摘 要 針對重力場水力反沖洗技術(shù)應(yīng)用于油田采出水處理領(lǐng)域時反沖洗效率低的瓶頸問題,基于場的視角分析了機(jī)械輔助、空氣輔助及水化學(xué)輔助等手段強(qiáng)化重力場作用下的反沖洗技術(shù)以及存在的問題。將超重力技術(shù)用于強(qiáng)化重力場水力反沖洗過程,構(gòu)建旋流場和重力場耦合的超重力反沖洗體系,突破單獨(dú)重力場反沖洗效率低的技術(shù)瓶頸,是未來油田濾床反沖洗技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 深層濾床 反沖洗 超重力 油田
中圖分類號 X741" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號 0254?6094(2024)05?0667?08
基金項目:大慶市指導(dǎo)性科技計劃項目(批準(zhǔn)號:zd?2024?03)資助的課題;中國石油科技創(chuàng)新基金項目(批準(zhǔn)號:2016D?5007?0604)資助的課題。
作者簡介:劉義剛(1970-),教授級高級工程師,從事采油工藝技術(shù)研究工作。
通訊作者:李可(1994-),助教,從事油田水處理理論、污染控制理論與技術(shù)的研究,455347595@qq.com。
引用本文:劉義剛,張偉,宋宏志,等.重力場作用下的油田濾床反沖洗技術(shù)及其發(fā)展[J].化工機(jī)械,2024,51(5):667-674.
化學(xué)驅(qū)油是油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),有效緩解了接替性油氣資源短缺的問題,有力支撐了中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,充分保障了國家的能源供給和安全。油田采出水是采油過程中的重要副產(chǎn)物,處理不當(dāng)會嚴(yán)重危害環(huán)境[1],需要經(jīng)混凝沉降、溶氣浮選及深床過濾等組合工藝處理達(dá)標(biāo)后回注地層[2],形成產(chǎn)與注的良性循環(huán),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[3]。其中,深床過濾是油田水處理系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié),承擔(dān)著去除乳化油和懸浮物的任務(wù),具有不可替代的作用[4,5]。目前,油田多采用核桃殼過濾器,主要是利用核桃殼濾料表面能低、過濾速度高和納污能力強(qiáng)的特點(diǎn)[6]。當(dāng)采出水流經(jīng)核桃殼濾床時,在機(jī)械篩分、重力沉降、慣性碰撞、攔截及黏附等機(jī)制作用下,乳化油和懸浮物聚集于濾料表面而被去除[7]。然而,隨著聚合物驅(qū)油技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,采出水中聚合物濃度不斷提高、油類乳化程度和穩(wěn)定性增強(qiáng)、水的黏度逐漸增大,油田在役核桃殼過濾器面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[8]。過濾時,油類和部分聚合物被截留于核桃殼濾床內(nèi)形成濾餅,隨著過濾時間延長,濾餅面積不斷擴(kuò)大。反沖洗時,現(xiàn)有機(jī)械攪拌水力反沖洗技術(shù)不能使濾餅充分的離散和流化,導(dǎo)致核桃殼濾料反沖洗再生不徹底,聚合物和油類在濾床內(nèi)不斷累積。長此以往,核桃殼濾床出現(xiàn)了局部板結(jié)、過濾效率降低,甚至作用失效等現(xiàn)象,使濾床過濾出水中的油和懸浮物含量大幅度超標(biāo),難以達(dá)到大慶油田注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5329—2012),該問題已成為目前大慶油田致力突破的技術(shù)瓶頸之一。
