聚驱油田采出水超滤深度处理与膜污染控制技术

摘要

随着三次采油技术的不断深入和发展，特别是聚驱和三元复合驱的大规模应用，使得油田采出水成为一种复杂的含聚含油污水体系，油水分离难度大大增加，原有水驱含油污水处理工艺己经不能满足日益复杂的油田污水处理要求。本课题在比较各种水处理技术优缺点的基础上，针对大庆聚合物驱油田采出水特有水质，对超滤处理油田采出水用于回注的膜分离技术进行了深入的研究。论文从基础试验和理论上系统考察了关键参数对膜分离过程的影响，建立了通用的膜阻力模型，分析了膜污染产生的原因及机理，提出了膜强化传质和优化过程的手段。本文主要进行了以下几方面的研究工作。
　　在小试试验研究中，考察了操作压差、膜面流速、料液温度及料液浓缩倍数对膜通量的影响，同时考察了超滤长期运行的出水水质，并对膜的物理清洗和化学清洗进行了研究。试验结果表明：适宜的操作压差为0.30～0.35 MPa，适宜的膜面流速为3.0～3.5m·s-1，适宜的超滤运行温度为35～40℃，实际运行中控制浓缩倍数在10～15左右运行。超滤膜出水中的含油量、悬浮物和粒径中值完全达到回注水水质标准，而其对COD、浊度、HPAM等水质指标的去除也非常有效。采用短时化学强化清洗技术能有效地控制膜污染，具体的清洗方法为：每运行油田采出水6～8 h后，采用0.1mol·L-1 NaOH碱洗液清洗30min，每运行油田采出水1个月左右，先采用0.1mol·L-1 NaOH碱洗液清洗30min，然后采用0.1mol·L-1盐酸洗液清洗30min，并且每一步化学清洗前后，均采用清水冲洗掉膜表面的药液残留。
　　通过对膜阻力中各部分阻力及其所占比例分析结果表明，浓差极化阻力所占比例最大，其次为凝胶层阻力，而膜孔堵塞阻力和膜自身阻力所占比例接近，从而进一步证实在油田采出水的超滤处理过程中，浓差极化是造成膜通量衰减的最主要因素，而污染物质在膜表面形成的凝胶污染层是膜通量衰减的重要因素。
　　油粒在膜上的动态吸附试验结果表明，吸附开始是一个极快的过程，吸附过程主要发生在料液与膜面接触的开始10min内。对同一浓度的含油污水而言，膜面流速越高，油粒在膜上的吸附量越小，说明在处理油田采出水时，通过增加流速的方法来减轻膜污染是有效的。HPAM在膜上的动态吸附试验也得出了类似结论，但是HPAM在膜上的吸附量要明显低于油类在膜上的吸附量，说明油类物质与HPAM相比是造成膜污染的主要物质。油粒、HPAM在膜上的吸附试验结果能用Langmuir吸附等温式很好的描述。
　　采用AFM、SEM、EDX和GC-MS等方法分析了造成膜污染的主要原因，试验结果表明，新膜的表面光滑平整，膜孔清晰可见。而污染膜在经过长时间的运行后，膜表面的污染现象已比较严重，看不出膜的任何迹象，且污染物质分布很不均匀，有较大的洞或沟壑存在。膜污染的主要无机元素为Ca，元素Mg和Al的含量也比较明显，可以推断膜面上污染物中，可能存在CaCO3、MgCO3等无机物污垢。另外也存在一些其它的无机元素，如Si、S及Fe等，推测可能有SiO2的胶体和颗粒的存在，其中Ca及少量的Si在污染层中可能起到吸附架桥的作用，和石油类物质及胶体形成复合污染而加速了膜的污染。膜上的主要有机污染物为大多数的烃类衍生物，烷烃、酯、芳香烃、烯烃、稠环芳烃、苯系物和少量的酚、酸、醛、酮等，这些都是石油原油中含有的典型物质，证明了膜的有机污染物主要是油田采出水中的油类物质。
　　膜的强化传质研究结果表明，采用外加湍流器可以改善膜表面的水流流态，强化边界层与本体溶液的物质交换，减轻膜污染的同时大幅度增加膜通量。在比较圆柱式、变截面圆柱式、缠绕式和螺旋式4种类型湍流器的试验中，采用了湍流器的膜渗透通量平均提高83％到164%，而相应的单位产水能耗降低31%到42%，其中螺距为20mm的缠绕式湍流器能以最小的能耗得到最大的渗透通量，因而实际工业应用意义更大。此外，在不同跨膜压差对外加湍流器的影响试验中，发现采用湍流器可以扩大跨膜压差操作范围。而对于不同流速下湍流器强化传质效果比较中，发现湍流器在低流速（<2m·s-1）下就可以达到空管在高流速下相同的渗透通量，因此，湍流器在低流速下使用可以得到很好的效果。
　　在大庆油田建立了一套日处理300m3油田采出水的工业试验装置，经过三个多月的连续运转，试验结果表明超滤系统出水水质、水量和运行能耗完全达到设计标准。本项目技术设备工业化后，用本研究工艺处理后的水回注地层，与外购清水相比，每吨水节省1.50元，经济效益显著。

