陈鹏

（大庆油田建设设计研究院，黑龙江大庆163712）

大庆油田地下水处理工艺

陈鹏

（大庆油田建设设计研究院，黑龙江大庆163712）

为了弥补偏远区块采出水量少，无法满足注水量的需求，进行了大庆油田地下水用于回注处理工艺及技术的试验及研究。全面介绍了大庆油田地下水处理工艺及其处理效果，并在设计资料及现场试验数据的基础上进行了对比分析，总结出了分别达到低渗透地层及特低渗透地层要求的典型工艺：在16种地下水低渗透处理工艺中，锰砂过滤-双层膨胀纤维精细过滤的处理效果最优；在7种地下水特低渗透处理工艺中，聚氯乙烯合金化中空纤维膜的处理效果相对较好，特低渗透处理工艺均存在不能稳定达标的现象，有待于进一步研究。

大庆油田；地下水；回注处理工艺；低渗透；特低渗透；膜过滤

大庆油田目前已建302座水处理站，按照其处理的水源可以分为3类：采出水处理站、地下水处理站和地面污水处理站。近些年，针对大庆油田采出水处理方面的研究报道较为丰富和全面［1－3］，但是针对地下水处理方面的报道仅局限于处理单元及特殊水质的处理工艺方面，例如油田开发初期针对地下水除铁工艺，朝阳沟油田采用磁分离技术处理地下水中铁和悬浮固体等［4］，而对大庆油田地下水处理工艺、效果等全面的分析研究则少见报道。本文以设计资料及现场试验数据为基础，全面介绍了大庆油田地下水处理工艺种类及其处理效果；并通过对比分析，总结出了达到不同水质指标的典型工艺，为油田地下水处理工艺的标准化设计提供指导。

1 地下水水质及注水水质要求

大庆油田目前已建地下水处理站85座，集中分布于外围采油厂，所属区块地处偏远，且采出水水量无法满足注水量需求，需要以地下水作为补充水源。水源取自第三系、第四系和白垩系等深层地下水，主要含有Na＋和K＋，以及少量的Ca2＋、Mg2＋和Cl－，呈弱碱性状态，水质清澈，矿化度在896～1584mg／L之间，平均值为1133mg／L。

大庆外围油田的地质条件相对较差，属于低渗透油层，部分区块甚至属于特低渗透。地下水经处理后回注地下，执行QSY DQ0605—2006《大庆油田油藏水驱注水水质指标及分析方法》指标要求。由于地层条件对回注水水质的要求不同，因此需要采用相应的处理工艺达到不同的注水水质要求。

2 地下水低渗透处理工艺

2.1 处理工艺

大庆油田采用地下水低渗透处理工艺的处理站共计64座，设计出水达到QSY DQ0605—2006第4.2条低渗透层ρ（悬浮固体）≤3 mg／L，粒径中值≤2 μm的回注水水质指标的要求，处理能力合计18.9×104m3／d。64座地下水低渗透处理主要采用三级过滤，处理工艺流程见图1，地下水低渗透处理工艺详细情况见表1。

图1 地下水低渗透处理工艺流程Fig.1Process flow of underground water low permeable treatment

表1 地下水低渗透处理工艺Tab.1Underground water low permeable treatment processes

虽然大庆油田低渗透地下水处理工艺种类繁多，但是经过多年来不断实践和探索，主要形成了4种常用处理工艺，分别是锰砂过滤-双层膨胀纤维过滤、锰砂过滤-纤维球过滤、锰砂过滤-纤维束过滤和锰砂过滤-核桃壳过滤-纤维球过滤处理工艺，其建站数量合计占69%，处理能力合计占61%。

水中含有过量的铁将导致悬浮固体含量升高，因此，地下水首先经过锰砂过滤除铁后，再依次经过二级或者三级精细过滤，实现地下水中悬浮固体及粒径中值的达标处理。

2.2 除铁效果

国内地下水中铁的质量浓度一般多在5～15 mg／L之间，有的达到20～30 mg／L，超过30 mg／L的比较少。根据现场水质监测结果，大庆油田地下水铁的质量浓度在0.3～9.0 mg／L之间，平均质量浓度为1.5 mg／L，仅九厂古龙油田和十厂朝阳沟油田部分区块的地下水含铁量稍高，地下水处理站除铁工艺处理效果见表2。

由表2可知，大庆油田地下水除铁工艺的处理效果较好，出水铁的质量浓度在0.1～0.5 mg／L之间，平均值为0.3 mg／L，达到了QSY DQ605—2006中有关含铁量控制指标（ρ（铁）≤0.5 mg／L）的要求。

2.3 悬浮固体和粒径中值处理效果

根据对常用地下水低渗透处理工艺水质多次监测结果，4种常用处理工艺对悬浮固体和粒径中值的处理效果见表3。

表2 地下水处理站除铁工艺处理效果Tab.2Iron removal effect of underground water treatment stations

