陈文峰，胡 蓉，李晓明，周 建，张苏飞

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

1 前言

随着膜法技术在多个精密行业如生物科技、医药等行业的成熟应用，利用反渗透、纳滤等分离原理的膜法技术越来越多地应用于海洋石油开发中来。某深水FPSO利用膜法技术实现海水脱硫酸盐，将淡化后的海水用作油藏注水介质，注入到地层中以维持地层压力，保持稳定油藏开发。

2 传统注水开发流程遇到的技术问题

随着石油行业油田开采的发展，低渗油田的开发占比越来越大。 常规的生产水作为注水介质的处理流程只需要通过核桃壳、双介质过滤器过滤处理后，其含油量、固体颗粒含量和粒径大小即可达到注水指标要求。而对于低渗油田，常规的双介质过滤器处理后的水质无法满足低渗油田的注入水水质标准，注入水中的机械杂质含量严重超标，机械杂质粒径大，与低渗储层的孔隙喉道大小不匹配，导致储层孔隙堵塞，影响石油开采。因此，必须寻求新型注水介质或使用新型处理工艺，才能达到低渗油田严格的注入水水质标准。随着膜法分离技术的开发和工业化应用，使用海水作为注水介质，采用膜分离技术降低海水含盐量，达到精细注水矿化度要求，已在国外海上生产设施中得到了广泛应用。

3 新型注水介质在低渗油田中的应用

采用膜法反渗透和超滤技术用于海水脱硫酸盐处理工艺，并经脱氧处理后，使淡化后的海水用作油田注水介质，从而实现地层压力维护，以保持稳定油藏开发。

反渗透/纳滤技术是被广泛认可的高效、经济的分离手段，可处理较宽泛盐度范围的流体如海水、微咸水。渗透水的水质可满足大多数目前现行的饮用水水质标准。反渗透和纳滤可单独使用，也可与离子交换技术共同使用，与热蒸馏工艺相比，可达到极高标准的水质，同时降低能耗。图1是不同盐度范围原水适用的脱盐处理工艺。可见，反渗透/纳滤技术用于海水注水前的脱盐流程是可靠有效的。

图1 不同盐度范围适用的脱盐工艺Fig.1 Applicable desalting process for different salt content range

现有过滤技术根据原液中过滤颗粒的粒径可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透。纳滤过滤作用处于超滤和反渗透之间，其膜表层孔径处于纳米级范围，可去除分子量大于200～400的有机分子，过滤20%～98%的溶解盐。对单价阴离子的盐类(如氯化钠、氯化钙)，可过滤20%～80%，对于二价阴离子的盐类(如硫酸镁)的过滤效果较好，可达到90%～98%。反渗透是最高级别的过滤型式，是所有溶解盐和无机分子的一道屏障，同时对于分子量大于约100以上的有机分子也可去除。而水分子却可自由通过，过滤效率通常在95%甚至99%以上。

4 反渗透/纳滤膜的运行

4.1 影响膜处理效果的因素

渗透液流量(即海水注水需求量)以及脱盐量是反渗透和纳滤工艺的重要运行参数。在特定的参照条件下，渗透量和脱盐量的主要影响因素为压力、温度、回收率以及原水盐含量。表1是各因素对渗透量和盐通过量的影响。

表1 影响反渗透运行的因素Tab.1 Parameters affecting reverse-oasis operation

4.2 典型处理流程

根据油田具体注水水质需求，可确定脱盐流程的预处理段流程以及所采用的膜组型式、膜组的最佳运行入口条件(温度、压力、颗粒含量、粒径等)。一套完整的反渗透/纳滤水处理技术包括海水预处理段、膜分离段。常规流程：

海水→海水提升泵→粗滤器→细滤/超滤器→增压泵→高压泵→反渗透/纳滤膜组→合格水。

提升泵后的海水首先进入脱硫酸盐装置，装置入口海水含盐量通常在20 000 mg/L以上,经过纳滤脱盐装置后，硫酸盐含量达到注水含盐量要求。由于原水中含有一定量的悬浮物等，这些物质如果不进一步处理，会对后续处理单元的膜系统造成损伤或者污堵，降低膜的使用寿命。因此海水在进入纳滤膜组前的预处理单元需把水中的悬浮杂质以及部分有机物、胶体、油类截留在滤网中，从而降低原水中的浊度，维持膜的使用寿命。过滤指标、膜组入口压力温度参数由纳滤膜产品的需求而定。

4.3 工程应用

某油田的海水注水水质要求如下：

注水设计规模，28 600 m3/d；注水压力，25 000 kPag；注水温度，44 ℃；悬浮固体含量，≤5 mg/L；悬浮物粒径中值，≤1.5 μm；溶解氧含量，≤10 μg/kg；硫酸盐最大含量，100 mg/kg。

海水提升泵后的海水含盐量为35 000 mg/L，根据以上设计要求和原水性质分析，海水淡化流程：

海水经粗滤器(两用一备)过滤，过滤孔径为25 μm；海水经细滤器(两用一备)过滤，过滤孔径为5 μm，若存在结垢、结胶倾向，可使用过滤孔径为1 μm～3 μm的细滤器，细滤器过滤属于微滤过滤范畴。

以上预处理过滤流程可满足大多数纳滤膜组入口过滤处理要求，预处理流程应根据实际选用的膜组进行评估。

海水增压泵将预处理后的海水增压至2.5×106Pag后进入膜元件，膜元件入口海水设计流量为38 200 m3/d，总回收率为75%，即合格产水28 600 m3/d；膜组采用5×20%并列运行的膜元件，膜为二级膜型式，见图2。

图2 海水脱盐二级膜处理简图Fig.2 Diagram of secondary membrane treatment for seawater desalination

带压海水进入膜管后，海水在膜的一侧从一端流向另一端，水分子透过膜表面，从原水侧到达另一侧，即渗透端；而无机盐离子就留在原来的一侧，随着原水的流程逐渐增长，水分子不断从原水中取走，留在原水中的含盐量逐步增大，即原水逐步得到浓缩，而最终成为浓水，从装置中排出，即浓缩端，浓缩端出口收集的浓液经二级滤膜过滤后最终收集的浓盐水直接排海。以上型式的二级膜，可达到较高的海水收率，通常为75%。

5 膜元件的维护

纳滤膜经过长期运行后，会积累某些难以冲洗的污垢，如有机物、无机盐结垢等，造成纳滤膜性能下降。这类污垢必须用化学药品进行清洗才能去除，以恢复纳滤膜的性能。通常会根据膜的材质筛选具有较好除垢、除滤、杀菌药剂进行定期清洗。

6 总结

与传统的生产水作为注水介质的多级生产水除油、过滤装置相比，海水膜法脱盐装置脱盐处理效果好，且因海水不需脱油，更易达到油藏注水指标需求，在油藏注水指标较为苛刻时，采用海水作为注水介质，使用脱盐装置，更为经济可靠。