离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度回用技术与工艺

1、离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度回用技术与工艺于水利哈尔滨工业大学摘要：聚合物驱采油的主要问题之一是如何处理大量含有一定浓度聚合物的采油污水，如果把这些污水直接排放，将会给环境带来很大的危害。为此提出了将聚合物驱采油污水配制聚合物回注地层的设想。但是由于聚合物驱采油的矿化度高（4000-6000mg/L），所配聚合物溶液的粘度低，会降低聚合物驱的效果。工程上为了达到所需的配聚粘度，只能投加更多的聚合物，这样一方面增加了采油成本，另一方面过多的聚合物可能会破坏地层环境。本研究提出离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度回用技术，并在大庆油田进行了现场试验，取得了很好的效果，使含聚采油污水回用成为

2、可能。 关键词：聚合物驱油；离子交换膜；含聚采油污水；矿化度；回用。一、概述1.1三次采油技术20世纪40年代以前，油田开发主要是依靠天然能量消耗开采，一般采收率仅5%10%，称为一次采油；二次采油是依靠人工补充油层能量的物理作用提高采收率，通常采用人工注水(气)，保持油层压力，采收率可提高到30%40%；三次采油不同于二次采油。它是在注水保持油层压力基础上，又依靠注入大量驱油剂-诸如聚合物、表面活性剂、碱剂等，改变流体粘度、组分和相态，具有物理、化学双重作用，不仅进一步扩大了注入水波及范围，而且使分散的、束缚在毛细管中的残余油重新聚集而被采出。 1979年，我国将三次采油列为油田开发十大科学

3、技术之一，进行了技术调研，并组织与国外的技术合作，揭开了我国三次采油高速发展的序幕。1982年，对国外五个主要石油生产国十余种三次采油方法筛选标准进行了综合分析，对我国23个主力油田进行了三次采油方法粗筛选。1984年开始在大港、大庆、玉门等油田进行聚合物驱油、表面活性剂驱油的国际技术合作，为我国在较短时间内吸收和掌握80年代国际三次采油先进技术创造了条件。七五(19861990)、八五(19911995)期间，三次采油技术连续列为国家重点科技攻关项目。根据我国探明气源不足，油田混相压力较高，不具备广泛混相驱条件的国情，确定化学驱油为我国三次采油的主攻技术。用了十年左右的时间，聚合物驱油技术已

4、基本掌握，并完善配套了十大技术。使聚合物驱先导性和工业性矿场试验均取得比水驱提高采收率10%以上的好效果。大港港西四区聚合物驱先导性井组试验，在七五期间最早取得明显增油降水效果。井组含水由90.5%下降到67%，日产油由48.6t上升到88.4t，采收率提高了10.4%，注1t聚合物增产原油达400t。大庆油田从1996年开始，聚合物驱油技术陆续步入工业化生产，到2000年底大庆油田已投入聚合物驱区块共14个，动用面积143.44km2，地质储量25690104t，总井数2368口。2000年聚合物驱产油量已达900104t以上，占大庆油田当年产油量的17%，开创了中国聚合物驱三次采油的崭新局

5、面，成为21世纪大庆油田乃至中国石油可持续发展的重要技术支柱。1.2聚合物采油污水水质特点大庆油田注入的聚合物为阴离子型部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），水解度为23%-27%，注入浓度为1000ppm。聚合物溶液经注入井注入约1000m深的地下油层，聚合物与地层中的原油进行充分接触，将原油驱替到油井，通过油井将原油和聚合物溶液采出，称为采出液。在大庆油田中区西部注聚合物的矿场，聚合物油井采出液中聚合物浓度高达750ppm，采出液含水率为70-98.5%。油田原油在外输或外运之前必须将水脱出，合格原油允许含水率为0.5%以下。脱出的水中主要污染物为原油、聚合物及矿物质，通常称为含聚采油污水。含聚

