滤料板结层的形成与破板结方式探讨

古文革 孙琦

1大庆油田工程有限公司

2大庆油田有限责任公司第一采油厂第三油矿

大多数油田均采用注水驱油开发方式，注入水质的好坏直接影响驱油开发效果。在整个水处理系统中，过滤处理大多为最终的水质把关设备，是污水处理系统中的关键设施之一。目前的油田采出水处理系统中，污水处理普通采用“两级沉降+过滤”的处理工艺，处理后达到高渗透油藏注水水质指标；而污水深度处理多是在污水普通处理的基础上增加两级过滤，达到低渗透油藏注水水质指标。因此，过滤设备在油田污水处理中的作用非常巨大，应用的范围和数量也非常广泛，以大庆油田为例，共建有各类过滤设备近3 000台，每年处理污水9×108m3左右。

过滤罐在滤层的截留和吸附作用下形成滤料板结层是一种常见的必然现象，而在滤料的反冲洗过程中，若不能及时有效地将板结层破碎掉，在反冲洗水的推动下，其将整体上升，既堵塞过滤罐上部筛管，造成反冲洗憋压，进而造成反冲洗效果变差，又会造成滤料的大量流失（跑料）；而滤料反洗效果差以及滤料流失，又影响到过滤效果，使过滤出水水质变差。

板结层的形成受进水水质、滤料颗粒、离子成垢以及滤料再生等多方面因素的影响，同时，滤料的板结也影响到滤层过滤孔隙、杂质的迁移、过滤周期以及滤料反冲洗的难易程度等。目前虽然大多采用搅拌方式[1-4]来实现滤料的破板结功能，但存在成本高、易损坏、运行时率低等问题，因此，筛选经济、合理的破板结方式是亟待解决的现实问题。

1 板结层的形成

1.1 滤料的水力分级

过滤大多是采用正向过滤，污水自上而下通过滤层，污水中的杂质被滤层孔隙截留和沉积，经滤层过滤后的“清水”自滤层底部流出过滤罐。过滤罐运行一段时间后，滤层截留大量的杂质，达到滤料的最大过滤承受能力，即达到了滤料的过滤周期，需进行滤料的反冲洗（滤料再生），以恢复滤层的纳污能力。反冲洗大多是利用过滤后的清水，反向冲洗滤层（自下而上），在反冲洗水的推动下，滤层膨胀、流化，滤料颗粒间吸附的杂质经滤料的相互摩擦和水力剪切作用而脱附，脱附的杂质随反冲洗水排出过滤罐；停止反冲洗泵后，流化的滤料在重力作用下自然回落，由于回落速度不同发生水力分级（经反冲洗后，滤料粒径自上而下按细到粗依次排列称为滤料的水力分级）。

以油田常用的0.5～1.2 mm单层石英砂过滤罐为例，经滤料水力分级后，最细的0.5 mm石英砂滤料在最上层，相对粗的滤料依次在下层，而最粗的1.2 mm在最下层。针对油田水处理常用的石英砂-磁铁矿双层滤料过滤器，以0.8～1.2 mm石英砂和0.4～0.8 mm磁铁矿组合滤料为例，滤料水力分级后，密度相对较低的石英砂在上层，磁铁矿在下层；上层的石英砂中，粒径最小的0.8 mm石英砂滤料在最上层，自上而下逐级排列粒径更大的石英砂滤料；而在下层的磁铁矿滤层中，最细的0.4 mm滤料在磁铁矿层的最上层，自上而下逐级排列其他粒径更大的磁铁矿滤料，最大的0.8 mm磁铁矿滤料在最下层。

