軸向動(dòng)態(tài)反沖洗深床過濾技術(shù)處理三元采出水試驗(yàn)研究

劉書孟 董喜貴 于忠臣 孫冰 苗寶林 畢雪

1大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠

2大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

3東北石油大學(xué)

近年來，三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)在大慶油田推廣規(guī)模逐年擴(kuò)大，已成為原油穩(wěn)產(chǎn)的重要支撐。三元復(fù)合驅(qū)采出液成分復(fù)雜、黏度大、乳化強(qiáng)，油水分離難度大[1-2]。在見劑高峰期，三元轉(zhuǎn)油放水站運(yùn)行不平穩(wěn)，易出現(xiàn)放水含油短時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象，導(dǎo)致過濾罐濾料嚴(yán)重污染且濾料難以有效再生，過濾效能下降，過濾水質(zhì)變差[3]。因此，如何有效改善三元采出水過濾罐濾料再生效果、提高過濾效能和抗沖擊能力，已成為亟待研究的重要技術(shù)課題。

目前，軸向動(dòng)態(tài)反沖洗深床過濾技術(shù)已在聚驅(qū)采出水處理站成功應(yīng)用[4-5]，該技術(shù)具有過濾效能高、濾料反沖洗效果好、抗沖擊性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為此，開展了軸向動(dòng)態(tài)反沖洗深床過濾技術(shù)處理三元復(fù)合驅(qū)采出水現(xiàn)場小型試驗(yàn)，考察濾床結(jié)構(gòu)、過濾速度、過濾級數(shù)對過濾效能的影響規(guī)律，為工業(yè)化試驗(yàn)與工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在大慶油田某三元采出水處理站進(jìn)行，污水含聚合物質(zhì)量濃度（以下簡稱濃度）415.5～621.2 mg/L、表面活性劑濃度61.2～89.0 mg/L、pH值8.0～8.2。試驗(yàn)裝置由兩級軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過濾裝置串聯(lián)組成，主要包括軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過濾裝置、水箱、潛水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、流量控制閥、配電箱和及相關(guān)管線。設(shè)計(jì)流量1.0 m3/h，一級濾速4～6 m/h，二級濾速2.5～4.0 m/h。

軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過濾裝置可根據(jù)試驗(yàn)要求選擇核桃殼/石英砂復(fù)合濾床、核桃殼/石榴石復(fù)合濾床和石榴石單濾床中任意一種。

現(xiàn)場試驗(yàn)工藝流程和試驗(yàn)裝置分別如圖1和圖2所示。

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)工藝流程Fig.1 Process flow of field test

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置Fig.2 Field test device

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 過濾級數(shù)對過濾效能的影響

當(dāng)濾速4.0 m/h 時(shí)，考察兩級過濾模式油和懸浮物的去除效能，以分析過濾級數(shù)對過濾效能的影響，其中：一級過濾為Φ1.2～1.6 mm×1 000 mm 核桃殼/Φ0.3～0.5 mm×750 mm石英砂復(fù)合濾床，二級過濾為Φ0.15～0.30 mm×600 mm石榴石單濾床。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 過濾級數(shù)對過濾效能影響Fig.3 Influence of filtration stages on filtration efficiency

從圖3 可以看出：一級過濾污水含油濃度由71.3 mg/L 降至24.4 mg/L，油去除率為65.8%，懸浮物濃度由54.4 mg/L 降至23.2 mg/L，懸浮物去除率為57.4%；二級過濾污水含油濃度由24.4 mg/L降至15.4 mg/L，油去除率為36.9%，懸浮物濃度由23.2 mg/L 降至19.3 mg/L，懸浮物去除率為16.8%。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：增加過濾級數(shù)，能夠提高油和懸浮物去除率，但二級濾罐過濾效能明顯低于一級濾罐，尤其對提高懸浮物去除率作用不明顯。原因主要是三元采出水中油和懸浮物分散微細(xì)，污染物穿透能力強(qiáng)，單靠增加過濾級數(shù)難以取得理想效果。因此，優(yōu)化濾床結(jié)構(gòu)，提高濾床深度L、減小濾料粒徑d，使L/d值增大是提高二級過濾效能的關(guān)鍵。

