三元復(fù)合驅(qū)采出水過濾罐濾料原位清洗工藝研究和應(yīng)用

張冰

大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠

大慶油田開發(fā)進入高含水后期階段，開采大規(guī)模應(yīng)用三元復(fù)合驅(qū)等化學(xué)驅(qū)油技術(shù)。相比常規(guī)水驅(qū)采出水[1]，三元驅(qū)采出水水質(zhì)特性復(fù)雜，且隨著含聚合物濃度的上升[2]，過濾濾料出現(xiàn)板結(jié)、污染，應(yīng)用常規(guī)反沖洗工藝再生效果差[3]。離線清洗雖然能夠改善過濾效果，但清洗成本高，由于不能隨時清洗，導(dǎo)致生產(chǎn)時間延長[4]，因此需開展濾料原位清洗工藝研究。

大慶油田第一采油廠三元217污水處理站位于北一區(qū)斷東區(qū)塊，接收三元復(fù)合驅(qū)后續(xù)水驅(qū)和復(fù)合調(diào)驅(qū)（YF 柔性微球凝膠＋顆粒+SMG 柔性微球凝膠+聚合物）兩種不同驅(qū)替體系采出液，同時還接收含油污泥處理站外輸污油。三元217污水處理站工藝流程為“一級沉降+兩級過濾”[5-6]，設(shè)計處理規(guī)模為4 000 m3/d，2022 年實際處理水量為4 538 m3/d，沉降罐最大沉降時間為6.6 h。2016年起該站接收北一區(qū)含油污泥處理站處理后廢液11.4×104m3，其中機械雜質(zhì)質(zhì)量濃度高達5 832 mg/L，對217污水站來水水質(zhì)沖擊較大。沉降工藝出水含油量和懸浮物固體含量過大造成該站過濾罐濾料嚴(yán)重板結(jié)，不僅影響過濾效果和濾后水質(zhì)，還造成過濾罐堵塞憋壓，無法進行正常反沖洗，需要采用適合的濾料清洗措施，解決濾料板結(jié)造成的過濾罐出水水質(zhì)惡化問題[7]。

1 濾料清洗試驗

1.1 試劑和材料

通過室內(nèi)化學(xué)分析和模擬試驗手段對濾料原位清洗所用的清洗藥劑配方進行調(diào)整，并對原位清洗工藝進行優(yōu)化。

試驗藥劑：洗油劑、滲透劑、消泡劑和增速劑等。

試驗裝置：恒溫水浴鍋、燒杯、天平、烘干箱等。

1.2 濾料清洗劑評價方法

通過室內(nèi)試驗分析出濾料表面附著物的組成，針對附著物成分開展清洗劑配方、助劑用量、助劑濃度、清洗溫度和清洗時間優(yōu)選。濾料清洗步驟為：稱取5 g 結(jié)垢濾料放入100 mL 燒杯中，加入40 mL試驗藥劑置于水浴中，按試驗方案設(shè)置水浴溫度，每隔一定時間用玻璃棒攪拌一次，然后將清洗后的濾料全部取出，放入烘干箱烘干、稱重，對比清洗前后的濾料質(zhì)量得出清洗率，也就是通過藥劑清洗將濾料表面附著的垢質(zhì)變?yōu)榭扇苄噪x子的能力，公式為

式中：A為清洗率，%；m1為試驗選取的結(jié)垢濾料質(zhì)量，g；m2為清洗后烘干的濾料質(zhì)量，g。

2 清洗劑配方優(yōu)化

對濾料表面附著物進行化驗，結(jié)果見表1。三元217站過濾罐濾料污染物的主要成分為有機質(zhì)和原油，占比為19.32%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），此外還含有4.44%的堿土金屬碳酸鹽。

表1 三元217站過濾罐濾料污染物成分Tab.1 Composition of pollutants in the filter material of the ASP-217 Station filter tanks 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

針對表1中濾料污染物的成分，設(shè)計助洗劑的主要成分為垢質(zhì)轉(zhuǎn)化劑、有機螯合分散劑及表面活性劑。

（1）垢質(zhì)轉(zhuǎn)化劑：垢質(zhì)轉(zhuǎn)化劑對CaCO3、Ba-CO3、MgCO3等無機垢具有良好的轉(zhuǎn)化性，可將不溶于水的無機垢轉(zhuǎn)化為水溶性物質(zhì)而去除。

（2）有機螯合分散劑：有機螯合分散劑的分子在水中電離成陰離子后具有強烈的吸附性，對水中的低聚物、黏土顆粒及其他懸浮粒子具有較強的吸附能力，使粒子表面帶有相同電荷，從而使粒子間產(chǎn)生相互靜電排斥，避免了顆粒碰撞所產(chǎn)生的積聚，使顆粒成分散狀態(tài)懸浮于水中。在堿性條件下，螯合分散劑的分子可與溶液中的Ca2+、Mg2+、Fe2+等生成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的螯合物，對于碳酸鹽、硫酸鹽等垢質(zhì)具有很好的去除效果。