重力場反沖洗技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)30~40年代,最初應(yīng)用于城市給水處理領(lǐng)域,取得了較好的反沖洗效果。但是,隨著該技術(shù)在油田水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和不同形制、結(jié)構(gòu)濾床的出現(xiàn),重力場反沖洗濾床再生效率低的問題凸現(xiàn)出來。為解決這一問題,20世紀(jì)80年代人們提出了外力輔助反沖洗的思想,主要是借助機(jī)械外力來強(qiáng)化濾床的水力反沖洗過程,使反沖洗過程的人為自主性增強(qiáng)。然而,隨著油田聚合物驅(qū)油技術(shù)的推廣應(yīng)用,采出水的組分發(fā)生變化,聚合物的存在導(dǎo)致原有的外力輔助反沖洗模式不能適應(yīng)這種新情況。于忠臣等為解決油田深床過濾器高效反沖洗的問題經(jīng)歷了多年探索,越來越多的研究和實(shí)踐表明,現(xiàn)有單純依靠重力場的水力反沖洗過程難以解決油田深層濾床的有效反沖洗問題[9,10]。因而,探索一種油田深層濾床反沖洗的新方法,成為油田生產(chǎn)中面臨的瓶頸問題與挑戰(zhàn)。借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn),通過其他措施強(qiáng)化水力反沖洗過程是油田深床過濾器反沖洗再生的主要途徑,然而,如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化技術(shù)和反沖洗技術(shù)的有效融合是解決瓶頸問題和大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
超重力技術(shù)是一種強(qiáng)化傳質(zhì)的突破性技術(shù),其相關(guān)研究始于1976年美國太空總署的實(shí)驗(yàn)項目。RAMSHAW C首次發(fā)現(xiàn)超重力環(huán)境下液體的表面張力急劇下降,在巨大的剪切力作用下液體很容易被撕裂成微小的液膜和液滴,從而產(chǎn)生極大的相間接觸面積[11]。超重力技術(shù)的核心理念是通過加載旋流場構(gòu)建超重力場,增加湍流強(qiáng)度和相間接觸面積、減小邊界層厚度,從而提高混合與傳質(zhì)效率[12,13],因其具有高效傳質(zhì)、節(jié)能降耗及占地面積小等優(yōu)點(diǎn),引起了各國工業(yè)化研究與應(yīng)用的熱潮。國外關(guān)注超重力技術(shù)的科研機(jī)構(gòu)主要有紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、華盛頓大學(xué)、凱斯西儲大學(xué)等,國內(nèi)以北京工業(yè)大學(xué)的陳建峰院士和中北大學(xué)焦緯洲教授為代表,對超重力技術(shù)的工業(yè)化做出了突出的貢獻(xiàn)[14~17]。經(jīng)過科研人員四十多年的不斷研究和探索,超重力技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化各種化工分離過程和工業(yè)廢水廢氣處理的傳質(zhì)效率。在油田生產(chǎn)領(lǐng)域,超重力技術(shù)在回注水脫氧和脫硫工藝中已有較多工業(yè)應(yīng)用,且取得較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[18,19]。然而,從超重力技術(shù)誕生到現(xiàn)在,應(yīng)用于油田濾床反沖洗的相關(guān)研究仍處于探索階段,一些學(xué)者通過不同方法在構(gòu)建旋流場強(qiáng)化濾料再生效果,在工程應(yīng)用中取得了一定成效,但都沒有上升到場的視角剖析超重力場強(qiáng)化反沖洗效能的本質(zhì),其強(qiáng)化機(jī)理仍處于探索階段,有待深入挖掘[20,21]。
筆者基于場的視角來分析濾床的重力場水力反沖洗過程,將旋流作用加載于濾床的水力反沖洗過程,構(gòu)建旋流場和重力場耦合的超重力反沖洗體系,提出一種超重力動態(tài)反沖洗的新方法,豐富和發(fā)展了深層濾床重力場水力反沖洗理論,推動深層濾床反沖洗技術(shù)的進(jìn)步,為國家的能源戰(zhàn)略需求和可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐和理論保障。
1 重力場反沖洗技術(shù)原理與應(yīng)用
水力反沖洗技術(shù)是指在重力場作用下,反向水(氣)流沖洗濾床使顆粒流態(tài)化,顆??臻g置換作用的碰撞和摩擦效應(yīng)對其表面做功,使濾床得到清洗的技術(shù)。依靠顆粒自身凈重力在反沖洗過程中對外做功,使顆粒表面得到清洗。一般地,顆粒自身凈重力越大,濾床反沖洗效果越好,反之越差。單獨(dú)水反沖洗技術(shù)是最早應(yīng)用于濾床反沖洗的技術(shù),可追溯到20世紀(jì)30~40年代,作用機(jī)理包括剪切機(jī)理、碰撞機(jī)理和碰撞-剪切耦合作用機(jī)理。單獨(dú)水反沖洗技術(shù)由于存在反沖洗不徹底、濾床易出現(xiàn)泥球等問題,逐漸被氣水聯(lián)合反沖洗技術(shù)所替代。20世紀(jì)80年代初AMIRTHARAJAH A建立了氣水聯(lián)合反沖洗的空氣擦洗理論,提高了人們對氣水反沖洗過程和機(jī)理的認(rèn)識,氣水聯(lián)合反沖洗的原理是顆??臻g置換的摩擦碰撞作用、氣泡振動作用和氣泡破碎對外做功,使顆粒表面污染物連續(xù)脫附[22,23]。
