在油氣田的勘探、開采過程中將產生大量的含油廢水和污水，我國每年約有十幾億噸油田采出水需要處理，僅大慶油田平均每年油田采出水就高達5億噸。油田采出水除有少量外排外，大部分經處理后回注地層，這樣既解決了注水水源又保護了環境。但是，油田采出水中含有大量的乳化油（或烴類）、可溶性有機物、固體顆粒、無機離子、細菌等，用一般的物理法或化學方法很難將其分離，難以滿足排放水質和回注水的要求。特別是我國已開發的陸上油田中約占10%為低滲油田，在已探明儲量中有50%以上為低滲油田。低滲油田對回注水有更嚴格的要求，其中油含量要求小于5mg/L，懸浮物小于1mg/L。從環境保護和資源利用的角度出發，經濟、有效地處理含油污水直接關系到油田的可持續發展。

與傳統的分離技術相比，膜分離技術具有設備簡單、操作方便、分離效率高和節能等優點、是油田含油污水處理技術的重點發展方向之一。陶瓷膜是以陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等制成的不對稱分離膜，具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、無污染易清洗、結構穩定、孔徑分布窄、化學穩定性好、不易被微生物侵蝕、機械強度大及壽命長等優點。近年來，陶瓷膜在水處理中的應用研究愈來愈受到重視，并在很多過濾分離過程中得到成功應用。陶瓷膜處理油田含油污水是目前陶瓷膜應用中一個很有前景的方向，引起了國內外研究者的廣泛關注。但是，由于含油污水成分復雜，影響因素較多，再加上理論基礎不足，目前還主要處于實驗研究階段，未能實現大規模的工業應用。

本文從油田采出水和陶瓷膜的特點出發，介紹了陶瓷膜在油田采出水處理方面的應用，提出了面臨的主要問題及建議。

1 油田采出水的特點

油田采出水是指油田在采油的過程中隨原油一同采出的地層水。由于地層不同、采油過程不同，采出水的成分復雜多變，是一種以水為主體，含有一定量的油、硫化物、有機酚、氰、細菌、固體顆粒以及所投加的破乳劑、絮凝劑和殺菌劑等化學藥劑為一體的復雜混合物。總體來看，油田采出水一般都具有以下特點：

（1）礦化度高，高礦化度會加速腐蝕速度，同時給廢水生化處理造成困難。

（2）含大量結垢離子，采出水中含有HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Cr²⁺等結垢離子，容易在管道、容器中結垢。

（3）含油量高，高含油量的污水，回注容易堵塞地層，外排會造成油污染。

（4）含大量微生物，細菌大量繁殖不僅腐蝕管線，而且還造成地層嚴重堵塞。

（5）懸浮物含量高，顆粒細小，容易造成地層堵塞。

（6）有的還含高分子聚合物，使污水水質惡化，凈化難度加大。

面對成分復雜、難以處理的油田采出水，單一的某種傳統處理方法常常達不到要求。在實際應用中，通常將幾種方法組合起來，形成多級處理工藝。這就使含油廢水處理的造價高，操作復雜。隨著環境保護要求對油田廢水排放標準要求的提高，使得傳統的含油廢水處理方法的局限性日益突出。另外，采油傳統的油田含油污水處理方法并不能滿足對地滲透油層注水水質的要求。一方面造成大量污水無法回用，只能空注或排放；另一方面消耗大量的淡水來滿足注水的要求，而淡水性質與儲油層的不匹配會傷害底層，降低原油采收率。膜技術以其分離效率高、易操作、占地面積小、無需添加化學藥劑等優點，近十年來一直為含油廢水處理領域中的研究熱點，被認為是“21世紀的水處理技術”，是一種新興的綠色工業科技。

2 陶瓷膜處理油田采出水的原理

2.1 陶瓷膜的油水分離機理

起初用于水處理的膜是有機膜。陶瓷膜是在1996年才由日本的大日本印刷公司和東洋油墨公司開發引入市場的。陶瓷膜一經問世，就以其優異的特性獲得了廣泛的關注。

陶瓷膜也稱CT膜，是固態膜的一種，是經特殊工藝制備而成的非對稱膜，呈管狀或多通道狀。陶瓷膜管壁密布微孔，在壓力作用下，原料液在膜管內或膜外側流動，小分子物質（或液體）透過膜，大分子物質（或固體顆粒、液體液滴）被膜截留從而達到固液分離、濃縮和純化的目的。

一般認為，陶瓷膜是利用膜孔的篩分截留和親油膜面對油滴的破乳作用實現油田采出水的油水分離。油水分離膜的推動力主要是壓力差、分壓差、濃度差、電位差等。選擇性和通量是膜分離的重要技術指標。在膜分離過程中通量和選擇性往往是相互矛盾的，工程界所期待的膜是同時具有高通量、高選擇性的膜。當需要從流體中除去高分子、顆粒、低分子溶質等時，常用去除率表示選擇性。

