处理后,再经核桃壳滤器、陶瓷膜滤器深度处理,经注水增压泵、注水泵两级增压后注入地层,具体流程见图1。

图1 某海上油田生产水处理工艺流程图Fig.1 Flowchart of production water treatment processof some offshore oilfield

3 现场试验

某海上油田所依托老设施采用水力旋流器和紧凑式气浮选装置处理生产水,为保持与某海上油田工艺流程的一致性,现场试验采用核桃壳滤器和陶瓷膜滤器对生产水进行深度处理。因紧凑式气浮选装置、水力旋流器、核桃壳滤器为成熟产品,试验能否成功主要取决于陶瓷膜滤器的现场试验效果。现场试验邀请国内技术实力较雄厚的4个陶瓷膜设备厂家,在某海上油田所依托的老设施上进行为期60 d的现场试验。现场试验采用老设施上水力旋流器出口生产水作为核桃壳滤器、陶瓷膜滤器的进水,采用Wilks TOG/TPH/FOG Analyzer、欧美克RC-3000电阻法颗粒计数器分别对原生产水及核桃壳滤器、陶瓷膜滤器处理后的生产水进行含油量和粒径中值测定,试验结果见图2～5。

图2 处理后含油量、粒径中值(厂家1)曲线图Fig.2 Oil content and median particle size aftertreatment(Manufacturer 1)

图3 处理后含油量、粒径中值(厂家2)曲线图Fig.3 Oil content and median particle size aftertreatment(Manufacturer 2)

图4 处理后含油量、粒径中值(厂家3)曲线图Fig.4 Oil content and median particle size aftertreatment(Manufacturer 3)

图5 处理后含油量、粒径中值(厂家4)曲线图Fig.5 Oil content and median particle size aftertreatment(Manufacturer 4)

根据现场试验数据记录:原生产水含油量13～50 mg/L,平均值31.18 mg/L;核桃壳滤器出口生产水含油量3～19 mg/L,平均值6.10 mg/L;陶瓷膜滤器出口生产水含油量1～5 mg/L,平均值3.60 mg/L。原生产水粒径中值2.71～6.25 μm,平均值4.40 μm;核桃壳滤器出口生产水粒径中值1.13～4.52 μm,平均值1.63 μm;陶瓷膜滤器出口生产水粒径中值1.13～1.65 μm,平均值 1.42 μm,陶瓷膜滤器处理后的生产水含油量、粒径中值满足油田总体开发方案推荐及规范要求。

4 投资分析对比

目前海上常用生产水回注处理设施为水力旋流器、气浮选装置、核桃壳滤器等,对类似油田上述设备采办价格与某海上油田陶瓷膜滤器预算价格进行分析对比,见表1。

表1 陶瓷膜滤器与常规生产水回注水处理设施投资对比表

Tab.1 Investment comparison between ceramic membrane filter and conventional production water reinjection treatment facilities

设备名称设备台数/台设计总处理能力/(m3·h-1)总投资/万元水力旋流器2(1用1备)95200气浮选装置2(1用1备)95280核桃壳滤器2(1用1备)8875陶瓷膜滤器4(3用1备)81850

从表1可以看出,陶瓷膜滤器的投资高于常规水力旋流器、气浮选装置、核桃壳滤器等装置,生产水回注设施采用常规的水力旋流器、气浮选装置、核桃壳滤器等装置总投资约555万元,增加陶瓷膜滤器后总投资增加到1 405万元。

5 结论

1)经某海上油田现场试验,采用陶瓷膜滤器深度处理的生产水含油量均值由31.18 mg/L降低到3.6 mg/L,粒径中值均值由4.40 μm降低到1.42 μm,满足油田总体开发方案推荐及相关规范要求,经陶瓷膜滤器深度处理的生产水满足某海上油田回注水的水质要求。

2)现场试验证明,生产水先经水力旋流器、紧凑式气浮选装置处理后,再采用核桃壳滤器、陶瓷膜滤器作为生产水深度处理装置的技术方案适用于某海上油田。现场试验为油田下一步的设备采办奠定了坚实基础,并可为类似油气田提供参考。

3)根据目前相关文献的报道,随着油田开发年限的延长,部分油田的陶瓷膜会被污染甚至堵塞影响生产水处理效果。因此在后续设备采办过程中应高度重视技术文件的技术要求,确保满足符合技术要求的陶瓷膜过滤装置。设备投用后须紧盯陶瓷膜进口的水质,严格按照操作手册的要求进行陶瓷膜日常的运营、维护、清洗,确保设备长期正常运行。