當(dāng)深層濾床過濾技術(shù)應(yīng)用于油田采出水處理領(lǐng)域時,單純依靠重力場作用的水力反沖洗過程難以實(shí)現(xiàn)濾床的有效反沖洗,因此通過輔助手段來強(qiáng)化重力場的水力反沖洗過程中水流剪切力和顆粒間碰撞摩擦力,以提高濾料反沖洗再生效能。根據(jù)輔助手段不同分為機(jī)械輔助、空氣輔助及水化學(xué)輔助等。
1.1 機(jī)械外力輔助水力反沖洗技術(shù)
核桃殼濾料具有優(yōu)良的油水過濾分離效能[24],目前在油田濾床過濾中應(yīng)用廣泛[25]。但核桃殼濾料較輕,密度與水相差不大,反沖洗時重力場作用大幅減弱,使得重力場單獨(dú)水反沖洗技術(shù)和氣水聯(lián)合反沖洗技術(shù)的應(yīng)用受到限制[26],因此可利用加載外力輔助水力反沖洗的手段來強(qiáng)化濾床的反沖洗過程,歷經(jīng)四十多年的發(fā)展與演變,可以歸納為:液化泵輔助水力反沖洗技術(shù)和機(jī)械攪拌輔助水力反沖洗技術(shù)。
1.1.1 液化泵輔助水力反沖洗技術(shù)
液化泵輔助水力反沖洗技術(shù)于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立,以Siemens公司Auto?Shell[R] 型黑核桃殼過濾器和美國ProSep公司NutShell型核桃殼過濾器為代表。反沖洗時,在液化泵抽吸和排液噴射作用下,核桃殼濾床完全流態(tài)化,構(gòu)成了外循環(huán)顆粒流。顆粒流在搓洗裝置內(nèi),受到強(qiáng)剪切力作用,實(shí)現(xiàn)了濾床高效反沖洗再生[27,28]。其缺點(diǎn)是能耗大、濾料破損嚴(yán)重等。
1.1.2 機(jī)械攪拌輔助水力反沖洗技術(shù)
機(jī)械攪拌輔助水力反沖洗技術(shù)于20世紀(jì)90年代創(chuàng)立,以美國Cameron公司Hydromation型深床過濾器為代表。反沖洗時,在水力作用下濾床流態(tài)化,同時,機(jī)械攪拌對流態(tài)化濾床做功,使其處于紊流狀態(tài),強(qiáng)化了濾料顆粒間的碰撞和摩擦作用,實(shí)現(xiàn)了濾床高效反沖洗再生[29]。技術(shù)缺點(diǎn)是局部受攪拌漿作用,濾料磨損嚴(yán)重,影響濾床孔隙率和濾床納污容量。在極端情況下,濾床過度膨脹,堵塞刮洗裝置,甚至形成反向過濾,濾床反沖洗不徹底、過濾效率降低。
1.2 空氣輔助水力反沖洗技術(shù)
Siemens公司推出的Monosep脈沖床核桃殼過濾器是空氣輔助水力反沖洗技術(shù)的典型代表。反沖洗時,水流以脈沖形式進(jìn)入,使濾床處于脈沖流化狀態(tài)。壓縮空氣適時進(jìn)入濾床,利用氣提原理構(gòu)建了濾料漿液流的內(nèi)循環(huán)[30],內(nèi)循環(huán)主體區(qū)處于紊流狀態(tài),強(qiáng)化了顆粒間碰撞和摩擦作用,實(shí)現(xiàn)了濾床的高效反沖洗。該技術(shù)的缺點(diǎn)是脈沖結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致脈沖床過濾面積受限,特別是應(yīng)用于高黏度含聚采出水時內(nèi)循環(huán)不均勻。
AL?GHAMDI M A等建立了一種利用飽和CO2溶液清洗膜的新方法,主要是利用高溶解性CO2代替空氣,本質(zhì)是氣水聯(lián)合反沖洗的特例[31]。飽和CO2溶液通過膜孔時,由于壓力下降CO2溶液成為過飽和狀態(tài),在膜孔內(nèi)和膜表面上產(chǎn)生了CO2氣泡成核現(xiàn)象,強(qiáng)化了膜表面水力剪切作用,實(shí)現(xiàn)了污染物從膜表面的脫附作用。此外,膜表面有缺陷的位點(diǎn)也有助于氣泡成核作用。這為油田空氣輔助水力反沖洗技術(shù)提供一種新途徑和方式。
1.3 水化學(xué)輔助水力反沖洗技術(shù)
水化學(xué)輔助反沖洗技術(shù)是指外加化學(xué)劑在反沖洗體系中建立化學(xué)勢場,利用多勢場耦合的“能”和“流”相互關(guān)系,提高駐膜污染物的驅(qū)替效率的技術(shù)[32~34]。水化學(xué)輔助反沖洗是借助氣液力學(xué)非穩(wěn)態(tài)振動[35]和松弛[36]作用,以及化學(xué)清洗液的水化學(xué)勢場洗脫作用[37]來實(shí)現(xiàn)膜組件的物理化學(xué)清洗過程,這對于深層濾床的反沖洗也具有指導(dǎo)和借鑒意義。
