防止油田采出水過濾罐濾料流失的措施分析

古文革 趙秋實(shí) 陳忠喜

大慶油田工程有限公司

大慶油田由于開發(fā)較早,特別是老區(qū)油田采出水中大面積見聚合物且含量較高,因此過濾罐在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題也較早,針對出現(xiàn)的問題,大慶油田進(jìn)行了積極的應(yīng)對和改進(jìn),因此大慶油田整個過濾罐的發(fā)展歷程更具有代表性.20世紀(jì)90年代以前,大慶油田使用的石英砂過濾罐的上部布水多采用擋板形式,底部配水采用"豐"字型穿孔管.20世紀(jì)90年代初,隨著采油污水中聚合物濃度的增加,導(dǎo)致水體黏度增大.雜質(zhì)與濾料的結(jié)合力增大,現(xiàn)有反沖洗系統(tǒng)無法有效去除黏附在濾料表層的濾料,大量黏附在濾料表層的油導(dǎo)致濾料密度減小,反沖洗過程中濾料膨化嚴(yán)重,堵塞布水篩管,致使過濾器憋壓、跑料,反沖洗效果差,最終導(dǎo)致過濾器出水難以達(dá)標(biāo)[1].同時伴隨著篩管的問世,在石英砂過濾罐上部布水加裝篩管(框),底部配水也加裝了篩管,并對濾料進(jìn)行了嚴(yán)格篩選,填裝采用經(jīng)過篩分的天然濾料和墊料,這種結(jié)構(gòu)的過濾罐在油田大部分污水站得到了應(yīng)用.20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初,石英砂過濾罐在上部布水和底部配水加裝篩管的基礎(chǔ)上,又增加了不銹鋼絲網(wǎng),主要是為了進(jìn)一步防止濾料的流失.

隨著注聚采油的大規(guī)模應(yīng)用,采出水黏度逐漸升高,污水成分變得越來越復(fù)雜,造成過濾罐濾料板結(jié)率高、濾料再生效果差、上下篩管結(jié)垢及堵塞嚴(yán)重,最終嚴(yán)重影響過濾出水水質(zhì)并縮短反洗周期.為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)過濾罐的不足,近些年各油田對過濾罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的研究和改進(jìn),其中最具代表性的過濾罐為低壓穩(wěn)流反沖洗攪拌式過濾罐[1-4],這種結(jié)構(gòu)的過濾罐目前應(yīng)用較多,但工程造價較高,而且實(shí)際應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了一些問題,主要集中在三個方面:

(1)攪拌過程中造成機(jī)構(gòu)密封、攪拌槳等部件損壞,過濾罐漏水或漏蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,實(shí)際運(yùn)行時率較低,經(jīng)常需要檢修.

(2)過濾罐上布水系統(tǒng)采用多根支管外套篩管形式,這種方式的優(yōu)點(diǎn)是保證均勻布水[5],但同時帶來的缺點(diǎn)是過濾罐頂端存在較大死水區(qū),反洗時不能實(shí)現(xiàn)最頂端排油、排氣,反洗后頂部污油排不出去.為了解決反洗時污油排不出去等缺點(diǎn),使用了過濾罐排油裝置(浮油聚集器[6]),但現(xiàn)場應(yīng)用效果并不理想,相應(yīng)也增加了現(xiàn)場人員的勞動強(qiáng)度和工程費(fèi)用.

(3)集配水的篩管結(jié)構(gòu)造成過濾罐憋壓,目前油田使用的篩管縫隙過小,起均勻布水及防止濾料流失的作用,實(shí)際應(yīng)用在含聚污水時,出現(xiàn)篩管易堵塞,穿孔管和外套篩管的縫隙易結(jié)垢[7]等問題.

1 問題分析

1.1 過濾罐憋壓造成內(nèi)件損壞

濾料反沖洗過程中,脫附的污染物隨反沖洗水排出罐外,此過程濾料截留的油污等雜質(zhì)也必將裹挾少量濾料,而在濾料再生的過程中,這些污染雜質(zhì)裹挾濾料發(fā)生的濾料輕微流失是必然現(xiàn)象(屬正常的濾料損耗).油田常用的篩管篩縫一般在0.25~2 mm之間,篩縫過大在正常情況下不能起到防止濾料流失的作用;篩縫過小,長時間運(yùn)行后易堵塞,再加上反沖洗過程中污油等雜質(zhì)裹挾的少量濾料以及部分板結(jié)濾料的上升,造成濾料顆粒堵塞在篩管縫隙中,最終造成過濾罐憋壓嚴(yán)重.