常用于油水分離的微濾膜和超濾膜的膜分離機理一般以篩分原理為主，油粒的分離主要取決于膜孔徑的大小。但實際上油粒在壓力下的變形以及吸附、電荷等因素導致大直徑油粒通過小膜孔。這一現象可用膜分相原理來解釋。膜分相技術是利用多孔薄膜（分相膜）的親油性或親水性將液-液分散體系中的有機相（油相）和水相分開。當兩種液體互不相溶，且對同一種分相膜的親和力有一定的差別時，在一定的水力學和外力作用下，必有一種液體在膜的表面形成一定厚度的純液層，另一種液體在該純液層中的濃度形成梯度。在有分相的條件下，分相能力與分相產液的純度有一定的關系。分相能力越小，產液的濃度越高。膜分相技術具有常溫操作、無相變、不添加雜質、節省能源等優點，所面臨的問題是膜的污染有待解決。

實際上，篩分原理和膜分相原理都不能完善地表達實際分離過程中膜的傳質過程。膜的傳質機理一般認為由兩部分構成：膜內傳質和膜表面傳質。對油水乳液而言，膜內傳質比較符合孔模型的篩分原理。超濾和微濾基本上都是典型的篩分-過濾過程，在不考慮濃差極化時，將流體通過膜孔的流動看作毛細管內的層流。實際上，膜分離受表面濃差極化和凝膠層形成的影響。

2.2 陶瓷膜的優勢

在污水處理中，與有機膜相比，陶瓷膜具有熱穩定性好、剛性及機械強度大、化學穩定性好、抗微生物能力強、易清潔等優點。此外，還具有孔徑分布狹窄，使用壽命長等優點。因此可以在處理要求更高、使用場合更為苛刻的環境中使用。

在對油田采出水的處理中，陶瓷膜表現的尤為卓越。其優點主要表現在：

（1）材料具有親水憎油特性，有利于防止有機類物質的污染。

（2）抗微生物能力強，與一般的微生物不發生生化或化學作用。

（3）材料的化學穩定性好，清洗再生性好。

（4）機械強度高，耐沖刷，對使用和清洗條件的要求不高。

（5）出水水質好，水質穩定，完全能滿足低滲透油層注水水質的要求。

從目前國內外陶瓷膜研究應用的情況來看，陶瓷膜處理采出水的設備投資和運行成本較其他水處理方法也具有較明顯的優勢，這主要是由于陶瓷膜設備使用壽命長（一般三年到五年）、占地面積小、配套設施少等。

3 陶瓷膜處理油田采出水的應用

陶瓷膜處理油田采出水的研究始于美國在1991年開始的用于油田回注的采出水研究，并在路易斯安娜、墨西哥灣的海上及陸上油田進行了小規模生產試驗。該濾膜材質為具有不規則微孔的α-鋁礬土，由法國生產，商品名稱為Membralox。Alcoa公司的Chen等的試驗結果表明，采出水經預處理后，再經陶瓷膜橫向流微濾，處理效果十分明顯，濾后水中含油量可降至2～8.8mg/L，總懸浮固體含量可降至1mg/L以下，大于2μm的固體顆粒的去除率為99.2～100%。他們采用0.2～0.8μm陶瓷微濾膜在美國墨西哥灣采油平臺上進行試驗，在保持膜面流速2～3m/s，進口含油為28～583mg/L的情況下，出口含油降到所用方法能夠測到的極限值，固體懸浮物含量從73～290mg/L降低到1mg/L以下，采用恒流量方式中，過濾速率保持1600L/(m2·h)，依據操作條件的穩定程度，清洗周期為66～330h。這些早期的研究，為陶瓷膜處理油田采出水的工業性試驗奠定了基礎。

Simms等分別采用聚合物超濾膜和陶瓷微濾膜對加拿大西部油田采出水進行了實驗研究，在進口含油為125～1640mg/L，懸浮物含量為150～2290mg/L的條件下，前者過濾速率在50～90L/(m2·h)之間，過濾后水中含油小于20mg/L，后者采用0.8μm陶瓷微濾膜，通過預處理工藝和脈沖工藝，膜面流速保持在0.5～4m/s之間，運轉周期為24～73h，過濾速率可保持在200～500L/(m2·h)，濾過水含油＜20mg/L。

Buarki等在科威特的“Edena-1”試驗場采用微孔陶瓷膜對采出水進行了處理試驗。對分散油含量4800mg/L，油脂含量6000～500000L/(m2·h)的來水，經處理后可分別降至5mg/L和20～40mg/L，COD去除率為83%～89%。

Ebrahimi等采用陶瓷微濾膜和納濾膜兩級處理過程對油田采出水進行了處理。在跨膜壓差1bar，膜面流速0.6～1.3m/s，過濾速率3.1～3300L/(m2·h)，進水溫度60℃條件下，0.1μm微濾膜的通量5h后由初始的1150L/(m2·h)降到200L/(m2·h)，兩級處理后原油去除率達99%，TOC去除率達39%。此外，他們還通過陶瓷膜微濾、超濾和納濾膜多級處理過程使原油去除率和TOC去除率提高到99.5%和49%。

