濾料粒徑優化對海上油田生產污水水質控制的探索研究與應用

杜 虹 ，高樂旭，曾清平

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

0 引 言

油田注水中的懸浮物進入巖石孔隙內部，堵塞孔喉形成深部損害，粒徑相對較大的物質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至關重要[1]。我國各油田的生產污水回注處理中，以核桃殼過濾工藝應用最為廣泛，成為油田污水過濾處理技術發展的一種趨勢。

近年來，人們對油田污水核桃殼過濾反洗再生方面進行了大量的研究，但對過濾機理研究很少，特別是濾料粒徑對過濾的影響方面研究幾乎為空白[2]。油田現場多以提高濾料更換頻次來應對因濾料臟堵帶來的水質指標下降的問題。本文基于過濾機理，闡述了濾料粒徑與濾層參數的關系，同時提出優化方案并在海上礦場實施中取得了良好的效果。

1 過濾機理研究

1.1 濾料粒徑與濾層各參數的關系

目前，海上油田多采用均粒徑濾層進行過濾。根據過濾機理，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越多，被濾層截留的可能性越大，對于現場污水流程水質控制越有利。假設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成。如果把孔按照長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量直徑記為 de，清潔濾層的孔隙當量尺寸記為de0，則 de0與濾料粒徑d成正比關系，即

式中:k為比例系數，無量綱；de0為清潔濾層孔隙當量尺寸，×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為單個濾料顆粒體積，m3；as為單個濾料顆粒體積，m3；n為濾料顆粒總數；m0為清潔濾層孔隙率，濾層孔隙率與粒徑無關，與排列方式有關，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越高，截流可能性越大，對于生產污水水質控制越有利。

1.2 濾料粒徑對過濾過程的影響

濾料粒徑越小對生產污水水質控制有利，但有可能導致水流剪力、水頭損失增長過快，濾層納污量低，造成過濾周期短、濾速低等問題。

1.2.1 濾料粒徑對水力參數的影響

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量直徑的乘積成反比，可簡化表示為[3]:

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

據以上可知，當濾料顆粒尺寸較小，濾層的水流剪力大。值得注意的是，當正常過濾時產生的水流剪力超過了被吸附的懸浮物從濾料表面脫附時的水流剪力時，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，并且隨著過濾的進行，水流剪力增加得也會非常快。

濾層的水力損失可簡化表示為

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

由此可見，濾料顆粒尺寸對水頭損失的影響極大，若濾料尺寸過小，將直接影響上級流程的穩定。

1.2.2 濾料粒徑對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將增加。假定懸浮物固體顆粒與濾層接觸次數一定，則懸浮物固體顆粒穿越濾料層數越少，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，對于提高濾后水質是有利的。但濾料粒徑減小后，對于提高濾速、延長過濾周期、提高濾層的產水量、減緩水頭損失的增長是不利的。

就濾層粒徑沿水流方向粒徑分布而言，目前業界公認看法為: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。

3 礦場試驗

3.1 原生產污水系統概況

渤海某油田生產污水系統主要由斜板除油器、氣浮選分離器、核桃殼與雙介質過濾器構成，過濾后的生產污水回注井底，其注水水質控制指標(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、鐵細菌、腐生菌、硫酸還原菌等注水指標。

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

油田生產污水系統主要存在的問題為懸浮物固體含量偏高，接近控制指標。根據各級懸浮物含量檢測數據，主要問題體現在由核桃殼與雙介質過濾器組成的二級過濾組合，對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%。

油田生產污水一級過濾器，核桃殼過濾器(3臺)濾料由 1.8～2.2mm 粒徑的石英砂(底層)、1.6～2.0mm 粒徑(頂層)構成；二級過濾器，雙介質過濾器(4臺)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 渤海某油田生產污水系統各級水質運行情況及效率分析Tab.2 Water quality parameters and efficiency index of production wastewater system in an oil field in Bohai sea

3.2 核桃殼與雙介質過濾器濾料參數優化方案

3.2.1 參數優化思路

①減核桃殼過濾器濾料粒徑，增濾料比表面積。

②針對核桃殼過濾器對其中單罐進行濾料換型，雙介質過濾器對其中雙罐進行濾料換型，減低因粒徑下調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致的生產污水系統不確定風險。

③維持濾層厚度，增加濾料反沖洗強度，提高濾料再生能力[4]。

3.2.2 實施方案

核桃殼過濾器濾料換型方案如表3所示；雙介質過濾器濾料換型方案如表4。

過濾器運行組合情況如下:

8∶00～12∶00核桃殼過濾器 A 罐+B 罐與雙介質過濾器A/B罐運行。

12∶00～16∶00核桃殼過濾器B罐+C罐與雙介質過濾器C/D罐運行。

表3 優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 優化前后雙介質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 罐與雙介質過濾器A/D罐運行。

過濾器運行期間，每日上午 10∶00與下午 14∶00對各級流程進行取樣化驗。

4 優化效果

4.1 生產污水系統懸浮物固體含量對比

由圖 1可知，核桃殼過濾器核桃殼粒徑由 1.6～2.0mm下調至1.2～1.6mm后，核桃殼過濾器對懸浮物固體含量控制效果提升明顯。優化后，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，雙介質過濾器核桃殼粒徑由 1.2～1.6mm下調至0.8～1.2mm后，雙介質過濾器對懸浮固體含量控制效果明顯，但其過濾效率提升不明顯。優化后，雙介質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，核桃殼運行壓力由 0.118MPa上升至 0.125MPa；雙介質過濾器換型前后，水頭損失由0.011MPa上升至0.018MPa。

由此可見，本次濾料換型試驗未對流程運行壓力造成較大影響。核桃殼過濾器與雙介質過濾器運行壓力平穩，據此評測濾層納污量未見明顯下降。

圖2 雙介質過濾器濾料換型前后懸浮物固體含量對比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行壓力對比Fig.3 Comparisonof operating pressures of filters before and after optimization

5 結 論

以濾料粒徑優化為突破口的思路對于現場生產污水懸浮物固體控制效果明顯，通過加強反沖洗強度，延長反沖洗時間等措施，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流程波動。

以渤海某油田為例，可得出結論如下:

①核桃殼過濾器濾料粒徑下調 22.2%，可實現懸浮物固體過濾效率提升 131.9%；②在一級過濾器粒徑下調 22.2%的基礎上，雙介質過濾器濾料粒徑對于懸浮物固體含量去除效果的提升不明顯:雙介質濾料粒徑下調 40%，可實現懸浮物固體過濾效率約 22%；③核桃殼及雙介質過濾器濾料粒徑分別下調22.2%與40%，不會對水頭損失、水剪切力產生明顯影響。