過濾罐內(nèi)集配水的篩管堵塞后,過濾罐在憋壓的狀態(tài)下長時間運(yùn)行,造成篩管變形、斷裂損壞,進(jìn)而流量單點(diǎn)突破,造成集配水系統(tǒng)的壓力不均衡,大量污水在破損點(diǎn)攜砂排出,導(dǎo)致過濾罐跑料.因此過濾罐濾料流失不應(yīng)采取"堵"的方式(利用篩管或篩框進(jìn)行攔截),"堵"就會造成系統(tǒng)憋壓,憋壓最終會引起內(nèi)件的損壞以及濾料的流失.

1.2 反沖洗強(qiáng)度不隨黏度變化調(diào)整

隨著化學(xué)驅(qū)開發(fā)的逐步擴(kuò)大,采出水中聚合物含量逐步升高,污水黏度也隨之增大,若仍然采用油田水驅(qū)濾料的反沖洗強(qiáng)度,勢必造成濾料反洗膨脹率增加.根據(jù)阻力系數(shù)進(jìn)行濾料反沖洗強(qiáng)度計(jì)算,計(jì)算公式[8]為

式中:u為反沖洗強(qiáng)度,L/(m2.s);ρ為濾料的密度,kg/m3;ρ0為污水的密度,kg/m3;μ為污水的黏度,kg/(m.s);m為濾料的靜止孔隙度;e為濾料的反沖洗膨脹率;d為濾料的粒徑,m.

在保持0.8~1.2mm石英砂、反洗強(qiáng)度16L/(m2.s)時,濾料膨脹率隨水相黏度變化曲線如圖1所示.結(jié)果表明:在相同反洗強(qiáng)度下,濾料膨脹率與污水黏度呈正比關(guān)系,污水的黏度越大,則濾料反沖洗時的膨脹率越高.

圖1 在相同反洗強(qiáng)度下,濾料膨脹率隨水相黏度變化曲線Fig.1 Changing curve of the filter material expansion rate varied with water phase viscosity under the same backwashing strength

在過濾污水含油量較高時,由于污油會裹挾部分濾料形成密度較低的顆粒,造成濾料的實(shí)際膨脹率高于計(jì)算結(jié)果,另外,由于過濾罐高度限制,膨脹率增大到一定程度必然造成濾料流失.因此,濾料反沖洗強(qiáng)度不隨黏度變化調(diào)整是造成濾料流失的主要原因.

1.3 濾料板結(jié)層不能有效破碎造成反沖洗憋壓

在濾料反沖洗過程中,過濾形成的板結(jié)層若不能有效破碎,將在反沖洗水的推動作用下整體上升,造成反沖洗集水篩管憋壓以及跑料現(xiàn)象.而目前采用的破板結(jié)方式大多為攪拌,但攪拌器也存在價格昂貴、易損壞、運(yùn)行時率低等問題,實(shí)際生產(chǎn)站很少使用.

從目前攪拌器的運(yùn)行機(jī)制和效果上看,攪拌器對板結(jié)層有破碎作用,主要是靠攪拌槳的軸向力.首先,板結(jié)層在上升過程中先被攪拌鋸齒(爪)切割成環(huán)形條,隨著板結(jié)層的持續(xù)上升,又被攪拌槳水平擠壓,直至破碎.但是破板結(jié)的手段很多,由于氣泡對濾層的蠕動作用,目前油田應(yīng)用的氣水反沖洗技術(shù)就具有破板結(jié)功能,同時也加強(qiáng)了濾料間的摩擦脫附,加速了污染物與濾料的分離.另外,采用特殊結(jié)構(gòu)的鋼片切割組件可實(shí)現(xiàn)對濾料的無動力消耗的破板結(jié)功能,具有結(jié)構(gòu)簡單、施工簡單、造價低的特點(diǎn)[9].

2 改進(jìn)措施

2.1 改進(jìn)過濾罐結(jié)構(gòu)

過濾罐合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保障過濾效果的關(guān)鍵,為防止反沖洗時濾料板結(jié)層整體上升,改進(jìn)過濾罐結(jié)構(gòu),采用高效實(shí)用的破板結(jié)技術(shù),防止板結(jié)層的不利影響是防止濾料流失的必要條件.

建議采用鋼片的靜態(tài)切割破板結(jié)方式,可在無電能消耗、無運(yùn)動部件、無需人工干預(yù)的條件下,使板結(jié)層由整塊破碎成小塊,并借助水力摩擦、碰撞和翻滾等作用將板結(jié)塊破碎[9],防止了板結(jié)層整體上升至頂端出口,進(jìn)而極大地降低了發(fā)生濾料流失的可能性.該方式具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于施工等特點(diǎn).盡管采用攪拌器也能使板結(jié)層破碎,但由于價格較高、易損壞[2]、不節(jié)能、維護(hù)維修成本高,同時占用頂部空間,無法實(shí)現(xiàn)過濾罐最頂端排油、排水等原因,不建議使用.

