纤维球过滤技术在英东油田水处理应用试验

王军林 赵振宇 张智谋 付勇峰 赵燕红 王彦峰

1中国石油青海油田分公司采油五厂

2中国石油青海油田分公司采油二厂

目前全国各油田进入二次采油时，地层亏空能量补给主要以注水为主。水来源于采出水[1-2]，它富含石油类和悬浮物固体。针对不同的油田注入水质成分不同，采取处理措施[3-4]也不同，常用水处理[5-8]技术有重力分离法、旋流分离法、粗粒化法、过滤法、吸附法、浮选法和膜分离法等，由于上述方法各有其局限性，在实际应用中通常是两三种方法[9]联合使用，使出水水质达到排放标准。近年来，水处理技术的发展主要体现在高效油水分离技术、精细过滤技术和膜分离技术、生物处理技术、高效新型设备以及油田用处理药剂的选择等。这些技术与装置的成功开发，对提高油田水处理效率、改进设备的处理性能以及实现处理设备功能的一体化都具有重要意义。

注水水质是否达标决定着油田注水开发的成败，注入水若不经处理注入地层[10]，会造成地层伤害，使注入压力升高，注入量和吸水指数均下降，甚至注不进水。因此，各油田对注入水水质[11]特别重视，在注入之前都要进行系统处理。处理技术因地制宜，主要还是以石英砂或核桃壳[12]等刚性材料过滤为主，但也有油田选用新型高精虑[13]技术，如英东油田采用清水纤维球[14-15]过滤技术满足油田注水需求。

纤维球过滤净化技术在英东油田的应用过程简单，操作方便。使注入水流经填充有纤维球过滤介质的腔室，形成理想的上大下小孔隙分布状态，依靠直接拦截、惯性拦截和电化吸附去除有机物，增强截污能力；再将注入水引进装有纤维球的过滤罐中，纤维球由顶部的垂直柱塞压缩过滤，虽然悬浮物固体的负载量很高，但经纤维不断地排斥悬浮物固体，使介质不会被污染或堵塞，就能使注入水中的悬浮物固体浓度（质量浓度）从100 mg/L 降至低于1 mg/L。

英东油田目前注入水为清水，悬浮物固体浓度为8.6 mg/L（水质达标悬浮物浓度≤5 mg/L 标准），选用纤维球过滤净化技术处理注入水后水质达到了油田注水需求。

1 水处理工艺技术选择

英东油田累计探明地质储量8.27×107t，油气层主要分布在上油砂山组下段和下油砂山组上段，为复杂断块油气藏，纵向上分12 套开发层系。

上油砂山组储层岩性以棕灰色泥岩和灰色粉砂岩、细砂岩、含砾不等粒砂岩互层为主，孔隙吼道以中、细吼道为主，孔喉配置关系好。孔隙度平均为21.7%；渗透率平均为152.1 mD，整体评价为中高孔、中高渗优质储层。

下油砂山组储层岩性以灰色细砂岩、泥质粉砂岩互层为主，储层孔隙吼道以细吼道为主，孔喉配置关系好。孔隙度平均为17.6%，渗透率平均为71.6 mD，整体评价为中孔、中渗储层。

英东油田注水水源为采油二厂乌南油田处理的油田采出水和宽沟水源地清水。经过三年的运行，注水水质存在不达标、协调管理难度大、系统运行可靠性差等问题，严重影响英东油田注水工作的正常开展，制约了油田的发展。

为尽快将资源优势转变为效益优势，英东油田不仅对砂40 井区转注清水，充分利用宽沟水源地形高差，实现英东油田供水全程重力流，提高了英东油田注水可靠性；而且在砂40 注水站内加装纤维球过滤装置，可解决水处理系统不完善问题，提高注水水质的达标率，降低供水运行成本，取得了良好的经济和社会效益，为油田的快速发展打好了基础。

通过对储层特征的分析以及注入水水质对比，应用纤维球过滤清水净化技术水质明显得到改善，适用于目前的注水水质处理。

2 纤维球过滤技术特性

2.1 成熟性

纤维球过滤器是压力过滤器中较为新型的水质精密处理设备。

该过滤设备具有双层过滤的功能，原水流向为上进下出，由于水流受过滤层的阻力作用，滤料形成了上松下紧理想的空隙结构，不但通量大，还增加了截污能力，有效去除水中的悬浮物与泥沙，并对水中的有机物、胶体、铁、锰等有明显的去除作用。该装置应用于英东油田清水等方面的精细过滤，不但过滤量大且纤维球不易粘油污。

