滤料粒径优化对海上油田生产污水水质控制的探索研究与应用

杜 虹 ，高乐旭，曾清平

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

0 引 言

油田注水中的悬浮物进入岩石孔隙内部，堵塞孔喉形成深部损害，粒径相对较大的物质在岩石表面和浅表部位附着、桥堵，降低岩石表层渗透率，因此有效控制注水悬浮物指标至关重要[1]。我国各油田的生产污水回注处理中，以核桃壳过滤工艺应用最为广泛，成为油田污水过滤处理技术发展的一种趋势。

近年来，人们对油田污水核桃壳过滤反洗再生方面进行了大量的研究，但对过滤机理研究很少，特别是滤料粒径对过滤的影响方面研究几乎为空白[2]。油田现场多以提高滤料更换频次来应对因滤料脏堵带来的水质指标下降的问题。本文基于过滤机理，阐述了滤料粒径与滤层参数的关系，同时提出优化方案并在海上矿场实施中取得了良好的效果。

1 过滤机理研究

1.1 滤料粒径与滤层各参数的关系

目前，海上油田多采用均粒径滤层进行过滤。根据过滤机理，悬浮颗粒要被滤层截留，必须与滤料表面接触。悬浮颗粒与滤层可能的接触次数越多，被滤层截留的可能性越大，对于现场污水流程水质控制越有利。假设某一悬浮物颗粒穿过滤层而不被截留，将其与滤料颗粒所有的接触次数称为 n，则滤层的比表面积越大n越大，滤层的孔隙尺寸越小n越大。

1.1.1 滤料粒径与滤层孔隙尺寸

假定滤料颗粒为球形，滤层的孔隙可以看作是由很多相互连通的孔构成。如果把孔按照长度和体积不变的原则换算成等截面的圆形孔，其直径称作孔隙的当量直径记为 de，清洁滤层的孔隙当量尺寸记为de0，则 de0与滤料粒径d成正比关系，即

式中:k为比例系数，无量纲；de0为清洁滤层孔隙当量尺寸，×10-3m；d为滤料粒径，×10-3m。

1.1.2 滤料粒径与滤层滤料的总表面积

假设滤层的体积为V，则有

式中:A为滤料总比表面积，m2；V为滤层体积，m3；Vp为孔隙体积，m3；Vs为单个滤料颗粒体积，m3；as为单个滤料颗粒体积，m3；n为滤料颗粒总数；m0为清洁滤层孔隙率，滤层孔隙率与粒径无关，与排列方式有关，一般为42%。

基于以上分析，滤料粒径越小，则悬浮颗粒穿越滤层可能的接触次数越高，截流可能性越大，对于生产污水水质控制越有利。

1.2 滤料粒径对过滤过程的影响

滤料粒径越小对生产污水水质控制有利，但有可能导致水流剪力、水头损失增长过快，滤层纳污量低，造成过滤周期短、滤速低等问题。

1.2.1 滤料粒径对水力参数的影响

假定过滤器中滤料孔隙率不变，滤速不变，则水流剪力的大小和滤层孔隙当量直径的乘积成反比，可简化表示为[3]:

式中:τ为水流剪力，N；k1为系数，无量纲；μ为水的动力黏度，Pa·s；m 为滤层孔隙率，百分数(无量纲)；ν为空床流速，m/s。

据以上可知，当滤料颗粒尺寸较小，滤层的水流剪力大。值得注意的是，当正常过滤时产生的水流剪力超过了被吸附的悬浮物从滤料表面脱附时的水流剪力时，将使过滤失效。同理，如果滤料的颗粒尺寸较小，清洁滤层的水流剪力大，并且随着过滤的进行，水流剪力增加得也会非常快。

滤层的水力损失可简化表示为

式中:h为水头损失，m；k2为系数，无量纲；γ为水密度，kg/m3；l为滤层厚度，m。

由此可见，滤料颗粒尺寸对水头损失的影响极大，若滤料尺寸过小，将直接影响上级流程的稳定。

1.2.2 滤料粒径对含污层厚度与滤层含污量的影响

随着滤料颗粒的减小，悬浮物固体颗粒与滤层接触的次数将增加。假定悬浮物固体颗粒与滤层接触次数一定，则悬浮物固体颗粒穿越滤料层数越少，若此滤层的含污层厚度越小，滤层的含污量也越小。

2 滤料粒径选择

由以上讨论可知，滤料粒径的减小，对于提高滤后水质是有利的。但滤料粒径减小后，对于提高滤速、延长过滤周期、提高滤层的产水量、减缓水头损失的增长是不利的。

就滤层粒径沿水流方向粒径分布而言，目前业界公认看法为:滤料粒径沿水流方向由大趋小较好。该做法有利于悬浮物颗粒进入滤层的较深处，并且由于大部分悬浮颗粒被截留在上部孔隙尺寸较大的滤层，有利于减缓水头损失的增长。

3 矿场试验

3.1 原生产污水系统概况

渤海某油田生产污水系统主要由斜板除油器、气浮选分离器、核桃壳与双介质过滤器构成，过滤后的生产污水回注井底，其注水水质控制指标(见表1)包括了注水悬浮物粒径中值、注水悬浮物固体含量、含油、含铁量、含亚铁量、含硫量、铁细菌、腐生菌、硫酸还原菌等注水指标。