2.2 調(diào)整過濾罐反沖洗強(qiáng)度

過濾罐的反沖洗強(qiáng)度應(yīng)隨污水黏度的變化相應(yīng)調(diào)整,以保持濾層膨脹率維持在30%~50%最佳濾料反洗膨脹率的合理范圍內(nèi)[8].具體要求各污水站應(yīng)根據(jù)污水黏度的變化,調(diào)整反沖洗強(qiáng)度,實(shí)施個性化濾料反沖洗,確保濾料的膨脹高度維持在最佳反沖洗膨脹率的范圍之內(nèi),保障濾料的高效沖洗,同時避免發(fā)生因?yàn)V料膨脹過高造成的非正常濾料流失.按照公式(1),在保持石英砂反沖洗膨脹率40%時,反沖洗強(qiáng)度與污水黏度關(guān)系的計(jì)算曲線如圖2所示,由圖2可知,隨著污水黏度的上升,應(yīng)適當(dāng)降低反沖洗強(qiáng)度,以適應(yīng)污水黏度的變化.

圖2 潔凈濾料的反沖洗強(qiáng)度與污水黏度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between the backwashing strength of clean filter and sewage viscosity

2.3 取消過濾罐的集配水篩管

取消上部布水篩管,采用擋水板布水,能避免濾罐憋壓及內(nèi)件損壞的發(fā)生,相應(yīng)地降低了濾料流失的可能性.取消下部配水篩管,采用大阻力穿孔管,能提高內(nèi)部穿孔管的承壓性能,減少內(nèi)部結(jié)垢堵塞的發(fā)生[7],同樣也起到防止內(nèi)件損壞及濾料流失的作用,并可消除不銹鋼篩管與碳鋼管之間產(chǎn)生的電偶腐蝕.同時,取消上部布水篩管,可在不增加過濾罐罐體高度的基礎(chǔ)上,增大濾料膨脹的富余活動高度,降低了濾料升至過濾罐頂部的可能性,降低了濾料流失的風(fēng)險(xiǎn);并可實(shí)現(xiàn)反沖洗時最頂端排水、排油、排氣,消除了過濾罐反沖洗時的死水區(qū)影響,為過濾罐排油裝置提供了基礎(chǔ)條件.另外,采用擋水板和穿孔管結(jié)構(gòu),造價低廉、施工簡單,雖然不能直接防止跑料的發(fā)生,但避免了采用篩管造成的后續(xù)不利影響.

2.4 控制來水水質(zhì)防止濾料非正常污染

若采用布水篩管結(jié)構(gòu),在發(fā)生過濾罐濾料大面積污染事故時,會發(fā)生濾料反洗憋壓,導(dǎo)致濾料再生過程無法實(shí)施,濾料整體污染,整個過濾系統(tǒng)失去過濾功能;若繼續(xù)強(qiáng)制反沖洗,勢必導(dǎo)致內(nèi)件損壞、濾料流失的發(fā)生.而采用擋水板布水結(jié)構(gòu),在事故狀態(tài)下(大量污油進(jìn)入過濾罐),雖可通過靜態(tài)鋼片切割裝置降低發(fā)生濾料流失的可能性,但不能完全避免,應(yīng)在生產(chǎn)管理上加強(qiáng)預(yù)防.

3 結(jié)束語

(1)過濾罐是油田水處理的關(guān)鍵設(shè)施,提高過濾罐處理效能,防止濾料流失是水處理重要工作之一.但在實(shí)際工作中,是采用以"堵"為主的篩管攔截方式,還是以"防"為主的優(yōu)化調(diào)整反沖洗強(qiáng)度防止跑料方式,是一種理念上的差別.在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)從長遠(yuǎn)考慮,單純的"堵"是不能解決跑料問題的,要防止采用"堵"造成的過濾罐憋壓、內(nèi)件損壞以及無法反沖洗等問題,要建立過濾罐在非正常事故時的應(yīng)急處理措施,防止濾料大面積板結(jié)污染;更要建立濾料反沖洗強(qiáng)度隨污水黏度變化而優(yōu)化調(diào)整的技術(shù)理念.

(2)過濾罐發(fā)生一定程度的輕微跑料屬正常范圍,每年的濾料流失量應(yīng)控制在5%以內(nèi).

(3)油田采出水由于聚合物的存在,反沖洗強(qiáng)度沒有隨黏度上升實(shí)時調(diào)整,造成濾料膨脹率過高,是導(dǎo)致濾料流失的主要原因.此外,過濾罐憋壓及濾料板結(jié)也是導(dǎo)致濾料流失的主要原因.

(4)采取有效的技術(shù)措施防止板結(jié)層整體上升,采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的破板結(jié)方式避免采用集配水篩管結(jié)構(gòu),以免發(fā)生篩管的堵塞、憋壓和損壞.