渤海低滲油田水處理工藝研究

劉 萌，劉春雨，陳正文，王思港

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

近年來，渤海油田錨定建設世界一流油田的目標，以穩住老油田、加快新油田、突破“低滲、邊際、稠油”為主要方向，持續加大新油氣田開發力度。渤海低滲油田探明儲量占比5%，約2.36×108t，是未來產量接替、穩產增產的重要組成部分。但近年來渤海低滲油田年產量僅占渤海油田總產量的1.6%左右[1]，待開發潛力巨大。低滲油田具有儲層滲透率低的特點（注入層平均空氣滲透率≤50×10-3μm2），因此，在注水開發過程中對水質要求極為嚴格[2]，水處理工藝流程復雜。

渤海油田注水水質現遵循Q/HS 2042—2014《海上碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》，在增儲上產的新形勢下，低滲油田開發項目正逐漸增多。但目前推行的渤海油田標準化水處理工藝流程（表1）未涉及到低滲油田水處理，此外平臺現有低滲水處理工藝差異明顯。因此，有必要研究低滲油田水處理工藝，為渤海低滲油田的開發設計提供指導借鑒，進一步推動渤海低滲油田的開發利用。

表1 渤海油田標準化水處理工藝流程

1 渤海油田現有低滲水處理工藝流程

渤海油田的開發已歷經五十多年的發展，水處理工藝流程能達到低滲注水水質（表2）。

表2 渤海油田低滲水處理平臺統計

上述平臺水處理工藝流程主要有以下兩種：

（1）斜板除油器-氣浮-核桃殼過濾器-雙介質過濾器-改性纖維球過濾器-膜過濾。2016 年投產的A 平臺采用了斜板除油器-氣浮-核桃殼過濾器-雙介質過濾器-改性纖維球過濾器-膜過濾的六級水處理工藝流程，見圖1。

圖1 A 平臺水處理工藝流程

上述水處理工藝流程中，斜板除油器作為生產水處理的第一級工藝，主要去除生產水中的部分大油滴和雜質；第二級處理工藝為氣浮，主要作用是通過微細氣泡去除污水中的部分細小油滴及懸浮物；第三級常規過濾工藝為核桃殼過濾器和雙介質過濾器，主要作用是通過濾料的吸附和截留作用進一步去除污水中的乳化油和懸浮物。這也是目前渤海油田普遍使用的生產水處理工藝流程[3]。當注水水質要求嚴格，核桃殼過濾器和雙介質過濾器出口水質無法滿足時，則需要增加精細過濾工藝。A 平臺精細過濾工藝包括改性纖維球過濾器和膜過濾，設備進出口設計水質要求見表3。

表3 A 平臺精細過濾工藝設備參數

膜過濾出口水質見圖2。

圖2 A 平臺膜過濾出口水質檢測結果

膜過濾投用初期，設備出口水質滿足注水水質要求。隨著設備運行時間的增加，設備壓差上升速度快，出口含油量與懸浮固體含量逐漸升高，酸堿反洗頻率增加。反洗后膜通量恢復，設備出口含油量與懸浮固體含量均又下降。

（2）氣浮-核桃殼過濾器-改性纖維球過濾器-改性纖維球過濾器。FPSO 上采出水經氣浮和核桃殼過濾器處理后，通過注水海管輸送至B 平臺，經兩級串聯改性纖維球過濾器處理后，出口水質要求達到含油量≤5.0 mg/L、懸浮固體含量≤1.0 mg/L、懸浮物粒徑中值≤1.0 μm，水處理工藝流程見圖3。改性纖維球過濾器由于接在核桃殼過濾器之后，入口含油量較高，設備出口水質不穩定，運行一段時間后停運。

圖3 B 平臺水處理工藝流程

值得注意的是，不同廠家的改性纖維球過濾器性能差別較大，在入口條件一致時，統計了在海上平臺所應用的改性纖維球過濾器性能指標，見表4。其中僅有一廠家表示其改性纖維球過濾器出口水質可達到低滲水質要求，其余兩廠家表明無論單級還是兩級串聯，其生產的改性纖維球過濾器出口水質無法達到低滲水質要求。

表4 不同廠家改性纖維球過濾器出口水質指標

2 低滲水處理技術研究

綜上所述，目前能夠滿足渤海低滲油田注水水質且有海上應用業績的技術主要有膜過濾和改性纖維球過濾器兩種。

2.1 膜過濾

膜具有處理精度高等優點[4]。當原料液以一定流速流經具有特定孔徑的超濾膜表面時，在膜內外壓差作用下，原料液中粒徑小于膜孔徑的溶質和水透過超濾膜，形成過濾清液，而粒徑大于膜孔徑的溶質則被膜截留。隨著超濾過程的進行，原料液逐漸濃縮，達到一定濃縮程度時，以濃縮液的形式排出，分離原理見圖4。

圖4 超濾膜分離原理示意圖

膜污染是膜過濾的一個重要挑戰[5]。超濾膜精細水處理工藝流程見圖5。超濾膜多采用多級串/并聯膜單元連續錯流過濾，處理之后的過濾清液回注地層，膜截留的濃縮液返回水處理工藝流程前端。隨著設備運行時間的增加，油污、懸浮物等在膜表面堆積以及在膜孔中聚集吸附堵塞膜孔，最終導致膜污染[6]，膜污染一旦發生就會降低膜通量，增加進料壓力，降低生產率，系統停機時間隨之增加，此時需通過膜的清洗來恢復膜通量。

