王志華， 于雪瑩， 李杰訓(xùn)， 樂昕朋

(1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院/黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田有限責(zé)任公司 博士后科研工作站，黑龍江 大慶 163458； 3.大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 163511)

油田采出水過濾是指采油污水流經(jīng)顆粒介質(zhì)，依靠水力學(xué)和界面化學(xué)作用而進(jìn)行固液(或液液)分離的過程，作為油田采出水處理中普遍采用的粒料層過濾工藝，其常用設(shè)備為壓力式過濾器[1-5]。針對(duì)壓力式過濾器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，已有大量室內(nèi)及礦場(chǎng)試驗(yàn)研究了粒料類別、粒料規(guī)格、粒料層鋪設(shè)厚度及過濾運(yùn)行參數(shù)對(duì)過濾效果的影響[6-8]，單麗君[9]、程雪[10]等也先后運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)揭示了過濾器過濾過程中的流場(chǎng)分布規(guī)律，探究了過濾器外部進(jìn)出口結(jié)構(gòu)特征、過濾處理工藝參數(shù)等對(duì)水質(zhì)過濾效果的影響。相比于這些主要集中在對(duì)粒料層物性與過濾效果之間關(guān)系的研究與認(rèn)識(shí)，對(duì)于過濾器內(nèi)部布水單元的相關(guān)研究尚未見公開報(bào)道。然而，與粒料層的選擇和布置一樣，過濾器的布水均勻性直接影響著采出水處理效果，不均勻的布水特征將導(dǎo)致過濾壓降過大，且壓降增幅快，縮短粒料的反沖洗周期，惡化過濾處理水質(zhì)[1,11-14]。為此，本文以油田采出水壓力式過濾器為背景，著眼于對(duì)其布水單元的描述與工藝優(yōu)化，通過數(shù)值模擬研究“條縫式”布水模式和“篩管式”布水模式過濾器內(nèi)部壓力場(chǎng)分布、過濾沿程壓降特征、粒子在布水單元的運(yùn)動(dòng)跡線特征及粒料層表面的粒子分布與聚集狀況，旨在描述布水特征,優(yōu)化布水工藝,改善過濾水質(zhì)，為油田地面污水處理系統(tǒng)精細(xì)化,低碳化運(yùn)行提供有益依據(jù)和途徑。

1 模型建立

本文以“條縫式”和“篩管式”兩種布水模式的均質(zhì)濾料過濾器開展研究，針對(duì)直徑為4 m規(guī)格的兩種過濾器的布水單元及其粒料層布置特征，建立相應(yīng)的過濾器簡(jiǎn)化物理模型，如圖1所示，其幾何尺寸見表1。

表1 過濾器基本結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Basic size of filters mm

圖1(a)中，進(jìn)水口在過濾器頂部，來水先進(jìn)入到圓周上等間距布置的有系列豎直條縫的柱形布水器內(nèi)，其中，條縫寬度為30 mm，條縫間隔為200 mm。之后，來水從布水器縫隙溢出，分散到粒料層表面。圖1(b)中，進(jìn)水口在過濾器上部的側(cè)壁，來水先進(jìn)入中央柱狀集水單元，然后分配至直徑為219 mm的在中央柱狀集水單元周圍等間距布設(shè)的一組篩管內(nèi)，其中，篩管縫隙寬度為30 mm，縫隙間距為200 mm。之后，來水通過篩管縫隙溢出，分散到粒料層表面，完成過濾操作之前的布水。

圖1 布水過濾器簡(jiǎn)化物理模型

Fig.1Asimplifiedphysicalmodelofwaterfiltercloththefilterwithslots

2 網(wǎng)格劃分

2.1 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格類型一般分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)于復(fù)雜模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[9,15]，因此利用Gambit建立“條縫式”和“篩管式”布水過濾器模型并生成其非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，包括進(jìn)水口、布水單元、配水空間、粒料層、集水空間和出水口，如圖2所示。

圖2 布水過濾器網(wǎng)格剖分

Fig.2Meshofthefilterwithsievetubes

2.2 假設(shè)條件

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算過程中作了如下假設(shè)：

(1)壓力式過濾器內(nèi)部采用“條縫式”和“篩管式”布水過濾器簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)；

(2)在粒子分離過程中，采出水的密度變化可以忽略，因此將采出水視為不可壓縮流體；

(3)假定粒料層各向同性；

(4)在流動(dòng)、過濾過程中，假定溫度恒定。

2.3 控制方程

2.3.1 質(zhì)量守恒方程 單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流體流入該微元體的凈質(zhì)量。根據(jù)以上假設(shè)，質(zhì)量守恒方程可表示為：