6、采油污水是从地层随原油一起被开采出来的，该水经过了原油收集及初加工的整个过程，因此污水中杂质种类及性质与采油方法、原油地质条件、注入水性质、原油集输条件、以及脱水工艺等因素有关。这种污水是一种含有固体杂质、液体杂质、溶解气体和溶解盐类等较复杂的多相体系，原水中的细小杂质，按污水处理的观点，可以分为六大类：l、悬浮固体； 2、胶体；3、分散油及浮油；4、乳化油；5、溶解物质； 6、聚合物。1.3离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度工艺由于聚合物驱溶液的注入，使采出水的粘度增高，水中油滴及固体悬浮物的乳化稳定性强，进而导致油、水分离和含油污水处理的难度加大。水驱污水处理工艺不适用于处理含聚采油污水

7、，因为该工艺处理后的水质不能达到回注原地层的水质要求-要求低矿化度（如表1所示），因为用高矿化度回注水配制聚合物的粘度低。所以目前大庆油田聚合物驱是用清水来配制聚合物，从而使原注水-污水系统平衡被破坏。因此，含聚采油污水的处理回用已经成为油田含油污水处理的重要课题之一，成为聚合物驱大面积推广应用的瓶颈。表1聚合物驱油配聚用水矿化度指标 钙、镁离子（mg/L）含盐量（mg/L）20-40 800201000本研究提出在将含聚采油污水进行预处理的基础上，通过离子交换膜分离降低矿化度，使之达到聚合物驱油配聚用水水质要求。从而将处理后的含聚采油污水作为配制聚合物溶液用水，回注地层。这样既消除含聚采油污

8、水外排造成的环境污染，又为聚合物采油开发解决了水源问题，达到油田用水的良性循环和污水零排放。 二、离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度工艺组成与实验条件2.1工艺组成及原水水质将经油水分离的含聚采油污水，先进行混凝，然后经过两级沉淀，粗、细两级砂滤，最后经离子交换膜降低矿化度。处理流程如图1所示，图1中混凝、沉淀、过滤采用的是通常的处理工艺，这里不赘述。图1 离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度工艺组成现场实验装置如图2所示：图2 现场试验装置离子交换膜分离设备处理水量为10吨/小时，分四级四段，膜尺寸为4001600mm2。运行时，每隔20分钟自动倒换一次电极，每隔2小时自动进行一次水清洗。

9、15天进行一次化学清洗。经混凝、沉淀、过滤后，进入电渗析的水水质情况为：矿化度5000mg/L；含油10mg/L；悬浮固体含量10mg/L；聚合物含量300mg/L。2.1极限电流测定采用电压-电流法来测定实验装置的极限电流，当淡水产率为62.5%时，极限电流为92A，如图2所示。在实验过程中操作电流小于极限电流值。图3 电压-电流曲线2.3其它操作条件的确定1、流速。流速控制在525cm/s。2、操作压力。进水压力低于0.3MPa。一般0.06-0.1 MPa。3、含盐量。按表1配聚用水水质要求，根据大庆油田采油污水中硬度成分低的特点，将处理水含盐量控制在1000 mg/L，相应要求处理水的

10、电导率小于1300S/cm。4、淡水产率。该装置，当极水流量1m3/h，淡水流量5m3/h，浓水流量2m3/h，淡水产率为62.5%。能耗0.89kwh/ m3，操作电流86A。二、处理效果在上述操作条件下，该工艺系统处理水的几项主要水质指标检测结果如下：表2 矿化度、悬浮物及含油量样品编号PH值总矿化度(毫克/升)悬浮物(毫克/升)含油 (毫克/升)原水 7.784697.5512.003.02清水8.90847.5613.003.23浓水 8.807605.6813.00 3.13分别用含聚采油污水处理水和自来水配置聚合物，检测配置溶液的粘度，并进行抗剪试验，试验结果示于表3。表3 处理水

11、配置聚合物粘度及抗剪切性能样品编号PH值总矿化度（mg/L）1000mg/L聚合物溶液粘度(mPa.s)剪切30秒后1000mg/L聚合物溶液粘度(mPa.s)污水处理水 8.90847.5698.525.60自来水 7.50 388.4758.20 16.30备注：所用聚合物为中分子量 ，为1500万。表2的结果表明，含聚采油污水处理后矿化度达到了配聚用水的水质要求。由表3可见，本研究工艺处理水配置的1000mg/L中分子量聚合物溶液粘度为98.5mPas，远大于用自来水配制聚合物溶液粘度，并且经30秒钟剪切后，其粘度仍然大于自来水配置溶液粘度。聚合物驱要求，用中分子量聚合物（浓度1000m

