稠油采出水納濾脫鹽技術的適應性研究

楊萍萍 鄭帥 梅俊

中油（新疆）石油工程有限公司

稠油油田在生產過程中產生高溫高礦化度采油廢水，目前的處置方式不能滿足環保法及生產要求，制約了油田的持續發展[1-2]。常規開發模式下稠油采出水（TDS小于或等于3 000 mg/L）凈化后回用注汽鍋爐已基本實現。但隨著非常規方式下稠油、超稠油開采，以及過熱注汽鍋爐和燃煤流化床鍋爐的推廣使用，采出液呈現黏度高、攜砂量大、硬度（小于或等于3 000 mg/L）和礦化度（10 000～50 000 mg/L）普遍較高的特點，采用凈化+樹脂軟化已經不能達到鍋爐進水指標的要求。

膜分離技術已經廣泛用于海水淡化、工業廢水等工程，對稠油油田采出水在深度處理回用方面有較大潛力，可以實現油氣田高濃度廢水資源化處理利用、零排放，達到節能環保的目的[3-8]。針對稠油油田開發產生的高鹽高硬高硅稠油采出水及其他超稠油采出水進行了納濾膜性能的影響因素試驗，可為該類采出水處理回用膜的篩選提供基礎數據，為大型試驗提供參考依據。

1 稠油采出水納濾脫鹽試驗

1.1 原水水質

典型稠油采出水水質組成見表1。其中，高鹽高硬高硅稠油采出水TDS為16 252.1 mg/L，SiO2為207.2 mg/L，硬度為3 933.7 mg/L，遠高于常規采出水。

1.2 設備及材料

納濾是介于超濾和反滲透之間的一種新型膜分離技術，屬于壓力驅動膜過程，操作壓力通常為0.5～2.0 MPa。由于大部分納濾膜為荷電型，其對無機鹽的分離不僅僅受到化學勢控制，同時也受到電勢梯度的影響。該試驗取凈化濾后水作為試驗原水，泵入試驗裝置的超濾膜組件中進一步去除水中的溶解油、懸浮物、有機物，超濾產水進入納濾裝置的進水箱，再泵入納濾膜組件中，去除水中大部分離子的納濾產水作為注汽鍋爐進水。圖1為納濾流程及裝置。超濾產水經由1臺高壓泵、2只串聯納濾膜組件實現軟化及脫鹽，過濾速率為0.5～10 L/h。操作壓力通過調節濃水側閥門和高壓泵頻率來控制。一、二級納濾濃水部分排放至濃水箱收集，部分回流至中間水箱作為進水回收使用。其中，二級納濾可供選擇性試驗。

超濾膜組件為進口有機膜，型號為SEPRO，截留分子量為5 000 D；納濾膜采用美國DOWS公司生產的復合聚酰胺膜NF90，尺寸為1 812 mm，有效膜面積為0.4 m2。

表1 非常規油田采出水水質Tal.1 Water quality of non-conventtional oilfield produced water

圖1 納濾裝置試驗流程Fig.1 Test procedure of nanofiltration unit

1.3 水質分析方法

水質的測定分析包括電導、pH值、濁度、污染指數SDI、主要無機離子 （Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-）的濃度、SiO2、油、懸浮物等。分析方法為SY/T 5523—2000《油氣田水分析方法》、GB/T 12149—2007《工業循環冷卻水和鍋爐用水中硅的測定》。

2 納濾膜處理影響因素試驗

2.1 操作壓力對離子截留率的影響

由圖2可知，對于高鹽高硬高硅稠油采出水，納濾NF90膜對Mg2+和SO42-具有100%的截留率，對Ca2+的截留率在85%以上，對Na+、Cl-的截留率超過80%，對SiO2的截留率最高可達85%左右。在實驗的濃度范圍內，操作壓力對SO42-和 Mg2+截留率的影響較小。NF90膜對Ca2+、Na+、Cl-及SiO2的截留率隨操作壓力增大而增大。

圖2 操作壓力對NF90膜截留率的影響Fig.2 Effect of operating pressure on the retention rate of NF90 membrane