2.2 過濾速度對過濾效能的影響

2.2.1 微細(xì)濾床過濾效能和過濾速度的關(guān)系

微細(xì)濾床濾料顆粒直徑范圍300～500 μm?？疾歃?.2～1.6 mm×1 000 mm 核桃殼/Φ0.3～0.5 mm×750 mm 石英砂復(fù)合濾床在過濾速度分別為4.0 m/h和6.0 m/h條件下的過濾效能，結(jié)果如圖4所示。

圖4 微細(xì)濾床污染物去除率與過濾速度間的關(guān)系Fig.4 Relationship between pollutant removal rate and filtration speed of micro filter bed

從圖4可以看出，在相同進(jìn)水水質(zhì)條件下，過濾速度變化對油去除率基本沒有影響，但降低過濾速度能夠提高懸浮物去除率。對于Φ1.2～1.6 mm×1 000 m 核桃殼/Φ0.3～0.5 mm×750 mm 石英砂復(fù)合濾床，過濾速度為6.0 m/h 時(shí)，油去除率為65.9%，過濾速度為4.0 m/h時(shí)，油去除率為65.1%，降低過濾速度對油去除率基本沒有影響；過濾速度為6.0 m/h時(shí)，懸浮物去除率為50.3%，而過濾速度為4.0 m/h時(shí)，懸浮物去除率為55.3%，懸浮物去除率提高5.0%。

2.2.2 超細(xì)濾床過濾效能與過濾速度的關(guān)系

超細(xì)濾床濾料顆粒直徑范圍150～300 μm?？疾歃?.15～0.30 mm×600 mm石榴石單濾床在過濾速度分別為2.6 m/h 和4.0 m/h 條件下的過濾效能，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，過濾速度變化對油去除率影響不大，降低過濾速度能夠顯著提高懸浮物去除率。對于Φ0.15～0.30 mm×600 m 石榴石單濾床，過濾速度為4.0 m/h時(shí)，油去除率為31.4%，過濾速度為2.6 m/h時(shí)，油去除率為36.2%，油去除率提高4.8%；過濾速度為4.0 m/h 時(shí)，懸浮物去除率為14.0%，而過濾速度為2.6 m/h時(shí)，懸浮物去除率為24.3%，降低過濾速度能夠提高懸浮物去除率10.3%。

圖5 超細(xì)濾床污染物去除率與過濾速度間關(guān)系Fig.5 Relationship between pollutant removal rate and filtration speed of ultra-fine filter bed

綜上，過濾速度在2.6～6.0 m/h區(qū)間時(shí)，過濾速度變化對油去除率影響不大；降低過濾速度有利于提高懸浮物去除率，濾床顆粒越細(xì)，懸浮物去除率越高。

2.3 濾床結(jié)構(gòu)對過濾效能的影響

濾速4.0 m/h 時(shí)，試驗(yàn)考察Φ0.15～0.30 mm×600 mm 石榴石單濾床、Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃殼/Φ0.15～0.30 mm×900 mm 石榴石復(fù)合濾床、Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃殼/Φ0.15～0.30 mm×1 250 mm石榴石復(fù)合濾床等3種濾床結(jié)構(gòu)油水過濾效能，以分析濾床結(jié)構(gòu)對過濾效能的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同濾床結(jié)構(gòu)的過濾效能Fig.6 Filtration efficiency of different filter bed structures

從圖6可以看出，濾床結(jié)構(gòu)對過濾效能影響較大，復(fù)合濾床較單層濾床結(jié)構(gòu)具有更高的過濾效能，增加石榴石濾床厚度，也有利于提高油和懸浮物的去除率，同時(shí)提高過濾精度。對于核桃殼/石榴石復(fù)合濾床，將石榴石濾層厚度增加350 mm時(shí)，油和懸浮物去除率分別提高了10.0%和6.2%。其中：石榴石單濾床，油和懸浮物去除率分別為51.9%和34.2%；Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃殼/Φ0.15～0.30 mm×900 mm石榴石復(fù)合濾床，油和懸浮物去除率分別為79.9%和78.0%；Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃殼/Φ0.15～0.30 mm×1 250 mm 石榴石復(fù)合濾床，油和懸浮物去除率分別為89.9%和84.2%。

