三元复合驱采出水过滤罐滤料原位清洗工艺研究和应用

张冰

大庆油田有限责任公司第一采油厂

大庆油田开发进入高含水后期阶段，开采大规模应用三元复合驱等化学驱油技术。相比常规水驱采出水[1]，三元驱采出水水质特性复杂，且随着含聚合物浓度的上升[2]，过滤滤料出现板结、污染，应用常规反冲洗工艺再生效果差[3]。离线清洗虽然能够改善过滤效果，但清洗成本高，由于不能随时清洗，导致生产时间延长[4]，因此需开展滤料原位清洗工艺研究。

大庆油田第一采油厂三元217污水处理站位于北一区断东区块，接收三元复合驱后续水驱和复合调驱（YF 柔性微球凝胶＋颗粒+SMG 柔性微球凝胶+聚合物）两种不同驱替体系采出液，同时还接收含油污泥处理站外输污油。三元217污水处理站工艺流程为“一级沉降+两级过滤”[5-6]，设计处理规模为4 000 m3/d，2022 年实际处理水量为4 538 m3/d，沉降罐最大沉降时间为6.6 h。2016年起该站接收北一区含油污泥处理站处理后废液11.4×104m3，其中机械杂质质量浓度高达5 832 mg/L，对217污水站来水水质冲击较大。沉降工艺出水含油量和悬浮物固体含量过大造成该站过滤罐滤料严重板结，不仅影响过滤效果和滤后水质，还造成过滤罐堵塞憋压，无法进行正常反冲洗，需要采用适合的滤料清洗措施，解决滤料板结造成的过滤罐出水水质恶化问题[7]。

1 滤料清洗试验

1.1 试剂和材料

通过室内化学分析和模拟试验手段对滤料原位清洗所用的清洗药剂配方进行调整，并对原位清洗工艺进行优化。

试验药剂：洗油剂、渗透剂、消泡剂和增速剂等。

试验装置：恒温水浴锅、烧杯、天平、烘干箱等。

1.2 滤料清洗剂评价方法

通过室内试验分析出滤料表面附着物的组成，针对附着物成分开展清洗剂配方、助剂用量、助剂浓度、清洗温度和清洗时间优选。滤料清洗步骤为：称取5 g 结垢滤料放入100 mL 烧杯中，加入40 mL试验药剂置于水浴中，按试验方案设置水浴温度，每隔一定时间用玻璃棒搅拌一次，然后将清洗后的滤料全部取出，放入烘干箱烘干、称重，对比清洗前后的滤料质量得出清洗率，也就是通过药剂清洗将滤料表面附着的垢质变为可溶性离子的能力，公式为

式中：A为清洗率，%；m1为试验选取的结垢滤料质量，g；m2为清洗后烘干的滤料质量，g。

2 清洗剂配方优化

对滤料表面附着物进行化验，结果见表1。三元217站过滤罐滤料污染物的主要成分为有机质和原油，占比为19.32%（质量分数，下同），此外还含有4.44%的碱土金属碳酸盐。

表1 三元217站过滤罐滤料污染物成分Tab.1 Composition of pollutants in the filter material of the ASP-217 Station filter tanks 质量分数/%

针对表1中滤料污染物的成分，设计助洗剂的主要成分为垢质转化剂、有机螯合分散剂及表面活性剂。

（1）垢质转化剂：垢质转化剂对CaCO3、Ba-CO3、MgCO3等无机垢具有良好的转化性，可将不溶于水的无机垢转化为水溶性物质而去除。

（2）有机螯合分散剂：有机螯合分散剂的分子在水中电离成阴离子后具有强烈的吸附性，对水中的低聚物、黏土颗粒及其他悬浮粒子具有较强的吸附能力，使粒子表面带有相同电荷，从而使粒子间产生相互静电排斥，避免了颗粒碰撞所产生的积聚，使颗粒成分散状态悬浮于水中。在碱性条件下，螯合分散剂的分子可与溶液中的Ca2+、Mg2+、Fe2+等生成具有环状结构的螯合物，对于碳酸盐、硫酸盐等垢质具有很好的去除效果。

（3）表面活性剂：表面活性剂具有亲水和亲油两端。在与油污作用时，亲油基团插入油污中，而亲水基团则向外，可有效降低油水界面张力，使油污分散在水中并使滤料和垢质表面具有湿水特性，便于油污脱落[8]。