水化學(xué)輔助反沖洗是利用預(yù)配的化學(xué)清洗液對膜組件進(jìn)行浸泡和循環(huán)沖洗,實(shí)現(xiàn)微濾、超濾和反滲透膜的物理化學(xué)清洗。常用化學(xué)劑主要包括氧化劑類、酸類、堿類、絡(luò)合劑類及表面活性劑類等[38]。酸類主要去除駐膜多價陽離子(鈣、鎂等)以及金屬氧化物等;堿類能夠溶解硅和皂化脂類,同時其水解作用增加腐殖質(zhì)類物質(zhì)電負(fù)性,減弱有機(jī)物和膜的黏附作用;絡(luò)合劑和成垢離子形成可溶性金屬螯合物,并破壞金屬離子與有機(jī)物間架橋作用,可以有效去除有機(jī)污染物;氧化劑將有機(jī)官能團(tuán)氧化為酮基、羧基和醛基,以生成水溶性氧化產(chǎn)物使有機(jī)污染物得以去除;表面活性劑在脂類和蛋白質(zhì)表面定向排列,通過潤濕、增溶和乳化作用締結(jié)成膠團(tuán)去除有機(jī)污染物[39]。
LI Y S等利用水化學(xué)輔助反沖洗技術(shù)對油田陶瓷膜組件清洗的效果,用加入OP?10表面活性劑的溶液去除膜面油層后,膜通量恢復(fù)率達(dá)到100%[40]。受到水化學(xué)輔助沖洗膜組件思想的啟發(fā),大慶油田自本世紀(jì)初開始關(guān)注水化學(xué)輔助反沖洗的作用,在反沖洗過程中投加助洗劑,來提高濾床的水力反沖洗效果。黃廷林等利用十二烷基苯磺酸鈉與三聚磷酸鈉混合助洗劑,清洗油田污染核桃殼濾料,極大地改善了濾料再生的效果[41]。WANG J C將Na5P3O10、NaOH、Na2SiO4、Na2CO3配合陰離子助洗劑(LAS)復(fù)配使用強(qiáng)化濾料再生,污染物去除效率高達(dá)98.78%[42]。此后,油田新建污水站均增設(shè)助洗劑流程,水化學(xué)輔助反沖洗技術(shù)在全油田推廣應(yīng)用。
2 超重力技術(shù)原理與研究進(jìn)展
油田聚合物驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用使得采出水黏度增大,濾床容易形成濾餅層,使得單純依靠重力場的水力反沖洗技術(shù)濾料再生困難。超重力技術(shù)因其高效傳質(zhì)的特點(diǎn),為油田濾床反沖洗提供了新的思路,有力推動了濾床反沖洗理論的完善和工藝技術(shù)的發(fā)展。
2.1 超重力技術(shù)原理
實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的最簡便方法是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力,在超重力環(huán)境下,多孔介質(zhì)孔道中產(chǎn)生流動接觸,產(chǎn)生巨大的剪切力和快速更新的相界面,使微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強(qiáng)化[43]。英國ICI公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)填料床(RPB)是超重力技術(shù)最早的工程應(yīng)用,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有液體分布器、填料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子和空腔,流體在高速旋轉(zhuǎn)的填料內(nèi)被切割成細(xì)小的液滴[44]。研究表明,RPB能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百倍重力的離心加速度,其流速比傳統(tǒng)重力場中高10倍以上,傳質(zhì)效率比在常規(guī)填料床中高兩個數(shù)量級以上[45]。隨著超重力技術(shù)的深入研究及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,目前已發(fā)展出多種不同結(jié)構(gòu)和原理的超重力床以適應(yīng)不同的工藝需求,如圖1所示。撞擊流旋轉(zhuǎn)填料床(IS?RPB)能強(qiáng)化液體間的碰撞過程,適用于沒有氣體參與的工藝[46];多級同心圓筒電極-旋轉(zhuǎn)床(RB?MCCE)設(shè)置旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)流板電極以強(qiáng)化電催化過程[47];旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器(SDR)可將催化劑直接附著在旋轉(zhuǎn)盤上,主要用于強(qiáng)化光催化過程[48]。
