A 油田采油平臺(tái)核桃殼過濾器的使用模式探索

舒小橋

（中海石油（中國(guó)）有限公司秦皇島32-6 作業(yè)公司，天津 300450）

1 核桃殼過濾器在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀

作為二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的新技術(shù)，核桃殼過濾技術(shù)在大港油田得到了較好的應(yīng)用，在污水處理過程當(dāng)中，海上、陸上的油田得益于新技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用越發(fā)的廣泛。隨后大慶油田也逐步吸納采用了這一整套技術(shù)。1998 年，大慶油田成功建成了“南Ⅱ-1 采出水處理站”，由于這座水處理站的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，儲(chǔ)量空間巨大，為了達(dá)到良好的應(yīng)用效果，因此采用了核桃殼過濾器。這次應(yīng)用是大慶油田首次大量應(yīng)用，獲得了很好的效果。因此在此后的水驅(qū)采出水處理工程中，得到了更加普遍的應(yīng)用[1]。

作為一種很好的過濾介質(zhì)，核桃殼擁有很好的吸附性能。與其它濾料相比，核桃殼過濾器抗壓能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，同時(shí)也具有濾速高、吸附截污能力強(qiáng)、除油率高的諸多良好特點(diǎn)。在實(shí)際的使用過程中，核桃殼過濾器也存在著很多問題，其中包括濾料質(zhì)量、過濾器結(jié)構(gòu)和反沖洗等三方面。一般認(rèn)為濾料質(zhì)量問題包括濾料的處理（脫脂等工序）、粒徑和皮殼率三個(gè)方面。過濾器結(jié)構(gòu)問題主要是篩管或篩板縫隙設(shè)置、施工質(zhì)量、攪拌器轉(zhuǎn)速與槳葉的設(shè)置等方面。

國(guó)內(nèi)目前的石油開發(fā)開采形勢(shì)不容樂觀，由于國(guó)內(nèi)絕大部分油田開采時(shí)間已經(jīng)達(dá)到幾十年，很多油田已經(jīng)進(jìn)入了枯竭期，利用常規(guī)的采油方法已經(jīng)不大可行，因此三次采油在我國(guó)油田，尤其是東部油田運(yùn)用的更為廣泛，這導(dǎo)致了油田污水的水質(zhì)急劇變換。我國(guó)目前三采所產(chǎn)生的污水具有以下的變化特質(zhì)：①水中的聚合物含量急劇增加；②增加了污水的粘度；③減小了油滴粒徑；④增大了污水的Zeta 電位；⑤降低了油珠浮升的速度；⑥懸浮顆粒粒徑變細(xì)。這些綜合反應(yīng)令開采出的原油懸浮固體乳化嚴(yán)重，這些變化嚴(yán)重影響了過濾效果。因此要如何提高過濾效果，這讓研究人員倍感壓力，其問題也主要集中在以下幾個(gè)方面：

1.1 濾料的選擇。在選擇過濾器的濾料時(shí)，考慮到不同種類濾料的表面吸附特性、密度、球形度以及機(jī)械強(qiáng)度等物理特性不同，因此其對(duì)污水中污染物的截留和納污能力也不同。國(guó)內(nèi)外在處理污水時(shí)用到的無煙煤、磁鐵礦、核桃殼等，都各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此要根據(jù)不同油田的水質(zhì)選擇合適的濾料，或者開發(fā)新型的工藝材料提高油田污水處理效果[2]。

1.2 新型過濾器的研制。油田污水水質(zhì)的變化，尤其是聚合物的增加，導(dǎo)致原有過濾器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了一系列問題：反沖洗濾料流失、壓力升高，過濾不穩(wěn)定等等。這些問題的存在嚴(yán)重影響了過濾的效果，所以對(duì)過濾器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，可以通過新型過濾器進(jìn)行研究，對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行仿制，從而解決過濾器反沖洗存在問題，改善過濾器的出水效果。

1.3 工藝的改進(jìn)。進(jìn)入過濾器的水質(zhì)發(fā)生改變的原因有很多，最主要是油田污水成分的改變。微絮凝工藝是現(xiàn)在油田水處理過濾的主要手段，通過改變懸浮物和油滴的粒徑，提高懸浮物和油的去除率。過濾方式同時(shí)也可以分為接觸過濾與直接過濾。接觸過濾是指在原水中加入絮凝劑后立刻進(jìn)入濾池，即將絮凝反應(yīng)過程全部移至濾池中進(jìn)行經(jīng)過微絮凝作用，微小的懸浮顆粒和油滴粒徑變大，從而提高了油田污水處理效果[3]。直接過濾是指在濾前設(shè)置適當(dāng)?shù)男跄磻?yīng)池，絮凝劑加入后，絮凝反應(yīng)一部分在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，另一部分移至濾池中進(jìn)行。