表3 对悬浮固体和粒径中值的处理效果Tab.3Removal effect on suspended solid and median particle diameter

由表3可知：①地下水原水的悬浮固体质量浓度在1.6～11.1 mg／L之间，平均值为4.9 mg／L。经一级锰砂和二级过滤处理后达到了出水悬浮固体质量浓度不大于3 mg／L的控制指标，整体去除率达到53%；其中双层膨胀纤维过滤效果最好，纤维束过滤和纤维球过滤效果稍弱；八厂的个别处理站采用了三级过滤处理工艺，出水悬浮固体平均质量浓度为1.4 mg／L，同样达到低渗透层出水控制指标。②来水粒径中值在0.7～2.3 μm之间，平均值为1.6 μm。经过处理后在0.7～1.8 μm之间，平均值为1.2 μm，达到低渗透层出水粒径中值不大于2.0 μm的控制指标。

综上所述，常用4种地下水低渗透处理工艺均可以达到出水控制指标，通过处理效果对比分析可知，锰砂过滤-双层膨胀纤维过滤的处理流程简单，且水质处理效果最好，推荐其作为地下水低渗透的典型处理工艺。

3 地下水特低渗透处理工艺

3.1 处理工艺

将已经处理满足ρ（悬浮固体）≤3 mg／L，粒径中值≤2 μm指标的地下水再次进行精细过滤，设计出水达到QSY DQ0605—2006标准第4.2条特低渗透层ρ（悬浮固体）≤1 mg／L，粒径中值≤1 μm的回注水水质指标，处理能力合计3.3×104m3／d。大庆油田采用地下水特低渗透处理工艺见表4。

表4 地下水特低渗透处理工艺Tab.4Underground water extra-low permeable treatment processes

大部分特低渗透处理工艺采用了膜过滤的方式进行精细处理，也有部分采用了纤维过滤和颗粒滤料过滤。由表4可知，较为常用的特低渗透处理工艺有4种：聚偏氟乙烯中空纤维膜过滤、磺化聚醚砜中空纤维膜过滤、聚四氟乙烯膜过滤和金属膜过滤。

3.2 悬浮固体和粒径中值处理效果

地下水特低渗透处理工艺水质处理效果见表5。

表5 地下水特低渗透处理工艺水质处理效果Tab.5Effect of underground water extra-low permeable treatment

由表5可知，特低渗透处理工艺上游来水的悬浮固体的质量浓度在1.4～3.5 mg／L之间，平均值为2.5 mg／L，粒径中值在0.7～3.8 μm之间，平均值为1.6 μm，基本符合要求，部分来水水质略微超标，主要因为管路输送掺混杂质。特低渗透处理工艺出水悬浮固体质量浓度在0.2～2.2 mg／L之间，平均值为1.0 mg／L，粒径中值在0.2～1.3 μm之间，平均为0.8 μm。不同的处理工艺出水水质较为接近，大部分可以达标，但悬浮固体浓度不能稳定达标。

3.3 特低渗透处理工艺综合对比评价

为了更全面地对比分析各类特低渗透处理工艺，从不同工艺的原理、处理效果和优缺点等方面进行综合对比评价。

3.3.1 聚偏氟乙烯中空纤维膜过滤

聚偏氟乙烯中空纤维膜是在其他水处理行业中最早应用的超滤膜之一［5］，具有机械强度高，化学稳定性好的特点，属于疏水性膜。随着膜孔径的不断减小，膜对相对分子质量低的物质结合就越牢固。过滤精度为0.05～0.22 μm，属于超滤膜。应用于大庆油田九厂和十厂，出水悬浮固体平均质量浓度为1.4 mg／L，粒径中值平均为0.5 μm，悬浮固体无法稳定达标。该工艺优点是使用经验丰富，缺点是水质不稳定。

3.3.2 聚四氟乙烯膜过滤

聚四氟乙烯膜是以聚四氟乙烯为原料，采用特殊工艺，经压延、挤出、双向拉伸等方法制成的微孔性薄膜，属于非对称性膜，膜的正反面微孔尺寸有差异，较少被应用到水处理行业，通常用于化工、医学、服装和电子领域［6］。过滤精度为0.1～10 μm，属于微滤膜。应用于大庆油田七厂和八厂，出水悬浮固体平均质量浓度为0.6 mg／L，粒径中值平均为0.6 μm，过滤效果较好，但悬浮固体和粒径中值都无法稳定达标。该工艺优点是处理效果较好，缺点是使用经验少，生产成本高，水质不稳定。

3.3.3 磺化聚醚砜中空纤维膜过滤

磺化聚醚砜中空纤维膜是在其他水处理行业较早出现的超滤膜之一，由聚醚砜经磺化后制得，提高了亲水性和抗污染能力，同时不降低机械性能［7］。过滤精度为0.01 μm，属于超滤膜。应用在大庆油田五厂，出水悬浮固体平均质量浓度为0.9 mg／L，粒径中值平均为1.1 μm，粒径中值略微超标。该工艺优点是使用经验丰富，缺点是水质不稳定。

