渤海低渗油田水处理工艺研究

刘 萌，刘春雨，陈正文，王思港

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

近年来，渤海油田锚定建设世界一流油田的目标，以稳住老油田、加快新油田、突破“低渗、边际、稠油”为主要方向，持续加大新油气田开发力度。渤海低渗油田探明储量占比5%，约2.36×108t，是未来产量接替、稳产增产的重要组成部分。但近年来渤海低渗油田年产量仅占渤海油田总产量的1.6%左右[1]，待开发潜力巨大。低渗油田具有储层渗透率低的特点（注入层平均空气渗透率≤50×10-3μm2），因此，在注水开发过程中对水质要求极为严格[2]，水处理工艺流程复杂。

渤海油田注水水质现遵循Q/HS 2042—2014《海上碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》，在增储上产的新形势下，低渗油田开发项目正逐渐增多。但目前推行的渤海油田标准化水处理工艺流程（表1）未涉及到低渗油田水处理，此外平台现有低渗水处理工艺差异明显。因此，有必要研究低渗油田水处理工艺，为渤海低渗油田的开发设计提供指导借鉴，进一步推动渤海低渗油田的开发利用。

表1 渤海油田标准化水处理工艺流程

1 渤海油田现有低渗水处理工艺流程

渤海油田的开发已历经五十多年的发展，水处理工艺流程能达到低渗注水水质（表2）。

表2 渤海油田低渗水处理平台统计

上述平台水处理工艺流程主要有以下两种：

（1）斜板除油器-气浮-核桃壳过滤器-双介质过滤器-改性纤维球过滤器-膜过滤。2016 年投产的A 平台采用了斜板除油器-气浮-核桃壳过滤器-双介质过滤器-改性纤维球过滤器-膜过滤的六级水处理工艺流程，见图1。

图1 A 平台水处理工艺流程

上述水处理工艺流程中，斜板除油器作为生产水处理的第一级工艺，主要去除生产水中的部分大油滴和杂质；第二级处理工艺为气浮，主要作用是通过微细气泡去除污水中的部分细小油滴及悬浮物；第三级常规过滤工艺为核桃壳过滤器和双介质过滤器，主要作用是通过滤料的吸附和截留作用进一步去除污水中的乳化油和悬浮物。这也是目前渤海油田普遍使用的生产水处理工艺流程[3]。当注水水质要求严格，核桃壳过滤器和双介质过滤器出口水质无法满足时，则需要增加精细过滤工艺。A 平台精细过滤工艺包括改性纤维球过滤器和膜过滤，设备进出口设计水质要求见表3。

表3 A 平台精细过滤工艺设备参数

膜过滤出口水质见图2。

图2 A 平台膜过滤出口水质检测结果

膜过滤投用初期，设备出口水质满足注水水质要求。随着设备运行时间的增加，设备压差上升速度快，出口含油量与悬浮固体含量逐渐升高，酸碱反洗频率增加。反洗后膜通量恢复，设备出口含油量与悬浮固体含量均又下降。

（2）气浮-核桃壳过滤器-改性纤维球过滤器-改性纤维球过滤器。FPSO 上采出水经气浮和核桃壳过滤器处理后，通过注水海管输送至B 平台，经两级串联改性纤维球过滤器处理后，出口水质要求达到含油量≤5.0 mg/L、悬浮固体含量≤1.0 mg/L、悬浮物粒径中值≤1.0 μm，水处理工艺流程见图3。改性纤维球过滤器由于接在核桃壳过滤器之后，入口含油量较高，设备出口水质不稳定，运行一段时间后停运。

图3 B 平台水处理工艺流程

值得注意的是，不同厂家的改性纤维球过滤器性能差别较大，在入口条件一致时，统计了在海上平台所应用的改性纤维球过滤器性能指标，见表4。其中仅有一厂家表示其改性纤维球过滤器出口水质可达到低渗水质要求，其余两厂家表明无论单级还是两级串联，其生产的改性纤维球过滤器出口水质无法达到低渗水质要求。

表4 不同厂家改性纤维球过滤器出口水质指标

2 低渗水处理技术研究

综上所述，目前能够满足渤海低渗油田注水水质且有海上应用业绩的技术主要有膜过滤和改性纤维球过滤器两种。

2.1 膜过滤

膜具有处理精度高等优点[4]。当原料液以一定流速流经具有特定孔径的超滤膜表面时，在膜内外压差作用下，原料液中粒径小于膜孔径的溶质和水透过超滤膜，形成过滤清液，而粒径大于膜孔径的溶质则被膜截留。随着超滤过程的进行，原料液逐渐浓缩，达到一定浓缩程度时，以浓缩液的形式排出，分离原理见图4。

图4 超滤膜分离原理示意图

膜污染是膜过滤的一个重要挑战[5]。超滤膜精细水处理工艺流程见图5。超滤膜多采用多级串/并联膜单元连续错流过滤，处理之后的过滤清液回注地层，膜截留的浓缩液返回水处理工艺流程前端。随着设备运行时间的增加，油污、悬浮物等在膜表面堆积以及在膜孔中聚集吸附堵塞膜孔，最终导致膜污染[6]，膜污染一旦发生就会降低膜通量，增加进料压力，降低生产率，系统停机时间随之增加，此时需通过膜的清洗来恢复膜通量。