國(guó)內(nèi)的核桃殼過濾工藝技術(shù)，整體水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比尚有一定的差距，主要是國(guó)外的核桃殼濾料均粒程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)，濾料質(zhì)量的優(yōu)良直接帶來的就是費(fèi)用的提升，每噸兩萬余元的成本讓不少油田企業(yè)望而卻步。因此如何研制出具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核桃殼過濾器，如何在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件下，對(duì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，成為了科研人員在后續(xù)研究中的焦點(diǎn)所在。

2 過濾器在A 油田的使用背景

A 油田采油平臺(tái)工藝流程主要是最大限度處理油田生產(chǎn)污水，為下游分擔(dān)處理壓力。核桃殼過濾器作為污水處理系統(tǒng)的第三級(jí)設(shè)備，主要作用是對(duì)經(jīng)加氣浮選器處理后的生產(chǎn)水進(jìn)行過濾分離，去除水中污油和懸浮物，其處理效果直接影響著油田注水水質(zhì)。提高核桃殼過濾器處理效果有助于進(jìn)一步提升注水水質(zhì)，增強(qiáng)注水進(jìn)入地層對(duì)原油的驅(qū)動(dòng)能力，減少水中雜質(zhì)對(duì)地層的污染。

根據(jù)規(guī)劃，十三五期間平臺(tái)處理水量將持續(xù)上升，2015 年1月，處理水量為12000 方/天，2018 年1 月，處理水量上升至

隨著核桃殼過濾器運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，核桃殼濾料的漏失將持續(xù)加大，降低核桃殼過濾器的處理效果。核桃殼的老化加速，導(dǎo)致有效過濾時(shí)間縮短，且隨著投用數(shù)量的增加，反洗時(shí)間壓縮，對(duì)反洗效果的要求進(jìn)一步提升。

為了避免上述問題的發(fā)生，需從核桃殼過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行操作程序入手，找出造成核桃殼過濾效果下降和濾料漏失的關(guān)鍵因素。

3 核桃殼過濾器的使用實(shí)踐

3.1 篩選反洗各步驟最優(yōu)耗時(shí)

核桃殼過濾器反洗基本程序?yàn)椋旱却聪础獢嚢琛獢嚢璺聪础聪础o置——排水，對(duì)其中影響反洗效果的關(guān)鍵步驟使用控制變量法進(jìn)行優(yōu)化篩選，確定各步驟時(shí)長(zhǎng)效益最佳值。優(yōu)化反洗程序，降低核桃殼整體反洗人工時(shí)，提高反洗效果，見圖2。

圖2 反洗各步驟時(shí)長(zhǎng)篩選數(shù)據(jù)圖

3.2 篩選最優(yōu)反洗程序與反洗水量

根據(jù)平臺(tái)核桃殼過濾器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，攪拌反洗過程會(huì)導(dǎo)致核桃殼擾動(dòng)漂浮增加，進(jìn)而導(dǎo)致核桃殼濾料流失明顯量增加，另外反洗水量的大小也對(duì)核桃殼的反洗果和濾料漏失有較大影響，見圖3。

圖3 攪拌反洗時(shí)長(zhǎng)和反洗水量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定單罐反洗程序中各步驟時(shí)長(zhǎng)設(shè)定值；另外，反洗步驟中攪拌反洗時(shí)長(zhǎng)和反洗水量的增大都有利于水質(zhì)的提升，但這兩個(gè)操作量的上調(diào)均會(huì)使核桃殼漏失量大幅上漲，因此，將反洗過程中的攪拌反洗這一步驟取消，并將反42000 方/天（高峰處理水量出現(xiàn)在2022 年，將達(dá)到60000 方/天），見圖1。洗水量調(diào)整到保證水質(zhì)合格的最低值（廠家推薦值為230m3/h，實(shí)驗(yàn)最佳值為120-140m3/h）。

圖1 十三五規(guī)劃期間A 油田采油平臺(tái)處理水量

3.3 增加反洗判斷依據(jù)

核桃殼過濾器廠家建議，當(dāng)來水中的懸浮固體顆粒被濾料截留到一定程度過濾壓差達(dá)到0.10MPa 或過濾時(shí)間達(dá)到24h時(shí)，程序進(jìn)入反洗。在使用過程中將該壓差值修正為0.12MPa，但在后期使用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行至某一階段，有部分核桃殼過濾器未運(yùn)行滿24h，且過濾壓差未達(dá)到0.12MPa，但該過濾器在高過濾壓差下低流量運(yùn)行，分析為過濾效果較差引起，此時(shí)也應(yīng)將該核桃殼過濾器投入反洗，以保證核桃殼正常過濾效果。

因此，引入另一判斷核桃殼過濾器是否需要反洗的臨界點(diǎn)-差量比：過濾壓差（KPa）/實(shí)時(shí)過濾流量（m3/h），根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)值測(cè)算，當(dāng)差量比大于0.8 時(shí)，需將核桃殼過濾濾器投入反洗。

