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纳滤工艺和反渗透技术在油田采出水处理中的研究及应用

发布日期:2017-01-04  来源:
纳滤工艺和反渗透技术在油田采出水处理中的研究及应用其应用到工业生产以及农业生产中,例如用于对锅炉的补给水以及农业灌溉。反渗透工艺所存在的缺点就是对处理的要求和成本相对较高。因此,如何对适当的预处理方案进行选择。以及如何对反渗透装置的负荷进行减轻使得处理的成本降低

油田的采出进行处理回用是必然的趋势,有利于促进油气资源的可持续发展,对水资源循环利用以及环境保护有着非常重大的意义。在油田采出水的处理中,三滤(微滤、纳滤、超滤)以及反渗透膜技术应用较多。在三滤中,除油及排浊效果较好的是超滤,而除去采出水中的二价离子,纳滤的效果较好。最近几年,膜法处理技术在油田采出水的处理上渐渐被广泛应用。

1. 传统采出水处理工艺

国内油田采出水的处理方法主要有生化法、物理法、化学法三种方法,目的是对水中的悬浮物以及有机物、油类等进行去除。其中,物理法可以分为过滤、粗粒化、蒸发法、重力分离和离心分离等。这些方法的工作重点是对水中所含的矿物质以及大部分固体悬浮物以及油类进行去除。化学法包含了三种处理方法,分别是中和、混凝沉淀以及化学转化,化学法主要运用于对废水中的部分胶体以及溶解性物质进行处理,最主要处理的是含油废水中的油化物。生物法则主要指的是好氧生物法、厌氧生物法以及好氧厌氧生物法。生物法对废水进行处理大多数时候是通过微生物在新陈代谢这一过程中使废水中的有机物以及有毒物质被降解,从而转化成无机物,达到废水净化的目的。

在处理油田污水的实际情况中,这些方法一般不会单独使用,均是两种或是三种方法联合使用。胜利油田污水处理站及低渗透区块的注水站对污水进行处理使用物理法时,通常处理工艺为:第一阶段“缓冲+沉积分离出油+过滤”,第二阶段“缓冲+精细过滤”。油田各个污水处理站对污水进行处理的时候,为了使污水处理效果得到提高,一般情况下会添加化学剂与物理法相结合进行处理。

在油田采出水中存在多种细菌,这些细菌会对采出水设备的管道进行腐蚀,例如SRA、腐生菌以及铁细菌等。这些菌体以及其代谢物不仅会对水质造成污染,还会对油层造成堵塞。所以,应该在进行回注之前,对其进行杀菌处理,而进行杀菌处理的方法一般情况下采用的是高级氧化法。高级氧化技术对消除SRB非常有效,与此同时还能对水中的有机生物进行氧化降解,使其细菌的营养源断开。为了达到杀菌的目的,还可以电解盐水的杀菌技术,主要是在次氯化钠的发生装置里将饱和盐水进行电解,从而产生氯酸钠溶液,利用该溶液杀菌。

采出水的水质随着油田的开发也在变化,在进行地面工艺的时候,对流动改性剂的使用是不可避免的,对防垢剂、缓蚀剂降黏剂以及破乳剂的投放量也有了很大增加,这是导致采出水成分变得复杂的主要原因,从而也使废水处理成本、造成二次污染的几率以及废水处理难度增加。因此,按照常规的处理方法对采出水进行处理,已经无法满足水质达标的要求了。经过一系列的研究,膜分离技术对采出水的处理效果显著。

2. 微滤、超滤技术在油田采出水处理中的研究及应用

2.1 微滤

效率高、装置占地面积相对较小以及成本低、化学药品使用量少、装置自动化程度高等均是膜技术的特点,因此膜技术在油田采出水的处理中应用得越来越广泛。利用静压差作为推动力,再通过筛网状的过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程,就是我们所说的微滤。微孔过滤膜是均匀的多孔薄膜,其孔径非常小,直径一般为0.8~2μm,过滤粒径为0.025~10μm,因此绝大部分的采出水中的悬浮固体以及油滴等都可以被完全过滤掉。陶瓷膜应用研究比较深,其特点是容易清洁、耐污染和抗腐蚀性强,使用寿命也较长。使用陶瓷膜对采出水进行处理,可以使采出水的水质达到回注的要求。采出水仅经过物理处理或者物理化学处理但没有经过生化处理之前,水中的含油量较高,所以在微滤膜表面会有不同程度的污染,造成通量和油类的截留率下降,可将膜进行清洗以使通量得以恢复。

2.2 超滤

超滤膜主要是以压力差作为推动力,其孔径的范围非常小,约为0.001~0.02μm,可以分离分子量大于2000道尔顿且粒径大于2~20nm的颗粒。在对油田采出水的研究中,高分子滤膜和陶瓷超滤膜都有应用。从研究结果看,超滤对油类以及微生物和固体悬浮物的去除比较有效,这些物质的含量也是油田回注水水质的重要参考指标。传统的处理过程和超滤进行结合,可以使超滤膜的负荷得以减轻,同时提高对采出水的处理效果。为了使超滤的稳定运行得到有效的保证,必须要进行良好的膜前处理。核桃壳过滤器以及砂滤等是常用的膜前处理的物理过程。但是一些原因会使其效果达不到理想状态,如传统的砂滤以及核桃壳过滤器在进行长时间运行之后,纳污能力会有所下降。若是膜前处理没有做好,则会导致出水的含油量比较高,最后导致的结果是使超滤膜受到污染,从而使超滤膜的使用期限降低,增加超滤膜法处理的成本。对膜技术应用造成制约的主要因素就是膜污染,对膜污染进行控制以及延长膜的使用周期的研究,是非常有必要的。从近几年的使用情况来看,使用膜生物反应器处理采出水已经成为一种趋势。

