氣水反沖洗工藝提高油田采出水過濾器再生效果

夏福軍任彥中隋向楠

（1．中國(guó)石油大慶油田工程有限公司；2．中國(guó)石油大慶油田工程建設(shè)有限公司建材公司）

氣水反沖洗工藝提高油田采出水過濾器再生效果

夏福軍1任彥中1隋向楠2

（1．中國(guó)石油大慶油田工程有限公司；2．中國(guó)石油大慶油田工程建設(shè)有限公司建材公司）

油田采出水中含有的聚合物容易導(dǎo)致顆粒濾料類過濾器中的濾料顆粒黏度升高、附著力增強(qiáng)，甚至形成板結(jié)塊和濾餅層，難以通過單一的反沖洗方式進(jìn)行再生。通過試驗(yàn)研究確定使用氣水反沖洗再生技術(shù)，可有效地解決目前油田實(shí)際生產(chǎn)中存在的顆粒濾料污染后再生困難的技術(shù)難題，提高過濾后的水質(zhì)，使濾后水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，適應(yīng)油田開發(fā)后期水質(zhì)發(fā)生變化的特點(diǎn)。

油田采出水；過濾器；濾料再生；氣水反沖洗

0 引 言

早期油田含油污水處理工藝中使用的顆粒濾料類過濾器，一直采用濾后水直接進(jìn)行過濾器濾料反沖洗再生的方式，該方式具有工藝流程簡(jiǎn)單、易于管理等優(yōu)點(diǎn)。但隨著油田開發(fā)進(jìn)入后期階段，油田采用聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)等三次采油開采方式后，由于采出水中含有聚合物，顆粒濾料在長(zhǎng)期運(yùn)行過濾后形成的污染層具有黏度高和附著力強(qiáng)的特點(diǎn)，采用單一的水反沖洗再生方式，很難將截留在濾料表面形成的包裹層的污油、雜質(zhì)及聚合物等成分沖洗掉，濾料無(wú)法得到有效恢復(fù)，從而使過濾截留性能降低；另外在過濾過程中，污染濾料因水中含有聚合物容易形成板結(jié)塊和濾餅層，在反沖洗時(shí)容易產(chǎn)生濾餅層的局部破裂，增大反沖洗強(qiáng)度，還容易造成墊料和濾料之間混層以及濾料流失等，不能使濾料得到徹底再生，進(jìn)而影響過濾后水質(zhì)的質(zhì)量。因此，需要顆粒濾料反沖洗再生技術(shù)，滿足油田開發(fā)后期水質(zhì)發(fā)生變化的特點(diǎn)，確保油田順利開發(fā)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1．1濾料污染試驗(yàn)

稱取三種顆粒濾料（石英砂、海綠石、磁鐵礦）各20 g裝入3個(gè)燒杯中，各加入20 g的原油，攪拌至全部成油顆粒濾料，然后用50～75℃自來水進(jìn)行相同時(shí)間的反復(fù)沖洗，直至肉眼看表面無(wú)污染現(xiàn)象。通過掃描電鏡放大100倍的照片可以看出，濾料表面存在許多熱水沖洗不掉的污染區(qū)塊，特別是磁鐵礦顆粒表面具有易于黏附雜質(zhì)的特性，這一特點(diǎn)對(duì)于過濾處理是有利的，但是對(duì)于反沖洗再生，一旦被污染后再生難度比較大。

將沖洗后的濾料烘干，各稱取10 g裝入3個(gè)脫水瓶，加入汽油，振蕩后取萃取液進(jìn)行分析，比較3種濾料再生程度。結(jié)果分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 濾料再生程度對(duì)比分析數(shù)據(jù)

3種新顆粒濾料被原油污染后熱水也不能徹底沖洗干凈。石英砂再生程度最高，海綠石其次，磁鐵礦的再生難度最大。

1．2濾料再生試驗(yàn)

1．2．1再生試驗(yàn)裝置及參數(shù)

表2 試驗(yàn)濾料和墊料名稱、規(guī)格及填裝高度

室內(nèi)試驗(yàn)采用Φ200 mm有機(jī)玻璃柱裝填顆粒濾料進(jìn)行濾料再生試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用的濾料和墊層［1-3］名稱、規(guī)格及填裝高度見表2。再生試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)有兩套管路系統(tǒng)，可以分別實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、進(jìn)水，并在試驗(yàn)裝置內(nèi)分布后進(jìn)行混合反沖洗再生。

再生試驗(yàn)時(shí)水溫40℃，再生時(shí)間為10 min。再生后取濾料中間部位350 mm處的濾料分析剩余含油量。

1．2．2試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

1．2．2．1單獨(dú)水反沖洗再生試驗(yàn)

進(jìn)行不同強(qiáng)度單獨(dú)水反沖洗再生試驗(yàn)后，水溫40℃濾料表面含油去除率結(jié)果見圖1。

圖1 不同水反沖洗強(qiáng)度濾料再生數(shù)據(jù)