另外，增加核桃殼過濾器過濾累計(jì)量（5000 方）為確認(rèn)是否需要進(jìn)行反洗處理的依據(jù)，避免單個(gè)核桃殼負(fù)載過大或者因?yàn)閴翰钪獾囊蛩赜绊懞颂覛な褂眯Ч?/p>

3.4 氣動(dòng)蝶閥控制模式改造

核桃殼過濾器作為中間處理設(shè)備，若出現(xiàn)故障阻斷流程，最終會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)三級(jí)關(guān)斷，與儀表部門共同協(xié)作，制作儀表氣路旁通流程，在控制盤失電狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)KV 閥的開關(guān)動(dòng)作，增強(qiáng)流程穩(wěn)定性。

3.5 增加觀測(cè)點(diǎn)

對(duì)核桃殼過濾器排污管線增加取樣觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其正常過濾和反洗結(jié)束后狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)。

4 過濾器安裝后的實(shí)踐效果

4.1 差異化管理，增加單次核桃過濾時(shí)長(zhǎng)上限

通過實(shí)施優(yōu)化后的反洗程序和反洗流量，核桃殼過濾器平均過濾時(shí)長(zhǎng)由18.2 小時(shí)增加至22.0 小時(shí)，反洗投用后平均壓差由38.5KPa 下降至29.5KPa，核桃殼反洗效果明顯提高，見表1。

表1 核桃殼優(yōu)化前后效果比對(duì)表

4.2 核桃殼漏失量較低，在廠家允許損失量1/5以下

核桃殼漏失量長(zhǎng)期處于較低水平，在廠家允許損失量1/5 以下，運(yùn)行三年后過濾能力仍能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，且已經(jīng)超過廠家建議更換時(shí)間2 年（廠家建議每年更換一次），各罐開蓋后核桃殼濾料狀態(tài)-漏失量較低，無板結(jié)、變質(zhì)現(xiàn)象。為進(jìn)一步提升水質(zhì)，核桃殼運(yùn)行滿三年后進(jìn)行更換，核桃殼濾料單罐損失量均值約為1.7 方。

核桃殼濾料更換周期得到了明顯的延長(zhǎng)，按照廠家建議更換時(shí)間為一年一次計(jì)算，石英砂為1380 元/噸，核桃殼濾料為3540 元/噸，人工費(fèi)用為1.6 萬元/個(gè)，則每年12 個(gè)核桃殼更換費(fèi)用共計(jì)71.7 萬元；目前狀態(tài)為每3 年更換一次，則平均每年為平臺(tái)節(jié)約費(fèi)用47.8 萬元。

4.3 核桃殼過濾器運(yùn)行狀態(tài)良好，出口水中含油遠(yuǎn)低于注水水質(zhì)要求的標(biāo)準(zhǔn)

核桃殼過濾器精細(xì)化管理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，其處理效果一直處于較好狀態(tài)，目前平臺(tái)處理水量已達(dá)到1730m3/h，處理后的生產(chǎn)水水中含油維持在10ppm 以下，遠(yuǎn)低于注水水質(zhì)要求的標(biāo)準(zhǔn)（20ppm），且單臺(tái)核桃殼正常過濾時(shí)間并無明顯的縮短。由于反洗效果的提升，縮短了單臺(tái)反洗耗時(shí)，在核桃殼濾器投用數(shù)量達(dá)到10 臺(tái)后，仍能保證充足的反洗時(shí)間。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目根據(jù)流程特點(diǎn)、科學(xué)規(guī)劃，將數(shù)學(xué)中常用的控制變量法應(yīng)用到核桃殼反洗、過濾最優(yōu)程序的摸索與實(shí)踐中。通過在A 油田采油平臺(tái)的應(yīng)用，在效益最佳點(diǎn)篩選、核心程序創(chuàng)新、流程優(yōu)化改造等一整套核桃殼過濾器科學(xué)使用模式現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐后，取得了超出預(yù)期的成果：（1）核桃殼過濾器的反洗效果得到大幅提升，反洗投用后平均壓差明顯下降，有效降低了反洗能耗和反洗人工時(shí)；（2）在處理水量不斷上升的情況下，核桃殼過濾器保持較高的處理效果，出口水中含油維持在8-10ppm，遠(yuǎn)低于渤海地區(qū)注水水質(zhì)要求（20ppm），保證了注水進(jìn)入地層對(duì)原油驅(qū)動(dòng)的有效性；（3）核桃殼過濾器各罐漏失量均在廠家允許量的1/5 以下，核桃殼過濾器的使用時(shí)間延長(zhǎng)2 倍以上，僅A 油田采油平臺(tái)節(jié)省核桃殼濾料更換費(fèi)用達(dá)到47.8 萬元/年。