(1)

式中，u為來水在x方向的速度,m/s；v為來水在y方向的速度,m/s；w為來水在z方向的速度,m/s。

2.3.2 動(dòng)量守恒方程 微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，根據(jù)假設(shè)條件，動(dòng)量守恒方程可表示為：

式中，p為流體微元體上的壓力,Pa；μ為來水的動(dòng)力黏度,Pa·s；ρ為來水密度，kg/m3。

3 布水特征模擬計(jì)算

對(duì)于粒料層區(qū)域，采用多孔介質(zhì)模型。對(duì)于流場(chǎng)特征量的計(jì)算，基于有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程，同時(shí)考慮油田采出水進(jìn)入過濾處理段時(shí)，其中離散粒子的體積分?jǐn)?shù)較小，選用了DPM模型[15-16]。

根據(jù)油田采出水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[17]及生產(chǎn)實(shí)踐，直徑為4 m、不同粒料(石英砂、核桃殼)的單臺(tái)壓力式過濾器的處理量通常分布在50～200 m3/h，過濾入口壓力平均在0.12 MPa左右，出口壓力平均在0.06 MPa左右。在布水特征模擬計(jì)算中，對(duì)于“條縫式”和“篩管式”布水模式的過濾器，均選擇低、高兩種處理量，并以過濾聚合物驅(qū)采出水為背景，具體計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters of calculation

續(xù)表2

3.1 壓力場(chǎng)分布

壓力式過濾器內(nèi)部運(yùn)行壓力的穩(wěn)定程度是衡量其過濾性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，可將過濾過程中過濾器內(nèi)部最大壓力與任意位置壓力的差值定義為壓降，并且在過濾器模型中建立縱剖面Z=0和三個(gè)自上而下的橫截面y=1、y=2和y=3，進(jìn)而得到用以描述過濾運(yùn)行穩(wěn)定程度的過濾過程壓力場(chǎng)分布，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同處理量下過濾器內(nèi)部壓力場(chǎng)分布

Fig.3Pressurefielddistributioninfiltersatthediffernetrate

模擬計(jì)算收斂后，對(duì)比過濾器內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布可以看出，不同處理量下，“條縫式”布水模式和“篩管式”布水模式過濾器內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布規(guī)律相似，均反映出在進(jìn)水口處的壓降低，粒料層位置處的壓降升高，且由于粒料層的截污阻力，其自上而下y=1、y=2及y=3橫截面上的壓降依次升高，且“條縫式”布水模式過濾器的壓降升高更為明顯。處理量增大，兩種布水模式過濾器內(nèi)部的壓降均增大，但以“條縫式”布水模式過濾器更為突出，表明其運(yùn)行壓力的穩(wěn)定程度降低。

為了進(jìn)一步定量描述過濾過程中的壓力場(chǎng)分布，提取過濾器縱軸線的壓降特征值，得到如圖4所示的不同處理量下不同布水模式過濾器的軸線壓降分布。從圖4(a)中可以看出，在50 m3/h的較低處理量下，“篩管式”布水模式過濾器軸線壓降較低于“條縫式”布水模式，且在距離過濾器頂部0～1 m，兩種布水模式過濾器軸線壓降均平穩(wěn)；在距離過濾器頂部1～1.5 m，即布水單元處，“條縫式”布水模式過濾器存在壓降突增的現(xiàn)象，而“篩管式”布水模式過濾器壓降依然平穩(wěn)；在距離過濾器頂部2～4 m，即粒料層和墊料層處，兩種布水模式過濾器內(nèi)部軸線壓降均開始上升，但“篩管式”布水模式過濾器的平均壓降較“條縫式”布水模式過濾器平均壓降低38.37%。從圖4(b)中可以看出，在200 m3/h的較高處理量下，軸線壓降分布總體呈現(xiàn)與50 m3/h處理量下的軸線壓降相似的特征，“篩管式”布水模式過濾器軸線壓降沿程始終低于“條縫式”布水模式過濾器，平均壓降低25.21%，進(jìn)一步揭示出“篩管式”布水模式過濾器的運(yùn)行壓力更為穩(wěn)定，兩種模擬處理量下的沿程軸線平均壓降較“條縫式”布水模式過濾器降低30.56%。

