杏北油田扶余油層“5、1、1”水質(zhì)處理技術(shù)應(yīng)用效果分析

李金玲 翁惠芳 黃作男

1大慶油田有限責任公司第四采油廠

2大慶油田設(shè)計院有限公司

經(jīng)過多年的勘探評價及現(xiàn)場試驗，杏北油田已建扶余油層產(chǎn)能區(qū)塊4 個，按照油田開發(fā)總體部署，未來將對杏北油田扶余油層進行大規(guī)模開發(fā)，作為新增產(chǎn)能及產(chǎn)量接替的主力區(qū)塊。

扶余油層滲透率在0.1×10-3～30.4×10-3μm2之間，大多數(shù)分布在1×10-3～6×10-3μm2，平均空氣滲透率4.06×10-3μm2，注入水質(zhì)控制指標需達到“5、1、1”標準[1-5]，即含油濃度≤5 mg/L、懸浮物濃度≤1 mg/L、粒徑中值≤1 μm。油田常規(guī)的污水處理僅能達到“5、5、2”標準[6-7]，需進行污水精細處理才能滿足注水水質(zhì)“5、1、1”標準。為此，采用PVC 中空纖維膜超濾技術(shù)處理清水，陶瓷膜超濾技術(shù)處理含聚污水，實現(xiàn)“5、1、1”水質(zhì)要求。其中1#水質(zhì)精細處理站（下文簡稱1#水質(zhì)站）和3#扶余精細注水水質(zhì)站（下文簡稱3#水質(zhì)站）采用PVC 中空纖維膜超濾技術(shù)清水，2#含聚污水精細處理試驗站（下文簡稱2#水質(zhì)站）采用陶瓷膜超濾技術(shù)處理含聚污水，具體情況如表1 所示。

表1 杏北油田超濾技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計Tab.1 Statistics of the application of ultrafiltration technology in Xingbei Oilfield

1 PVC中空纖維膜超濾技術(shù)應(yīng)用效果

1.1 工藝流程

工藝流程為自來水→緩沖罐→過濾器→PVC 中空纖維膜→凈化水罐（圖1）。

圖1 PVC 中空纖維膜處理工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the process flow of PVC hollow fiber membrane treatment

1.2 1#水質(zhì)站處理效果

1#水質(zhì)站2019 年9 月投產(chǎn)，截至2021 年10 月平均產(chǎn)水量384 m3/d，基本能夠滿足下游注水站需求。平均處理量563 m3/d，產(chǎn)水率68.2%，產(chǎn)水率不高，主要受到2020 年運維影響（圖2）。

圖2 1#水質(zhì)站產(chǎn)水量曲線Fig.2 Water production curve of 1# Water Quality Station

截至2021 年3 月，期間只更換過1 次保安過濾器的濾芯，2020 年底膜前壓力上升至0.3 MPa，過濾器通量明顯下降，產(chǎn)水不足。2021 年4 月8 日更換保安過濾器，并對中空纖維膜進行藥洗，產(chǎn)水回復到正常水平（圖3）。

圖3 1#水質(zhì)站2020 年12 月—2021 年4 月產(chǎn)水量曲線Fig.3 Water production curve of 1# Water Quality Station from December 2020 to April 2021

1#水質(zhì)站投產(chǎn)以來，出水水質(zhì)一直穩(wěn)定達標，懸浮物濃度保持在1 mg/L 以下，過濾效果較好。

1.3 3#水質(zhì)站處理效果

3#水質(zhì)站2020 年11 月投產(chǎn)，截至2021 年10 月平均產(chǎn)水量676 m3/d，基本能夠滿足下游注水站需求。平均處理量753 m3/d，產(chǎn)水率89.8%，產(chǎn)水率較高（圖4）。

圖4 3#水質(zhì)站產(chǎn)水量曲線Fig.4 Water production curve of 3# Water Quality Station

3#水質(zhì)站投產(chǎn)以來，出水水質(zhì)一直穩(wěn)定達標，懸浮物濃度保持在1 mg/L 以下，過濾效果較好。

吸取1#水質(zhì)站的教訓，3#水質(zhì)站從2021 年4 月開始定期對過濾系統(tǒng)進行運維，保證了高產(chǎn)水率。

1.4 系統(tǒng)運維內(nèi)容及成本

PVC 中空纖維膜系統(tǒng)需要1 個月更換1 次保安過濾器濾芯，每2 個月藥洗一次PVC 中空纖維膜，每小時反洗一次PVC 中空纖維膜，1 次2 min。2 座站每年運維成本合計50 萬元。