3.3.4 聚氯乙烯合金化中空纤维膜过滤

聚氯乙烯合金化中空纤维膜近些年研究较多，是将聚氯乙烯通过“合金化”改性，开发出的超滤膜［8］。过滤精度为0.01 μm，属于超滤膜。应用在大庆榆树林油田，出水悬浮固体平均质量浓度为0.8 mg／L，粒径中值为0.7 μm，两者全部达标。该工艺优点是原材料成本低廉，能耗低，出水达标，缺点是应用较少。

3.3.5 金属膜过滤

金属膜由钛、镍、不锈钢等金属材质制成，具有机械强度高、无相变操作的特点［9］。过滤精度为1.0 μm，属于微滤膜。应用于大庆油田九厂，出水悬浮固体平均质量浓度为1.1 mg／L，粒径中值平均为0.9 μm，悬浮固体和粒径中值都无法稳定达标。该工艺优点是机械强度高，占用空间小，缺点是耗电量大，建设费用高，水质不稳定。

3.3.6 金刚砂过滤

金刚砂属于颗粒滤料，特点是颗粒细小、密度大、机械强度高，粒径为0.1～0.2 mm，填装厚度为1 150 mm，滤速不超过4.0 m／h，通过较低的过滤速度满足出水效果［10］。应用于大庆油田十厂，出水悬浮固体平均质量浓度为0.9 mg／L，粒径中值平均为1.3 μm，粒径中值超标。该工艺优点是运行费用和建设费用均低，缺点是应用少，粒径中值超标。3.3.7双层膨胀纤维过滤

双层膨胀纤维滤芯采用不锈钢为里层集水管，外层为可松紧有弹性的化纤喷溶弹性丝，经特殊牵引工艺缠绕而成［11］。根据制造工艺不同过滤精度不同，普遍用于地下水低渗透处理站的过滤精度为2.0 μm，在特低渗透处理站的过滤精度为1.0 μm，属于微滤膜。特低渗透处理工艺应用于大庆榆树林油田，出水悬浮固体平均质量浓度为1.3 mg／L，粒径中值平均为0.8 μm，悬浮固体超标。该工艺优点是运行费用和建设费用均低，缺点是过滤性能不稳定，水质周期短，自耗水量大，悬浮固体超标。

综上所述，尽管聚氯乙烯合金化中空纤维膜工艺在大庆油田应用较少，但从处理效果、运行费用和建设成本等方面综合评价，其具有显著优势，是目前相对较好的地下水特低渗透处理工艺。

4 结论

（1）大庆油田地下水低渗透处理工艺普遍采用锰砂过滤-二级或者三级精细过滤，常用的4种处理工艺均可以达到ρ（悬浮固体）≤3 mg／L，粒径中值≤2 μm的回注水水质指标要求。在16种工艺中，由于锰砂过滤-双层膨胀纤维过滤处理流程简单且水质处理效果好，推荐其为大庆油田地下水低渗透典型处理工艺，指导油田地下水低渗透的标准化设计。

（2）大庆油田地下水特低渗透处理通常采用膜过滤工艺，7种处理工艺均不能稳定达到ρ（悬浮固体）≤1 mg／L，粒径中值≤1 μm的回注水水质指标要求。相对而言，聚氯乙烯合金化中空纤维膜工艺处理效果较好，运行费用和建设成本较低，是目前较优的特低渗透处理工艺。

（3）建议对特低渗透处理工艺进行量化对比研究，从膜通量、反洗消耗和周期、膜寿命、建设投资、运行成本等进行全面的对比分析，优选出地下水特低渗透典型处理工艺。

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Underground water treatment process in Daqing oilfield

Chen Peng
（Daqing Oilfeild Construction Design and Research Institute,Daqing 163712,China）

Isolated areas usually get little produced water in Daqing oilfield,in order to meet the demande of wate injection,underground water was used as reinjection water with the related processes and techniques tested and studied at the same time.The underground water treatment process and its effect were comprehensively introduced;the comparative analysis was carried out based on the design data and the field test data;the typical processes that met the requirement of low permeable formation and extra-low permeable formation respectively were summarized.Among the 16 kinds of underground water low permeable treatment processes,the treatment effect of manganese sand filtration-double expansion fibler fine filtration was the best;for extra-low permeable treatment of underground water,PVC alloy hollow fiber UF membrane showed the relatively good performance among 7 kinds of processes,the effluent water quality treated by all kinds of extra-low permeable treatment processes can not reach the standard stably,that means thoses processes still needs further research.

Daqing oilfield;underground water;reinjection water treatment process;low permeability;extra-low permeability;membrane filtration

X703.1

A

1009－2455（2016）06－0006－06

陈鹏（1983－），男，黑龙江大庆人，工程师，硕士研究生，主要从事油田水处理研究及设计工作，（电话）0459-5903755（电子信箱）chenp_dod＠petrochina.com.cn。

2016-07-16（修回稿）