中空纤维超滤膜处理油田清水注水中试.pdf

中空纤维超滤膜处理油田清水注水中试 ＊ 黄国鑫 1 陈鸿汉 1 黄继国 2 金爱芳 1 1.中国地质大学 北京 水资源与环境工程北京市重点实验室, 北京 100083; 2.吉林大学环境与资源学院, 长春 130026 摘要 为提高注水水质, 采用 PVC合金中空纤维超滤膜进行了油田清水注水处理的现场中试试验, 对超滤膜的工艺运 行、影响因素和处理效果进行研究。 确定了超滤膜用于清水注水的最佳运行参数。 试验结果表明 水温与膜通量之间 具有良好的正线性相关性; 产水 SS、TI、SRB 和FB 满足且优于SY T5329 -94碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法 中的A1级标准, DO 不满足 A1级标准; 产水量保持在40 m3 h左右, 满足注水水量要求。 关键词 中空纤维超滤膜; 清水注水; 最佳运行参数; 水温; 产水量 PILOT STUDY ON OIL FIELD RINSING WATER-INJECTION BY HOLLOW FIBER UF MEMBRANE Huang Guoxin1 Chen Honghan1 Huang Jiguo2 Jin Aifang1 1. Beijing Key Laboratory of Water Resources 2. College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130026, China Abstract In order to improve the quality of water -injection, the PVC alloy hollow fiber UF membrane was used to treat oil field rinsing water -injection through a pilot test.Process operation, impact factors and disposal effect were researched.This study the optimum operation parameters of UF membrane which was used to treat rinsing water -injection.The test results indicated that temperature had a good positive linear relationship with membrane flux; SS, TI, SRB and FB of permeant water met and even were superior to A1level of“ Recommended Injection Water Quality for Detrital Rock Oil Reservoirs and Analyzing s” SY T5329- 94 , and DO couldnot meet A1level. Quantity of permeantwater kept40 m3 h or so, whichmet the requirement of quantity ofwater - injection. Keywords hollow fiber UF membrane; rinsing water -injection; optimumoperation parameters; water temperature; quantity of permeantwater ＊中国地质调查局项目 1212010634607 ; 科技部国际合作项目 2006DFA21180 。 0 引言 当前 ,国内各个油田大多已进入2 次采油中后期 或3 次采油初期。由于目前 3 次采油的成本高且效 果不显著 ,所以注水开发仍然是当前油气开采的主要 方式 [ 1] 。为了延长油田的开发寿命、 保持原油的稳产 高产和实现油田企业的可持续发展 ,各个油田都在积 极的采取多种措施, 其中的措施之一就是提高注水水 质,而传统的精密过滤工艺已经不能满足注水要 求 [ 2] ,但超滤工艺却可以截留水中绝大部分的细菌、 胶体、悬浮物等 [ 3] , 同时又具有能耗低、无相变化、占 地小 、 操作简单 、 易维修 、 易于实现自动化等特点 [ 4] 。 