夏福軍任彥中隋向楠

（1．中國石油大慶油田工程有限公司；2．中國石油大慶油田工程建設有限公司建材公司）

氣水反沖洗工藝提高油田采出水過濾器再生效果

夏福軍1任彥中1隋向楠2

（1．中國石油大慶油田工程有限公司；2．中國石油大慶油田工程建設有限公司建材公司）

油田采出水中含有的聚合物容易導致顆粒濾料類過濾器中的濾料顆粒黏度升高、附著力增強，甚至形成板結塊和濾餅層，難以通過單一的反沖洗方式進行再生。通過試驗研究確定使用氣水反沖洗再生技術，可有效地解決目前油田實際生產(chǎn)中存在的顆粒濾料污染后再生困難的技術難題，提高過濾后的水質(zhì)，使濾后水質(zhì)穩(wěn)定達標，適應油田開發(fā)后期水質(zhì)發(fā)生變化的特點。

油田采出水；過濾器；濾料再生；氣水反沖洗

0 引 言

早期油田含油污水處理工藝中使用的顆粒濾料類過濾器，一直采用濾后水直接進行過濾器濾料反沖洗再生的方式，該方式具有工藝流程簡單、易于管理等優(yōu)點。但隨著油田開發(fā)進入后期階段，油田采用聚合物驅(qū)和三元復合驅(qū)等三次采油開采方式后，由于采出水中含有聚合物，顆粒濾料在長期運行過濾后形成的污染層具有黏度高和附著力強的特點，采用單一的水反沖洗再生方式，很難將截留在濾料表面形成的包裹層的污油、雜質(zhì)及聚合物等成分沖洗掉，濾料無法得到有效恢復，從而使過濾截留性能降低；另外在過濾過程中，污染濾料因水中含有聚合物容易形成板結塊和濾餅層，在反沖洗時容易產(chǎn)生濾餅層的局部破裂，增大反沖洗強度，還容易造成墊料和濾料之間混層以及濾料流失等，不能使濾料得到徹底再生，進而影響過濾后水質(zhì)的質(zhì)量。因此，需要顆粒濾料反沖洗再生技術，滿足油田開發(fā)后期水質(zhì)發(fā)生變化的特點，確保油田順利開發(fā)。

1 室內(nèi)試驗

1．1濾料污染試驗

稱取三種顆粒濾料（石英砂、海綠石、磁鐵礦）各20 g裝入3個燒杯中，各加入20 g的原油，攪拌至全部成油顆粒濾料，然后用50～75℃自來水進行相同時間的反復沖洗，直至肉眼看表面無污染現(xiàn)象。通過掃描電鏡放大100倍的照片可以看出，濾料表面存在許多熱水沖洗不掉的污染區(qū)塊，特別是磁鐵礦顆粒表面具有易于黏附雜質(zhì)的特性，這一特點對于過濾處理是有利的，但是對于反沖洗再生，一旦被污染后再生難度比較大。

將沖洗后的濾料烘干，各稱取10 g裝入3個脫水瓶，加入汽油，振蕩后取萃取液進行分析，比較3種濾料再生程度。結果分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 濾料再生程度對比分析數(shù)據(jù)

3種新顆粒濾料被原油污染后熱水也不能徹底沖洗干凈。石英砂再生程度最高，海綠石其次，磁鐵礦的再生難度最大。

1．2濾料再生試驗

1．2．1再生試驗裝置及參數(shù)

表2 試驗濾料和墊料名稱、規(guī)格及填裝高度

室內(nèi)試驗采用Φ200 mm有機玻璃柱裝填顆粒濾料進行濾料再生試驗，試驗裝置采用的濾料和墊層［1-3］名稱、規(guī)格及填裝高度見表2。再生試驗裝置設計有兩套管路系統(tǒng)，可以分別實現(xiàn)進氣、進水，并在試驗裝置內(nèi)分布后進行混合反沖洗再生。

再生試驗時水溫40℃，再生時間為10 min。再生后取濾料中間部位350 mm處的濾料分析剩余含油量。

1．2．2試驗研究及結果分析

1．2．2．1單獨水反沖洗再生試驗

進行不同強度單獨水反沖洗再生試驗后，水溫40℃濾料表面含油去除率結果見圖1。

圖1 不同水反沖洗強度濾料再生數(shù)據(jù)