12、g/L）配置回注水，配聚水粘度40mPas。由此可见，含聚采油污水处理水满足配聚水要求。三、膜污染与控制3.1膜污染的成因分析由于原水的水质较差，系统经过一个月左右，脱盐效果有一定下降，离子交换膜的污染已经开始明显影响脱盐率。离子分离膜运行25天后，阴、阳膜表面已经吸附一层油、聚合物，膜局部的颜色已经发暗。图4、图5是阴膜的断面和表面的电镜照片。图4 阴膜纵截面电镜照片图5 阴膜表面吸附污染物的电镜照片由图可看出，阴膜的表面吸附了一层污染物，膜内部的孔眼也部分被堵塞。 阳膜的断面和表面电镜照片如图6、图7所示。图6 阳膜纵截面电镜照片图7 阳膜表面吸附污染物的电镜照片由图可看出，阳膜和阴膜的构

13、造几乎是完全一样的，阳膜的表面分布着少量大孔道，其表观孔径也在几十微米左右，阳膜表面吸附了一层污染物。3.2污染物质成分分析对膜表面和膜内污染物进行分析的结果，膜表面污染物主要原油、聚合物；膜内部污染物主要是固体悬浮物。图8、图9是将污染物用扫描电镜进行能谱分析的结果。图阳膜污染物的元素分析图阴膜污染物的元素分析 由能谱分析可以看出，阳膜中的污染物的主要元素包括S、Al、Ca、Si，由此可以判断悬浮物污染物的主要成分硅酸盐；阴膜污染物的分析也可以得出同样的结论。不过，阴膜的污染程度明显高于阳膜。3.3污染膜的清洗本实验膜清洗采用了反冲洗、化学清洗与倒换电极法。1、反冲洗法每2小时用水清洗一次。

14、用水反冲洗的方法只是一定程度改善了膜污染的程度，膜的性能只得到部分的改善，效果有限。2、盐酸清洗法盐酸对膜内碳酸盐沉积物清洗效果比较好。但并不能清洗掉膜内所有沉淀物，这是因为膜内沉淀物中有不溶于盐酸的硅酸盐，这一部分不溶物吸附在膜孔内壁，使膜的孔道被堵塞。3、倒换电极法倒换电极法对膜内沉淀物清洗效果比较好。这是因为悬浮物一般带负电，在倒换电极后向相反的方向移动，在电场的作用下使原来吸附在阳膜上的一部分沉淀物溶解。4、膜表面原油和聚合物的清洗使用煤油复合剂对吸附在膜表面的原油和聚合物进行清洗，效果较显著，可使污染膜的分离效果恢复90%以上。四、结论本研究应用离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度，

15、以达到处理水回用的目的，通过现场试验，得出以下结论：1矿化度对聚合物溶液粘度影响很大，矿化度越低，溶液粘度越大。2离子交换膜分离降低含聚采油污水矿化度，使含聚污水用于配制聚合物循环使用，在技术上是可行的。 3本实验装置，当极水流量1m3/h，淡水流量5m3/h，浓水流量2m3/h，淡水产率为62.5%。能耗0.89kwh，操作电流86A。4、膜表面污染物主要是原油和聚合物，用煤油复合剂可有效将其清洗分离。5、膜内部污染物主要是硅酸盐、碳酸盐，通过酸洗及倒换电极可有效将其清除。五、参考文献：略附录资料：不需要的可以自行删除干挂石材施工工艺本项目主要柱为干挂石材，干挂石材缝隙采用密封胶；龙骨形式主

16、要规格型号有：石材立柱采用L50*5角钢，立柱与结构连接支座为14#槽钢，所有横梁均采用L40*4角钢，所有钢材表面热浸镀锌；石材面板采用挂件结构系统，局部采用后置背栓。主要做法如下：石材柱横剖节点石材柱横剖节点石材长短边连接方式二、石材幕墙的安装工艺流程： 石材幕墙施工流程图开工开工基准线移交复核基准线移交复核放线放线检查放线精度检查放线精度埋件检查埋件检查埋件校准补埋埋件校准补埋连接件安装连接件安装质量检查质量检查钢龙骨安装钢龙骨安装质量检查质量检查石材面板安装石材面板安装质量检查质量检查检查清扫检查清扫质量检查质量检查竣工交付竣工交付石材面板订购与干挂石材施工配合流程图放 线石材到货提石

