夏剑军

大庆油田有限责任公司第九采油厂

近年来，随着大庆油田采油九厂开发力度的不断加大，除稠油区块、新开发区块平均空气渗透率均小于0.02 μm2。由于这些区块的储层物性差、渗透率低且易于受到污染，为保证油田开发效果，对油田注入水质要求更为严格，注入水必须满足“5.1.1”（含油浓度5 mg/L，悬浮物固体浓度1 mg/L，悬浮固体粒径中值1 μm）水质指标要求。原大庆油田的常规水处理工艺技术已不能够满足需求，要达到该项水质标准，必须采用“5.1.1”水处理工艺技术。

1 “5.1.1”水处理工艺基本情况

1.1 地面建设现状

采油九厂已建成各类工业水处理站场36 座，其中符合“5.1.1”标准的有19 座，均应用于地下水处理站场。超滤技术主要采用无机膜和有机膜两种过滤工艺，有机膜主要应用的是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙稀（PVC），无机膜采用316L不锈钢和双向不锈钢。

1.2 工艺技术原理

超滤膜过滤精度最高可达0.01 μm。该技术以膜两侧的压力差为驱动力，以膜丝为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧而成为浓缩液，从而实现对原液净化、分离的目的[1]。

金属膜采用不锈钢烧结网为过滤介质，过滤精度可达1 μm，精细截留水体中的悬浮物、胶质颗粒等，使水得到净化。进水采用螺型向下的方式，使得进水在滤网外部形成涡旋流场，清洁滤桶表面，从而保证过滤通量的稳定性；滤网中心嵌入超声波振盒，根据运行时间或压差启动，利用空化作用清除附着在滤桶表面上的污染物，错流过滤时冲刷滤桶表面，降低污染物附着在滤桶表面的概率。

1.3 运行及达标情况

从水质达标率上看，“5.1.1”流程达标率偏低，其中超滤膜达标率为75%、金属膜仅为38.9%。

2 建设及生产中存在的问题

近年来，通过对“5.1.1”处理工艺的前期整体规划和后期运行管理来看，存在着“投资大、成本高、管理难”等问题，制约了技术的推广与发展。

2.1 投资占比大

该厂油田区块分布零散、地面条件复杂、依托已建系统难度大。因此，采取“整装区块固定建站、偏远区块橇装建点”的方式，确保实现区块有效作用，“十三五”期间建成水质站13座，其中采用“5.1.1”工艺8座。

从地面投资来看，水处理系统在地面总投资的占比为10.5%，其中橇装站平均占比为19.1%、固定站平均占比为6.3%；而超滤段在水处理系统总投资的占比为34.8%，其中橇装站平均占比为33.7%、固定站平均占比为36.4%（表1）。部分项目需要采取优化管网路、降低道路标准等方法来通过经济评价。

表1 “5.1.1”工艺投资费用统计Tab.1 Statistics of"5.1.1"process investment expense

2.2 工艺适应性差

（1）膜通量衰减速度快。古23 水质站超滤装置设计处理能力7.5 m3/h，进水压力0.3 MPa、出水压力0.17 MPa、透膜压差0.13 MPa。在运行1 年后，实际处理能力降至3 m3/h、进水压力0.55 MPa、出水压力0.13 MPa、透膜压差0.42 MPa。

超滤膜的膜通量受水温影响较大，当水温降低时，水分子活性降低，水的黏度增加，水体流动阻力增大，超滤膜透水速率降低。古23 水质站为橇装建设模式，冬季保温效果差、水温较低，水温在4 ℃，膜通量理论上只能达到设计能力的一半[2]。

（2）对来水水质要求高，铁离子浓度要求≤0.5 mg/L[3-4]。该厂部分区块地下水含铁浓度在5 mg/L左右，经过锰砂除铁过滤后，剩余铁浓度为1～2 mg/L；悬浮物浓度要求≤10 mg/L。反冲洗水回收时，在经过石英砂过滤后，出水悬浮物浓度可以达到22.6～38.6 mg/L。

来水水质均要高于金属膜进水标准，突显了工艺的不适应性。

2.3 运行费用高

运行中的问题主要表现在4个方面：①阀门故障，电磁阀、气动阀延迟或失效不动作；②滤膜堵塞，反洗效果差，悬浮物残留滤膜表面；③管线渗漏，管体憋压易穿孔，管件低温易冻裂；④系统失灵，程序混乱，不能及时执行生产指令。

由于设备故障率较高，平均单座站场年维修费用10～20万元。综合运行费用对比（主要包括膜耗材、药剂费和电费），超滤膜吨水运行成本0.98元，金属膜吨水运行成本1.86元，其中膜耗材占运行成本比例较大，超滤膜占61.2%，金属膜占88.2%。

2.4 运维难度大

该厂偏远零散区块建设模式以可搬迁的橇装形式为主，超滤装置内工艺管线多采用塑料材质。因保温效果差，时常会发生管线变形、管件断裂的情况。

橇装设备无地漏排水流程，在进行管线堵漏、滤芯更换、机泵保养等工作时，夏季容易形成积水、冬季立即冻成冰面，给员工的日常巡检带来较大的安全隐患。

膜处理工艺是一种设备集成化、操作自动化的专业管理技术，流程相对复杂、管理难度较大。设备的日常运维及管理对岗位员工提出了更高的要求，导致运维能力不足。

（1）日常维护。正洗、反洗：清除膜表面的附着物；气洗：利用压缩空气在水中形成强力湍动并有效地清除膜表面的污染层；化学清洗：通过化学药剂来清除胶体、有机物、无机盐等在过滤介质表面和内部形成的污堵[5-6]。