为此 ,本研究在吉林油田乾安采油厂下属某联合泵站 采用 PVC 合金中空纤维超滤膜 [ 5] 进行了清水注水处 理的现场中试试验, 以期达到产水水质满足油田注水 标准 、 水量达到注水要求 、 优化工艺运行 、 提高注水能 力、 恢复地层产能、 扩展超滤应用领域等 。同时,为同 类油田注水提供技术支持和可以借鉴的经验 。 1 试验部分 1. 1 进水水质与产水标准 试验进水为清水 ,取自深井地下水, 悬浮物 SS 、 总铁 TI 、 溶解氧 DO 、硫酸盐还原菌 SRB 和铁细 菌 FB 的波动范围较大 ,腐生菌 TGB 未检出 。乾安 地区油田储层属于低渗透储层 [ 6] , 注水水质必须从严 要求 ,因此产水需满足SY T5329 -94碎屑岩油藏注水 水质推荐指标及分析方法中的 A1级标准 。具体膜 前进水水质与膜后产水标准见表 1。 52 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 表 1 进水水质与产水标准 项目 ρ SS mgL- 1 ρ TI mgL - 1 ρ DO mgL- 1 菌数 个mL- 1 SRBFBTGB pH 值 膜前进水 1. 8～ 10 . 50. 06～ 0. 820 . 67～ 1. 450～ 780415～ 552未检出6 . 6～ 7 . 5 膜后产水标准≤1≤0. 5≤0 . 501102110270. 5 1. 2 试验装置 试验采用内压式 PVC 合金中空纤维超滤膜, 内、 外径分别为1. 00,1. 66 mm , 截留相对 分子质量为 80 000道尔顿 。膜组件型号为 LH3 -1060 - V ,外形尺寸 为 277 mm 1 715 mm, 动态、错流过滤, 共计 26 支, 并联连接 ,膜组件的端头采用环氧树脂浇铸的方法封 装。根据油田实际驱采能力, 确定整套装置设计产水 量为960 m 3 d , 即均时产水量为40 m3 h , 每天运行 24 h,并配备 PLC 控制系统 型号 PBZK-30R 8 Ⅱ , 可以自控气动阀 、 电磁阀和空压机的启闭 ,超滤工艺 流程简图见图 1。 1变频提升泵; 2安全阀; 3压力表; 4水表; 5手动碟阀; 6浮球阀; 7产水箱; 8外输泵; 9反洗泵; 10止回阀; 11储气罐; 12空压机; DF1, 2, 3, 4, 5, 6气动阀; DF7电磁阀。 图 1 超滤工艺流程 试验进水由提升泵抽取后 , 进入膜组件 ,产水进 入清水箱, 箱内清水经泵外输后用于注水 ,浓水和冲 洗污水排入下水道 ,反冲用水由水箱供给 ,顺冲用水 为进水,气冲所需压缩空气由储气罐供给。当罐内气 量气压不足时, 由空压机向储气罐补压补气。 进行水力冲洗时, 具体可分为 4 种基本形式 1 前正冲 ,DF1、 DF3 开启 ,其他气动阀和反洗泵关闭 ; 2 后正冲 ,DF2、 DF4 开启 ,其他气动阀和反洗泵关闭 ; 3 顶部反冲,反洗泵 、 DF3 开启, 其他气动阀关闭; 4 底 部反冲,反洗泵 、 DF4开启, 其他气动阀关闭。 在采用形式 2 或形式 4 的水冲过程中, 可以联 合气冲洗 ,把 DF7开启即可。 1. 3 数据处理方法 JV V S 1 式中 JV 膜通量 ,L m 2 h ; V 膜产水量,L h ; A 膜的有效面积 ,m 2 。 J J1 J0 100 2 式中 J 膜通量恢复率, ; J0 膜第 1次超滤初始通量 ,L m 2 h ; J1 冲洗后膜通量,L m 2h 。 2 结果与讨论 2. 1 工艺运行参数 为保证超滤膜具有合理的能量消耗 、 较高的膜通 量、 较好的产水水质 、 较长的使用寿命,试验采用单因 素试验法考察了超滤的各项运行参数 包括进水压 力、 冲洗方式、 冲洗时间、冲洗周期 ,通过数据分析来 确定最佳运行参数, 使超滤工艺的运行实现最优化 。 2. 1. 1 进水压力 考察超滤连续运行时在不同进水压力 0. 04, 0. 06,0. 08, 0. 10 MPa 条件下 , 膜通量随运行时间的 变化关系, 期间不进行水力冲洗及气冲洗 ,见图 2。 ◇0. 04 MPa; □0. 06 MPa; △0. 08 MPa ; ○0 . 10 MPa 。 图 2 膜通量随时间的变化关系 由图 2 可 知, 在进水 压力 允许 范围内 0 ～ 0. 18 MPa ,运行时间为0 min时, 瞬间膜通量随着进 水压力升高而增大, 但是不同压力下随着运行时间的 延长通量均降低 。低压条件下 0. 04, 0. 06 MPa , 通 量随时间衰减较平缓, 呈规律性下降, 40 min时 ,通量 为 最 初 通 量 的 93. 8 0. 04MPa 和 94. 