濾料粒徑優(yōu)化對(duì)海上油田生產(chǎn)污水水質(zhì)控制的探索研究與應(yīng)用

杜 虹 ，高樂旭，曾清平

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津300452；2.西南石油大學(xué)，四川成都610500)

0 引 言

油田注水中的懸浮物進(jìn)入巖石孔隙內(nèi)部，堵塞孔喉形成深部損害，粒徑相對(duì)較大的物質(zhì)在巖石表面和淺表部位附著、橋堵，降低巖石表層滲透率，因此有效控制注水懸浮物指標(biāo)至關(guān)重要[1]。我國(guó)各油田的生產(chǎn)污水回注處理中，以核桃殼過濾工藝應(yīng)用最為廣泛，成為油田污水過濾處理技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

近年來，人們對(duì)油田污水核桃殼過濾反洗再生方面進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)過濾機(jī)理研究很少，特別是濾料粒徑對(duì)過濾的影響方面研究幾乎為空白[2]。油田現(xiàn)場(chǎng)多以提高濾料更換頻次來應(yīng)對(duì)因?yàn)V料臟堵帶來的水質(zhì)指標(biāo)下降的問題。本文基于過濾機(jī)理，闡述了濾料粒徑與濾層參數(shù)的關(guān)系，同時(shí)提出優(yōu)化方案并在海上礦場(chǎng)實(shí)施中取得了良好的效果。

1 過濾機(jī)理研究

1.1 濾料粒徑與濾層各參數(shù)的關(guān)系

目前，海上油田多采用均粒徑濾層進(jìn)行過濾。根據(jù)過濾機(jī)理，懸浮顆粒要被濾層截留，必須與濾料表面接觸。懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數(shù)越多，被濾層截留的可能性越大，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)污水流程水質(zhì)控制越有利。假設(shè)某一懸浮物顆粒穿過濾層而不被截留，將其與濾料顆粒所有的接觸次數(shù)稱為 n，則濾層的比表面積越大n越大，濾層的孔隙尺寸越小n越大。

1.1.1 濾料粒徑與濾層孔隙尺寸

假定濾料顆粒為球形，濾層的孔隙可以看作是由很多相互連通的孔構(gòu)成。如果把孔按照長(zhǎng)度和體積不變的原則換算成等截面的圓形孔，其直徑稱作孔隙的當(dāng)量直徑記為 de，清潔濾層的孔隙當(dāng)量尺寸記為de0，則 de0與濾料粒徑d成正比關(guān)系，即

式中:k為比例系數(shù)，無量綱；de0為清潔濾層孔隙當(dāng)量尺寸，×10-3m；d為濾料粒徑，×10-3m。

1.1.2 濾料粒徑與濾層濾料的總表面積

假設(shè)濾層的體積為V，則有

式中:A為濾料總比表面積，m2；V為濾層體積，m3；Vp為孔隙體積，m3；Vs為單個(gè)濾料顆粒體積，m3；as為單個(gè)濾料顆粒體積，m3；n為濾料顆?？倲?shù)；m0為清潔濾層孔隙率，濾層孔隙率與粒徑無關(guān)，與排列方式有關(guān)，一般為42%。

基于以上分析，濾料粒徑越小，則懸浮顆粒穿越濾層可能的接觸次數(shù)越高，截流可能性越大，對(duì)于生產(chǎn)污水水質(zhì)控制越有利。

1.2 濾料粒徑對(duì)過濾過程的影響

濾料粒徑越小對(duì)生產(chǎn)污水水質(zhì)控制有利，但有可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快，濾層納污量低，造成過濾周期短、濾速低等問題。

1.2.1 濾料粒徑對(duì)水力參數(shù)的影響

假定過濾器中濾料孔隙率不變，濾速不變，則水流剪力的大小和濾層孔隙當(dāng)量直徑的乘積成反比，可簡(jiǎn)化表示為[3]:

式中:τ為水流剪力，N；k1為系數(shù)，無量綱；μ為水的動(dòng)力黏度，Pa·s；m 為濾層孔隙率，百分?jǐn)?shù)(無量綱)；ν為空床流速，m/s。

據(jù)以上可知，當(dāng)濾料顆粒尺寸較小，濾層的水流剪力大。值得注意的是，當(dāng)正常過濾時(shí)產(chǎn)生的水流剪力超過了被吸附的懸浮物從濾料表面脫附時(shí)的水流剪力時(shí)，將使過濾失效。同理，如果濾料的顆粒尺寸較小，清潔濾層的水流剪力大，并且隨著過濾的進(jìn)行，水流剪力增加得也會(huì)非?？臁?/p>