表1 渤海某油田注水水质指标Tab.1 Water quality index of water injection in an oil field in Bohai sea

油田生产污水系统主要存在的问题为悬浮物固体含量偏高，接近控制指标。根据各级悬浮物含量检测数据，主要问题体现在由核桃壳与双介质过滤器组成的二级过滤组合，对于悬浮物固体含量控制不足，平均去除约10mg/L的悬浮物固体含量，去除效率约为15%～20%。

油田生产污水一级过滤器，核桃壳过滤器(3台)滤料由 1.8～2.2mm 粒径的石英砂(底层)、1.6～2.0mm 粒径(顶层)构成；二级过滤器，双介质过滤器(4台)滤料由 1.2～1.6mm 粒径的金刚砂(底层)、1.2～1.6mm 粒径的核桃壳(顶层)构成，单罐平均滤速为53.5m3/h。由表2可知，核桃壳过滤器悬浮物固体含量平均去除 6.34mg/L，去除效率约 24.76%；双介质过滤器悬浮物固体含量平均去除 3.42mg/L，去除效率约为18.22%。

表2 渤海某油田生产污水系统各级水质运行情况及效率分析Tab.2 Water quality parameters and efficiency index of production wastewater system in an oil field in Bohai sea

3.2 核桃壳与双介质过滤器滤料参数优化方案

3.2.1 参数优化思路

①减核桃壳过滤器滤料粒径，增滤料比表面积。

②针对核桃壳过滤器对其中单罐进行滤料换型，双介质过滤器对其中双罐进行滤料换型，减低因粒径下调带来的水力剪力增加、水头损失增加、纳污量减少等不利因素导致的生产污水系统不确定风险。

③维持滤层厚度，增加滤料反冲洗强度，提高滤料再生能力[4]。

3.2.2 实施方案

核桃壳过滤器滤料换型方案如表3所示；双介质过滤器滤料换型方案如表4。

过滤器运行组合情况如下:

8∶00～12∶00核桃壳过滤器 A 罐+B 罐与双介质过滤器A/B罐运行。

12∶00～16∶00核桃壳过滤器B罐+C罐与双介质过滤器C/D罐运行。

表3 优化前后核桃壳过滤器滤料填充情况Tab.3 Filter material parameter in walnut shell filter before optimization

表4 优化前后双介质过滤器滤料填充情况Tab.4 Filter material parameter in double medium filter before optimization

16∶00～次日 8∶00核桃壳过滤器 A+C 罐与双介质过滤器A/D罐运行。

过滤器运行期间，每日上午 10∶00与下午 14∶00对各级流程进行取样化验。

4 优化效果

4.1 生产污水系统悬浮物固体含量对比

由图 1可知，核桃壳过滤器核桃壳粒径由 1.6～2.0mm下调至1.2～1.6mm后，核桃壳过滤器对悬浮物固体含量控制效果提升明显。优化后，核桃壳过滤器出口悬浮物固体含量由 18mg/L下降至 10mg/L，过滤效率由24.76%上升至57.42%。

图1 核桃壳过滤器滤料换型前后悬浮物固体含量对比Fig.1 Comparison of solid content of suspended matters in walnut shell filter before and after optimization

由图 2可知，双介质过滤器核桃壳粒径由 1.2～1.6mm下调至0.8～1.2mm后，双介质过滤器对悬浮固体含量控制效果明显，但其过滤效率提升不明显。优化后，双介质过滤器出口悬浮物固体含量由14.94mg/L下降至 6.52mg/L，但双介质过滤器过滤效率18.22%仅提升至22.3%。

4.2 水头损失与水力剪切对比分析

由 3图可知，核桃壳过滤器滤料换型前后，水头损失由 0.008MPa上升至 0.013MPa，核桃壳运行压力由 0.118MPa上升至 0.125MPa；双介质过滤器换型前后，水头损失由0.011MPa上升至0.018MPa。

由此可见，本次滤料换型试验未对流程运行压力造成较大影响。核桃壳过滤器与双介质过滤器运行压力平稳，据此评测滤层纳污量未见明显下降。

图2 双介质过滤器滤料换型前后悬浮物固体含量对比Fig.2 Comparison of solid content of suspended matters in double medium filter before and after optimization

图3 滤料换型前后过滤器运行压力对比Fig.3 Comparisonof operating pressures of filters before and after optimization

5 结 论

以滤料粒径优化为突破口的思路对于现场生产污水悬浮物固体控制效果明显，通过加强反冲洗强度，延长反冲洗时间等措施，可降低水剪切力上升、水头损失加大、滤层纳污量下降等不利因素带来的生产流程波动。

以渤海某油田为例，可得出结论如下:

①核桃壳过滤器滤料粒径下调 22.2%，可实现悬浮物固体过滤效率提升 131.9%；②在一级过滤器粒径下调 22.2%的基础上，双介质过滤器滤料粒径对于悬浮物固体含量去除效果的提升不明显:双介质滤料粒径下调 40%，可实现悬浮物固体过滤效率约 22%；③核桃壳及双介质过滤器滤料粒径分别下调22.2%与40%，不会对水头损失、水剪切力产生明显影响。