從圖1中可以看出：當(dāng)水反沖洗強(qiáng)度達(dá)到14 L／（s·m2）時(shí)，油去除率最高為68．42%，測(cè)得濾料剩余含油量為2．47 mg／L；隨著反沖洗強(qiáng)度的增加，油去除率不斷降低。主要原因是由于反沖洗強(qiáng)度增大，濾料膨脹率增加，濾料顆粒之間的摩擦作用減弱，導(dǎo)致油的去除率降低。

1．2．2．2先氣后水單獨(dú)反沖洗再生試驗(yàn)

先氣后水單獨(dú)反沖洗再生，可以在氣洗時(shí)先使用反沖洗進(jìn)水管線進(jìn)氣反沖洗再生，工藝操作簡(jiǎn)單，過濾器內(nèi)部，與單獨(dú)水反沖洗一樣，不用另外考慮布?xì)夥绞健为?dú)氣洗的作用是氣體進(jìn)行污染濾料的污染物剝離，后面的水反沖洗只起清洗作用［2，4-6］。水溫40℃先氣后水單獨(dú)反沖洗再生試驗(yàn)再生后濾料分析數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 不同氣反沖洗強(qiáng)度濾料再生數(shù)據(jù)

從圖2中可看出：當(dāng)氣反沖洗強(qiáng)度為20 L／（s·m2）時(shí)，油的去除率最高達(dá)到96．36%；當(dāng)大于20 L／（s·m2）時(shí)，隨著強(qiáng)度的增加油去除率逐漸減小。

1．2．2．3氣、水混合反沖洗再生試驗(yàn)

氣、水管路混合反沖洗再生時(shí)，氣水在反沖洗進(jìn)水管線上進(jìn)行匯合，混合后一同進(jìn)入過濾器內(nèi)進(jìn)行氣、水混合反沖洗再生；過濾器內(nèi)分別布?xì)?、布水后混合反沖洗再生，必須在過濾器內(nèi)分別有各自單獨(dú)的布?xì)庀到y(tǒng)和布水系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)過濾器內(nèi)單獨(dú)布?xì)夂蛦为?dú)布水，然后一同進(jìn)行氣、水混合反沖洗再生功能。

水溫40℃、不同氣、水反沖洗強(qiáng)度過濾器內(nèi)混合濾料再生數(shù)據(jù)曲線見圖3。

圖3 不同氣、水反沖洗強(qiáng)度過濾器內(nèi)混合濾料再生數(shù)據(jù)曲線

從圖3中可看出：氣、水在過濾器內(nèi)分別分布后再混合反沖洗再生的去除率都在90%以上，再生效率在94%左右。主要是由于在氣、水混合反沖洗過程中，在氣、水洗同時(shí)作用下的小強(qiáng)度水洗，強(qiáng)化了濾料的流化摩擦作用，并將摩擦下來的污染物及時(shí)帶走，因此，氣、水混合同時(shí)反沖洗的去除率較高。氣反沖洗強(qiáng)度18 L／（s·m2）和水反沖洗強(qiáng)度4 L／（s·m2）是墊層和濾料混層的臨界點(diǎn)，超過這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)濾料加大。

2 現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)

2．1試驗(yàn)工藝流程

依托室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，在三元217污水試驗(yàn)站開展了采用單獨(dú)水反沖洗和氣水反沖洗再生三元復(fù)合驅(qū)采出水處理顆粒濾料效果中型現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)使用兩組和兩級(jí)顆粒濾料過濾器，均采用Φ200 mm有機(jī)玻璃，其工藝流程見圖4。試驗(yàn)期間三元217污水試驗(yàn)站的三元驅(qū)油劑含量較高且呈上升狀態(tài)，分析數(shù)據(jù)見表3。

2．2反沖洗技術(shù)參數(shù)

兩組顆粒濾料過濾器是在濾料級(jí)配相同、試驗(yàn)條件相同（相同進(jìn)水、相同濾速）條件下開展對(duì)比試驗(yàn)。水反沖洗一次過濾器采用反沖洗再生強(qiáng)度16 L／（s·m2），二次過濾器采用反沖洗再生強(qiáng)度13 L／（s·m2）；氣水在過濾器內(nèi)混合反沖洗采用的是氣反沖洗再生強(qiáng)度16 L／（s·m2）和水反沖洗再生強(qiáng)度3 L／（s·m2）。

圖4 對(duì)比試驗(yàn)工藝流程

表3 三元217污水試驗(yàn)站三元驅(qū)油劑含量分析 mg／L

2．3結(jié)果與分析

2．3．1外觀現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)反沖洗排水回收水箱表面有浮油，單獨(dú)水反沖洗排水時(shí)在水箱表面有一些零星浮油，而在氣水反沖洗過濾器的反沖洗排水時(shí)水箱表面有一層厚厚的浮油。這說明經(jīng)氣水反沖洗后，濾料在同樣污染程度下，氣水反沖洗的污油脫落量高于單獨(dú)水洗的污油脫落量，因此，氣水反沖洗的再生效果好于單獨(dú)水反沖洗。