目录

聚驱油田采出水超滤深度处理与膜污染控制技术

ULTRAFILTRATION FOR THE ADVANCED TREATMENT OF OILFIELD POLYMER FLOODING PRODUCED WATER AND MEMBRANE FOULING CONTROL TECHNIQUES

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 油田采出水的来源及污染

1.1.1 油田采油技术的发展

1.1.2 油田采出水的来源

1.1.3 油田采出水的特征

1.1.4 油田采出水排放对环境的影响

1.2 油田采出水处理技术现状

1.2.1 油田采出水的回注

1.2.2 油田采出水回注处理工艺流程

1.2.3 传统油田采出水处理技术存在的问题

1.3 超滤技术在油田采出水处理中的应用现状

1.4 超滤过程中膜污染及污染动力学模型

1.4.1 膜污染的主要影响因素

1.4.2 膜污染动力学模型

1.5 膜污染控制技术与清洗方法

1.5.1 膜污染控制技术

1.5.2 清洗方法概论

1.6 课题研究意义与研究内容

1.6.1 课题研究意义

1.6.2 课题研究内容

第2章 试验材料与试验方法

2.1 试验装置及试验方法

2.1.1 超滤膜及超滤膜组件

2.1.2 试验装置

2.1.3 试验方法

2.2 试验料液

2.2.1 料液来源

2.2.2 料液性质

2.3 分析检测方法

2.3.1 油含量分析方法

2.3.2 HPAM分析方法

2.3.3 其他水质分析方法

2.3.4 仪器分析方法

第3章 超滤处理聚合物驱油田采出水小试试验研究

3.1 超滤操作参数的确定

3.1.1 操作压差的选择

3.1.2 膜面循环流速的确定

3.1.3 运行温度的确定

3.1.4 料液浓缩倍数的确定

3.2 超滤的出水水质

3.2.1 对石油类的去除效果

3.2.2 对悬浮物的去除效果

3.2.3 对聚合物的去除效果

3.2.4 对浊度的去除效果

3.2.5 对COD的去除效果

3.2.6 粒径中值和TDS的变化

3.3 膜清洗试验

3.3.1 水力清洗试验结果与讨论

3.3.2 化学清洗试验结果与讨论

3.3.3 膜寿命预测

3.4 本章小结

第4章 超滤膜污染的机理研究

4.1 引言

4.2 膜阻力的测定

4.2.1 试验方法

4.2.2 膜面流速对膜阻力的影响

4.2.3 操作压差对膜阻力的影响

4.3 油粒、HPAM在膜上的动态吸附试验

4.3.1 试验方法

4.3.2 膜面流速对吸附的影响

4.3.3 油粒、HPAM吸附等温线

4.4 膜污染物的分析与鉴定

4.4.1 AFM分析

4.4.2 SEM分析

4.4.3 EDX 分析

4.4.4 GC/MS分析

4.5 膜的污染机理探讨

4.6 本章小结

第5章 超滤外加湍流器的强化传质研究

5.1 引言

5.2 试验装置及评价方法

5.2.1 湍流促进器的结构形式

5.2.2 评价方法

5.3 不同结构形式湍流器对膜通量的影响

5.4 缠绕式湍流器螺距对膜通量的影响

5.5 操作条件对强化过程的影响

5.5.1 操作压差对强化过程的影响

5.5.2 膜面流速对强化过程的影响

5.6 湍流促进器强化传质机理分析

5.6.1 各部分膜阻力分析

5.6.2 传质系数分析

5.7 本章小结

第6章 超滤处理聚合物驱油田采出水中试工艺研究

6.1 工艺设计要求及参数

6.1.1 设计要求

6.1.2 工艺参数

6.2 工艺流程及装备图

6.2.1 工艺流程

6.2.2 流程说明

6.2.3 工艺计算

6.2.4 设备安装要求

6.2.5 设备材质

6.2.6 装备图

6.2.7 操作方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 石油类的去除效果

6.3.2 超滤出水粒径中值

6.3.3 悬浮物的去除效果

6.3.4 浊度的去除效果

6.3.5 聚合物的去除效果

6.3.6 超滤连续运行过程中膜通量的变化

6.3.7 中试试验中存在的问题

6.4 经济效益分析

6.4.1 设备费

6.4.2 运行费用

6.4.3 设备维护费

6.4.4 制水成本

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历