圖5 超濾膜精細水處理工藝流程

在平臺實際運行過程中發現膜分離技術存在如下不足：

（1）采出水的溫度、礦化度、藥劑種類及濃度對設備運行的穩定性具有較大影響，系統抗干擾能力較弱；

（2）膜清洗等配套設備導致工藝流程復雜、整個系統的使用成本高、設備占地面積大、酸堿反洗頻繁、操作維護工作量大；

（3）膜濃縮液在水處理工藝流程內不斷循環，導致膜濃縮液中懸浮固體含量不斷升高，從而導致膜污染進程加快。

因此，研發新型經濟的高通量抗污染膜材料已成為膜分離領域的研究熱點[7]。同時也應關注膜分離技術的工藝流程設計。在低滲水處理工藝流程設計時，建議將膜濃縮液返回原油處理系統或通過混輸海管輸送至下游常規水處理平臺，一方面可延緩膜清洗周期，另一方面也可減小膜清洗等配套設備的規格，進一步優化設備占地面積，降低設備投資。

2.2 改性纖維球過濾器

改性纖維球是將普通親油性纖維材料改性為親水性纖維材料，其親水疏油特性能夠防止油污在纖維球表面黏附，抗油污性能顯著增強。改性前后，纖維球抗油污效果見圖6。改性纖維球具有密度小、可壓縮和孔隙率大的特點。相對于石英砂、核桃殼等常用濾料，改性纖維球過濾阻力小、過濾速度快、過濾精度高[8]。

圖6 纖維球改性前后抗油污效果

但在海上平臺實際應用過程中發現改性纖維球過濾器存在如下不足：

（1）改性纖維球濾料納污能力弱。改性纖維球濾料比表面積大，濾料表面雖不易黏附油污，但其內部易積聚油污、污泥。僅使用水反洗效果不佳，需氣水聯合洗，且氣體需采用氮氣等惰性氣體；（2）部分改性纖維球過濾器配置有攪拌器，反洗過程中攪拌器易打碎改性纖維球濾料，影響設備分離效果；（3）改性纖維球捆扎強度不足。改性纖維球是由多束纖維絲組合結扎而成，使用一段時間后纖維絲易大量散開形成棉絮塊，堵塞篩網且影響泵的運行；（4）不同廠家生產的改性纖維球過濾器性能差別較大。

3 低滲油田水處理工藝優選

考慮海上已有低滲水處理技術應用效果，在渤海油田標準化水處理工藝流程基礎上，增加了膜過濾或改性纖維球過濾器等精細過濾工藝，形成了低滲水處理工藝流程，見圖7。

圖7 低滲水處理工藝流程

精細過濾工藝設備出口水質指標見表5。雙介質過濾器出口水質可滿足膜過濾入口水質要求，此外單臺膜過濾出口水質可達到“5、1、1”。

表5 精細過濾工藝設備出口水質指標

比較了幾種膜過濾技術與以改性纖維球過濾器為代表的顆粒過濾技術（表6）。

表6 幾種低滲水處理技術性能參數比較

由表6 可知，不同膜過濾設備干重、設備操作重、藥劑費用差別較大；膜過濾占地面積較改性纖維球過濾器大。膜過濾是通過膜孔徑大小攔截油污及懸浮物，因而處理精度高，設備出口水質理想，但膜污染后需要酸堿反洗，導致設備占地面積大；而以改性纖維球為代表的顆粒過濾器是通過濾料之間的間隙來攔截油污及懸浮物，從現場結果來看，出口水質不穩定，同時設備故障率較膜過濾高，但通過水洗、氣洗即可松動濾料，因而輔助設備少，設備占地面積小、投資費用低。根據已有項目投資情況，膜過濾的費用普遍比改性纖維球過濾器高10 倍左右。

4 結語

渤海低滲油田儲量可觀，待開發潛力大。考慮海上現有低滲水處理工藝流程及應用效果，在渤海油田標準化水處理工藝流程基礎上，形成了斜板除油器-氣浮-核桃殼過濾器-雙介質過濾器-膜過濾/改性纖維球過濾器的低滲水處理工藝流程。膜過濾與改性纖維球過濾器能夠達到低滲注水水質，但難以同時滿足緊湊高效經濟的要求。要想使低滲水處理工藝更加經濟高效，還需加強以下工作：

（1）目前有聚結除油器[9]、渦流三相混合氣浮[10]能夠替代斜板除油器+氣浮兩級處理，以此可減少低滲水處理級數。同時應積極探索采用更加高效的常規單級過濾技術替代核桃殼過濾器+雙介質過濾器兩級，從而可進一步減少低滲水處理級數及設備占地面積。

（2）膜過濾技術具有過濾精度高等優點，但在實際使用過程中膜清洗頻繁，設備費用高。一方面應從膜材料的制備和選取上尋求突破，研發更加經濟且抗污染的膜材料；另一方面應優化低滲水處理工藝流程，避免膜濃縮液在水處理工藝流程內循環，加速膜污染進程。

（3）以改性纖維球過濾器為代表的顆粒過濾技術在經濟性與占地面積上優于膜過濾，但其出口水質不穩定，應加強新型顆粒濾料的研發，確保設備出口水質穩定。