濾層的水力損失可簡(jiǎn)化表示為

式中:h為水頭損失，m；k2為系數(shù)，無量綱；γ為水密度，kg/m3；l為濾層厚度，m。

由此可見，濾料顆粒尺寸對(duì)水頭損失的影響極大，若濾料尺寸過小，將直接影響上級(jí)流程的穩(wěn)定。

1.2.2 濾料粒徑對(duì)含污層厚度與濾層含污量的影響

隨著濾料顆粒的減小，懸浮物固體顆粒與濾層接觸的次數(shù)將增加。假定懸浮物固體顆粒與濾層接觸次數(shù)一定，則懸浮物固體顆粒穿越濾料層數(shù)越少，若此濾層的含污層厚度越小，濾層的含污量也越小。

2 濾料粒徑選擇

由以上討論可知，濾料粒徑的減小，對(duì)于提高濾后水質(zhì)是有利的。但濾料粒徑減小后，對(duì)于提高濾速、延長(zhǎng)過濾周期、提高濾層的產(chǎn)水量、減緩水頭損失的增長(zhǎng)是不利的。

就濾層粒徑沿水流方向粒徑分布而言，目前業(yè)界公認(rèn)看法為:濾料粒徑沿水流方向由大趨小較好。該做法有利于懸浮物顆粒進(jìn)入濾層的較深處，并且由于大部分懸浮顆粒被截留在上部孔隙尺寸較大的濾層，有利于減緩水頭損失的增長(zhǎng)。

3 礦場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 原生產(chǎn)污水系統(tǒng)概況

渤海某油田生產(chǎn)污水系統(tǒng)主要由斜板除油器、氣浮選分離器、核桃殼與雙介質(zhì)過濾器構(gòu)成，過濾后的生產(chǎn)污水回注井底，其注水水質(zhì)控制指標(biāo)(見表1)包括了注水懸浮物粒徑中值、注水懸浮物固體含量、含油、含鐵量、含亞鐵量、含硫量、鐵細(xì)菌、腐生菌、硫酸還原菌等注水指標(biāo)。

表1 渤海某油田注水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality index of water injection in an oil field in Bohai sea

油田生產(chǎn)污水系統(tǒng)主要存在的問題為懸浮物固體含量偏高，接近控制指標(biāo)。根據(jù)各級(jí)懸浮物含量檢測(cè)數(shù)據(jù)，主要問題體現(xiàn)在由核桃殼與雙介質(zhì)過濾器組成的二級(jí)過濾組合，對(duì)于懸浮物固體含量控制不足，平均去除約10mg/L的懸浮物固體含量，去除效率約為15%～20%。

油田生產(chǎn)污水一級(jí)過濾器，核桃殼過濾器(3臺(tái))濾料由 1.8～2.2mm 粒徑的石英砂(底層)、1.6～2.0mm 粒徑(頂層)構(gòu)成；二級(jí)過濾器，雙介質(zhì)過濾器(4臺(tái))濾料由 1.2～1.6mm 粒徑的金剛砂(底層)、1.2～1.6mm 粒徑的核桃殼(頂層)構(gòu)成，單罐平均濾速為53.5m3/h。由表2可知，核桃殼過濾器懸浮物固體含量平均去除 6.34mg/L，去除效率約 24.76%；雙介質(zhì)過濾器懸浮物固體含量平均去除 3.42mg/L，去除效率約為18.22%。

表2 渤海某油田生產(chǎn)污水系統(tǒng)各級(jí)水質(zhì)運(yùn)行情況及效率分析Tab.2 Water quality parameters and efficiency index of production wastewater system in an oil field in Bohai sea

3.2 核桃殼與雙介質(zhì)過濾器濾料參數(shù)優(yōu)化方案

3.2.1 參數(shù)優(yōu)化思路

①減核桃殼過濾器濾料粒徑，增濾料比表面積。

②針對(duì)核桃殼過濾器對(duì)其中單罐進(jìn)行濾料換型，雙介質(zhì)過濾器對(duì)其中雙罐進(jìn)行濾料換型，減低因粒徑下調(diào)帶來的水力剪力增加、水頭損失增加、納污量減少等不利因素導(dǎo)致的生產(chǎn)污水系統(tǒng)不確定風(fēng)險(xiǎn)。

