含聚污水壓力式深度過濾工藝模式構(gòu)建及優(yōu)化

張宏奇，婁玉華，王志華，于雪瑩

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江大慶163113；2.大慶油田工程有限公司，黑龍江大慶163072；3.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院/黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318；4.大慶油田有限責(zé)任公司博士后科研工作站，黑龍江大慶163458）

作為世界上最大規(guī)模的三次采油基地，大慶油田自實(shí)現(xiàn)聚合物驅(qū)工業(yè)化以來，含聚合物采出水（含聚污水）含水量所占的比重在逐年增多，按照目前長(zhǎng)垣主力區(qū)塊平均綜合含水率94%來計(jì)，大慶油田產(chǎn)出含聚污水量每年已超億立方米，且其規(guī)模隨著油田含水率的持續(xù)上升和化學(xué)驅(qū)三次采油在二、三類油層中的工業(yè)化推廣應(yīng)用仍在持續(xù)增大［1?5］。含聚污水的最低聚合物質(zhì)量濃度界限在大慶油田的開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐中被界定為 20 mg/L［6?7］。普通“兩段式”處理，即兩級(jí)沉降、一級(jí)過濾，是油田地面系統(tǒng)處理含聚污水以達(dá)到含油、懸浮物均小于20 mg/L指標(biāo)的基本工藝，也是基本滿足油田開發(fā)生產(chǎn)的需要［8?12］。然而，在油田綜合含水率攀升及多元化注采方式探索應(yīng)用的背景下，注采平衡的油藏開發(fā)理論和方案決定了含聚污水在地面系統(tǒng)中存在過剩。與此同時(shí)，二、三類油藏開發(fā)及化學(xué)驅(qū)技術(shù)實(shí)施面臨清水資源寶貴、深度處理污水水源短缺的問題，為含聚污水進(jìn)行深度處理，實(shí)現(xiàn)包括回注、混配稀釋聚合物溶液在內(nèi)的多方式回用成為可能。因此，以探索含聚污水處理提效及其作為潛在深度水源的途徑為目標(biāo)，從壓力式過濾器濾料層級(jí)配填設(shè)出發(fā)，綜合油珠、懸浮物粒子聚集分布特征及過濾后水質(zhì)的含油、懸浮物指標(biāo)，同時(shí)考慮含聚污水過濾運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)濾料層孔隙率的依賴，優(yōu)化構(gòu)建適用于含聚污水經(jīng)普通處理工藝后再次進(jìn)行深度過濾處理的工藝模式，為應(yīng)對(duì)油田化學(xué)驅(qū)三次采油開發(fā)中清水資源寶貴和深度處理污水量不足這一矛盾提供一種方法和依據(jù)。

1 模型建立

1.1 物理模型

結(jié)合水驅(qū)污水深度過濾處理的運(yùn)行實(shí)踐，設(shè)計(jì)含聚污水經(jīng)普通處理工藝后進(jìn)行兩級(jí)深度過濾的模式，具體工藝模式構(gòu)建及基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1 含聚污水深度過濾工藝運(yùn)行模式構(gòu)建參數(shù)Table 1 Parameters of advanced filtration process patterns for polymer flooding produced water

考慮濾料層級(jí)配填設(shè)在穩(wěn)定過濾流場(chǎng)和改善過濾性能方面具有的優(yōu)勢(shì)，一級(jí)過濾器和二級(jí)過濾器過濾層濾料的填設(shè)均采用級(jí)配方式，兩級(jí)過濾器的結(jié)構(gòu)尺寸相同，且均以油田常用直徑4 m規(guī)格的過濾器為原型，雙層級(jí)配濾料填設(shè)和三層級(jí)配濾料填設(shè)過濾器的簡(jiǎn)化二維物理模型如圖1所示，過濾器的基本結(jié)構(gòu)尺寸與作者前期就采出水壓力式過濾器布水工藝優(yōu)化的研究相同［13］。

對(duì)于各過濾工藝模式，實(shí)現(xiàn)均勻布水的普通處理后，來水先進(jìn)入到一級(jí)過濾器，經(jīng)由總厚度為1 000 mm的濾料層和700 mm的墊料層，其底部集水口的出水通過Φ377 mm的管路匯入二級(jí)過濾器，作為二級(jí)過濾器的來水，在二級(jí)過濾器中同樣實(shí)現(xiàn)均勻布水，經(jīng)由總厚度為1 000 mm的濾料層和700 mm的墊料層，之后，底部集水口出水便作為相應(yīng)過濾工藝運(yùn)行模式下的深度濾后水質(zhì)。