6 0. 06 MPa 。在高压 0. 08, 0. 10 MPa 下 , 通量在开 始的一段时间内迅速下降 ,40 min内已下降到最初通 53 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 量的 87. 8 0. 08 MPa 和 86. 4 0. 10 MPa 。高压 加重膜浓差极化 [ 7] , 使凝胶层厚度的增长速度加快, 更易把微小的胶体等物质挤入膜孔内, 造成膜孔堵 塞,进而导致通量迅速下降。运行时间为 20～ 80 min 时,0. 10, 0. 06MPa下的通量大于0. 08, 0. 04 MPa下的 通量, 但 是当 运 行 至 90 min 时, 在 压力 为 0. 10, 0. 06 MPa下, 通量分别为37. 5,36. 6 L m 2 h , 二者相 差不大 。结合膜通量、浓差极化、提升泵能耗和膜使 用寿命等因素确定压力0. 06 MPa作为运行的最佳进 水压力。 2. 1. 2 冲洗方式 冲洗对于防止膜孔堵塞、减轻膜污染 、 延缓膜通 量衰减 、 提高产水水质等具有很好的效果 ,并且可以 降低化学清洗频率, 节省化学清洗剂用量以及避免频 繁化学清洗所导致膜损伤 。 试验装置的水管路采用交叉流设计 ,且可利用压 缩空气进行气冲洗, 故需要确定最佳冲洗方式 。 试验设计了4 种冲洗方式进行了膜冲洗试验,在进 水压力为0. 06MPa、 反洗泵扬程为24m的条件下,考察了 不同冲洗方式与膜通量恢复率的关系,清洗方式对膜通 量恢复率的影响见表2。4种冲洗方式具体如下 方式 1 底部反冲,历时90 s; 方式 2 后正冲 ※ 前正冲 ,各阶段历时均为45 s; 方式 3 后正冲 ※ 底部反冲 ※底部反冲 ※底部反 冲※后正冲※ 前正冲 ,各阶段历时均为15 s; 方式 4 气水后正冲 ※底部反冲 ※气水底部反 冲※ 底部反冲※气水后正冲※前正冲 ,各阶段历时均 为15 s。 表 2 冲洗方式对膜通量恢复率的影响 冲洗方式 膜通量 Lm- 2h- 1 冲洗前冲洗后 恢复率 132. 434. 180. 6 231. 232. 677. 1 334. 938. 890. 7 434. 341. 898. 8 由表 2可知, 方式1～ 方式 3 均为单纯的水冲洗, 其中方式 3 的恢复率最为理想, 其次是方式 1, 而方 式 2 对膜通量恢复率的贡献最低 。这说明仅采用正 冲洗或反冲洗均不能取得良好的恢复效果,因为正冲 洗主要是去除膜表面的沉积层 ,反冲洗主要消除膜孔 堵塞的影响,而合理的水冲洗方式完全可以取得较好 的恢复效果 。方式 4 的恢复率比方式 3 提高了约 8,可见 ,气冲洗对恢复膜通量起到了一定的作用, 原因在于压缩空气扰动强度较大,在空气泡和水流共 同作用下膜产生了晃动, 能够更多地抖落或冲刷掉膜 内外表面吸附或堵塞的污染物 ,空气泡还可使膜孔膨 胀,使膜孔内的污染物被气液合流带走 , 从而发挥出 了比各自本身作用更大的协同作用 。从通量恢复效 果和减轻膜污染的角度考虑, 确定采用方式 4 作为最 佳冲洗方式 。 2. 1. 3 冲洗时间 冲洗时间的长短是影响膜通量恢复效果的因素 之一 。因为冲洗时间过长 ,费水费电 ,产水量减少 ,而 冲洗时间过短, 污染物清除不彻底, 膜通量得不到恢 复,因此需要确定最佳冲洗时间。 在进水压力为0. 06MPa 、 采用冲洗方式 4、 反洗泵 扬程为24 m的条件下, 考察了冲洗时间与膜通量恢复 率的关系, 具体见图 3。 图 3 冲洗时间与膜通量恢复率的关系 由图 3可知, 膜通量恢复率受冲洗时间的控制, 冲洗时间越长, 恢复率越高。当冲洗时间 ≥60 s时, 恢复率升高缓慢 ,对恢复膜通量的作用不大 ,并且恢 复率 ≥ 95,已经达到了很好的恢复效果。考虑膜通 量恢复效果 、 运行费用和冲洗水量等因素 ,采用冲洗 时间60 s作为最佳冲洗时间, 此时恢复率为 95. 5, 并且将方式 4 的 6 个阶段的冲洗时间均设定为10 s。 2. 1. 4 冲洗周期 一些专家认为根据水质的不同 ,应该在运行 5～ 20 min 即冲洗周期为 5 ～ 20 min 就进行冲洗。本试 验中未对短冲洗周期时膜通量的变化进行研究,因为 太频繁的冲洗对于工业化生产而言过于繁琐 ,适用性 不大 ,为此试验力求寻找一个最佳冲洗周期。 在进水压力0. 06 MPa、采用冲洗方式4、冲洗时间 60 s和反洗泵扬程为24 m的基础上 , 主要考察了 60, 54 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 90, 120 min冲洗周期对冲洗后膜通量的影响, 结果 见图 4。 ◇冲洗周期60min; □冲洗周期90min; △冲洗周期1 20 min。 图 4 不同冲洗周期下冲洗后膜通量与运行时间的关系 由图 4 可知, 当冲洗周期为120 min时 ,冲洗后通 量不如冲洗周期为90 min的理想 ,原因可能是由于冲 洗周期过长 ,杂质在膜表面吸附力增强 , 浓差极化现 象加重 ,被截留物形成的滤饼被压实, 使膜难以冲洗 干净 。冲洗周期为60 min时, 冲洗后通量要大于冲洗 周期为90 min的, 但同一运行时间点上 如180 min 两 者差值不超过0. 3 L m 2h ,而前者每日比后者多冲 洗约 8 次,耗用了更多的水量、 气量和电量 ,也产生了 更多的冲洗污水。当运行时间 ≥120 min时 , 冲洗周 期60 min和90 min的冲洗后通量均趋于平缓, 故可以 保持较稳定的膜通量 。因此 ,选择冲洗周期90 min作 为最佳冲洗周期较合理。 2. 2 水温对超滤过程的影响 地下水水温随季节变化不是很大, 但是试验期间 户外气温变化范围较大 - 5 ～ 25 ℃ ,而进水管线较 长且大部分沿地面裸露铺设, 致使膜前进水水温会发 生一定变化,故需考虑水温对膜通量产生的影响。 在最佳运行参数条件下, 考察膜通量与水温的关 系。利用线性回归法求得膜通量与水温的经验关系 式为 JV 0. 5108T 31. 74, 相关性 R 2 0. 9714。该 关系式表明温度与膜通量之间具有良好的正线性相 关性 ,故提高水温可以提高膜通量。原因为 1 随着 温度的升高 ,水在膜通道中的扩散系数加大 ,同时进 水的运动黏度也随之降低, 减小了浓差极化的影响, 有利于提高膜通量 ; 2 随着温度的升高 , 水分子运动 速率会增加 ,在膜表面的运动能量也会增加 ,因而膜 通量增加 。通过以上分析可知 ,在冬季运行时裸露的 进水管线和超滤装置应考虑采取适当的保温措施 。 2. 3 超滤运行效果 2. 3. 1 产水水质效果 在最佳运行参数条件下, 检测了超滤进水产水水 质。产水 SS、TI 和 DO 的数值及其去除情况分别见 图5～ 图 7,进水产水中菌数情况见表 3。 图 5 产水SS 变化及去除率情况 由图5 可知,产水 ρ SS 为 0～ 0. 32 mg L ,平均值 为0. 16 mg L , 满足且优于1 mg L的标准值; 悬浮物的 去除率稳定在 94. 4～ 100, 去除效果比较理想 ,原 因在于 SS 的颗粒粒径 ≥ 0. 1 μ m , 而膜孔径最大不超 过0. 1 μ m ,因此能够几乎全部滤除 SS。根据超滤膜 的过滤特性 ,水中不应含有 SS ,其去除率应为 100, 因为 SS 检测时所用微孔滤膜的孔径为0. 45 μ m ,而所 检测的产水水样中存在 SS , 推测与水样运输及保存 时间过久, 水质有一定变化有关或与检测误差有关 。 图6 产水 TI变化及去除率情况 图 7 产水 DO 变化及去除率情况 由图 6可知 , 产水 ρ TI 最小值为0. 15 mg L , 最 大值为0. 40 mg L, 平均值为0. 28 mg L , 满足且优于 0. 5 mg L的标准值; TI 的去除率保持在 32. 6 ～ 57. 1。铁去除的一种原因是地下水中相对缺氧 ,呈 还原态 ,故铁在地下水中多以 Fe 2形式存在 ,但是经 提升泵抽取及管线输送时会与氧气接触, 部分 Fe 2 55 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 被氧化成 Fe 3或被 FB 氧化为 Fe3形式 , 形成了 Fe OH3胶体 ,该胶体具有一定的絮凝作用, 会吸附其 他胶体及悬浮物而形成较大的颗粒 ,然后被膜筛分或 吸附 [ 8] 达到间接除铁。另一原因可能是铁离子在膜 组件中由于渗透压和浓差等因素, 在膜前以胶体形式 沉积下来被除去 。 由图 7 可知, 产水 ρ DO 在 0. 47～ 0. 95 mg L ,平 均值为0. 69 mg L , 去除率仅为 15. 9～ 28. 2。DO 去除效果不理想 ,这是由超滤的过滤机理决定的, 但 又能去除一小部分 DO, 这是因为 DO 与进水中存在 的 Fe 2 在 输送过程 中发生氧化 还原反 应, 生成 Fe OH 3胶体而最终得到去除, 这与前述除铁的原因 相吻合 。可见, 产水 ρ DO 不满足0. 5 mg L的标准 值,后续需要对产水进行除氧处理 。 