2 陶瓷膜超濾技術(shù)應(yīng)用效果

杏北油田采出液已經(jīng)全面見聚，濃度介于60～686 mg/L 之間，按現(xiàn)有采出水精細處理技術(shù)條件，沒有成熟的含油含聚污水精細處理技術(shù)。若采用清水作為水源，需要注入大量的清水，將會影響杏北油田污水產(chǎn)注平衡，污水將無法完全回注，同樣也將增加油田開發(fā)成本。鑒于目前油田無成熟的含聚污水精細處理技術(shù)，結(jié)合杏北油田未來開發(fā)安排，避免污水外排，實現(xiàn)含油污水全部資源化利用，在2#水質(zhì)站試驗應(yīng)用陶瓷膜超濾技術(shù)。設(shè)計規(guī)模450 m3/d，可將來水含聚濃度≤300 mg/L、指標“20、20、5”水質(zhì)處理成“5、1、1”水質(zhì)，用于扶余油層注入水，并為下步扶余油層規(guī)模開發(fā)提供技術(shù)支持。

2.1 工藝流程

工藝流程為含聚污水→微生物處理→固液分離（高級氧化）→陶瓷膜→凈化水罐（圖5）。

圖5 含聚污水陶瓷膜超濾技術(shù)工藝流程Fig.5 Process flow of ceramic membrane ultrafiltration technology for polymer-containing sewage

2.2 工藝原理

2.2.1 微生物預處理裝置

微生物預處理裝置具有收油、破乳的功能[8-9]。微生物處理裝置中裝有微生物載體，通過培養(yǎng)破乳菌和石油降解菌，并達到一定的停留時間，進行微生物破乳和降解，實現(xiàn)破乳降解的目的，再通過刮油機刮走頂部的浮油。裝置內(nèi)設(shè)置微生物折流板、微納米氣泡發(fā)生裝置、中孔纖維曝氣管、微孔陶瓷曝氣器、彈性組合填料、自動污油回收裝置（圖6）。

圖6 微生物預處理結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of microbial pretreatment

2.2.2 固液分離裝置

經(jīng)微生物處理的污水進入裝置內(nèi)豎片式過濾裝置，對水中多余的懸浮物起到截留過濾作用。豎片式過濾裝置可通過時間繼電器對設(shè)備進行吸掃式反洗去除截留的懸浮物（圖7）。

圖7 固液分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the structure of the solid-liquid separation device

2.2.3 高級氧化裝置

高級氧化裝置的作用是降低污水的黏度，減小對陶瓷膜的污染。從現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，由于來水的黏度很低，高級氧化裝置對該站污水沒有起到降低黏度的作用（圖8）。

圖8 高級氧化裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the structure of the advancedoxidation device

2.2.4 陶瓷膜過濾裝置

污水通過固液凈水處理后再通過提升泵進入緩沖提升罐，接著通過供料泵進入超濾膜。陶瓷膜過濾裝置由6組陶瓷膜并聯(lián)組成，其孔徑規(guī)格為50 nm。

陶瓷膜工藝是一種“錯流過濾”形式的流體分離過程：原料液在膜管內(nèi)高速流動，在壓力驅(qū)動下，含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜，含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留，從而使流體達到分離、濃縮、純化的目的。經(jīng)過膜過濾后，濃水排放，出水進入清水罐（圖9）[10]。

圖9 陶瓷膜過濾裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of ceramic membrane filtration device

2.3 處理效果分析

2#水質(zhì)站微生物處理單元于2019 年10 月1 日進水，篩選了3 株破乳菌、9 株石油降解菌，進行菌種培養(yǎng)，培養(yǎng)周期1 個月，用于對污水中的油進行破乳和降解，達到除油的效果。10 月30 日完成整套處理工藝安裝并開始正式運行。

投產(chǎn)初期，受上游聚杏Ⅱ-1 污水站改造施工影響，來水水質(zhì)超標，含油、含懸浮物較高，影響了陶瓷膜通量（圖10）。

圖10 通量衰減曲線（現(xiàn)場運行與設(shè)計標準對比）Fig.10 Flux decay curve (comparison of field operation and design standards)

現(xiàn)場積極調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)，將“固液分離”反沖洗周期由90 min 調(diào)整為45 min，陶瓷膜排污周期由3 天調(diào)整為2 天，并調(diào)整了陶瓷膜清洗方案，同時加快聚杏Ⅱ-1 污水站沉降罐、過濾罐改造進度（表2）。

表2 陶瓷膜清洗方案調(diào)整情況Tab.2 Adjustment of ceramic membrane cleaning plan

2019 年12 月陶瓷膜出水指標有較大好轉(zhuǎn)，平均含油濃度6.1 mg/L、懸浮物濃度1.3 mg/L。聚杏Ⅱ-1 污水站來水含油量、懸浮物降低，但受設(shè)備老化及前端試驗三元來水的影響，水質(zhì)不能穩(wěn)定達標，因此需要進一步加強源頭治理，增加3#試驗站供水流程，應(yīng)對水質(zhì)波動，保障生產(chǎn)的順利進行。增加3#試驗站供水流程后，2#水質(zhì)站可根據(jù)水質(zhì)情況調(diào)整來水方向，來水水質(zhì)趨于穩(wěn)定，進一步進行設(shè)備參數(shù)優(yōu)化，保證設(shè)備運行效果。