（2）停运保养要点。小于2 天可每天执行1 遍气洗和反洗过程，随后关闭所有阀门待用；2～7天每天运行30 min（必须有1 次气洗和反洗全过程），随后关闭所有阀门待用。或者气洗和反洗过程完成后，灌注保护液注入膜组件内，以防止细菌污染；大于7 天必须将膜组件进行充分的化学清洗，然后将保护液注入膜组件内，且每3个月更换保护液1次[7-8]。

3 预涂膜处理“5.1.1”水质试验效果

基于金属膜和超滤膜的实际运行情况，该厂继续探索低成本、稳定的处理技术。分别于2018 年建成高精滤处理工艺，2020 年协助集团公司规划总院在该厂龙二转开展含油污水“5.1.1”处理技术的现场试验。

3.1 技术原理

预涂动态膜过滤技术是指含有涂膜材料的溶液在一定的压力和流速下流经多孔支撑层，在孔内或表面沉积而形成的具有分离作用的滤饼层，当过滤阻力升高到某一临界值或出水水质不能满足要求时，通过反冲洗或其他手段把预涂的滤饼层与污染物质一起清洗掉，然后接着开始下一轮的涂膜、过滤和清洗过程（图1）。

图1 预涂动态膜过滤原理Fig.1 Principle of pre-coated dynamic membrane filtration

3.2 技术特点

（1）水质要求低。进水含油、悬浮固体浓度小于50 mg/L，浊度不超过350NTU。

（2）过滤级数少。与常规“8.3.2”处理工艺相比，过滤段减少2～3级。

（3）阻力损失小。正常运行时膜阻力损失小于0.07 MPa。

（4）自控程度高。除添加膜粉、设备保养需要人工外，其他操作可实现自动运行。预涂动态膜工艺见图2。

图2 预涂动态膜工艺示意图Fig.2 Schematic diagram of pre-coated dynamic membrane process

（5）处理效果好。含油去除率为98.5%～98.8%；悬浮物去除率为94.8%～96%；粒径中值去除率为66.5%～70.5%。检测结果见表2和表3。

表2 进出水浊度检测Tab.2 Test for turbidity of inlet and outlet water

表3 进出水三项指标检测Tab.3 Test for three indicators of inlet and outlet water

鉴于该工艺在污水处理应用的良好效果，建议进一步在清水处理上进行试验。同时探索其他流程简化、便于管理的“5.1.1”处理技术。

4 措施及建议

（1）技术上重源头保过程。通过垢样成分分析，地下水水质主要以无机污染为主，导致超滤膜污染的主要因素为水中的二价铁含量，铁垢含量占全部垢样70%以上。为此，从优化曝气工艺（采用微孔曝气技术）、优化曝气参数和注重锰砂活性滤膜培养[9]三方面入手，降低超滤装置来水铁、锰含量，超滤进水含铁指标控制在不超过0.3 mg/L。

为防止超滤膜发生不可恢复的污堵倾向，日常绘制超滤膜压差运行曲线，当曲线出现异常时，立即进行化学清洗；针对每种具体的水质，超滤都存在一个临界通量，为防止超过临界通量运行，在注水井投产初期，推水圈导致注水量增加时，采出部分来水走旁通的方式，避免超滤膜高负荷产生不可恢复的浸染[10]。

（2）管理上定指标重培训。细化膜处理工艺考核制度，将考核指标分解到各作业区、各基层班组，确保专人专管。邀请设备厂家技术人员定期开展技术指导、经验交流，从工艺流程、操作规程、故障分析、维护保养等方面，加强对膜处理工艺的技术讲解，使生产管理人员精原理、懂操作。同时，强化设备维修保养，为了保证设备运行时率，委托专业维修队伍进行维修养护。

（3）开发上探索新模式寻求低成本。新站地区平均空气渗透率为6.5×10-3μm2，执行“5.1.1”注入水水质标准，实际回注水质均为“8.3.2”。2000年新站油田转入注水开发以来，从新站油田的吸水指数和启动压力变化曲线上看，启动压力由12.25 MPa 稳定在12.87 MPa，吸水指数由22.07 m3/(MPa·d)稳定在22.48 m3/(MPa·d)，吸水能力能满足油田开发的需要。油田受效比例达到87.0%，受效后单井日产液由2.1 t 上升到4.2 t，采液指数由0.21 t/(MPa·d)上升到0.39 t/(MPa·d)，自然递减率不超过17.22%，取得较好的注水开发效果。

因此，应与开发部门结合，论证“5.1.1”标准对油田开发的影响程度，尤其是偏远零散小区块的建设必要性。可以先期建设“8.3.2”水质处理工艺，预留“5.1.1”水质处理工艺建设空间，根据油田开发效果再决定是否使用“5.1.1”水质处理工艺，以降低油田开发投资和运行成本。

5 结论与认识

（1）膜过滤介质完好的情况下，膜过滤技术可以有效地去除地下水中的悬浮物、满足“5.1.1”的水质要求，且可稳定达标。

（2）精细的管理可以更大程度地发挥膜过滤技术的效果，同时延长设备的寿命，降低膜装置运行成本。

（3）应持续摸索膜过滤技术的运行、反洗、加药等动态参数，实现“一站一策”的管理模式。