圖1 級(jí)配填設(shè)模式過濾器的簡(jiǎn)化物理模型Fig.1 Schematic illustration of filters with graded?media patterns

1.2 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)過濾器粒料層區(qū)域的基本特征及呈湍流流態(tài)的過濾過程，對(duì)于上述模型的數(shù)值計(jì)算，其湍流模型依然采用標(biāo)準(zhǔn)的 k?ε模型[14?16]，質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程則分別表示為：

式中，u為來水在x方向的速度，m/s；v為來水在y方向的速度，m/s；ρ為來水的密度，kg/m3；μ為來水的動(dòng)力黏度,Pa·s；Sm為源項(xiàng)，Su=0、Sv=-ρg。

數(shù)值計(jì)算中作如下假設(shè)：

（1）過濾器入口來水可實(shí)現(xiàn)在濾料層的均勻布水。

（2）在過濾分離過程中，忽略含聚污水密度的變化，將含聚污水視為不可壓縮流體。

（3）假定粒料層各向同性。

（4）在過濾分離過程中，假定含聚污水水質(zhì)溫度恒定。

2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算參數(shù)

2.1 網(wǎng)格剖分

鑒于復(fù)雜模型中，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格所具有的較強(qiáng)適應(yīng)性［17］。利用Gambit生成級(jí)配填設(shè)模式過濾器物理模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分中，對(duì)濾料層區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行適度加密，以更充分地再現(xiàn)過濾流場(chǎng)的分布與演變特征，如圖2所示。

2.2 邊界條件

模擬計(jì)算中，根據(jù)含聚污水壓力式過濾實(shí)際特征，在上述建立二維物理模型的壁面邊界考慮黏性影響，壁面為靜止?fàn)顟B(tài)；來水給定入口速度，出口邊界采用自由出口；級(jí)配填設(shè)濾料層和墊料層構(gòu)成的濾床區(qū)域按多孔介質(zhì)處理，多相流模型選擇DPM模型［18?19］。其中，對(duì)于過濾流場(chǎng)特征量的計(jì)算采用有限體積法進(jìn)行離散。

圖2 級(jí)配填設(shè)模式過濾器的網(wǎng)格剖分Fig.2 Mesh of filters with graded?media patterns

2.3 計(jì)算參數(shù)

以含聚質(zhì)量濃度150 mg/L、處理量100 m3/h的典型運(yùn)行工況進(jìn)行模擬計(jì)算，其中，一級(jí)過濾來水的含油量、懸浮物含量參數(shù)按照含聚污水普通處理工藝水質(zhì)指標(biāo)界限進(jìn)行取值［2,7,20］，二級(jí)過濾來水水質(zhì)特性參數(shù)則為一級(jí)過濾后出水的實(shí)際水質(zhì)參數(shù)，具體模擬計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters of calculation

3 工藝模式對(duì)過濾層中粒子聚集分布的影響

在過濾過程中，含聚污水中的油珠粒子、懸浮物粒子受流場(chǎng)分布、演變規(guī)律及粒料截污性能的影響而在濾床中呈一定特征聚集、分布。因此，數(shù)值計(jì)算過程中，對(duì)于不同的過濾工藝模式，均在含聚污水過濾運(yùn)行穩(wěn)定后，提取過濾流場(chǎng)中的油珠粒子及懸浮物粒子，建立兩種粒子的聚集分布特征云圖，再現(xiàn)不同過濾工藝模式下過濾流場(chǎng)的分布與演變特征。

3.1 “雙層級(jí)配濾料+雙層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式

“雙層級(jí)配濾料+雙層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式過濾含聚污水運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的油珠、懸浮物粒子聚集分布如圖3所示，云圖中的彩色區(qū)域表示任意一種粒子的聚集分布特征，而區(qū)域顏色差異反映相應(yīng)粒子在過濾流場(chǎng)中的分布濃度，揭示粒子在濾層區(qū)域的聚集分布密度。

圖3 “雙+雙”模式過濾時(shí)油珠及懸浮物粒子聚集分布Fig.3 Distribution of oil droplets and suspended soli?particles in filtration process pattern with'double+double'

由圖3可以看出，兩種粒子分別在一級(jí)過濾器和二級(jí)過濾器中的聚集分布均勻性與聚集分布密度相當(dāng)，表明增加相同濾料填設(shè)模式的二級(jí)過濾仍可進(jìn)一步發(fā)揮截污作用，提升含聚污水過濾性能，同時(shí)，也揭示出整體過濾流場(chǎng)穩(wěn)定、濾層截污能力均衡。由于含聚污水中乳化油和膠體懸浮物的相互依存性，在任一級(jí)過濾器濾層區(qū)域，油珠粒子和懸浮物粒子的聚集分布特征具有相似性。