1.2 滤层的表层过滤

正是由于反冲洗过程形成的滤料水力分级，使正向的过滤是建立在“反粒度”的基础上进行的。“反粒度”是指自上而下的过滤过程，而滤料粒径是由小变大，造成在同一类型滤料层中仅是表层能起到明显的过滤作用，即表层过滤，也称为滤饼过滤。这种过滤原则上只能除去粒径大于滤饼孔道直径的颗粒，但并不要求滤料的孔道直径一定要小于被截留颗粒的直径。在一般情况下，过滤开始阶段会有少量小于滤料孔隙通道直径的颗粒穿过表层混入滤液中，但颗粒很快在孔隙通道入口发生架桥现象，使小颗粒受到阻拦且在滤料表面沉积形成滤饼。真正对颗粒拦截起主要作用的是滤饼，滤料仅起着支承滤饼的作用。不过当过滤液的颗粒含量极少而不能形成滤饼时，固体颗粒只能依靠滤料的拦截而与液体分离，此时只有大于孔道直径的颗粒才能从液体中除去。因此，滤饼的形成是过滤的必然结果，也是滤料板结层形成的必要条件。

1.3 表层滤料结球

滤料结球主要是由于滤料长期反冲洗不彻底或不均匀，造成污染物不能有效排出，滤料表面污染物脱附不彻底，长期积累而成。另外，污水中聚合物的存在也加剧了滤料的清洗难度，使滤料表面裹挟的杂质黏附力增强。因此，滤料结球会加剧板结层的形成。

1.4 油污和聚合物的黏附

油田采出水除含有一定量的悬浮固体颗粒外，还含有一定量的残余污油（含油量），通过滤料的过滤作用，其沉积在滤料表面，使滤料的黏附性增大，表层滤料形成的板结层强度也相应增大。另外，采出水中聚合物的存在也加剧了杂质与滤料的黏附，使板结层的黏附程度增强。

1.5 离子的结垢析出

在污水中若一些离子含量达到过饱和状态，便会在滤料表面结垢析出。如大庆油田某三元复合驱采出水处理站，由于注入碱液对地层的溶蚀作用，采出液中离子处于过饱和状态，大量钙、镁离子以及硅离子在滤料表面结垢析出（图1），导致滤料板结严重，难以反洗再生，失去过滤功能。

图1 大庆油田某污水站滤料结垢照片Fig.1 Filter material scaling of one sewage station in Daqing Oilfield

2 板结层的影响

（1）过滤孔隙变细小，滤层压力上升，水头损失增大，反洗周期缩短。由于过滤滤料的板结，使滤料间特别是表层滤料的孔隙被杂质填充，滤料孔隙逐渐变小，相应的造成滤层的水头损失增加，相比其他水头损失相对小的过滤罐过滤水量也相应减少。当过滤系统的水头损失达到最大允许水头损失时，过滤即告结束，需进行滤料反冲洗，滤床重新工作。因此，板结层的形成会加速滤层水头损失，使过滤周期提前结束，即缩短了过滤的反洗周期。过滤开始阶段，滤层比较干净，滤层的水头损失较小，该水头损失称做“清洁滤层水头损失”，也称“起始水头损失”[5]。起始水头损失是衡量滤料反冲洗效果好坏的重要指标之一，反冲洗效果越好，起始水头损失就越低，反之亦然。

（2）平衡表面负荷，利于过滤表面负荷的均匀分布。由于滤料填装以及滤料反洗后滤层回落均匀性等原因影响，滤层的厚度、孔隙间杂质的含量会有所不同，势必造成滤料表面不同位置的水头损失有一定差异。这种差异性，即使非常细微，也会造成滤料承载的表面负荷不同，即水头损失小的地方，过水局部表面负荷大；水头损失大的地方，过水局部表面负荷小。但滤料承载表面负荷小的地方，由于表面负荷增大，造成截留杂质增多，使水头损失逐步增加，而与其他位置最终趋于一种平衡状态（相等）。因此，即使滤层由于种种原因存在表面负荷有所不同，但随着过滤的进行，滤床表面各点的水力负荷终将平衡一致。正是由于表层过滤层的这种自动平衡作用，使表面滤层的各点水力负荷最终是相同的。目前油田应用的绝大多数过滤罐，过滤进水是通过滤罐上部的多根筛管进行布水的。这种方式主要是考虑均匀布水，但由于滤料自身有平衡过水表面负荷的作用，因此，没有必要采用多根筛管来强化均匀布水，造成制造成本的大幅提高；同时，由于这种布水方式，易造成滤罐反洗筛管堵塞、反洗憋压，过滤罐顶部空间存在较大死水区，不能实现反洗时最顶端排水和排气，反洗后滤料脱附的杂质排不出去，长时间运行后反而使滤料表层板结速率加快。因此，应充分利用表面滤层所具有的自动平衡水力负荷作用，利用简单的布水结构（主要是防止进水直接冲击滤层），结合滤层的平衡作用来实现过滤的均匀布水，并考虑反洗时杂质的无死角、无阻碍排出，进而减缓滤料板结的形成。