2.2 超重力技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用
超重力技術(shù)在油田和水處理中應(yīng)用廣泛,典型的RPB設(shè)備在氣提工藝、高級氧化等工藝中取得了很好的效果,相關(guān)研究表明,無論是O3氧化,還是O3/Fe(Ⅱ)、O3/H2O2催化氧化體系處理效率都明顯提高了[49,50],為高級氧化處理含油廢水提供了一種強(qiáng)化思路。在二次采油過程中,回注水可以補(bǔ)充地層壓力以提高原油采收率,但其氧含量需低于0.1 mg/L,過高的氧含量會導(dǎo)致管道腐蝕和好氧微生物大量繁殖進(jìn)而堵塞油路,降低原油的采收率[51]。傳統(tǒng)的脫氧工藝必須通過真空和化學(xué)試劑脫氧兩段工藝以保證脫氧效果,JING G基于RPB改進(jìn)研發(fā)的RSR(Rotor Stator Reactor)一段式強(qiáng)化脫除氧氣工藝取得顯著成效,為海上油田平臺簡化脫氧流程和減小設(shè)備占地奠定了基礎(chǔ)[52]。除了溶解氧外,油田污水中的可溶性硫化物容易引起管道與設(shè)備的腐蝕,生成難溶性金屬硫化物,使濾料被污染,影響過濾效能。QI G S等將RPB應(yīng)用于濕法脫除H2S,中試結(jié)果表明去除效率可達(dá)98.0%,具有脫硫率高、運(yùn)行穩(wěn)定性好、液氣體積比低、節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)[53]。由于RPB的體積比傳統(tǒng)的脫硫塔小得多,非常適用于空間利用率要求較高的海上油田,ZOU H K等將RPB應(yīng)用于海上采油平臺,脫硫后H2S濃度低至4.5 mg/m3,在工程應(yīng)用中同樣取得了非常高的脫除效率[54]。FAN Y W等將RPB應(yīng)用于海上油田注聚工藝替代傳統(tǒng)的攪拌釜反應(yīng)器,中試結(jié)果表明空間占用降低83.93%,能耗降低32.84%,原油采收率提高1%[55]。
3 超重力反沖洗技術(shù)原理及研究進(jìn)展
超重力技術(shù)與濾床反沖洗結(jié)合是一種新的工藝?yán)砟?,將旋流場加載于濾床重力場的水力反沖洗過程,構(gòu)建基于旋流場和重力場耦合的復(fù)合場反沖洗體系,基于此提出了一種超重力反沖洗的濾料再生新方法。
SUN Y X等在無煙煤濾床中增加傳統(tǒng)的水力旋流器,構(gòu)建超重力場反沖洗體系。反沖洗時,濾料流化后進(jìn)入水力旋流器,由于速度梯度的影響濾料在旋流器中的會受到剪切力[56]。由于濾料密度比水大,在離心力的作用下沿徑向向側(cè)壁移動,剪切力在軸向界面的劇烈波動促進(jìn)了濾料表面的油污脫落。HUANG Y等基于高速成像系統(tǒng)觀測超重力場作用下的濾料運(yùn)動行為,發(fā)現(xiàn)在濾料向水力旋流器壁面遷移過程中,水力旋流器的錐形結(jié)構(gòu)不僅強(qiáng)化了濾料的公轉(zhuǎn)運(yùn)動也強(qiáng)化了濾料自旋運(yùn)動,促進(jìn)了污染物與濾料的分離[57]。但由于傳統(tǒng)水力旋流器構(gòu)造較為簡單,其超重力強(qiáng)化濾料再生方法效果差強(qiáng)人意,雖然該超重力結(jié)構(gòu)濾床能夠適應(yīng)較高的污染物負(fù)荷,但是出水污染物含量難以滿足回注水標(biāo)準(zhǔn)要求,需要增設(shè)二級處理。
CHEN J Q等使用了一種新型水力旋流器結(jié)構(gòu),在石英砂濾床中增設(shè)旋流水力誘導(dǎo)擋板裝置構(gòu)建超重力反沖洗體系[58]。中試結(jié)果表明,在進(jìn)水流量25 m3/h和顆粒濃度300~600 mg/L的條件下,最佳反沖洗水速和氣速分別為11~15 m/h和56.6 m/h,總分離效率為95%~99%,反沖洗周期為24~40 h。值得關(guān)注的是,濾床出水中的粒徑中值穩(wěn)定低至1 μm,為低滲油田回注水水質(zhì)過濾精度達(dá)標(biāo)提供了借鑒意義。XU B W等采用類似結(jié)構(gòu)的旋流振蕩石英砂濾床處理油田采出水,出水油和懸浮物含量分別降低至11.4 mg/L和23.5 mg/L,并具有非常高的耐沖擊能力[59]。