2．3．2反沖洗排水水質(zhì)分析

在對(duì)比試驗(yàn)過程中，對(duì)單獨(dú)水反沖洗過濾器和氣水混合反沖洗過濾器的反沖洗排水進(jìn)行了取樣分析和觀察。反沖洗排水水質(zhì)分析對(duì)比數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

2．3．3污染濾料分析

先后兩次對(duì)兩種不同反沖洗再生方式的一級(jí)過濾器開罐，取不同層位濾料進(jìn)行含油量分析，來檢查濾料污染程度，分析數(shù)據(jù)見表4。

圖5 反沖洗過程中排水含油量變化對(duì)比

圖6 反沖洗過程中累計(jì)排出油量變化對(duì)比

表4 第一次濾料表面含油量分析數(shù)據(jù) mg／g

從表4可看出，單獨(dú)水反沖洗過濾器內(nèi)上層濾料殘余含油量是氣水反沖洗17倍，中層是22倍，下層是23倍。由此可以得出：采用氣水反沖洗后濾料表面殘余含油量明顯小于單獨(dú)水反沖洗，氣水反沖洗的再生能力明顯優(yōu)于單獨(dú)水反沖洗，可達(dá)到徹底再生的目的。

試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行36 d以后，進(jìn)行了第二次開罐取濾料分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單獨(dú)水反沖洗的一級(jí)過濾器濾料的下層和二級(jí)過濾器濾料的上層已經(jīng)明顯看到有污油存在。

表5 第二次濾料表面含油量分析數(shù)據(jù) mg／g

由表5數(shù)據(jù)分析可看出：隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，單獨(dú)水反沖洗過濾器再生效果差的影響開始體現(xiàn)出來，具體表現(xiàn)為開始出現(xiàn)濾料污染穿透現(xiàn)象。二級(jí)過濾器內(nèi)的上層濾料單獨(dú)水反沖洗以后的殘余含油量是氣水反沖洗的56倍，濾料污染開始進(jìn)入加速階段。

2．3．4濾料板結(jié)現(xiàn)象

在隨后的開罐取濾料過程中發(fā)現(xiàn)單獨(dú)水反沖洗一級(jí)過濾器的上部和下部濾層中有板結(jié)塊形成，而氣水反沖洗沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

單獨(dú)水反沖洗過濾器在濾前水水溫30～33℃，反沖洗水水溫在20～30℃的低溫試驗(yàn)條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)有大量板結(jié)塊生成，說明長(zhǎng)期低溫水過濾和長(zhǎng)期低溫水反沖洗對(duì)顆粒濾料過濾器的影響很大。

氣水反沖洗過濾器由于是在氣體上升時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)力摩擦作用，顆粒濾料上黏附的雜質(zhì)和污染物被剝落去除，再生恢復(fù)出顆粒濾料的干凈表面。因此氣水反沖洗即使在長(zhǎng)期低溫水過濾和低溫水反沖洗的工藝條件下也不會(huì)出現(xiàn)濾料板結(jié)現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

◆無(wú)論是先氣后水單獨(dú)反沖洗再生，還是氣、水管路混合反沖洗，以及過濾器內(nèi)分別布?xì)?、布水混合反沖洗再生，其再生效果均大大優(yōu)于單獨(dú)水反沖洗再生。在反洗水低溫條件下，單獨(dú)水反沖洗除油效率最高只能達(dá)到氣水反沖洗除油效率的73．2%。

◆氣水反沖洗的作用主要是在氣流作用下顆粒之間的強(qiáng)烈沖撞和摩擦，能夠?qū)㈩w粒濾料上黏附的雜質(zhì)和污染物剝落下來，起到關(guān)鍵的摩擦作用，而后段的水沖洗只是起到漂洗作用。

◆三元復(fù)合驅(qū)采出水在三元驅(qū)油劑含量較大時(shí)，單獨(dú)水反沖洗的水力剪切作用和摩擦作用相對(duì)較弱，單獨(dú)水反沖洗只是將濾料層吸附的部分油污和雜質(zhì)沖下來，對(duì)于已經(jīng)黏附到濾料上的油污和雜質(zhì)基本沒有再生作用。

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1005-3158（2014）04-0042-04

2013-05-29）

（編輯 李娟）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．014

夏福軍，1987年畢業(yè)于揚(yáng)州工學(xué)院，高級(jí)工程師，現(xiàn)在中國(guó)石油大慶油田工程有限公司水處理與油田化學(xué)研究室從事油田含油污水處理工作。通信地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)大慶油田工程有限公司水處理與油田化學(xué)研究室，163712