（3）表面活性劑：表面活性劑具有親水和親油兩端。在與油污作用時，親油基團插入油污中，而親水基團則向外，可有效降低油水界面張力，使油污分散在水中并使濾料和垢質(zhì)表面具有濕水特性，便于油污脫落[8]。

在現(xiàn)有清洗劑配方中，加入洗油劑、增速劑和重油污清洗劑等，進一步優(yōu)化濾料清洗劑配方，提高清洗效率。選擇了5 種洗油劑，分別為洗油劑A-3、A-5、A-7、A-9 和洗油劑P-10。試驗考察原清洗劑配方中加入不同洗油劑后的清洗效果。

取80 g 配好的初始清洗液分別放入100 mL 的塑料瓶中，共計取5份，分別加入0.8 g洗油劑：洗油劑A-3（配方1），洗油劑A-5（配方2），洗油劑A-7（配方3），洗油劑A-9（配方4），洗油劑P-10（配方5），未加上述洗油劑的原清洗劑100 g作為配方6。分別在常溫（25 ℃）和45 ℃條件下評價了上述6個配方的濾料清洗效果（清洗劑的質(zhì)量濃度為50%，下同，清洗劑用量為40 mL，洗油劑添加量為0.8 g）見表2。6個配方中以添加有洗油劑A-3（配方1）的清洗效果最好，常溫下清洗24 h 的清洗率可達88.05%，45 ℃下清洗1 h 的清洗率可達81.03%。后續(xù)試驗中均采用添加有洗油劑A-3 的配方。

表2 洗油劑配方對濾料清洗效果的影響Tab.2 Influence of oil washing agent formula on the cleaning effect of filter material

添加有不同劑量洗油劑A-3清洗劑的清洗效果（清洗劑濃度為50%，清洗溫度為45 ℃，清洗時間1 h）見表3。隨著清洗劑配方中洗油劑A-3添加量的增加，清洗率逐漸增大，當(dāng)洗油劑A-3添加量為0.5%時，清洗率達到了90.80%；繼續(xù)增加洗油劑A-3的添加量，清洗率升高幅度不大。因此，可以確定清洗劑配方中洗油劑A-3 的最佳添加量為0.5%。

表3 洗油劑A-3添加量對清洗效果的影響Tab.3 Influence of additive amount of oil washing agent A-3 on cleaning effect

在確定了洗油劑A-3 最佳添加量為0.5%的基礎(chǔ)上，考察了清洗劑配方中繼續(xù)加入增速劑和重油污清洗劑后的清洗效果（清洗劑濃度為50%，清洗劑用量為40 mL，清洗溫度為45 ℃，清洗時間1 h），見表4。在原配方+0.5%洗油劑A-3 中加入1%的重油污清洗劑后，清洗率由原來的81.21%提高至83.65%，清洗率提升了2.44%，這表明重油污清洗劑對濾料污染物具有較好的清洗效果。繼續(xù)在配方中加入1%的增速劑，清洗率繼續(xù)升高至86.35%，表明添加重油污清洗劑可加速濾料的清洗。確定在原有清洗劑配方中加入0.5%洗油劑A-3、1%重油污清洗劑和1%增速劑組成新配方，后續(xù)試驗中均采用清洗劑新配方。

表4 加入重油污清洗劑和增速劑后的清洗率變化情況Tab.4 Change of cleaning rate after adding heavy oil cleaning agent and speed increasing agent %

3 清洗參數(shù)優(yōu)化

在清洗劑配方優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)清洗試驗對清洗劑用量、濃度、清洗溫度和時間進行了優(yōu)化[9]。

3.1 用量

在清洗溫度為45 ℃的條件下，評價了新清洗劑配方用量對清洗效果的影響（清洗劑的濃度為50%，清洗時間為1 h），見表5。隨著清洗劑用量增加，清洗率逐漸增加；當(dāng)清洗劑用量為60 mL時，清洗率最大，達到了85.18%。

表5 不同清洗劑用量下的清洗效果Tab.5 Cleaning effect under different cleaning agent dosages

3.2 濃度

在清洗溫度為45 ℃的條件下，評價了新清洗劑配方濃度對清洗效果的影響（清洗劑用量為60 mL，清洗時間為1 h），見表6。隨著清洗劑濃度增加，清洗率增加；清洗劑濃度為60%時，清洗率可達87.13%；清洗劑濃度為70%時，清洗率可達90.14%。可以確定最佳清洗劑濃度為70%。