③維持濾層厚度，增加濾料反沖洗強(qiáng)度，提高濾料再生能力[4]。

3.2.2 實(shí)施方案

核桃殼過濾器濾料換型方案如表3所示；雙介質(zhì)過濾器濾料換型方案如表4。

過濾器運(yùn)行組合情況如下:

8∶00～12∶00核桃殼過濾器 A 罐+B 罐與雙介質(zhì)過濾器A/B罐運(yùn)行。

12∶00～16∶00核桃殼過濾器B罐+C罐與雙介質(zhì)過濾器C/D罐運(yùn)行。

表3 優(yōu)化前后核桃殼過濾器濾料填充情況Tab.3 Filter material parameter in walnut shell filter before optimization

表4 優(yōu)化前后雙介質(zhì)過濾器濾料填充情況Tab.4 Filter material parameter in double medium filter before optimization

16∶00～次日 8∶00核桃殼過濾器 A+C 罐與雙介質(zhì)過濾器A/D罐運(yùn)行。

過濾器運(yùn)行期間，每日上午 10∶00與下午 14∶00對(duì)各級(jí)流程進(jìn)行取樣化驗(yàn)。

4 優(yōu)化效果

4.1 生產(chǎn)污水系統(tǒng)懸浮物固體含量對(duì)比

由圖 1可知，核桃殼過濾器核桃殼粒徑由 1.6～2.0mm下調(diào)至1.2～1.6mm后，核桃殼過濾器對(duì)懸浮物固體含量控制效果提升明顯。優(yōu)化后，核桃殼過濾器出口懸浮物固體含量由 18mg/L下降至 10mg/L，過濾效率由24.76%上升至57.42%。

圖1 核桃殼過濾器濾料換型前后懸浮物固體含量對(duì)比Fig.1 Comparison of solid content of suspended matters in walnut shell filter before and after optimization

由圖 2可知，雙介質(zhì)過濾器核桃殼粒徑由 1.2～1.6mm下調(diào)至0.8～1.2mm后，雙介質(zhì)過濾器對(duì)懸浮固體含量控制效果明顯，但其過濾效率提升不明顯。優(yōu)化后，雙介質(zhì)過濾器出口懸浮物固體含量由14.94mg/L下降至 6.52mg/L，但雙介質(zhì)過濾器過濾效率18.22%僅提升至22.3%。

4.2 水頭損失與水力剪切對(duì)比分析

由 3圖可知，核桃殼過濾器濾料換型前后，水頭損失由 0.008MPa上升至 0.013MPa，核桃殼運(yùn)行壓力由 0.118MPa上升至 0.125MPa；雙介質(zhì)過濾器換型前后，水頭損失由0.011MPa上升至0.018MPa。

由此可見，本次濾料換型試驗(yàn)未對(duì)流程運(yùn)行壓力造成較大影響。核桃殼過濾器與雙介質(zhì)過濾器運(yùn)行壓力平穩(wěn)，據(jù)此評(píng)測(cè)濾層納污量未見明顯下降。

圖2 雙介質(zhì)過濾器濾料換型前后懸浮物固體含量對(duì)比Fig.2 Comparison of solid content of suspended matters in double medium filter before and after optimization

圖3 濾料換型前后過濾器運(yùn)行壓力對(duì)比Fig.3 Comparisonof operating pressures of filters before and after optimization

5 結(jié) 論

以濾料粒徑優(yōu)化為突破口的思路對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)污水懸浮物固體控制效果明顯，通過加強(qiáng)反沖洗強(qiáng)度，延長(zhǎng)反沖洗時(shí)間等措施，可降低水剪切力上升、水頭損失加大、濾層納污量下降等不利因素帶來的生產(chǎn)流程波動(dòng)。

以渤海某油田為例，可得出結(jié)論如下:

①核桃殼過濾器濾料粒徑下調(diào) 22.2%，可實(shí)現(xiàn)懸浮物固體過濾效率提升 131.9%；②在一級(jí)過濾器粒徑下調(diào) 22.2%的基礎(chǔ)上，雙介質(zhì)過濾器濾料粒徑對(duì)于懸浮物固體含量去除效果的提升不明顯:雙介質(zhì)濾料粒徑下調(diào) 40%，可實(shí)現(xiàn)懸浮物固體過濾效率約 22%；③核桃殼及雙介質(zhì)過濾器濾料粒徑分別下調(diào)22.2%與40%，不會(huì)對(duì)水頭損失、水剪切力產(chǎn)生明顯影響。