该设备的滤料是一种新型的涤纶纤维球滤料，具有密度小、柔性好、可压缩和空隙率大的特点。过滤时受到压力，纤维球互相交叉，形成上松下密的滤层分布状态。纤维球以独有的特质，极大的比表面积和孔隙率，在吸附同时截留水中的悬浮颗粒，充分发挥出滤料深层截污能力；纤维球具有不易粘油的特点，因此反冲洗较为容易，进而用水率降低；具有耐磨损、化学稳定性强的优点；当滤料受有机物污染严重时，采用化学清洗方法再生，实用性强。

2.2 先进性

（1）改性纤维球丝径细，比表面积大，可达2 000 m2/g。由于纤维丝径细的特点，它叠加后滤层孔隙小，而叠加后滤层孔隙度在80%以上，对悬浮物的拦截作用比其他滤料都优良。因此对低渗透油藏的注入水处理尤为理想；对高含悬浮物水的排放和回用有要求的过滤更加适用。

（2）对纤维丝进行了改性处理，使其具有亲水疏油的特性。不管改性纤维丝粘上纯油还是含油污水，遇水时水分子都能渗透到改性纤维丝表面，形成一层水膜，将纤维丝和油隔开；反洗时能将粘附在其表面的原油清洗干净，反洗再生性能特别好。

（3）改性纤维球比普通纤维球密度大且不粘油，过滤时在水力作用下能下沉到罐底，上松下紧滤层孔隙结构好；改性纤维球滤料运行时滤层孔隙率沿水流的方向逐渐变小，形成了比较理想的滤料孔隙分布状态，拦截作用增强，过滤效果好。

3 技术应用

3.1 水处理工艺现状

英东油田建设2 座注水站，主要负责水的过滤、沉降、提压，再输入各注水井。砂40 注水站目前水处理能力为2 500 m3/d，能够满足目前生产需要。该注水站清水处理流程工艺为：宽沟来水经自压进入并联自动高效快速纤维球过滤器进行过滤，使过滤后的水体达到注水水质指标；过滤后的水进入2 座700 m3净化水罐，利用原注水站计量泵加药装置向注水水体中加入杀菌、除氧等药剂；净化水罐出水经喂水泵向注水泵提供注水水体，再经高压注水干线输往站外各注水井。根据注水站现有设备及注水规模，砂40 注水站选用并联自动高效快速纤维球过滤器，处理量110 m3/h，设计压力0.6 MPa。工艺流程见图1。

图1 砂40 注水站水处理工艺流程Fig.1 Process flow for produced water in Sha 40 Water Injection Station

2018 年9 月中旬前，英东油田注入水由采油二厂提供，砂40 井区注入宽沟清水，英东118 井区注入乌南联合站处理后的污水，有2 套加药装置（两罐连装），通过在英东118 注水站加药装置开展系统挤注生物激活剂除硫。按照60 mg/L 的药量在英东118 注水站注入水中添加生物激活剂，进入2018年后，乌南联合站污水出口水质本身较差，为更好地除硫，生物激活剂浓度由60 mg/L 上调至80 mg/L，由于源头水质污染严重，所以加药剂效果还是不太理想。2018 年9 月中旬，为了提高水质达标率，英东118 井区也被转注清水，从运行情况看，目前两站注清水经过纤维球过滤器过滤，能够满足当前英东油田注水要求。

3.2 应用效果

3.2.1 应用前后水质变化情况

砂40 注水站于2013 年建站投入使用以来，根据系统注水与地层配伍实验，英东注入水与乌南污水的配伍性好于与宽沟清水的配伍性，更好于与乌南污水和宽沟清水混配的配伍性，因此选择注入乌南污水。随着英东油田的不断开发，水井不断增加，乌南污水供用不能满足英东油田的发展，水质越注越差。2015 年12 月，砂40 注水站转注清水，应用纤维球过滤清水净化技术水质达标率明显好转，具体情况如图2 所示。

图2 转注清水前后水质达标情况Fig.2 Standard reaching conditions of water quality before and after fresh water injection

3.2.2 水处理技术应用效果分析

（1）初期纤维球过滤清水净化技术应用效果分析。2015 年年底，砂40 井区转注清水，应用纤维球过滤清水净化技术后整体水质达标率明显提升，但不稳定，主要受前期管线残留污水影响，体现在pH 值、含铁、机械杂质指标上（表1）。

表1 2016 年转注清水后水质跟踪情况Tab.1 Water quality tracking conditions after fresh water injection in 2016