图5 超滤膜精细水处理工艺流程

在平台实际运行过程中发现膜分离技术存在如下不足：

（1）采出水的温度、矿化度、药剂种类及浓度对设备运行的稳定性具有较大影响，系统抗干扰能力较弱；

（2）膜清洗等配套设备导致工艺流程复杂、整个系统的使用成本高、设备占地面积大、酸碱反洗频繁、操作维护工作量大；

（3）膜浓缩液在水处理工艺流程内不断循环，导致膜浓缩液中悬浮固体含量不断升高，从而导致膜污染进程加快。

因此，研发新型经济的高通量抗污染膜材料已成为膜分离领域的研究热点[7]。同时也应关注膜分离技术的工艺流程设计。在低渗水处理工艺流程设计时，建议将膜浓缩液返回原油处理系统或通过混输海管输送至下游常规水处理平台，一方面可延缓膜清洗周期，另一方面也可减小膜清洗等配套设备的规格，进一步优化设备占地面积，降低设备投资。

2.2 改性纤维球过滤器

改性纤维球是将普通亲油性纤维材料改性为亲水性纤维材料，其亲水疏油特性能够防止油污在纤维球表面黏附，抗油污性能显著增强。改性前后，纤维球抗油污效果见图6。改性纤维球具有密度小、可压缩和孔隙率大的特点。相对于石英砂、核桃壳等常用滤料，改性纤维球过滤阻力小、过滤速度快、过滤精度高[8]。

图6 纤维球改性前后抗油污效果

但在海上平台实际应用过程中发现改性纤维球过滤器存在如下不足：

（1）改性纤维球滤料纳污能力弱。改性纤维球滤料比表面积大，滤料表面虽不易黏附油污，但其内部易积聚油污、污泥。仅使用水反洗效果不佳，需气水联合洗，且气体需采用氮气等惰性气体；（2）部分改性纤维球过滤器配置有搅拌器，反洗过程中搅拌器易打碎改性纤维球滤料，影响设备分离效果；（3）改性纤维球捆扎强度不足。改性纤维球是由多束纤维丝组合结扎而成，使用一段时间后纤维丝易大量散开形成棉絮块，堵塞筛网且影响泵的运行；（4）不同厂家生产的改性纤维球过滤器性能差别较大。

3 低渗油田水处理工艺优选

考虑海上已有低渗水处理技术应用效果，在渤海油田标准化水处理工艺流程基础上，增加了膜过滤或改性纤维球过滤器等精细过滤工艺，形成了低渗水处理工艺流程，见图7。

图7 低渗水处理工艺流程

精细过滤工艺设备出口水质指标见表5。双介质过滤器出口水质可满足膜过滤入口水质要求，此外单台膜过滤出口水质可达到“5、1、1”。

表5 精细过滤工艺设备出口水质指标

比较了几种膜过滤技术与以改性纤维球过滤器为代表的颗粒过滤技术（表6）。

表6 几种低渗水处理技术性能参数比较

由表6 可知，不同膜过滤设备干重、设备操作重、药剂费用差别较大；膜过滤占地面积较改性纤维球过滤器大。膜过滤是通过膜孔径大小拦截油污及悬浮物，因而处理精度高，设备出口水质理想，但膜污染后需要酸碱反洗，导致设备占地面积大；而以改性纤维球为代表的颗粒过滤器是通过滤料之间的间隙来拦截油污及悬浮物，从现场结果来看，出口水质不稳定，同时设备故障率较膜过滤高，但通过水洗、气洗即可松动滤料，因而辅助设备少，设备占地面积小、投资费用低。根据已有项目投资情况，膜过滤的费用普遍比改性纤维球过滤器高10 倍左右。

4 结语

渤海低渗油田储量可观，待开发潜力大。考虑海上现有低渗水处理工艺流程及应用效果，在渤海油田标准化水处理工艺流程基础上，形成了斜板除油器-气浮-核桃壳过滤器-双介质过滤器-膜过滤/改性纤维球过滤器的低渗水处理工艺流程。膜过滤与改性纤维球过滤器能够达到低渗注水水质，但难以同时满足紧凑高效经济的要求。要想使低渗水处理工艺更加经济高效，还需加强以下工作：

（1）目前有聚结除油器[9]、涡流三相混合气浮[10]能够替代斜板除油器+气浮两级处理，以此可减少低渗水处理级数。同时应积极探索采用更加高效的常规单级过滤技术替代核桃壳过滤器+双介质过滤器两级，从而可进一步减少低渗水处理级数及设备占地面积。

（2）膜过滤技术具有过滤精度高等优点，但在实际使用过程中膜清洗频繁，设备费用高。一方面应从膜材料的制备和选取上寻求突破，研发更加经济且抗污染的膜材料；另一方面应优化低渗水处理工艺流程，避免膜浓缩液在水处理工艺流程内循环，加速膜污染进程。

（3）以改性纤维球过滤器为代表的颗粒过滤技术在经济性与占地面积上优于膜过滤，但其出口水质不稳定，应加强新型颗粒滤料的研发，确保设备出口水质稳定。