圖4 不同處理量下過濾器軸線壓降

Fig.4Pressuredropinfiltersalongtheaxisatthedifferentflowrate

3.2 跡線特征

由于聚合物驅(qū)采出水中的懸浮物具有良好的分散性[18-19]，過濾環(huán)節(jié)采出水中粒子的運(yùn)動(dòng)跡線特征能夠揭示布水的均勻程度。任意提取過濾過程中部分粒子的運(yùn)動(dòng)跡線(見圖5)。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在不同處理量下，“條縫式”布水模式過濾器布水過程中粒子均存在大量的渦流現(xiàn)象，這必然會(huì)造成過濾器內(nèi)部運(yùn)行壓力不穩(wěn)定，同時(shí)使粒子能量損失增大，影響過濾運(yùn)行的穩(wěn)定性及水質(zhì)過濾效果。當(dāng)處理量增大時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)跡線的分散程度改善，特別對(duì)于“篩管式”布水模式過濾器，其粒子跡線更為均勻、分散，這一結(jié)果也與過濾過程中的壓力場(chǎng)分布特征相吻合。

圖5 不同處理量下粒子跡線

Fig.5Pathlinesofparticlesinfiltersatthedifferentflowrate

3.3 粒子分布

在跡線特征描述的基礎(chǔ)上，對(duì)兩種布水模式的過濾器，在不同處理量下取相等數(shù)量粒子分散后的粒料表層橫截面，分析粒子在粒料表層的分布及聚集狀況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同處理量下粒料表層粒子分布及聚集

Fig.6Particlesdistributionandaggregationongranularlayersurfacesindifferentfiltersatthedifferentflowrate

由圖6可以看出，在不同處理量下，與“篩管式”布水模式相比，“條縫式”布水模式的粒料表層存在更多的“0粒子”區(qū)域，且粒子分布區(qū)域的聚集行為明顯，這種不均勻的布水特征將引起過濾運(yùn)行壓降的顯著增大，適應(yīng)的反沖洗周期縮短，水質(zhì)過濾效率降低。處理量增大，即便是等數(shù)量的粒子分散，其在不同布水模式下的分散均勻性均改善，表明合理的運(yùn)行參數(shù)是保證水質(zhì)處理效果及過濾工藝各單元高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

對(duì)圖6所示粒料表層粒子分布及聚集的進(jìn)一步定量計(jì)算表明，在50 m3/h的處理量下，“條縫式”和“篩管式”布水模式下粒料表層橫截面上粒子分布所占的面積百分比分別為24.71%和26.90%；在200 m3/h的處理量下，粒子分布所占的面積百分比分別為25.62%和30.49%，顯然，“篩管式”布水模式布水更均勻，有效過濾面積更大，作為油田采出水壓力式過濾器的布水單元更具優(yōu)勢(shì)。

4 布水工藝優(yōu)化

盡管布水特征模擬表明“篩管式”布水模式過濾器具有更為優(yōu)越的布水性能，但目前在該布水模式過濾器的設(shè)計(jì)、加工中，對(duì)于其布水單元篩管數(shù)量的選擇仍是依靠經(jīng)驗(yàn)而缺乏理論依據(jù)[1]。因此，優(yōu)化篩管布設(shè)數(shù)量，形成最優(yōu)的布水工藝，是推進(jìn)“篩管式”布水模式過濾器應(yīng)用的關(guān)鍵。

模擬優(yōu)化仍以直徑為4 m的過濾器為原型，布水特征模擬圖2所示的“篩管式”布水模式過濾器,物理模型為7篩管數(shù)量，模擬優(yōu)化中在其基礎(chǔ)上改變篩管布設(shè)數(shù)量(5、6、8、9、10)，其它結(jié)構(gòu)尺寸不變，描述流動(dòng)、過濾過程的控制方程同前。計(jì)算參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameters of calculation

續(xù)表3

4.1 壓力場(chǎng)分布

取不同布設(shè)數(shù)量的篩管構(gòu)成的布水單元，并在過濾器模型中建立縱剖面，結(jié)合布水單元及過濾器內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布，從局部到整體分析不同篩管布設(shè)數(shù)量下壓力式過濾器內(nèi)部的運(yùn)行壓力穩(wěn)定性，分別如圖7、8所示。

圖7布水單元壓力場(chǎng)分布

Fig.7Pressurefielddistributionofwaterdistributionunits

由圖7可以看出，對(duì)于不同布設(shè)數(shù)量的篩管所構(gòu)成的布水單元，均反映出來水進(jìn)入中央柱狀集水單元后由于容積的突擴(kuò)壓降開始上升，之后，水質(zhì)在不同篩管布設(shè)數(shù)量下的壓降分布均相當(dāng)，且較為均勻、穩(wěn)定。