在现有清洗剂配方中，加入洗油剂、增速剂和重油污清洗剂等，进一步优化滤料清洗剂配方，提高清洗效率。选择了5 种洗油剂，分别为洗油剂A-3、A-5、A-7、A-9 和洗油剂P-10。试验考察原清洗剂配方中加入不同洗油剂后的清洗效果。

取80 g 配好的初始清洗液分别放入100 mL 的塑料瓶中，共计取5份，分别加入0.8 g洗油剂：洗油剂A-3（配方1），洗油剂A-5（配方2），洗油剂A-7（配方3），洗油剂A-9（配方4），洗油剂P-10（配方5），未加上述洗油剂的原清洗剂100 g作为配方6。分别在常温（25 ℃）和45 ℃条件下评价了上述6个配方的滤料清洗效果（清洗剂的质量浓度为50%，下同，清洗剂用量为40 mL，洗油剂添加量为0.8 g）见表2。6个配方中以添加有洗油剂A-3（配方1）的清洗效果最好，常温下清洗24 h 的清洗率可达88.05%，45 ℃下清洗1 h 的清洗率可达81.03%。后续试验中均采用添加有洗油剂A-3 的配方。

表2 洗油剂配方对滤料清洗效果的影响Tab.2 Influence of oil washing agent formula on the cleaning effect of filter material

添加有不同剂量洗油剂A-3清洗剂的清洗效果（清洗剂浓度为50%，清洗温度为45 ℃，清洗时间1 h）见表3。随着清洗剂配方中洗油剂A-3添加量的增加，清洗率逐渐增大，当洗油剂A-3添加量为0.5%时，清洗率达到了90.80%；继续增加洗油剂A-3的添加量，清洗率升高幅度不大。因此，可以确定清洗剂配方中洗油剂A-3 的最佳添加量为0.5%。

表3 洗油剂A-3添加量对清洗效果的影响Tab.3 Influence of additive amount of oil washing agent A-3 on cleaning effect

在确定了洗油剂A-3 最佳添加量为0.5%的基础上，考察了清洗剂配方中继续加入增速剂和重油污清洗剂后的清洗效果（清洗剂浓度为50%，清洗剂用量为40 mL，清洗温度为45 ℃，清洗时间1 h），见表4。在原配方+0.5%洗油剂A-3 中加入1%的重油污清洗剂后，清洗率由原来的81.21%提高至83.65%，清洗率提升了2.44%，这表明重油污清洗剂对滤料污染物具有较好的清洗效果。继续在配方中加入1%的增速剂，清洗率继续升高至86.35%，表明添加重油污清洗剂可加速滤料的清洗。确定在原有清洗剂配方中加入0.5%洗油剂A-3、1%重油污清洗剂和1%增速剂组成新配方，后续试验中均采用清洗剂新配方。

表4 加入重油污清洗剂和增速剂后的清洗率变化情况Tab.4 Change of cleaning rate after adding heavy oil cleaning agent and speed increasing agent %

3 清洗参数优化

在清洗剂配方优化的基础上，通过室内清洗试验对清洗剂用量、浓度、清洗温度和时间进行了优化[9]。

3.1 用量

在清洗温度为45 ℃的条件下，评价了新清洗剂配方用量对清洗效果的影响（清洗剂的浓度为50%，清洗时间为1 h），见表5。随着清洗剂用量增加，清洗率逐渐增加；当清洗剂用量为60 mL时，清洗率最大，达到了85.18%。

表5 不同清洗剂用量下的清洗效果Tab.5 Cleaning effect under different cleaning agent dosages

3.2 浓度

在清洗温度为45 ℃的条件下，评价了新清洗剂配方浓度对清洗效果的影响（清洗剂用量为60 mL，清洗时间为1 h），见表6。随着清洗剂浓度增加，清洗率增加；清洗剂浓度为60%时，清洗率可达87.13%；清洗剂浓度为70%时，清洗率可达90.14%。可以确定最佳清洗剂浓度为70%。