3.2 “雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式

“雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式過濾含聚污水運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的油珠、懸浮物粒子聚集分布如圖4所示，云圖中的彩色區(qū)域及區(qū)域顏色差異同圖3。

圖4 “雙+三”模式過濾時(shí)油珠及懸浮物粒子聚集分布Fig.4 Distribution of oil droplets and suspended solid particles in filtration process pattern with'double+three'

由圖4可以看出，與一級(jí)過濾器中粒子聚集分布特征相比，在二級(jí)過濾器中，濾層區(qū)域油珠粒子及懸浮物粒子均向更大分布密度的聚集特征演變，且呈現(xiàn)明顯的“分層”現(xiàn)象，表明二級(jí)過濾充分依靠水力作用和界面作用進(jìn)一步發(fā)揮液液、固液分離的潛力，小粒徑粒子能被所級(jí)配填設(shè)更低孔隙率的濾料層進(jìn)一步截留，尤其在懸浮物粒子的聚集分布特征中體現(xiàn)得更為明顯，從而必然使含聚污水的過濾性能改善。

3.3 “三層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式

“三層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式過濾含聚污水運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的油珠、懸浮物粒子聚集分布如圖5所示，云圖中的彩色區(qū)域及區(qū)域顏色差異同圖3。

由圖5可以看出，由于每一級(jí)過濾器的濾料填設(shè)模式相同，油珠粒子、懸浮物粒子在兩級(jí)過濾器中的聚集分布特征相當(dāng)，均呈現(xiàn)“分層”現(xiàn)象，特別是二級(jí)過濾器，其更低孔隙率濾料層部位分布有在前兩種工藝模式過濾器中鮮見的低聚集密度分散粒子，表明此兩級(jí)過濾模式發(fā)揮更徹底而有效的粒子截留與水質(zhì)凈化。

圖5 “三+三”模式過濾時(shí)油珠及懸浮物粒子聚集分布Fig.5 Distribution of oil droplets and suspended solid particles in filtration process pattern with'three+three'

4 工藝模式對(duì)水質(zhì)過濾處理效果的影響

過濾器濾層任一流場(chǎng)區(qū)域位置處的含油與懸浮物含量可通過數(shù)值計(jì)算來追蹤該區(qū)域位置處油珠粒子與懸浮物粒子的體積分?jǐn)?shù)而求解。在運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在距離一級(jí)、二級(jí)過濾器底部0.6 m，即一級(jí)、二級(jí)過濾器模型濾床以下0.5 m的集水空間位置取截面，追蹤提取該界面徑向上油珠粒子、懸浮物粒子分布的體積分?jǐn)?shù)，作為相應(yīng)濾后出水的水質(zhì)特性參數(shù)，進(jìn)而建立含油質(zhì)量濃度、含懸浮物質(zhì)量濃度在不同過濾工藝模式一級(jí)、二級(jí)過濾器徑向位置上的分布特征，并綜合水質(zhì)穩(wěn)定性及含油、懸浮物去除率評(píng)價(jià)深度過濾處理效果。

4.1 “雙層級(jí)配濾料+雙層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式

含聚污水在“雙層級(jí)配濾料+雙層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式下深度過濾出水的水質(zhì)含油和懸浮物質(zhì)量濃度特征如圖6所示。由圖6可以看出，相比于一級(jí)過濾出水截面水質(zhì)含油質(zhì)量濃度分布在1.0~10.3 mg/L，二級(jí)過濾出水截面水質(zhì)含油質(zhì)量濃度分布相對(duì)較為集中，水質(zhì)均一性和穩(wěn)定性提高，含油質(zhì)量濃度在1.0~6.0 mg/L，出水平均含油質(zhì)量濃度下降到4.02 mg/L。同樣，出水截面水質(zhì)含懸浮物質(zhì)量濃度的分布從一級(jí)過濾后的2.0~11.0 mg/L集中到1.5~6.5 mg/L，此工藝模式過濾后出水平均含懸浮物質(zhì)量濃度4.23 mg/L。

圖6 “雙+雙”工藝模式過濾出水水質(zhì)特性Fig.6 Quality characteristics of filtered water with'double+double'