從圖1中可以看出：當水反沖洗強度達到14 L／（s·m2）時，油去除率最高為68．42%，測得濾料剩余含油量為2．47 mg／L；隨著反沖洗強度的增加，油去除率不斷降低。主要原因是由于反沖洗強度增大，濾料膨脹率增加，濾料顆粒之間的摩擦作用減弱，導致油的去除率降低。

1．2．2．2先氣后水單獨反沖洗再生試驗

先氣后水單獨反沖洗再生，可以在氣洗時先使用反沖洗進水管線進氣反沖洗再生，工藝操作簡單，過濾器內(nèi)部，與單獨水反沖洗一樣，不用另外考慮布氣方式。單獨氣洗的作用是氣體進行污染濾料的污染物剝離，后面的水反沖洗只起清洗作用［2，4-6］。水溫40℃先氣后水單獨反沖洗再生試驗再生后濾料分析數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 不同氣反沖洗強度濾料再生數(shù)據(jù)

從圖2中可看出：當氣反沖洗強度為20 L／（s·m2）時，油的去除率最高達到96．36%；當大于20 L／（s·m2）時，隨著強度的增加油去除率逐漸減小。

1．2．2．3氣、水混合反沖洗再生試驗

氣、水管路混合反沖洗再生時，氣水在反沖洗進水管線上進行匯合，混合后一同進入過濾器內(nèi)進行氣、水混合反沖洗再生；過濾器內(nèi)分別布氣、布水后混合反沖洗再生，必須在過濾器內(nèi)分別有各自單獨的布氣系統(tǒng)和布水系統(tǒng)，才能實現(xiàn)過濾器內(nèi)單獨布氣和單獨布水，然后一同進行氣、水混合反沖洗再生功能。

水溫40℃、不同氣、水反沖洗強度過濾器內(nèi)混合濾料再生數(shù)據(jù)曲線見圖3。

圖3 不同氣、水反沖洗強度過濾器內(nèi)混合濾料再生數(shù)據(jù)曲線

從圖3中可看出：氣、水在過濾器內(nèi)分別分布后再混合反沖洗再生的去除率都在90%以上，再生效率在94%左右。主要是由于在氣、水混合反沖洗過程中，在氣、水洗同時作用下的小強度水洗，強化了濾料的流化摩擦作用，并將摩擦下來的污染物及時帶走，因此，氣、水混合同時反沖洗的去除率較高。氣反沖洗強度18 L／（s·m2）和水反沖洗強度4 L／（s·m2）是墊層和濾料混層的臨界點，超過這個臨界點時濾料加大。

2 現(xiàn)場中試試驗

2．1試驗工藝流程

依托室內(nèi)試驗結果，在三元217污水試驗站開展了采用單獨水反沖洗和氣水反沖洗再生三元復合驅(qū)采出水處理顆粒濾料效果中型現(xiàn)場對比試驗，同時使用兩組和兩級顆粒濾料過濾器，均采用Φ200 mm有機玻璃，其工藝流程見圖4。試驗期間三元217污水試驗站的三元驅(qū)油劑含量較高且呈上升狀態(tài)，分析數(shù)據(jù)見表3。

2．2反沖洗技術參數(shù)

兩組顆粒濾料過濾器是在濾料級配相同、試驗條件相同（相同進水、相同濾速）條件下開展對比試驗。水反沖洗一次過濾器采用反沖洗再生強度16 L／（s·m2），二次過濾器采用反沖洗再生強度13 L／（s·m2）；氣水在過濾器內(nèi)混合反沖洗采用的是氣反沖洗再生強度16 L／（s·m2）和水反沖洗再生強度3 L／（s·m2）。

圖4 對比試驗工藝流程

表3 三元217污水試驗站三元驅(qū)油劑含量分析 mg／L

2．3結果與分析

2．3．1外觀現(xiàn)象

試驗過程中發(fā)現(xiàn)反沖洗排水回收水箱表面有浮油，單獨水反沖洗排水時在水箱表面有一些零星浮油，而在氣水反沖洗過濾器的反沖洗排水時水箱表面有一層厚厚的浮油。這說明經(jīng)氣水反沖洗后，濾料在同樣污染程度下，氣水反沖洗的污油脫落量高于單獨水洗的污油脫落量，因此，氣水反沖洗的再生效果好于單獨水反沖洗。