表6 不同清洗浓度下的清洗效果Tab.6 Cleaning effect under different cleaning concentrations

3.3 温度

在新清洗剂配方浓度为70%，清洗剂用量为60 mL，清洗时间为1 h的条件下，观察了清洗温度对清洗效果的影响，见表7。随着清洗剂温度升高，清洗率增加；当清洗温度为60 ℃时，清洗率为89.28%；当清洗温度为70 ℃时清洗率可达91.73%。因此，可以确定最佳清洗温度为70 ℃。考虑到现场试验条件和经济成本，当清洗温度为60 ℃时，清洗率可达89.28%。因此也可选60 ℃作为清洗温度。

表7 不同清洗温度下的清洗效果Tab.7 Cleaning effect under different cleaning temperatures

3.4 清洗时间

在清洗温度为45 ℃，新清洗剂配方浓度为70%，清洗剂用量为60 mL 的条件下，考察了清洗时间对清洗效果的影响，见表8。随着清洗时间增加，清洗率逐渐增加；当清洗时间为4 h 时，清洗率达到了85.82%；继续增加清洗时间，清洗率升高幅度不大。清洗时间为24 h 时，清洗率达到了93.31%。因此可以确定清洗剂最佳清洗时间为24 h。考虑到清洗时间对生产的影响，亦可选择8 h 作为清洗时间。

表8 不同清洗时间下的清洗效果Tab.8 Cleaning effect under different cleaning time

3.5 清洗条件确定

根据上述清洗参数优化试验结果，确定优化后的滤料清洗参数为：清洗剂浓度为70%，清洗温度为60 ℃，清洗剂用量为60 mL，清洗时间为8 h。此条件下，两次平行清洗试验的清洗率分别为95.44%和94.52%，表明新清洗剂配方具有较好的清洗效果。

4 清洗剂现场应用

现场开展滤料原位清洗试验。

（1）将滤罐内污水放空，关闭进出口阀门。

（2）先向滤罐内加入12 m3热水，另准备6 m3热水并加入清洗药剂，高压热洗车加热打入滤罐内。启动高压热洗车循环加热罐内洗液，确保罐内温度达到60 ℃以上，清洗时间为3.5 h。

（3）洗液在滤罐内静态浸泡36 h后，关闭反冲洗进出口阀门，进行反冲洗2～6次。

2021 年4 月，采用上述最佳清洗配方，对217站水岗过滤罐滤料进行了原位清洗试验。试验条件为：清洗剂浓度为70%，清洗温度为60 ℃，清洗时间为8 h，滤料清洗效果见表9。现场滤料原位清洗的清洗率为80.6%～85.4%，而表7 中相同温度，清洗时间只有1 h 的室内清洗效率就高达89.28%。

表9 60 ℃现场滤料原位清洗效果Tab.9 In-situ cleaning effect of on-site filter material at 60 ℃

为了进一步提高清洗效果，将现场原位清洗温度提高到70 ℃，清洗时间延长至10 h，清洗效果见表10。现场原位清洗参数优化后，滤料清洗率达到了86.15%～92.36%。

表10 滤料原位清洗参数优化后滤料清洗效果Tab.10 Filter material cleaning effect after optimization of in-situ cleaning parameters

通常过滤罐采取滤料离线清洗方式，包括过滤罐排水（1 天）、滤料取出（0.25 天）、滤料清洗（4 天）和滤料回填（0.25 天）等程序，需要停运过滤罐5天以上[10]；而滤料原位清洗只需要在清洗时停运过滤罐，清洗1座过滤罐只需要1.83天。在清洗费用方面，滤料离线清洗包括滤料取出费用0.65 万元、滤料清洗费用3.66 万元、滤料回填费用2.16万元，合计6.47万元。而滤料原位清洗的费用主要为清洗过程中消耗的5 t药剂，费用为4.6万元。与滤料离线清洗方式相比，采用研制的滤料清洗剂配方，结合滤料原位清洗工艺，不仅可缩短单台过滤罐清洗时间3 天以上，还可节约滤罐清洗费用1.87 万元/台。

5 结论

（1）三元217污水站过滤罐滤料污染物主要为有机质和碱土金属碳酸盐。

（2）在滤料清洗剂配方中加入洗油剂、增速剂和重油污清洗剂，可以显著提高清洗剂的清洗效率。

（3）与滤料离线清洗方式相比，采用滤料原位清洗工艺可将单台滤罐滤料清洗时间由5天以上缩短到1.83天，清洗费用由6.47万元降低到4.6万元。