NF90膜的脫鹽率隨操作壓力的增大而增大（圖3）。在進水流量保持9～10 L/h時，在操作壓力范圍內NF90膜對總TDS的去除率為77.6%～89.5%。

納濾膜對各無機鹽離子的截留率隨著操作壓力的增大而增大，但當壓力增加到0.6 MPa以后，截留率的增加速度變緩。對于溶解-擴散模型而言，溶質通量與膜兩側濃度差成正比，壓力增加導致水通量及離子截留率均增加；但是，壓力增大會導致濃度差極化和膜污染加劇，從而使膜通量下降和截留率降低。

圖3 操作壓力對TDS去除率的影響Fig.3 Effect of operating pressure on TDSremoval rate

2.2 操作壓力對膜通量及回收率的影響

操作壓力對NF90膜的膜通量及回收率的影響見圖4a、4b。在進水流量為10 L/h、操作壓力從0.3 MPa增加到0.7 MPa時，膜通量從 5.5 L/(m2·h)升至7.9 L/(m2·h)，回收率由55%增至79%。

圖4 操作壓力對膜通量及回收率的影響Fig.4 Effect of operating pressure on membrane flux&recovery

從操作壓力對截留率、膜通量、回收率的影響效果可以看出，NF90膜的最佳操作壓力為0.6 MPa。

2.3 操作時間對各離子截留率的影響

由圖5可知，在8 h的運行期間，NF90膜對SO42-的截留率超過97%，具有優異的截留性能；對Mg2+、Na+的截留率隨著時間的增加略微下降；對Ca2+和Cl-的截留率隨時間變化小，對Ca2+的截留率維持在90%，對Cl-的截留率維持在85%；對SiO2的截留率維持在80%。

圖5 截留率隨時間的變化Fig.5 Retention rate changes with time

2.4 操作時間對膜通量的影響

由圖6可知，膜分離裝置經過8 h的運行，NF90膜的膜通量下降了2.6%，變化小，這是由于復合型納濾膜的耐壓密性強，使膜的截留率變化小和膜通量衰減輕。從操作時間對截留率和膜通量的影響看，NF90納濾膜具有操作時間短、處理效果穩定的特點。

圖6 膜通量隨時間的變化Fig.6 Membrane flux changes with time

2.5 回收率對納濾膜脫鹽性能的影響

由圖7a可知，當操作壓力保持在0.6 MPa時，系統回收率由15%增加至80%；NF90膜對SO42-的截留率為 98%～100%，對 Mg2+截留率為 95%～100%，對Ca2+截留率為 95.5%～92.8%，對SiO2截留率為85.2%～68.2%。

由圖7b可知，NF90膜元件的產水中，隨回收率的提高，對一價Na+和Cl-的截留率降低。納濾膜的總脫鹽率隨回收率的增大而降低，在試驗的回收率范圍內，NF90膜對總TDS去除率為 92.9%～76.1%。

圖7 回收率對截留率及脫鹽率的影響Fig.7 Effect of recovery rate on retention ratio and desalinization ratio

2.6 回收率對膜通量的影響

保持操作壓力0.6 MPa，系統回收率通過部分濃水回流的方式進行調節。由圖8可知，回收率由20%增加至80%，膜通量由 12 L/(m2·h)下降至9.0 L/(m2·h)，膜通量降低了25%。

圖8 回收率對膜通量的影響Fig.8 Effect of recovery rate on membrane flux

從試驗結果看，當回收率提高至80%時，NF90膜對二價離子的截留率依然維持在90%以上，對一價離子截留率維持在80%；但是，對SiO2的截留率下降最為明顯，應在預處理過程中予以重視。同時，回收率提高至80%，膜通量下降不到25%，說明此工藝技術適應性較好。

3 稠油采出水納濾處理成本

表2 納濾處理成本Tal.2 Cost of nanofiltration treatment

由表2可知，納濾處理高鹽高硬高硅稠油采出水的耗電量為0.5 kWh/m3，預處理費用為2.1元/m3，阻垢劑投加量為50×10-6t/m3，合計納濾處理成本為3.38元/m3（不含設備折舊費用）。

4 結論

（1）NF90膜在操作壓力為0.6 MPa時，回收率可達80%，膜通量為9.0 L/(m2·h)，具有低能耗、高效率的特點，在油氣田相關工程中具有應用價值。

（2）NF90膜在各種工況下，對高鹽高硬高硅稠油采出水中Mg2+、SO42-、Ca2+的截留率維持在90%以上，對Na+、Cl-的截留率在80%以上，對SiO2的截留率維持在70%左右，出水中各項指標均能滿足鍋爐用水要求，具有很好的適應性。