2.3.1 微生物處理裝置參數(shù)優(yōu)化及效果分析

影響微生物處理裝置運行效果的主要參數(shù)有污水停留時間和微生物的存活量，微生物的存活量與曝氣量有直接的關(guān)系，因此對污水的停留時間和曝氣量進行了摸索。數(shù)據(jù)顯示，污水停留時間越長，污水中油的去除率越高，6.5 h 后趨于穩(wěn)定，因此把污水停留時間定為不低于6.5 h（圖11）。曝氣量越高，微生物的存活率越高，除油率也越高，氣水比超過12∶1 后，變化趨勢趨于平緩，因此把氣水比設(shè)定為不低于12∶1（圖12）。

圖11 停留時間與含油去除率關(guān)系Fig.11 Relationship between residence time and oil removal rate

圖12 氣水比與除油率、除懸率關(guān)系Fig.12 Relationship among air-water ratio，oil removal rate and suspension removal rate

對微生物裝置進出口污水進行了含油檢測，數(shù)據(jù)顯示微生物處理裝置平均除油率為27%，達到了初步除油的效果（表3）。

表3 微生物處理裝置除油效果統(tǒng)計Tab.3 Statistics of oil removal effect of microbial treatment device

在對各節(jié)點水質(zhì)進行化驗過程中發(fā)現(xiàn)，微生物處理裝置對水中含硫有較好的去除效果，除硫率達到75%以上（表4）。

表4 微生物處理裝置除硫情況Tab.4 Desulfurization situation of microbial treatment unit

2.3.2 固液分離裝置參數(shù)優(yōu)化及效果分析

（1）摸索固液分離裝置反沖洗周期。影響固液分離裝置運行效果的主要參數(shù)是反沖洗周期。固液分離裝置在反洗強度為300 L/m2·h，反洗時長5 min 的條件下，反沖洗周期調(diào)整范圍為30～120 min。通過調(diào)整不同的反沖洗周期30、45、60、90、120 min，摸索反沖洗周期與原油、懸浮物去除率的關(guān)系。數(shù)據(jù)表明反沖洗周期與含油量、懸浮物含量有關(guān)，關(guān)系如圖13 所示。當含油、含懸浮物過高，超過設(shè)計值的5 倍以上，即使把反沖洗周期調(diào)至最短時間30 min，反沖洗效果仍然不理想。因此應(yīng)注意控制來水水質(zhì)，避免對固液分離裝置產(chǎn)生不可逆的污染。

圖13 反沖洗周期與原油、懸浮物含量關(guān)系Fig.13 Relationship among backwash cycle，crude oil and suspended solids content

（2）應(yīng)用效果分析。通過分析固液分離裝置進、出水水質(zhì)情況，得出固液分離裝置有較好的除懸效果，平均除懸率為43.6%，同時有一定的除油效果，平均除油率為13.3%（表5）。

表5 固液分離裝置除油除懸效果統(tǒng)計Tab.5 Statistics of oil and suspension removal effect of solid-liquid separation device

2.3.3 陶瓷膜參數(shù)優(yōu)化及效果分析

（1）制定陶瓷膜清洗方案。由于含油污水成分非常復雜，既存在Ca2+、Mg2+等金屬陽離子，在膜表面形成水垢層，又存在石油、聚合物、微生物代謝產(chǎn)物等有機物質(zhì)，在膜表面形成凝膠層，必須采用“酸洗+堿洗”的清洗方式對有機物及無機物進行去除。

接著采用“1%NaOH”漂洗的方式對陶瓷膜進行清洗，清洗后陶瓷膜通量由6 m3/h 提高至16 m3/h，經(jīng)過18 h 過濾后下降至5.9 m3/h，前期下降速度較快，后期趨于平穩(wěn)，總體降低幅度較大（圖14）。

圖14 “1%NaOH”漂洗后通量衰減曲線Fig.14 Flux decay curve after"1%NaOH" rinse

單純依靠漂洗不能完全去除陶瓷膜上的雜質(zhì)，另外還需要“酸洗+堿洗”的方式對陶瓷膜進行清洗，才能恢復陶瓷膜的通量。根據(jù)不同清洗液濃度及溫度，制定了3 組不同的清洗方案，并進行清洗效果對比（表6）。

表6 陶瓷膜化學清洗運行參數(shù)Tab.6 Operating parameters of chemical cleaning of ceramic membrane

