海上油田注水纳滤软化中试研究

（b）
100.0
Mg2+截留率/%
SO42－截留率/%
99.5
99.0
NF-A
NF-A
NF-B NF-B
98.5 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 操作压力/MPa
（c）
图 4 对致垢离子的截留率与压力的关系
NF-A 膜对这 3 种离子的截留能力均高于 NF-B 膜。 图 2～图 4 中，两种膜在通量和截留率等方面
表现出来的差异主要是由膜材料的不同而引起的。 NF-A 和 NF-B 两种纳滤膜分离层材料均为聚哌嗪类 聚合体，但 NF-A 膜分离层聚合体中哌嗪的解离程 度更高一些。聚哌嗪类聚合体一般都具有强碱性的 哌嗪环结构[16]，分子链相当牢固，有良好的耐热性 和亲水性，这种聚合体的化学特性受分子中哌嗪环 解离程度的影响很大。哌嗪环的解离度越高说明聚 合物的交联度越高，致使纳滤膜更加致密，从而使
Ca2+截留率/%
90
80
70
60
50
NF-AN F-A
NF-BN F-B
40 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 操作压力/MPa
（a）
100

90 80
70
NF-A
NF-AN F -B
NF-B
60 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 操作压力/MPa
关键词：纳滤; 注水; 软化; 集成膜过程
中图分类号：TQ 028.8
文献标识码：A
文章编号：1000–6613（2009）03–0534–05
A pilot study on seawater softening by UF-NF integrated technique
SHANG Yanwu，CHENG Huaigang，WANG Duo，GAO Xueli，GAO Congjie
·534·
化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2009 年第 28 卷第 3 期
应用技术
海上油田注水纳滤软化中试研究
尚言武，成怀刚，王 铎，高学理，高从堦
（中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100）
摘 要：针对海上油田回注驱油工艺中的海水软化问题，以胶州湾某海域海水为例，采用超滤-纳滤技术进行了中
收稿日期：2008–07–24；修改稿日期：2008–09–10。 基金项目：国家高新技术发展计划国家 863 计划（2006AA09Z337） 及山东省科技攻关计划（2007GG10005001）资助项目。 第一作者简介：尚言武（1984—），男，硕士研究生，研究方向为膜 法水处理。联系人：成怀刚，博士。电话 0532–66786513；E–mail chenghg@。
第3期
尚言武等：海上油田注水纳滤软化中试研究
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注入海水，海水中的硫酸根与地层水的钡、锶等离 子形成沉淀，油井结垢现象严重[13]。目前，国内对 用于油田注水的海水纳滤软化的研究尚不系统，因 此开展这方面的研究对提高我国海上油田的采油能 力具有十分重要的意义。
本文作者以胶州湾某海域海水为例，针对海水 水质和环境特点，初步筛选了用于软化海水的纳滤 膜，并对中试规模的超滤-纳滤集成膜软化工艺进行 了实验研究，考察了膜软化过程的长期运行稳定性。
1 实验部分
1.1 实验流程 超滤-纳滤集成膜软化过程以青岛胶州湾海水
为进水。通过潜水泵将海水送入砂滤装置和超滤前 的保安滤器，再送入超滤原水箱，经增压泵输入超 滤系统。超滤产水进入纳滤装置的进水箱，由高压 泵输送入纳滤前的保安滤器和纳滤装置，纳滤出水 为产品水，实验流程如图 1 所示。采用静态法考察 产品水与地层水的配伍性，即将产品水与海上油田 地层水混合，通过测定混合后水样中离子含量的变 化来表征沉淀物的量。
40
35
30 25
脱盐率/%
20
15 NF-A NF-A
10
NF-B NF-B
5 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 操作压力/MPa
图 3 操作压力对脱盐率的影响
图 3 为进水温度为 25～27.5 ℃、操作压力在 1.4～3.8 MPa 的范围内，两种纳滤膜对水中各种无 机离子总的脱盐率与压力的关系。可以看出 NF-B 纳 滤膜的脱盐率随着压力的增加而略有降低，这也是 较高操作压力下浓差极化效应更为明显的反映[15]。
（College of Chemistry and Chemical Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong，China）