表6 不同清洗濃度下的清洗效果Tab.6 Cleaning effect under different cleaning concentrations

3.3 溫度

在新清洗劑配方濃度為70%，清洗劑用量為60 mL，清洗時間為1 h的條件下，觀察了清洗溫度對清洗效果的影響，見表7。隨著清洗劑溫度升高，清洗率增加；當(dāng)清洗溫度為60 ℃時，清洗率為89.28%；當(dāng)清洗溫度為70 ℃時清洗率可達91.73%。因此，可以確定最佳清洗溫度為70 ℃。考慮到現(xiàn)場試驗條件和經(jīng)濟成本，當(dāng)清洗溫度為60 ℃時，清洗率可達89.28%。因此也可選60 ℃作為清洗溫度。

表7 不同清洗溫度下的清洗效果Tab.7 Cleaning effect under different cleaning temperatures

3.4 清洗時間

在清洗溫度為45 ℃，新清洗劑配方濃度為70%，清洗劑用量為60 mL 的條件下，考察了清洗時間對清洗效果的影響，見表8。隨著清洗時間增加，清洗率逐漸增加；當(dāng)清洗時間為4 h 時，清洗率達到了85.82%；繼續(xù)增加清洗時間，清洗率升高幅度不大。清洗時間為24 h 時，清洗率達到了93.31%。因此可以確定清洗劑最佳清洗時間為24 h?？紤]到清洗時間對生產(chǎn)的影響，亦可選擇8 h 作為清洗時間。

表8 不同清洗時間下的清洗效果Tab.8 Cleaning effect under different cleaning time

3.5 清洗條件確定

根據(jù)上述清洗參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果，確定優(yōu)化后的濾料清洗參數(shù)為：清洗劑濃度為70%，清洗溫度為60 ℃，清洗劑用量為60 mL，清洗時間為8 h。此條件下，兩次平行清洗試驗的清洗率分別為95.44%和94.52%，表明新清洗劑配方具有較好的清洗效果。

4 清洗劑現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場開展濾料原位清洗試驗。

（1）將濾罐內(nèi)污水放空，關(guān)閉進出口閥門。

（2）先向濾罐內(nèi)加入12 m3熱水，另準(zhǔn)備6 m3熱水并加入清洗藥劑，高壓熱洗車加熱打入濾罐內(nèi)。啟動高壓熱洗車循環(huán)加熱罐內(nèi)洗液，確保罐內(nèi)溫度達到60 ℃以上，清洗時間為3.5 h。

（3）洗液在濾罐內(nèi)靜態(tài)浸泡36 h后，關(guān)閉反沖洗進出口閥門，進行反沖洗2～6次。

2021 年4 月，采用上述最佳清洗配方，對217站水崗過濾罐濾料進行了原位清洗試驗。試驗條件為：清洗劑濃度為70%，清洗溫度為60 ℃，清洗時間為8 h，濾料清洗效果見表9?，F(xiàn)場濾料原位清洗的清洗率為80.6%～85.4%，而表7 中相同溫度，清洗時間只有1 h 的室內(nèi)清洗效率就高達89.28%。

表9 60 ℃現(xiàn)場濾料原位清洗效果Tab.9 In-situ cleaning effect of on-site filter material at 60 ℃

為了進一步提高清洗效果，將現(xiàn)場原位清洗溫度提高到70 ℃，清洗時間延長至10 h，清洗效果見表10?，F(xiàn)場原位清洗參數(shù)優(yōu)化后，濾料清洗率達到了86.15%～92.36%。

表10 濾料原位清洗參數(shù)優(yōu)化后濾料清洗效果Tab.10 Filter material cleaning effect after optimization of in-situ cleaning parameters

通常過濾罐采取濾料離線清洗方式，包括過濾罐排水（1 天）、濾料取出（0.25 天）、濾料清洗（4 天）和濾料回填（0.25 天）等程序，需要停運過濾罐5天以上[10]；而濾料原位清洗只需要在清洗時停運過濾罐，清洗1座過濾罐只需要1.83天。在清洗費用方面，濾料離線清洗包括濾料取出費用0.65 萬元、濾料清洗費用3.66 萬元、濾料回填費用2.16萬元，合計6.47萬元。而濾料原位清洗的費用主要為清洗過程中消耗的5 t藥劑，費用為4.6萬元。與濾料離線清洗方式相比，采用研制的濾料清洗劑配方，結(jié)合濾料原位清洗工藝，不僅可縮短單臺過濾罐清洗時間3 天以上，還可節(jié)約濾罐清洗費用1.87 萬元/臺。

5 結(jié)論

（1）三元217污水站過濾罐濾料污染物主要為有機質(zhì)和堿土金屬碳酸鹽。

（2）在濾料清洗劑配方中加入洗油劑、增速劑和重油污清洗劑，可以顯著提高清洗劑的清洗效率。

（3）與濾料離線清洗方式相比，采用濾料原位清洗工藝可將單臺濾罐濾料清洗時間由5天以上縮短到1.83天，清洗費用由6.47萬元降低到4.6萬元。