4.2 “雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式

含聚污水在“雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式下深度過濾出水的水質(zhì)含油、含懸浮物特征如圖7所示。由圖7可看出，二級(jí)過濾出水截面水質(zhì)的均一性進(jìn)一步提高，徑向上靠近過濾器壁面區(qū)域也未呈現(xiàn)水質(zhì)不穩(wěn)定的特征，二級(jí)過濾出水截面水質(zhì)的含油質(zhì)量濃度集中分布在0.1~5.0 mg/L，濾后水平均含油質(zhì)量濃度達(dá)到2.44 mg/L；懸浮物含量為“痕跡”的追蹤統(tǒng)計(jì)點(diǎn)增多，這也與相應(yīng)過濾層中油珠、懸浮物粒子的聚集分布特征（見圖4）及其“分層”現(xiàn)象相吻合，經(jīng)一級(jí)過濾后，二級(jí)過濾出水截面水質(zhì)的含懸浮物質(zhì)量濃度分布集中在0~5.5 mg/L，出水平均含懸浮物質(zhì)量濃度為2.58 mg/L。

4.3 “三層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式

含聚污水在“三層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式下深度過濾出水的水質(zhì)含油、含懸浮物特征如圖8所示。由圖8可以看出，在三層級(jí)配濾料過濾器一級(jí)過濾后，出水截面水質(zhì)含油質(zhì)量濃度集中分布在2.0~7.5 mg/L，含懸浮物質(zhì)量濃度集中分布在2.0~9.0 mg/L，在三層級(jí)配濾料過濾器二級(jí)過濾后，出水截面水質(zhì)含油質(zhì)量濃度集中分布在0.1~5.0 mg/L，含懸浮物質(zhì)量濃度集中分布在0~5.0 mg/L，濾后水平均含油質(zhì)量濃度和含懸浮物質(zhì)量濃度分別進(jìn)一步下降到2.14 mg/L和2.43 mg/L，出水水質(zhì)的均一性與穩(wěn)定性改善，出水水質(zhì)特性與“雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”兩級(jí)過濾模式相近。

圖7 “雙+三”工藝模式過濾出水水質(zhì)特性Fig.7 Quality characteristics of filtered water with'double+three'

為了進(jìn)一步定量衡量不同過濾工藝模式含聚污水的深度處理效果，按式（3）計(jì)算各工藝模式兩級(jí)過濾中含聚污水的除油率和懸浮物去除率：

式中,η為油珠粒子（或懸浮物粒子）的去除率；ρ為油珠粒子（或懸浮物粒子）的密度，kg/m3；Vfi為近過濾器出水口截面徑向任一位置處油珠粒子（或懸浮物粒子）的體積分?jǐn)?shù)；i表示近過濾器出水口截面徑向上油珠粒子（或懸浮物粒子）的個(gè)數(shù)。

圖8 “三+三”工藝模式過濾出水水質(zhì)特性Fig.8 Quality characteristics of filtered water with'three+three'

表3為不同過濾工藝模式下含聚污水的深度處理效果。

表3 不同過濾工藝模式下含聚污水的深度處理效果Table 3 Advanced treatment effect of polymer-flooding produced water in different filtration process patterns %

由表3可知，三種工藝模式下，“雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”工藝模式較“雙層級(jí)配濾料+雙層級(jí)配濾料”工藝模式的除油率和懸浮物去除率高出近10%，且含聚污水的綜合除油率和懸浮物去除率達(dá)到85%以上，深度過濾后水質(zhì)含油、懸浮物指標(biāo)均控制在5 mg/L以內(nèi)。因此，對(duì)于經(jīng)普通處理后含聚污水的進(jìn)一步深度處理，“雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”是一種潛在的可利用過濾工藝模式。

5 結(jié) 論

（1）對(duì)普通處理后的含聚污水進(jìn)行兩級(jí)深度過濾可依靠水力、界面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步截污，低濃度、小粒徑油珠、懸浮物粒子能在兩級(jí)過濾器的不同孔隙率濾料層中被大幅截留、分離，再現(xiàn)穩(wěn)定的過濾性能而獲取深度處理水源。

（2）“雙層級(jí)配濾料+三層級(jí)配濾料”工藝模式兩級(jí)過濾含聚污水的綜合除油率和懸浮物去除率分別能達(dá)到87.78%和87.11%，濾后水質(zhì)的含油、懸浮物指標(biāo)均可控制在5 mg/L以內(nèi)，是含聚污水經(jīng)普通處理后進(jìn)一步進(jìn)行深度處理的潛在過濾工藝模式。