20世紀90年代后期，國內也有陶瓷膜用于處理油田注水的試驗報道。王懷林等人在實驗室研究了不同溫度、壓差膜面流速、孔徑等參數對陶瓷膜處理油田采出水時過濾特性的影響，針對膜處理中關鍵的膜污染問題，研究了延長過濾周期的幾種處理工藝，確定了一種較好的清洗方案。他們還通過對國產的和U.S.Filter的陶瓷微濾膜的對比研究發現，國內陶瓷微濾膜已達到國外同類膜的水平，且價格僅為國外的1/4～1/6。

江漢石油機械廠聯合撫順石化研究院共同利用U.S.Filter公司的0.8μm陶瓷膜過濾器，對遼河油田茨榆沱采油廠注水站砂濾罐的出口水進行了處理試驗研究。原水中油含量為20～50mg/L，固體懸浮物含量20～50mg/L，裝置進口流量為20gpm，出口流量為5gpm，經膜裝置處理后，水中懸浮物固體含量基本上小于1mg/L，顆粒直徑小于1μm，含油量小于3mg/L，可滿足特低滲透油田注水水質要求。

彭德強等利用美國進口的陶瓷膜過濾試驗裝置，對油田常規工藝處理后的采出水進行了深度處理試驗研究。原水中油含量20～50mg/L，固體懸浮物含量80～100mg/L，COD值180～250mg/L。經膜裝置處理后，水中油含量降到5mg/L以下，固體懸浮物含量降到1mg/L，COD值降到100mg/L，水中懸浮物粒徑小于1μm，試驗取得了滿意的效果。

徐曉東等采用陶瓷膜處理寶浪油田采出水，處理后的采出水完全能滿足寶浪油田注水水質要求。0.1μm膜處理后，濾出水中懸浮物含量平均值為0.417mg/L，粒徑中值小于1μm；0.2μm膜處理后，濾出水中懸浮物含量平均值為0.57mg/L，粒徑中值小于1.5μm；濾出水中油含量低于檢測限，膜清洗周期為85h。

徐俊等對大慶油田采油二廠聚南八污水處理站出水采用孔徑為0.1μm的ZrO₂陶瓷超濾膜進行了處理，通過選擇適宜的操作條件，使采出水中濁度、油和懸浮物的去除率分別達到97%，98%，94%以上，硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細菌（IB）、腐生菌（TGB）的去除率接近100%，滲透液濁度＜1NTU，原油含量和懸浮物由來水的12～25mg/L和13～26mg/L均下降到不足1mg/L，粒徑中值由原來的0.90～4.68μm變為未檢出。除部分點腐蝕外，超濾出水達到了油田低滲透層回注水質A1級要求。

羅楊等采用0.1μm的陶瓷膜對勝利油田東幸采油廠采油四礦油水聯合站的二次沉降污水進行處理，對膜污染和清洗進行了初步研究。結果表明，在膜處理過程中對污水采用曝氧方式過濾的效果要好于密閉方式。對懸浮物含量28.1mg/L，油含量22.7mg/L的來水經陶瓷膜曝氧處理后，兩個指標分別下降為0.77mg/L和0.11mg/L。對膜污染物的分析表明，主要堵塞物為Fe(OH)₃沉淀及原油。化學清洗不能做到對膜污染物的徹底清洗，有關工藝和方法有待進一步完善和提高。

4 問題及建議

從文獻資料和實際現場試驗結果看，陶瓷膜在處理油田采出水方面具有很好的效果，已得到了一定的應用和發展，其工業應用是可能的，但要實現大規模的工業應用還有一些迫切的問題需要解決，必須做進一步的基礎性和工程研究工作。

歸結起來，陶瓷膜處理油田采出水面臨的問題主要有以下兩點。

（1）設備投資成本大，運行費用高。降低裝置的一次性投資，通過工藝條件的優化設計和強化傳質過程，降低操作成本是當前實現陶瓷膜大規模應用的首要條件。

（2）膜的清洗再生方法。由于各油田的水質情況差別很大，同一地層不同時間段的水質也很不穩定，污染物的結構和成分也很復雜多變，必須針對具體對象開發合適的清洗方法。此外，通過預處理等方式，實現提高膜通量的運行穩定性、減少清洗的次數，避免對膜的清洗損傷也是十分關鍵的問題。

綜上，陶瓷膜處理采出水主要適用于必須進行注污水開發的低滲透或者特低滲透油藏的回注水處理，且是常規處理工藝難以達到處理要求或采用其他非常規處理工藝的處理費用比采用陶瓷膜更高的情況。陶瓷膜水處理工程的上馬必須面向對象，從小試做起，對適用性進行論證和優選，不能直接進行大規模的推廣應用，避免造成浪費。