2．3．2反沖洗排水水質(zhì)分析

在對比試驗過程中，對單獨水反沖洗過濾器和氣水混合反沖洗過濾器的反沖洗排水進行了取樣分析和觀察。反沖洗排水水質(zhì)分析對比數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

2．3．3污染濾料分析

先后兩次對兩種不同反沖洗再生方式的一級過濾器開罐，取不同層位濾料進行含油量分析，來檢查濾料污染程度，分析數(shù)據(jù)見表4。

圖5 反沖洗過程中排水含油量變化對比

圖6 反沖洗過程中累計排出油量變化對比

表4 第一次濾料表面含油量分析數(shù)據(jù) mg／g

從表4可看出，單獨水反沖洗過濾器內(nèi)上層濾料殘余含油量是氣水反沖洗17倍，中層是22倍，下層是23倍。由此可以得出：采用氣水反沖洗后濾料表面殘余含油量明顯小于單獨水反沖洗，氣水反沖洗的再生能力明顯優(yōu)于單獨水反沖洗，可達到徹底再生的目的。

試驗連續(xù)運行36 d以后，進行了第二次開罐取濾料分析，試驗數(shù)據(jù)見表5。試驗中發(fā)現(xiàn)單獨水反沖洗的一級過濾器濾料的下層和二級過濾器濾料的上層已經(jīng)明顯看到有污油存在。

表5 第二次濾料表面含油量分析數(shù)據(jù) mg／g

由表5數(shù)據(jù)分析可看出：隨著運行時間的延長，單獨水反沖洗過濾器再生效果差的影響開始體現(xiàn)出來，具體表現(xiàn)為開始出現(xiàn)濾料污染穿透現(xiàn)象。二級過濾器內(nèi)的上層濾料單獨水反沖洗以后的殘余含油量是氣水反沖洗的56倍，濾料污染開始進入加速階段。

2．3．4濾料板結現(xiàn)象

在隨后的開罐取濾料過程中發(fā)現(xiàn)單獨水反沖洗一級過濾器的上部和下部濾層中有板結塊形成，而氣水反沖洗沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

單獨水反沖洗過濾器在濾前水水溫30～33℃，反沖洗水水溫在20～30℃的低溫試驗條件下，隨著時間的延長有大量板結塊生成，說明長期低溫水過濾和長期低溫水反沖洗對顆粒濾料過濾器的影響很大。

氣水反沖洗過濾器由于是在氣體上升時產(chǎn)生強力摩擦作用，顆粒濾料上黏附的雜質(zhì)和污染物被剝落去除，再生恢復出顆粒濾料的干凈表面。因此氣水反沖洗即使在長期低溫水過濾和低溫水反沖洗的工藝條件下也不會出現(xiàn)濾料板結現(xiàn)象。

3 結 論

◆無論是先氣后水單獨反沖洗再生，還是氣、水管路混合反沖洗，以及過濾器內(nèi)分別布氣、布水混合反沖洗再生，其再生效果均大大優(yōu)于單獨水反沖洗再生。在反洗水低溫條件下，單獨水反沖洗除油效率最高只能達到氣水反沖洗除油效率的73．2%。

◆氣水反沖洗的作用主要是在氣流作用下顆粒之間的強烈沖撞和摩擦，能夠?qū)㈩w粒濾料上黏附的雜質(zhì)和污染物剝落下來，起到關鍵的摩擦作用，而后段的水沖洗只是起到漂洗作用。

◆三元復合驅(qū)采出水在三元驅(qū)油劑含量較大時，單獨水反沖洗的水力剪切作用和摩擦作用相對較弱，單獨水反沖洗只是將濾料層吸附的部分油污和雜質(zhì)沖下來，對于已經(jīng)黏附到濾料上的油污和雜質(zhì)基本沒有再生作用。

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1005-3158（2014）04-0042-04

2013-05-29）

（編輯 李娟）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．014

夏福軍，1987年畢業(yè)于揚州工學院，高級工程師，現(xiàn)在中國石油大慶油田工程有限公司水處理與油田化學研究室從事油田含油污水處理工作。通信地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)大慶油田工程有限公司水處理與油田化學研究室，163712