通过加强对纤维球过滤装置大排量反冲洗、排污，重要跟踪水质含铁、悬浮物固体变化情况，摸索出适合英东油田水处理的清洗标准、清洗时间、液量及周期，具体情况如表2 所示。

表2 纤维球过滤器反冲洗标准Tab.2 Back washing standard of fiber ball filter

（2）近三年纤维球过滤清水净化技术应用效果分析。采用纤维球过滤清水净化技术后，水质各项指标趋于稳定，水质达标率明显好转，具体情况如表3 所示。

表3 纤维球过滤清水净化技术应用后水质达标率变化情况Tab.3 Water qualification rate variation after fiber ball filtration treshwater purification technology application %

（3）目前纤维球过滤清水净化技术应用效果分析。2018 年10 月，增加溶解氧指标后，溶解氧及腐蚀率超标导致注水水质达标率下降；2019 年2 月加密跟踪溶解氧及腐蚀率变化情况，腐蚀率合格，水质达标率上升，目前水质均达标（图3）。

图3 英东油田砂40 注水站水质监测结果Fig.3 Monitoring results of water quality in Sha 40 Water Injection Station in Yingdong Oilfiled

英东油田注水指标的提升主要取决于水处理采用了纤维球过滤清水净化技术。

3.3 应用管理

（1）加强水质处理制度完善，强化水质管理。砂40 注水站加装纤维球过滤器及工艺配套后，相关科室不断修订、完善水质管理制度，加强注水站内水处理和注水系统储罐排污、清淤及管线除垢、清洗等工作，减少水质的二次污染，保证系统平稳运行、水质长期达标。具体做法包括：纤维球过滤器的滤料应定期开罐检查（清水每年不少于一次），根据滤料漏失及污染情况，及时补充或清洗、2 年更换滤料一次，保证过滤后清水水质达标；按照“出水水质差于进水水质时，必须清淤”的原则，建立储罐清淤制度。清淤过程中产生的各种含油污泥，按照油田公司相关环保要求进行处置。

（2）强化节点控制，制订节点监测和分析制度。加强注水大罐、纤维球过滤器、外输泵等监测点的水质监测，定点、定时对水质监测点取样化验，分析含氧、含铁、机械杂质等指标，根据指标定期采取大罐排污、反洗等措施确保水质达标。每月完成全部沿程水质及各注水井井口水质取样化验工作，分析井口主要超标项，提出下步解决方案，确保水质达标率稳步提升（表4）。

表4 水质达标率控制指标Tab.4 Control indexes of water qualification rates

3.4 配套工艺

（1）自开展注水工作以来，根据沿程水质检测井口悬浮物固体达标情况，连续两月悬浮物固体＞3 mg/L 时对注水管线进行清洗，制订清洗方案。应用泵车选择合适的井，进行井对井清洗。根据热水+表面活性剂（0.5%）+生物激活剂（30 mg/L）的配方，按地面管线容积计算液量，洗线液量为理论注水管线容积的3 倍，清洗后井口水质达标率较清洗前提高了5%，英东油田清水井口水质达标率提升至94.47%。

（2）通过安装高压自控流量装置并分析对比单井井口水质化验数据，对英东油田分注水管线进行了冲洗维护，共冲洗管线5 km。冲洗后，英东油田清水井口水质达标率为94%（图4）。

图4 英东油田井口水质监测结果Fig.4 Monitoring results of the wellhead water quality in Yingdong Oilfiled

4 结论

（1）英东油田砂40 注水站采用新型水处理纤维球过滤净化技术后，不但对油田稳产提供有力保障，而且水质可满足地层地质要求。

（2）英东油田采用新型纤维球作为过滤材料，表面亲水疏油，悬浮物固体不会黏附在滤料上，反洗时悬浮物固体易于脱除；采用气缸机构来控制滤料的压缩和疏松，以达到高精度的过滤和良好的反冲效果，使悬浮物固体浓度由8.6 mg/L 降至2.4 mg/L，出水水质稳定。

（3）砂40 注水站加装纤维球过滤净化装置后，定期对注水系统中水质情况进行监测统计分析，及时掌握水质的变化，确保水质中悬浮物固体浓度控制在5.0 mg/L 之内。

（4）根据水质的变化对设备运行参数进行调整，使水质稳定且符合标准。

（5）纤维球过滤净化设备需每年开罐检查一次、每周反冲洗一次，每2 年滤料更换一次，才能确保出站水质达标；注入水出站至井口经过管线会形成二次污染，需加强管线清洗，才能确保注水水质达标。