王松等借鑒了水力旋流技術(shù)的原理,發(fā)明了一種新型超重力反沖洗方法,并基于場的角度分析了超重力場強(qiáng)化反沖洗作用和機(jī)理[60]。超重力反沖洗方法理論基礎(chǔ)和優(yōu)勢在于,在反沖洗過程中通過超重力場強(qiáng)化重力場中顆粒間剪切、碰撞和摩擦作用力(主要包括離心作用力FC、流體曳力FD及向心浮力FF等),形成界面脫附效應(yīng);同時,內(nèi)循環(huán)顆粒流交替受到重力場和旋流場的作用,產(chǎn)生界面脫附和選擇分離效應(yīng)的空間協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)了濾料多次原位動態(tài)反沖洗。超重力反沖洗過程同步實(shí)現(xiàn)了濾料顆粒和反沖洗廢水的空間分離作用,有效解決了現(xiàn)有反沖洗技術(shù)存在濾料再生不徹底、濾料流失和出水篩孔堵塞等問題。劉書孟等將該超重力反沖洗工藝應(yīng)用于油田核桃殼-石英砂復(fù)合濾床,對于含聚濃度達(dá)300 mg/L的聚驅(qū)污水,反沖洗后濾料對油去除率達(dá)到96.89%。超重力技術(shù)的應(yīng)用使反應(yīng)器的尺寸和運(yùn)行成本大幅降低,與原有工藝對比,采用超重力反沖洗技術(shù)建設(shè)含聚污水處理站,建設(shè)投資降低近20%,反沖洗運(yùn)行成本降低約55%[61]。盡管目前在工程中取得了良好的成效,但目前對超重力反沖洗基本規(guī)律的認(rèn)識還不完善,有關(guān)復(fù)合場的耦合過程及其動態(tài)響應(yīng)關(guān)系、濾料再生途徑及其機(jī)制等尚需深入[62]。
4 結(jié)束語
傳統(tǒng)重力場水力反沖洗技術(shù)無法突破聚驅(qū)、三元采出水濾料再生困難的瓶頸問題,通過加載場的方式強(qiáng)化重力場構(gòu)建超重力場是解決反沖洗問題的關(guān)鍵所在。將超重力技術(shù)用于強(qiáng)化重力場水力反沖洗過程,構(gòu)建旋流場和重力場耦合的超重力反沖洗體系,能夠突破單獨(dú)重力場反沖洗效率低的技術(shù)瓶頸,使濾床反沖洗行為有組織、過程可調(diào)控、效果更高效。
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(收稿日期:2023-12-01,修回日期:2024-09-15)
Backwashing Technology of Oilfield Filter and Its Development"under the Action of Gravity Field
LIU Yi?gang1, ZHANG Wei1, SONG Hong?zhi2, WEN Jia2, WANG Cheng2,WANG Shao?hua2, FENG Yu2, LI Ke3
(1. Tianjin Branch of CNOOC(China) Limited; 2. State Key Laboratory of Offshore Oil and Gas Exploitation,"China Oilfield Services Ltd.; 3. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University)
Abstract" "Aiming at low backwashing efficiency in applying the gravity field hydraulic backwashing technology to the treatment of the oilfield water produced, both the backwashing technology and its application progress under the action of gravity field were analyzed by means of mechanical assistance, air assistance and hydrochemical assistance, including the existing problems. The results show that, the future development trend of oilfield filter backwashing technology includes developing the supergravity technology to strengthen the hydraulic backwashing process of gravity field and constructing the supergravity backwashing system which has swirl flow field coupled with gravity field to break through the technical bottleneck of low efficiency of" the gravity field backwashing alone.
Key words" " deep filter bed, backwashing, hypergravity, oilfield