17、材计划石材验收隐蔽验收放 线石材到货提石材计划石材验收隐蔽验收钢安装龙骨（钢材为热镀锌）钢安装龙骨（钢材为热镀锌）龙骨焊接处二次防锈处理（三遍刷漆）龙骨焊接处二次防锈处理（三遍刷漆）石材开槽加工（倒角、磨边）六面防护石材开槽加工（倒角、磨边）六面防护安装石材面板安装石材面板检查、注胶检查、注胶检查、清理、抛光、打蜡检查、清理、抛光、打蜡补眼补眼石材幕墙清洗石材幕墙清洗终 验终 验三、各施工程序详细说明1、连接件安装工艺及技术方案（1）连接件的作用都是为了将石材与主体结构连接起来，故连接件的安装质量将直接影响干挂的结构安装质量。（2）在安装前检查连接件是否符合要求，是否是合格品，热镀锌是否按标准

18、进行，开口槽是否符合产品标准。（3）寻准埋件。预埋件的作用就是将连接件固定，使幕墙结构与主体砼结构连接起来。故安装连接件时首先要寻找埋件，只有寻准了埋件才能很准确地安装连接件。（4）对照竖龙骨垂线。竖龙骨的中心线也是连接件的中心线，故在安装时要注意控制连接件的位置，其偏差小于2mm。（5）拉水平线控制水平高低及进深尺寸。虽然埋件已控制水平高度，但由于施工误差影响，安装连接件时仍要拉水平线控制其水平及进深的位置以保证连接件的安装准确无误。（6）点焊。在连接件三维空间定位确定准确后要进行连接件的临时固定即点焊。点焊时每个焊接面点2-3点，要保证连接件不会脱落。点焊时要两人同时进行，一人固定位置，另

19、一个点焊，这样协调施工同时两人都要做好各种防护；点焊人员必须是有焊工技术操作证者，以保证点焊的质量。（7）验收检查。对初步固定的连接件按层次逐个检查施工质量，主要检查三维空间误差，一定要将误差控制在误差范围内。三维空间误差工地施工控制范围为垂直误差小于2mm，水平误差小于2mm，进深误差小于3mm。（8）加焊正式固定。对验收合格的连接件进行固定，即正式烧焊，烧焊操作时要按照焊接的规格及操作规定进行，一般情况下连接的两边都必须满焊。（9）验收。对烧焊好的连接件，现场管理人员要对其进行逐个检查验收，对不合格处进行返工改进，直至达到要求为止。（10）防腐。连接件在车间加工时亦进行过防腐处理（镀锌防腐

20、），但由于焊接对防腐层的破坏故仍需进行防腐处理，具体处理方法如下：1）清理焊渣2）刷三遍防锈漆。3）刷三遍保护面漆，有防火有要求时要刷三遍防火漆。（11）连接件施工质量评定：1）三维方向的误差控制。2）连接件本身的翘曲、扭曲质量控制。3）焊缝的长度及焊缝质量。3）铁件防腐处理。2、竖龙骨安装工艺及技术方案干挂主框架用螺栓连接于连接铁件上，必须随时检查施工质量，平整度、垂直度偏差应符合规定。（1）竖龙骨安装精度要求高而占有极重要的地位。如果竖龙骨安装完，则整个工程进度都较易控制了，故此作业无论从技术上还是管理上都要分外重视。（2）竖龙骨安装一般由下而上进行，带芯套的一端朝上。第一根竖龙骨按悬垂构