由圖8穩(wěn)定工況下不同布水工藝過濾器內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布表明，進(jìn)水口處的壓降最低，粒料層處自上而下壓降升高，但隨著篩管布設(shè)數(shù)量的增加，壓降呈減小趨勢(shì)，且不斷趨于穩(wěn)定，貢獻(xiàn)于過濾運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖8不同布水工藝過濾器內(nèi)部壓力場(chǎng)分布
Fig.8Pressurefielddistributioninfilterswithdifferentwaterdistributionprocess

圖9為提取過濾器縱軸線的壓降特征值得到的不同布水工藝過濾器的軸線壓降分布。由圖9可以看出，不同布水工藝過濾器運(yùn)行軸線壓降的變化規(guī)律相似，壓降大幅上升的區(qū)域集中在距離過濾器頂部2～4 m處，即粒料層和承托層位置，以5篩管和6篩管數(shù)量下的軸線壓降最大，最高壓降值超過6 000 Pa，當(dāng)篩管數(shù)量為9或10時(shí)，軸線壓降顯著降低，二者的最高壓降值相接近，均約為5 500 Pa，揭示出更為穩(wěn)定的過濾過程。

圖9不同布水工藝過濾器軸線壓降
Fig.9Pressuredropoffiltersalongtheaxiswithdifferentwaterdistributionprocess

4.2 跡線特征

在不同布水工藝過濾過程中任意提取等數(shù)量粒子的運(yùn)動(dòng)跡線，如圖10所示。

圖10不同布水工藝粒子跡線

Fig.10Pathlinesofparticlesinfilterswithdifferentwaterdistributionprocess

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，布水篩管數(shù)量增加，粒子運(yùn)動(dòng)跡線的分散性增強(qiáng)，但對(duì)于5、6、7、8篩管數(shù)量的布水工藝，其粒子運(yùn)動(dòng)主要集中在過濾器的中央或側(cè)壁，粒子跡線分布不夠分散、均勻，這也與其過濾壓力場(chǎng)分布不穩(wěn)定的特征相吻合。相比之下，9、10篩管數(shù)量的布水工藝其粒子跡線較為均勻，且二者顯示出相近的分散程度，表明能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的布水。

4.3 粒子分布

取不同布水工藝下相等數(shù)量粒子分散后的粒料表層橫截面，進(jìn)一步分析粒子在粒料表層的分布及聚集狀況，如圖11所示。由圖11可以看出，布水篩管數(shù)量增加，粒料表層的“0粒子”區(qū)域增多，且相比之下，5、6、7、8篩管數(shù)量的布水工藝其粒料表層存在更多的“0粒子”區(qū)域，表明粒料表層粒子分布不均勻，引起過濾截污的有效面積減少。9、10篩管數(shù)量的布水工藝顯示出更少的“0粒子”區(qū)域，表明粒料表層粒子分布較為均勻，保證了過濾截污的有效面積。

圖11不同布水工藝粒料表層粒子分布及聚集

Fig.11Particlesdistributionandaggregationongranularlayersurfacesinfilterswithdifferentwaterdistributionprocess

定量計(jì)算表明，在5、6、7、8、9、10篩管數(shù)量的布水工藝下，粒料表層橫截面上粒子分布、聚集所占的面積百分比依次為25.26%、26.10%、27.32%、27.63%、32.0%和33.39%，顯然，增加布水篩管數(shù)量至9時(shí)，相等數(shù)量粒子的分散均勻程度達(dá)到峰值,且隨布水篩管數(shù)量的繼續(xù)增多而趨于穩(wěn)定，表明該工藝達(dá)到了較為均勻的布水效果。

因此，綜合不同布設(shè)數(shù)量篩管所形成布水工藝下的壓力場(chǎng)分布，過濾沿程軸線壓降特征，粒子運(yùn)動(dòng)跡線特征及粒料層表面粒子的分布與聚集行為，優(yōu)化確定對(duì)于油田常用直徑為4 m的過濾器，9篩管模式布水工藝即能取得均勻而穩(wěn)定的布水能力，又能有效為采出水過濾處理效果提供基本保證。

5 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬描述了油田常用壓力式過濾器布水單元的布水特征，相比于“條縫式”布水模式，“篩管式”布水更為均勻，在來水不同處理量下的過濾軸線壓降較“條縫式”布水平均低出30.56%，有益于保證穩(wěn)定的過濾性能。

(2)以壓力場(chǎng)分布，過濾沿程軸線壓降特征，粒子運(yùn)動(dòng)跡線特征及粒料層表面粒子的分布與聚集行為為特征量，優(yōu)化了適合于直徑為4 m的“篩管式”布水模式過濾器的布水工藝，確定優(yōu)化工藝的篩管布設(shè)數(shù)量為9。

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