首先通過調(diào)整增加化學清洗劑的濃度，陶瓷膜通量可由16 m3/h 上升至18 m3/h，并對采出液的水質(zhì)進行了分析，陽離子濃度較低，繼續(xù)在增加化學清洗劑濃度的基礎(chǔ)上對清洗劑溫度進行優(yōu)化調(diào)整。調(diào)整清洗劑溫度后，陶瓷膜通量由18 m3/h 上升至20 m3/h，最終得出方案三為最佳清洗方式，清洗后通量能恢復至20 m3/h。

由于來水的含油濃度和懸浮物濃度均長期超過20 mg/L（圖15），陶瓷膜通量下降增速（圖16），對清洗周期進行調(diào)整，堿洗和酸洗周期分別縮短為2 天 和10 天。

圖15 來水水質(zhì)變化曲線Fig.15 Change curves of incoming water quality

圖16 陶瓷膜平均通量變化曲線Fig.16 Average flux change curve of ceramic membrane

（2）摸索陶瓷膜排污周期。陶瓷膜過濾流程是一個循環(huán)流程，來水通過陶瓷膜過濾一部分凈化水，剩下的濃水又回到前端的緩沖罐，與新來的水混合，再次通過陶瓷膜過濾，反復循環(huán)，會導致緩沖罐中的水含油量、懸浮物越來越高，達到一定程度就需要排凈緩沖罐中的水，也稱作排污，然后重新開始下一個循環(huán)。

根據(jù)水質(zhì)波動對陶瓷膜循環(huán)罐的排污周期進行調(diào)整，當來水的含油濃度和懸浮物濃度均在20 mg/L 時，排污周期為1 天可使出水水質(zhì)達標。當來水含油濃度在40 mg/L 以內(nèi)，懸浮物濃度在60 mg/L 以內(nèi)，排污周期縮短為0.5 天時，出水水質(zhì)可達標；如果水質(zhì)進一步惡化，排污周期相應(yīng)也需要縮短（圖17）。

圖17 排污周期與水質(zhì)關(guān)系Fig.17 Relationship between sewage discharge cycle and water quality

分析陶瓷膜進、出水水質(zhì)，得出陶瓷膜處理裝置能夠有效去除水中油、懸浮物含量，陶瓷膜平均除油率為77%，除懸率為95%，除油除懸效果顯著，具體情況見表7。

表7 陶瓷膜應(yīng)用效果統(tǒng)計Tab.7 Statistics of application effect of ceramic membrane

2.3.4 系統(tǒng)整體效果分析

陶瓷膜超濾技術(shù)各段工藝均有較好的除油除懸效果，但受來水水質(zhì)影響，2020 年前4 個月出水水質(zhì)合格率較低，隨著水質(zhì)改善，及時參數(shù)調(diào)整，加強藥洗，合格率顯著上升（圖18）。

圖18 處理后水質(zhì)曲線Fig.18 Water quality curve after treatment

通過調(diào)整來水，加強陶瓷膜藥洗，產(chǎn)水量也隨之上升，2020 年下半年基本能夠滿足注水需求（圖19）。

圖19 陶瓷膜系統(tǒng)產(chǎn)水量及補清水量曲線Fig.19 Curves of water production and make-up water of the ceramic membrane system

2.4 陶瓷膜系統(tǒng)運維情況及成本

陶瓷膜處理系統(tǒng)日常維護內(nèi)容包括：固液分離裝置反沖洗，45～90 min 反沖洗1 次；陶瓷膜藥洗，1 天1 漂洗，2～3 天1 堿洗，10～15 天1 酸洗；陶瓷膜排污，12～24 h 排污1 次。2#水質(zhì)站運維成本50 萬元/a。

3 兩種工藝成本對比分析

將投資按照10 年進行均攤計算不同工藝的噸水成本，在杏北油田的清水和污水水質(zhì)條件下，污水處理工藝的噸水成本明顯高于清水處理工藝，主要是由于陶瓷膜超濾系統(tǒng)產(chǎn)水量低引起污水系統(tǒng)噸水成本高（表8）。

4 結(jié)論

（1）采用PVC 中空纖維膜超濾技術(shù)處理清水的站庫，出水能夠穩(wěn)定達標，產(chǎn)水能夠滿足注入需求。

（2）采用陶瓷膜超濾技術(shù)處理含聚污水的站庫，來水水質(zhì)穩(wěn)定達標的情況下，出水水質(zhì)能夠達標，產(chǎn)水量可以滿足下游需求。

（3）陶瓷膜系統(tǒng)處理效果受來水水質(zhì)影響較大，出水水質(zhì)波動，產(chǎn)水量不穩(wěn)定，生產(chǎn)運行仍面臨一些問題。

（4）從經(jīng)濟角度來看，陶瓷膜污水系統(tǒng)較PVC清水系統(tǒng)噸水成本高。