2.3 超滤、微滤过程的成本分析

采用陶瓷微滤膜法处理采出水,运行成本约为1.5~2元/m3。以大庆油田采出水的超滤处理结果为依据,可以预测出项目的技术设备工业化之后,处理成本大幅降低,可节约2.58元/t。可见微滤、超滤膜法对含油污水进行处理经济效益较高。

2.4 处理的局限性

超滤、微滤主要处理的是水中的油类以及悬浮物和细菌,对于矿化度的去除效果甚微,特别是对钙离子、镁离子等容易致垢的二价离子甚至根本无法起到去除的作用。但是在目前的情况来看,对于油田的注水水质的推荐指标重点针对的是油以及悬浮物的含量和粒径,没有对可以导致垢物产生的物质的进行含量进行规定。即使水质已经达到了注水指标,但严重的腐蚀以及严重的结垢现象在油田中依然存在,这些问题是造成注水压力升高以及生产能力无法提高的主要原因,还经常会引起油层伤害。

导致结垢的主要原因通常是因为在对采出水进行处理的时候,没有有效方法对致垢离子进行消除,而注入水中的致垢离子会和存在于地层水中的其他相关离子产生化学反应,产生了碳酸钙或者硫酸钙等。此外,若是存在一定量的硫酸根,还会导致注入水中的硫酸盐还原菌大量繁殖,从而产生硫化氢使金属管道受到腐蚀。

3. 纳滤工艺和反渗透技术在油田采出水处理中的研究及应用

3.1 纳滤工艺及其集成膜技术

纳滤膜的开发基础是反渗透复合型膜,其中荷电特性是纳滤膜独有的特性,荷电特性可以对多价离子以及低分子有机物进行有选择性的截留,对二价离子的脱除率也比较高,例如钙离子、镁离子、硫酸根等,因此可以使料液硬度大幅度降低。所以在对油田采出水的深度处理上,纳滤膜工艺的应用前景非常广阔,比较遗憾的是目前相关研究及应用报道不多。

在科罗拉多州立大学进行的实验结果表明,纳滤膜NF270是最具有亲水性的,且NF270的膜孔径与其他膜相比是最大的,膜表面的光滑度也是最高的。在中国海洋大学进行了商品膜组件现场试验,最先做的是超滤+纳滤双膜法对油田采出水的深度处理。试验的结果显示:超率产水的含油量为0.06mg/L,SDI不超过4.0,而纳滤在对回收率进行保证的同时,对硬度与TDS、SS以及COD的截留率也相当高。双膜工艺经过长时间的经验总结和技术改进,采出水水质可达到GB1576—2008《工业锅炉水质》标准,也能够保证产水通量和水质稳定性[9]。

3.2 反渗透工艺以及集成膜技术

在采出水的处理中,即使油田采出水在经过纳滤膜的处理之后可以达到相对严格的出水水质的标准,但是出水的矿化程度仍然很高。在这一问题中,反渗透技术可以进行有效的对采出水进行处理,适用于含盐度高的油田采出水。这一方法的主要目的是使采出水在经过处理之后,可以将其应用到工业生产以及农业生产中,例如用于对锅炉的补给水以及农业灌溉。反渗透工艺所存在的缺点就是对处理的要求和成本相对较高。因此,如何对适当的预处理方案进行选择。以及如何对反渗透装置的负荷进行减轻使得处理的成本降低,是解决问题的关键因素。

相关专业人士对Petrobars油田的采出水的开展反渗透实验处理,评价了系统对有机物以及无机物的截留性能。油水分离器以及硬水软化器和砂率、筒式过滤器、离子交换软化器等组成了预处理系统,其中,筒式过滤器的直径为1.0μm。研究结果表明,RO膜组件可以有效降低采出水的电导率和在进行资源化利用过程中备受关注的硬度、镍、苯、氯等重要参数,使出水质量符合灌溉或其他资源化利用的标准。利用加碱沉淀对部分硬度、硼、硅进行去除,以及换热冷却、对膜生物氧化除有机物进行固定、降低pH值、过滤、反渗透除盐、滴滤池除氨、离子交换软化等处理,处理之后的采出水水质可以达到GB5084—2005《农田灌溉水质标准》、GB/T19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质)标准。

3.3 纳滤以及反渗透过程的成本分析

纳滤—反渗透工艺处理采出水,可大量节约清水费用,还可以节约无效的回灌费用以及注汽锅炉的燃料费,是一种经济效益比较显著的采出水处理技术

4. 结束语

采用膜技术对采出水进行处理,可以弥补一些使用传统的处理方法对采出水进行处理存在的缺陷,并且使用膜技术处理的成本也相对较低。因此,运用膜技术处理采出水在市场上有优势及广阔前景。由于新型的超滤以及纳滤膜的研发成功和投入使用,再加上其使用周期长、耐污染度高以及价格相对较低等优点,使得微滤、超滤+纳滤、反渗透膜的集成膜技术以及生化—超滤等膜技术和生物法二者相结合对油田采出水进行处理成为一种必然的趋势,可以促进油气田的可持续发展,对水资源的循环再利用以及环境的保护都有重大意义。

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