21、件先固定上端，调正后固定下端；第二根竖龙骨将下端对准第一根竖龙骨上端的芯套用力将第二根竖龙骨套上，并保留15mm的伸缩缝，再吊线或对位安装梁上端，依此往上安装。（3）竖龙骨安装后，对照上步工序测量定位线，对三维方向进行初调，保持误差1mm，待基本安装完成后在下道工序再进行全面调整。（4）关键问题：1）竖龙骨选择型号、规格正确无误。2）螺栓安装避免出现死角，以保持螺栓孔的可调节性。3）选择恰当的安装顺序。4）注意材料安全（防损伤、防丢失），操作安全。5）注意使用热镀锌角码时不得忘记竖龙骨与角码之间的防腐处理。3、次龙骨安装工艺（1）工艺操作流程：施工准备检查各材料质量就位安装检查。主立挺安装完毕

22、，检查质量符合要求后，才可安装次龙骨，次龙骨采用角钢制作，采用螺栓与主龙骨连接。并应确保水平度偏差符合设计要求，位置调整达到安装精度要求后，方可进行焊接固定。焊缝处经清渣后涂刷三遍防锈漆。（2）基本操作说明：1）施工准备：在次龙骨安装前要做好的施工准备有：第一，资料准备。要熟悉图纸，不能将次龙骨装错；第二，材料准备。要准备好各种材料，清查各材料的规格数量是否符合要求，施工人员要有各次龙骨应在那儿就位的观点；第三，人员准备；第四，施工段现场的清理，由于有可能出现因排栅等原因次龙骨不能正常安装的情况，故在施工前要进行清理工作。2）检查各种材料质量：在安装前要对所使用的材料质量进行合格检查，包括检查

23、次龙骨是否已被破坏，冲口是否按要求冲口，同时所有冲口边是否有变形，是否有毛刺边等，如发现类似情况要将其清理后再进行安装。3）就位安装：次龙骨就位安装先找好位置，将次龙骨角码预置于次龙骨两端，再将次龙骨垫圈预置于次龙骨两端，用螺栓穿过次龙骨角码，垫圈及竖龙骨，逐渐收紧螺栓。4）检查：次龙骨安装完成后要对次龙骨进行检查，主要查以下几个内容：次龙骨的就位是否有错，次龙骨与竖龙骨接口是否吻合，次龙骨垫圈是否规范整齐，次龙骨是否水平，次龙骨外侧面是否与竖龙骨外侧面在同一平面上。4、石材板块安装工艺（1）根据测量结果结合板材加工图（倒角、磨边、六面防护）、施工图，对合格的石材进行安装前复查。（2）依据石材

24、编号-检查板材的色泽度，使同面的板材不要产生明显色差，最低限度要求，颜色逐渐过渡。将花岗岩放在阳光充足处，人在2米外观察，基本调和。天然花岗岩的色差级一般分为A、B、C三种，同一立面只能存在A、B两种或B、C两种，A与C绝不能在同一立面出现。（3）按图纸要求，用经纬仪打出大角两个面的竖向控制线，在大角上下两端固定挂线的角钢，用钢丝挂竖向控制线，并在控制线的上、下作出标记。（4）支底层板材托架，放置底层板板，调节并暂时固定。（5）固定螺栓，镶铝合金固定件，如果板材与平面线不平齐则调整微调螺栓，调整平齐，紧固螺栓，并将螺母用云石胶固定，防止螺母松动。（6）板间缝按设计尺寸留出。5、干挂石材工程质量

25、重点及关键点的技术保证措施（1）干挂结构强度及变形。干挂结构强度及变形是干挂产品质量的关键点。干挂石材作为建筑物的围护结构，首要一条是要满足其强度和变形，其次是满足功能使用性。所以，强度和变形性是干挂产品的重点和关键。应采取以下几个方面技术措施进行控制：1）竖料的强度和刚度要进行严格的结构计算，其干挂结构的组成件、竖料、板片、胶、连接件、预埋件、螺栓等必须满足规范要求。2）干挂所用材料的表面处理，也是影响干挂结构牢固性及耐久性的关键，所有碳钢表面必须进行符合设计和规范要求的热浸镀锌处理。3）为满足干挂产品的允许变形，干挂结构必须为悬挂结构，竖料间应留有一定的伸缩间隙，连接角码必须具有三维可调，在连接角码上开水平方向长条孔，孔距可调为50mm，在龙骨料竖直方向开50mm长条可调孔，满足结构的伸缩位移。（2）安装板材的防雷装置。竖向龙骨间用热镀锌圆钢焊接连接,避雷间