（3）平衡罐间水量。目前油田的压力过滤多采用恒压过滤系统，通过过滤提升泵对多组过滤罐进行恒压供水，由于每座过滤罐的反冲洗是逐个进行的，使各座过滤罐的滤层水头损失不同，也造成每座过滤罐的进水量不同，刚反冲洗完的过滤罐，滤层水头损失小，进水量大于其他过滤罐。进水量的增加梯度将随着过滤滤层水头损失的增加逐渐降低，最终各过滤罐的处理水量将趋于平衡（但滤料因板结严重而无法再生恢复的过滤罐除外）。

（4）滤料反冲洗时，板结层整体上升，易造成滤料流失。当达到滤料的最大允许水头损失时，结束过滤，开始滤料的反冲洗。由于过滤形成的板结层黏附强度较大，特别是油田进入化学驱开发后，采出水中聚合物的存在也加剧了板结层的黏附强度，板结层不易破碎，在反冲洗水流的推动下其整体上升，堵塞过滤罐上部的筛管，造成反冲洗憋压，甚至造成布水构件损坏。而布水筛管损坏，又会造成大部分反冲洗水从破损点涌出，局部强度过大，反洗水携带部分滤料排出，导致滤料流失（跑料）现象发生。

（5）板结层黏附，影响反洗效果。油田采出水中聚合物的存在，造成滤料板结层的黏附性增强，滤料污染以及滤料表面结垢也会增加板结层的强度，使板结破碎更加困难。这些因素也影响到反冲洗时滤料的摩擦脱附效果，使滤料表面吸附沉积的杂质颗粒难以与滤料分离，造成滤料的反冲洗效果变差。

3 板结层的破碎方式

3.1 搅拌方式

搅拌器的运行机制：在启动滤料反冲洗之前，先启动搅拌（图2），然后启动正常的水反冲洗程序，搅拌5 min左右停止搅拌，继续进行水反冲洗程序。

从目前的运行机制和效果上看，搅拌器对板结层有破碎作用，主要是靠搅拌桨的轴向力，板结层在上升过程中被搅拌锯齿（爪）切割成环形条，随着板结层的持续上升又被搅拌桨水平挤压，直至破碎。同时，搅拌对滤料还能起到一定的加剧碰撞和摩擦作用，有利于滤料的清洗再生[1]。

但在使用过程中，经常出现密封件、电动机以及搅拌桨等部件损坏造成的停机问题[2]，严重影响搅拌器的运行时率；有些搅拌器运行时，若转速设置不合理（转速过高），造成滤料膨胀高度上升，过滤罐反冲洗憋压，反而影响滤料的反洗效果；另外，由于搅拌杆以及顶部的减速器等部件占据了过滤罐的顶部空间，迫使滤罐的过滤进水（反冲洗排水）采用侧向进水方式，这样就造成反冲洗排水无法从最顶端排出，存在顶部集油集气等问题。

图2 搅拌器与过滤罐滤料Fig.2 Agitator and filter material of filter tank

从搅拌器的采购价格分析，目前单套搅拌装置的采购价格大多在10万元以上，占单台过滤罐采购成本的15%以上，占比较大，价格较高[6]。

3.2 钢片静态切割破板结方式

钢片静态切割破板结利用的是在滤层上部放置的多个立式钢片。在反冲洗滤料流化上升过程中，利用钢片的纵向切割作用，先将板结层切割成若干的小块，再利用反冲洗水流的纵向水力剪切以及流化滤床的横向碰撞和翻滚作用，实现对板结层的破碎[7]。