2.4 核桃殼/石榴石復(fù)合濾床過濾效能

試驗(yàn)考察核桃殼/石榴石復(fù)合濾床多輪次“過濾-反沖洗”循環(huán)的過濾效能，以評價(jià)該新型濾床應(yīng)用于處理三元采出水的可行性和可靠性。濾速4.0 m/h 時(shí)，Φ 1.2～1.6 mm×900 mm 核桃殼/Φ 0.15～0.3 mm×1 250 mm 石榴石濾床油的懸浮物去除效能如圖7所示。

圖7 Φ1.2～1.6 mm×900 mm核桃殼/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm石榴石濾床過濾效能Fig.7 Filtration efficiency of Φ1.2～1.6 mm×900 mm walnut shell/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm garnet filter bed

從圖7可以看出，過濾速度4.0 m/h時(shí)，進(jìn)水含油濃度在90.3～730.9 mg/L之間、平均值313.0 mg/L，出水平均含油濃度23.4 mg/L，油平均去除率為89.9%；進(jìn)水懸浮物濃度在71.0～465.0 mg/L 之間、平均值191.4 mg/L，出水平均懸浮物濃度23.6mg/L，懸浮物平均去除率為84.2%。當(dāng)進(jìn)水含油≤170 mg/L、懸浮物≤100 mg/L 時(shí)，出水油和懸浮物濃度均低于20 mg/L，滿足油田“雙20”回注水標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)出水粒徑分布如圖8～9 所示。從圖8 可以看出，進(jìn)水中粒徑50 μm 以下的懸浮顆粒占99.9%，粒徑20 μm 以下的顆粒占82.7%，進(jìn)水懸浮顆粒粒徑中值為9.60 μm。從圖9可以看出，Φ1.2～1.6 mm×900 m核桃殼/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm石榴石濾床的出水中，粒徑2 μm 以下的顆粒占63.2%，粒徑10 μm 以下的顆粒去除率99.9%，出水粒徑中值為1.22 μm。

圖8 過濾進(jìn)水粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of filter influent

圖9 過濾出水粒徑分布Fig.9 Particle size distribution of filter effluent

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，油和懸浮物的去除率較高，說明核桃殼/石榴石復(fù)合濾床對三元采出水具有較好適應(yīng)性，抗水質(zhì)沖擊性強(qiáng)，是較理想的新型濾床結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）增加過濾級數(shù)能夠提高油和懸浮物去除率，但二級濾罐過濾效能明顯低于一級濾罐。

（2）微細(xì)和超細(xì)濾床過濾速度在2.6～6.0m/h區(qū)間時(shí)，過濾速度變化對油去除率的影響不大，降低過濾速度有利于提高懸浮物去除率，提高幅度為5.0～10.3%。

（3）濾床結(jié)構(gòu)對過濾效能影響較大，復(fù)合濾床較單層濾床結(jié)構(gòu)具有更高的過濾效能。增加石榴石濾床高度，有利于提高污染物去除效能。對于核桃殼/石榴石復(fù)合濾床，將石榴石濾層厚度增加350 mm時(shí)，油和懸浮物去除率提高了10.0%和6.2%。

（4）過濾速度為4 m/h時(shí)，Φ1.2～1.6 mm×900 m核桃殼/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm 石榴石復(fù)合濾床具有較高的油和懸浮物去除效能，油和懸浮物去除率分別為89.9%和84.2%，出水粒徑中值為1.22 μm。當(dāng)進(jìn)水中含油≤170 mg/L、懸浮物≤100 mg/L 時(shí)，出水中油和懸浮物含量均低于20 mg/L，滿足油田“雙20”回注水標(biāo)準(zhǔn)。核桃殼/石榴石復(fù)合濾床對三元采出水具有較好適應(yīng)性，抗水質(zhì)沖擊性強(qiáng)，是較理想的新型濾床結(jié)構(gòu)。