改性PVDF 超濾技術在海上油氣田的應用

李振宇

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

南海某海上低滲油氣田平均滲透率為52.6 mD，其設計為注水開發，對注水水質要求為A2 級，但目前海上油氣田常用的生產水處理工藝主要包括自然沉降、混凝沉降、水力懸浮、氣浮等[1]方式，僅能將生產水處理至B1 級或以下等級[2]，無法滿足A2 級注水水質要求。而對于如何將生產水深度處理至A2 級標準，在海上油氣田領域尚屬空白，因此，通過借鑒陸地低滲油氣田含油污水處理工藝，引進相對成熟的改性PVDF 超濾技術并進行研究[3-6]，以期完善海上油氣田A2 級生產水深度處理技術，為海上低滲油氣田注水開發提供技術支持。

1 改性PVDF 超濾技術原理

改性PVDF 超濾技術是一種利用兩性離子聚偏氟乙烯防污膜，實現物理篩分以及微滲透為原理的膜分離技術[7]。根據超濾膜絲內外壓差，將生產水中的水分子、無機鹽及小分子有機物等透過膜絲外部進入膜絲內部，而將溶液中的懸浮物、膠體和微生物等大分子物質截留在膜絲外部，從而實現膜處理后出水水質滿足A2 級標準。該技術具有化學性能穩定、分離性能強、抗污性強、清洗后膜通量恢復迅速等優點[8]。

2 改進后注水處理工藝技術

南海某海上油氣田生產水處理工藝為：生產水經緩沖罐、水力旋流器及纖維球過濾器三級處理后，實現污水含油濃度≤30 mg/L、懸浮物濃度≤40 mg/L、粒徑中值≤15 μm，不能滿足改性PVDF 超濾膜組進水水質的要求（污水含油濃度≤6 mg/L、懸浮物濃度≤3 mg/L、粒徑中值≤2 μm），為此，在改性PVDF 超濾膜組前增加多介質過濾器、改性纖維球過濾器及保安過濾器，對原工藝處理后的生產水進一步的預處理，實現預處理后的生產水滿足超濾膜組進水水質要求。

改性PVDF 超濾技術工藝流程如圖1 所示，預處理后的生產水進入超濾膜組進行處理，產出的A2 級生產水進入下游注水系統，而分離出的濃水則通過超濾濃水回收泵打回至超濾膜組入口進行循環利用。

圖1 改性PVDF 超濾技術工藝流程及清洗流程Fig.1 Process flow and cleaning flow of modified PVDF ultrafiltration technology

2.1 改性PVDF 超濾技術處理注水水質試驗

在系統進水流量達到設計值60 m3/h 的試驗條件下，現場試驗結果表明：

（1）該工藝能夠實現生產水水質穩定達到A2水質指標要求：污水含油濃度≤6 mg/L、懸浮物濃度≤2 mg/L、粒徑中值≤1.5 μm。

（2）系統出水流量達到51 m3/h 以上，實現產水率高達85%以上。

試驗結果如圖2、圖3 及圖4 所示。

圖2 預處理前進水含油與超濾膜組出水含油對比Fig.2 Comparison of oil content in inlet water before pretreatment and ultrafiltration membrane group effluent

圖3 預處理前進水懸浮物含量與超濾膜組出水懸浮物含量對比Fig.3 Comparison of suspended matter content between inlet water before pretreatment and ultrafiltration membrane group effluen

圖4 預處理前進水粒徑中值與超濾膜組出水粒徑中值對比Fig.4 Comparison of median particle size between inlet water before pretreatment and ultrafiltration membrane group effluent

2.2 改性PVDF 超濾膜組清洗工藝

2.2.1 水力沖洗工藝

該清洗工藝利用超濾膜組A2 級產出水，借助超濾反洗泵進行加壓，對超濾膜組分別實施上反洗、下反洗的清洗操作，上反洗用于清洗超濾膜表面及與外殼之間的部分，而下反洗則由內到外清洗超濾膜孔徑部分，水力沖洗過程中控制閥狀態情況如表1 所示，沖洗后的水進入中水罐，用于多介質過濾器和改性纖維球過濾器的定期清洗操作。

表1 水力沖洗過程中控制閥狀態情況Tab.1 Status of control valves during hydraulic flushing

2.2.2 氣體沖刷與酸堿藥劑沖洗組合清洗工藝

酸堿藥劑沖洗工藝主要利用酸液箱（或堿液箱）配置的pH 值等于2 的草酸液（或pH 值等于12的次氯酸鈉堿液），經泵加壓后進入超濾膜組進行清洗，由于氣體沖刷產生的擾動可以減輕超濾膜組的堵塞[9]，因此采用氣體沖刷與酸堿藥劑沖洗組合清洗工藝，完成氣驅排水、酸洗、氣驅排酸、堿洗、氣驅排堿、水驅排氣等操作后恢復正常工藝流程。該組合清洗工藝實施過程中控制閥狀態情況如表2 示。

表2 組合清洗工藝過程中控制閥狀態情況Tab.2 Status of control valves in combined cleaning process

2.2.3 清洗工藝試驗效果分析

（1）水力沖洗工藝及氣體沖刷與酸堿藥劑沖洗組合清洗工藝均能有效改善超濾膜組通透性。

（2）優選出超濾膜組壓差作為清洗響應的表征量，以南海某海上油氣田現場試驗為例，當超濾膜組壓差達到60 kPa 時，實施水力清洗工藝，可穩定保證膜組通量，效果如圖5所示；當壓差達到100 kPa時，實施組合清洗工藝，可快速恢復膜組通量，效果如圖6 所示。

圖5 水力清洗實施效果Fig.5 Implementation effect of hydraulic cleaning

圖6 組合清洗實施效果Fig.6 Implementation effect of combined cleaning

（3）通過對超濾膜組采用分級響應的清洗方式，保證產水率的同時，實現超濾膜組運行時效高達92%以上。

3 結論

（1）在南海某海上油氣田實踐過程中，通過對生產水進行預處理及改性PVDF 超濾技術深度處理，可實現產水率高達85%以上，產水水質穩定，滿足A2 級水質要求。

（2）實施水力沖洗工藝以及由氣體沖刷和藥劑沖洗組成的組合清洗工藝，均可有效改善超濾膜組通量。通過優選超濾膜組壓差作為對清洗工藝分級響應的表征量，當超濾膜組壓差達到60 kPa 時，實施水力清洗工藝；當超濾膜組壓差達到100 kPa時，實施組合清洗工藝，可實現超濾膜組運行時效高達92%以上。