Abstract：In view of seawater softening for offshore oil-fields water injection，a pilot study of seawater softening was done in Jiaozhou bay using ultrafiltration (UF)-nanofiltration (NF) integrated techniques. The effect of pressure on the performance of two nanofiltration membranes was investigated，also the quality and compatibility of permeate water were analyzed when the recovery of nanofiltration was 70%. Long-term experiment on NF-A nanofiltration membranes was carried out. The result showed that the permeate water of NF-A could be compatible with the formation water. UF-NF integrated membrane technique can stably provide water of high quality to offshore oilfields for a long time. Key words：nanofiltration (NF)；water injection; softening；integrated membrane process
石油开采过程中将水回注至油层是补充地层能 量、提高采收率的重要方式[1]。海上油田注水最便 捷的水源是海水，但海水含有高浓度的硫酸根、钙、 镁离子，注入油层后很容易与地层水形成结垢，出 现不配伍现象；特别是硫酸盐垢，几乎不溶于无机 酸和其它溶剂，很难去除[2－3]，也难以通过加入抑 垢剂来缓解结垢[4]。结垢可以发生在地层、井筒的 各个部位，有些井和油层由于垢沉积而过早废弃[5]， 给油田生产带来极大危害。因此选用海水作为回注 水必须进行去除二价离子的软化处理。
通量/L·m－2·h－1
100
80
60
NF-A
NF-ANF-B
40
NF-B
20 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 操作压力/MPa
图 2 操作压力对通量的影响
·536·
化工进展
2009 年第 28 卷
加而降低了整个纳滤过程的传质驱动力，同时纳滤 膜被压密的程度也在加大，这些都增大了渗透液透 过膜的阻力，限制了膜通量的增幅[8]。这说明在实 际应用中，纳滤过程的操作压力不宜过高。本文作 者在后期的长期中试实验中将纳滤膜的操作压力控 制在 1.6 MPa。NF-A 膜通量增幅的衰减现象则并不 明显，说明这种膜的浓差极化现象较轻。
纳滤（NF）膜具有选择分离二价及高价离子的 特性，非常适于去除水中的钙、镁、硫酸根等致垢 离子[6－9]。与传统石灰软化法和离子交换软化法相 比，纳滤软化的优点是无污泥、不需再生、能完全
除去悬浮物，而且操作简便、占地面积小[10]。Plummer 等[11]采用 NF-40 膜对海水软化用于注水，SO42－去除 率达 98%，避免了与地层水中高浓度的 Ba2+形成沉 淀而堵塞地层孔隙。英国北海油田[12]采用纳滤软化 后的海水作为油田注水，防止 Brea 油井中硫酸钡的 沉积，避免了沉淀物堵塞油层孔隙。在国内，海水 作为回注水通常采用沉淀、精细过滤、杀菌、加抑 垢剂等处理方法，但还是难以解决海水注水出现的 结垢问题，如我国南海涠洲 12-1 海上油田曾向地层
NF-A 膜的脱盐率则比较稳定，受压力的影响较小。 同时，图 3 表明在实验的压力范围内 NF-A 纳滤膜 的脱盐率明显大于 NF-B 纳滤膜。
此外，图 4 还比较了进水温度为 25～27.5 ℃、 操作压力为 1.4～3.8 MPa，两种纳滤膜在不同压力下 对 Ca2+、Mg2+、SO42－ 3 种离子的截留效果。可以看 出 NF-A 纳滤膜对 Ca2+、Mg2+、SO42－的截留率都比 较稳定，受压力的影响较小。压力小于 2.6 MPa 时 NF-B 纳滤膜对 3 种离子截留也比较稳定，但压力大 于 2.6 MPa 时截留率则随压力增加而略有减小。这表 明在实际应用 NF-B 纳滤膜时，若以提高压力来增加 产水量，则存在着产水水质变差的风险。
超滤膜采用截留分子量为 80000 的聚醚砜中空 纤维超滤膜组件。软化实验过程中考察了两种不同 的螺旋卷式商品纳滤膜元件。两种纳滤膜的公称有 效膜面积均为 2.6 m2，纳滤膜元件分别编号为 NF-A、 NF-B，两种膜的分离层材料均为聚哌嗪类聚合体。
P1
F1
F2
T1
P2
NF
F3
P3
T2
UF