与搅拌器相比，钢片静态切割具有以下特点：①采用钢片结构的静态切割破板结装置造价低廉；②无运行部件，无需检修，无需人工干预，不消耗电能，即可实现对滤层的自动破板结功能；③独特的立式钢片切割结构更有利于对板结层的切割破碎；④取消搅拌器后，腾出的顶部空间为实现反冲洗水的顶部排出创造了必要条件；⑤整体结构简单，易于施工制造。

3.3 气水反冲洗

过滤罐的气水反冲洗是利用气体上升时产生强力摩擦作用，使颗粒滤料上黏附的杂质和污染物被剥落去除，再生恢复出颗粒滤料的干净表面[8]。由于气体对滤层的摩擦作用，使其具有破板结功能，同时也加强了滤料间的摩擦脱附，加速了污染物与滤料的分离。

目前，大庆油田的过滤罐多采用的是先气后水的方式。先用一定强度的空气冲洗滤层，在气泡的上升气流作用下，滤层松动，滤料间相互蠕动、摩擦。在气洗阶段，由于滤层不发生明显膨胀，滤料间的蠕动、摩擦以及滤层的松动作用，均可使板结层发生一定程度的震动裂缝，并在气流的作用下发生破裂。之后进入水洗阶段，在水流的作用下，断裂板结块发生翻滚、碰撞，直至破碎。因此，气水反冲洗不仅能加速滤料间的相互摩擦脱附，提高滤料的再生效果，对滤层的破板结作用也较为明显。

3.4 变强度反冲洗

变强度反冲洗[9]一般采用先小后大的反冲洗强度。小强度冲洗使滤层处于刚刚流化状态，滤料间以摩擦碰撞为主，使滤料与杂质摩擦脱附；然后，加大冲洗强度，滤料间以水力剪切为主，通过大强度漂洗，快速使脱附的杂质随反冲洗水排出滤罐。

变强度冲洗对滤层的破板结作用相对有限，仅在板结层的黏附强度不大时才能起到一定的破板结作用；若滤层污染较严重、板结层的黏附强度较大，变强度反冲洗对板结层的破碎将不起作用，板结层将随反冲洗水流的上升而整体上升，造成滤罐憋压以及滤料流失。

3.5 化学法清洗

化学法破板结主要是针对滤料因过滤介质结垢严重而造成的板结。如，碳酸盐垢可考虑在反冲洗水中投加一定量的盐酸和缓蚀剂[10]，进行滤料浸泡和冲洗，主要是对垢进行分解去除；硅酸盐垢可考虑在反冲洗水中投加一定量的碱液（如NaOH），用以增加溶液对硅酸盐的溶解性，主要起到溶垢作用。大庆油田某强碱三元采出水处理站，由于采出水中硅酸盐过饱和析出，造成过滤罐滤料板结严重，滤罐反冲洗严重憋压，无法进行滤料的正常反洗工作，过滤效果严重恶化。通过投加碱液浸泡和冲洗后，反洗憋压现象明显改善，过滤罐反洗压力由0.4 MPa左右降至0.06 MPa左右，反洗泵排量也由330～420 m3/h提高到550～590 m3/h，达到了设计要求，如表1所示。

表1 加药前后反冲洗数据Tab.1 Backwashing data of before and after chemical dosing

4 结论

（1）搅拌器具有一定的破板结作用，但造价较高，且易损坏、运行时率低，反而影响滤料的清洗效果，不建议继续大规模应用。

（2）钢片静态切割是较为经济实用的滤料破板结方式，具有结构简单、造价低廉、无运行部件、无需检修、无需人工干预、无电能消耗等优点，并为简化过滤罐结构提供了先决条件，可以替代搅拌器的破板结功能，建议推广应用。

（3）气水反冲洗既具有较强的破板结作用，又可加速滤料间的相互摩擦脱附，具有提高滤料的再生效果的功效，对于滤料再生困难的油田化学驱采出水以及低温处理污水，应推广应用。

（4）变强度滤料反冲洗在一定范围内也能起到一定程度的破板结作用，但对板结程度较严重的大块滤料板结层的破碎作用相对较弱。

（5）化学法滤料清洗主要是对结垢严重引起的滤料板结起作用，是一种应急处理方法，不适合日常频繁使用。