軸向動態反沖洗深床過濾技術處理三元采出水試驗研究

劉書孟 董喜貴 于忠臣 孫冰 苗寶林 畢雪

1大慶油田有限責任公司第二采油廠

2大慶油田設計院有限公司

3東北石油大學

近年來，三元復合驅油技術在大慶油田推廣規模逐年擴大，已成為原油穩產的重要支撐。三元復合驅采出液成分復雜、黏度大、乳化強，油水分離難度大[1-2]。在見劑高峰期，三元轉油放水站運行不平穩，易出現放水含油短時超標現象，導致過濾罐濾料嚴重污染且濾料難以有效再生，過濾效能下降，過濾水質變差[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課題。

目前，軸向動態反沖洗深床過濾技術已在聚驅采出水處理站成功應用[4-5]，該技術具有過濾效能高、濾料反沖洗效果好、抗沖擊性強的優點。為此，開展了軸向動態反沖洗深床過濾技術處理三元復合驅采出水現場小型試驗，考察濾床結構、過濾速度、過濾級數對過濾效能的影響規律，為工業化試驗與工程應用提供理論指導與技術支持。

1 現場試驗概況

試驗在大慶油田某三元采出水處理站進行，污水含聚合物質量濃度（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。試驗裝置由兩級軸向動態反沖洗過濾裝置串聯組成，主要包括軸向動態反沖洗過濾裝置、水箱、潛水泵、轉子流量計、流量控制閥、配電箱和及相關管線。設計流量1.0 m3/h，一級濾速4～6 m/h，二級濾速2.5～4.0 m/h。

軸向動態反沖洗過濾裝置可根據試驗要求選擇核桃殼/石英砂復合濾床、核桃殼/石榴石復合濾床和石榴石單濾床中任意一種。

現場試驗工藝流程和試驗裝置分別如圖1和圖2所示。

圖1 現場試驗工藝流程Fig.1 Process flow of field test

圖2 現場試驗裝置Fig.2 Field test device

2 試驗結果分析

2.1 過濾級數對過濾效能的影響

當濾速4.0 m/h 時，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石英砂復合濾床，二級過濾為Φ0.15～0.30 mm×600 mm石榴石單濾床。試驗結果如圖3所示。

圖3 過濾級數對過濾效能影響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%。以上試驗數據表明：增加過濾級數，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，污染物穿透能力強，單靠增加過濾級數難以取得理想效果。因此，優化濾床結構，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鍵。

2.2 過濾速度對過濾效能的影響

2.2.1 微細濾床過濾效能和過濾速度的關系

微細濾床濾料顆粒直徑范圍300～500 μm。考察Φ1.2～1.6 mm×1 000 mm 核桃殼/Φ0.3～0.5 mm×750 mm 石英砂復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，結果如圖4所示。

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

從圖4可以看出，在相同進水水質條件下，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 石英砂復合濾床，過濾速度為6.0 m/h 時，油去除率為65.9%，過濾速度為4.0 m/h時，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，懸浮物去除率為50.3%，而過濾速度為4.0 m/h時，懸浮物去除率為55.3%，懸浮物去除率提高5.0%。

2.2.2 超細濾床過濾效能與過濾速度的關系

超細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，油去除率為31.4%，過濾速度為2.6 m/h時，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，懸浮物去除率為14.0%，而過濾速度為2.6 m/h時，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 超細濾床污染物去除率與過濾速度間關系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區間時，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，懸浮物去除率越高。

2.3 濾床結構對過濾效能的影響

濾速4.0 m/h 時，試驗考察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石榴石復合濾床等3種濾床結構油水過濾效能，以分析濾床結構對過濾效能的影響，結果如圖6所示。

圖6 不同濾床結構的過濾效能Fig.6 Filtration efficiency of different filter bed structures

從圖6可以看出，濾床結構對過濾效能影響較大，復合濾床較單層濾床結構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，同時提高過濾精度。對于核桃殼/石榴石復合濾床，將石榴石濾層厚度增加350 mm時，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/石榴石復合濾床過濾效能

試驗考察核桃殼/石榴石復合濾床多輪次“過濾-反沖洗”循環的過濾效能，以評價該新型濾床應用于處理三元采出水的可行性和可靠性。濾速4.0 m/h 時，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，進水含油濃度在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%。當進水含油≤170 mg/L、懸浮物≤100 mg/L 時，出水油和懸浮物濃度均低于20 mg/L，滿足油田“雙20”回注水標準。

進出水粒徑分布如圖8～9 所示。從圖8 可以看出，進水中粒徑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

試驗數據表明：當進水水質波動較大時，出水水質比較穩定，油和懸浮物的去除率較高，說明核桃殼/石榴石復合濾床對三元采出水具有較好適應性，抗水質沖擊性強，是較理想的新型濾床結構。

3 結論

（1）增加過濾級數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）微細和超細濾床過濾速度在2.6～6.0m/h區間時，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）濾床結構對過濾效能影響較大，復合濾床較單層濾床結構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/石榴石復合濾床，將石榴石濾層厚度增加350 mm時，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，Φ1.2～1.6 mm×900 m核桃殼/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm 石榴石復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。當進水中含油≤170 mg/L、懸浮物≤100 mg/L 時，出水中油和懸浮物含量均低于20 mg/L，滿足油田“雙20”回注水標準。核桃殼/石榴石復合濾床對三元采出水具有較好適應性，抗水質沖擊性強，是較理想的新型濾床結構。