表 3 超滤膜进水产水菌数情况个 mL 运行时 间 d SRBFBTGB 进水产水进水产水进水产水 163424531未检出未检出 63161406未检出未检出未检出 11263未检出4611. 5未检出未检出 16195未检出5241未检出未检出 215161. 5498未检出未检出未检出 由表 3 知, 超滤膜进水中的细菌主要是 SBR 和 FB,TGB 未检出。当进水 SBR 为 195～ 634个 mL 时, 去除率可达 99. 7～ 100。当进水 FB 为 335 ～ 524 个 mL 时, 去除率可达 99. 7～ 100。膜对除菌 具有极佳的效果, 试验所用超滤膜的平均孔径约为 0. 04 μ m ,最大不超过0. 1 μ m , 远小于细菌的体长 一 般≥ 0. 5 μ m [ 9] ,膜的筛分机理起到主要的去除作用。 产水 SRB 、 FB 指标均满足且优于 A1级标准。 2. 3. 2 产水水量效果 在最佳运行参数条件下, 为了考察超滤工艺能否 达到油田注水水量要求, 利用外输泵出口处水表间接 监测了超滤运行期间的产水水量情况, 具体见表 4。 表 4 超滤产水水量结果 运行时 间 d 产水量 m3h- 1 运行时 间 d 产水量 m3h- 1 139. 81241. 3 340. 91541. 5 641. 21740. 0 939. 01940. 4 由表 4 知 , 在监测 的19 d 内, 累 计产水量为 19 978 m 3 ,产水量基本保持在40 m 3 h左右 ,可以满足 注水水量要求。事实上, 在装置设计过程中 ,设计产 水量已经留有扩展余地, 可以根据油田实际情况适当 增加装置进水量 ,进而增加产水量; 反之 ,也可减少产 水量 。同时 ,装置运行稳定、 易损材料消耗很少、 电耗 不高 、 注水成本较低 。 3 结论 1 确定了中空纤维超滤膜用于油田清水注水的 最佳运行参数 最佳进水压力为0. 06 MPa ; 最佳冲洗 周期为90 min; 最佳冲洗时间为60 s; 最佳冲洗方式为 气水后正冲 10 s ※ 底部反冲 10 s ※ 气水底部反冲 10 s ※底部反冲 10 s ※气水后正冲 10 s ※前正 冲 10 s 。 2 水温与膜通量之间具有良好的正相关性 ,在冬 季运行时裸露的进水管线和超滤装置应考虑采用适 当的保温措施。 3 最佳运行参数条件下, 产水 SS 、 TI 、 SRB 和 FB 满足且优于 A1级标准 , 去除率分别为 94. 4 ～ 100, 32. 6～ 57. 1, 99. 7～ 100和 99. 7～ 100,而DO 去除效果不理想 ,不满足 A1级标准, 去 除率仅为 15. 9～ 28. 2,后续需要对产水进行除氧 处理 。 4 最佳运行参数条件下, 产水量保持在40 m 3 h 左右 ,可以满足注水水量要求 。 参考文献 [ 1] 林孟雄, 陈坤, 王兵, 等. 鄯善采油厂油田回注水水质劣化原因 及对策[ J] . 工业安全与环保, 2006, 32 10 31 -34. [ 2] 刘彬. 超滤膜应用于油田污水深度处理的试验研究[ J] . 天津工 业大学学报, 2007, 26 4 12 -15. [ 3] 张捍民, 王宝贞. UF 膜和MF 膜技术在饮用水处理中应用现状 的研究[ J] . 哈尔滨建筑大学学报, 2000, 33 6 58 -61. [ 4] 何桂华. 聚砜中空纤维超滤膜在油田注入水处理中的应用[ J] . 膜科学与技术, 1998, 18 2 16 -21. [ 5] 王农村, 张振家, 姜义行. PVC 合金超滤膜在油田采出水回用中 的应用研究[ J] . 环境科学与技术, 29 8 86 -87. [ 6] 王然, 黄继国, 黄国鑫, 等. 超滤膜用于低渗透油田清水注水处 理[ J] . 工业水处理, 2007,27 1 21 -24. [ 7] 董秉直, 曹达文, 范瑾初. 膜技术应用于净水处理的研究和现状 [ J] . 给水排水, 1999, 25 1 28 -31. [ 8] 邵刚. 膜法水处理技术[ M] . 北京 冶金工业出版社, 2000 242 - 243. [ 9] 顾夏声, 李献文, 竺建荣. 水处理微生物学[ M] . 3 版. 北京 中国 建筑工业出版社, 1998 4. 作者通信处 陈鸿汉 100083 北京市学院路 29 号 中国地质大学 北京 水资源与环境学院 E -mail chenhhcugb. edu. cn 2008- 10-20 收稿 56 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期