古文革 赵秋实 陈忠喜

大庆油田工程有限公司

大庆油田由于开发较早,特别是老区油田采出水中大面积见聚合物且含量较高,因此过滤罐在实际应用过程中出现的问题也较早,针对出现的问题,大庆油田进行了积极的应对和改进,因此大庆油田整个过滤罐的发展历程更具有代表性.20世纪90年代以前,大庆油田使用的石英砂过滤罐的上部布水多采用挡板形式,底部配水采用"丰"字型穿孔管.20世纪90年代初,随着采油污水中聚合物浓度的增加,导致水体黏度增大.杂质与滤料的结合力增大,现有反冲洗系统无法有效去除黏附在滤料表层的滤料,大量黏附在滤料表层的油导致滤料密度减小,反冲洗过程中滤料膨化严重,堵塞布水筛管,致使过滤器憋压、跑料,反冲洗效果差,最终导致过滤器出水难以达标[1].同时伴随着筛管的问世,在石英砂过滤罐上部布水加装筛管(框),底部配水也加装了筛管,并对滤料进行了严格筛选,填装采用经过筛分的天然滤料和垫料,这种结构的过滤罐在油田大部分污水站得到了应用.20世纪90年代末和21世纪初,石英砂过滤罐在上部布水和底部配水加装筛管的基础上,又增加了不锈钢丝网,主要是为了进一步防止滤料的流失.

随着注聚采油的大规模应用,采出水黏度逐渐升高,污水成分变得越来越复杂,造成过滤罐滤料板结率高、滤料再生效果差、上下筛管结垢及堵塞严重,最终严重影响过滤出水水质并缩短反洗周期.为了弥补传统过滤罐的不足,近些年各油田对过滤罐结构进行了相应的研究和改进,其中最具代表性的过滤罐为低压稳流反冲洗搅拌式过滤罐[1-4],这种结构的过滤罐目前应用较多,但工程造价较高,而且实际应用过程中也出现了一些问题,主要集中在三个方面:

(1)搅拌过程中造成机构密封、搅拌桨等部件损坏,过滤罐漏水或漏蚀现象严重,实际运行时率较低,经常需要检修.

(2)过滤罐上布水系统采用多根支管外套筛管形式,这种方式的优点是保证均匀布水[5],但同时带来的缺点是过滤罐顶端存在较大死水区,反洗时不能实现最顶端排油、排气,反洗后顶部污油排不出去.为了解决反洗时污油排不出去等缺点,使用了过滤罐排油装置(浮油聚集器[6]),但现场应用效果并不理想,相应也增加了现场人员的劳动强度和工程费用.

(3)集配水的筛管结构造成过滤罐憋压,目前油田使用的筛管缝隙过小,起均匀布水及防止滤料流失的作用,实际应用在含聚污水时,出现筛管易堵塞,穿孔管和外套筛管的缝隙易结垢[7]等问题.

1 问题分析

1.1 过滤罐憋压造成内件损坏

滤料反冲洗过程中,脱附的污染物随反冲洗水排出罐外,此过程滤料截留的油污等杂质也必将裹挟少量滤料,而在滤料再生的过程中,这些污染杂质裹挟滤料发生的滤料轻微流失是必然现象(属正常的滤料损耗).油田常用的筛管筛缝一般在0.25~2 mm之间,筛缝过大在正常情况下不能起到防止滤料流失的作用;筛缝过小,长时间运行后易堵塞,再加上反冲洗过程中污油等杂质裹挟的少量滤料以及部分板结滤料的上升,造成滤料颗粒堵塞在筛管缝隙中,最终造成过滤罐憋压严重.

过滤罐内集配水的筛管堵塞后,过滤罐在憋压的状态下长时间运行,造成筛管变形、断裂损坏,进而流量单点突破,造成集配水系统的压力不均衡,大量污水在破损点携砂排出,导致过滤罐跑料.因此过滤罐滤料流失不应采取"堵"的方式(利用筛管或筛框进行拦截),"堵"就会造成系统憋压,憋压最终会引起内件的损坏以及滤料的流失.

1.2 反冲洗强度不随黏度变化调整

随着化学驱开发的逐步扩大,采出水中聚合物含量逐步升高,污水黏度也随之增大,若仍然采用油田水驱滤料的反冲洗强度,势必造成滤料反洗膨胀率增加.根据阻力系数进行滤料反冲洗强度计算,计算公式[8]为

式中:u为反冲洗强度,L/(m2.s);ρ为滤料的密度,kg/m3;ρ0为污水的密度,kg/m3;μ为污水的黏度,kg/(m.s);m为滤料的静止孔隙度;e为滤料的反冲洗膨胀率;d为滤料的粒径,m.

在保持0.8~1.2mm石英砂、反洗强度16L/(m2.s)时,滤料膨胀率随水相黏度变化曲线如图1所示.结果表明:在相同反洗强度下,滤料膨胀率与污水黏度呈正比关系,污水的黏度越大,则滤料反冲洗时的膨胀率越高.

图1 在相同反洗强度下,滤料膨胀率随水相黏度变化曲线Fig.1 Changing curve of the filter material expansion rate varied with water phase viscosity under the same backwashing strength

在过滤污水含油量较高时,由于污油会裹挟部分滤料形成密度较低的颗粒,造成滤料的实际膨胀率高于计算结果,另外,由于过滤罐高度限制,膨胀率增大到一定程度必然造成滤料流失.因此,滤料反冲洗强度不随黏度变化调整是造成滤料流失的主要原因.

1.3 滤料板结层不能有效破碎造成反冲洗憋压

在滤料反冲洗过程中,过滤形成的板结层若不能有效破碎,将在反冲洗水的推动作用下整体上升,造成反冲洗集水筛管憋压以及跑料现象.而目前采用的破板结方式大多为搅拌,但搅拌器也存在价格昂贵、易损坏、运行时率低等问题,实际生产站很少使用.

从目前搅拌器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.首先,板结层在上升过程中先被搅拌锯齿(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.但是破板结的手段很多,由于气泡对滤层的蠕动作用,目前油田应用的气水反冲洗技术就具有破板结功能,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.另外,采用特殊结构的钢片切割组件可实现对滤料的无动力消耗的破板结功能,具有结构简单、施工简单、造价低的特点[9].

2 改进措施

2.1 改进过滤罐结构

过滤罐合理的内部结构是保障过滤效果的关键,为防止反冲洗时滤料板结层整体上升,改进过滤罐结构,采用高效实用的破板结技术,防止板结层的不利影响是防止滤料流失的必要条件.

建议采用钢片的静态切割破板结方式,可在无电能消耗、无运动部件、无需人工干预的条件下,使板结层由整块破碎成小块,并借助水力摩擦、碰撞和翻滚等作用将板结块破碎[9],防止了板结层整体上升至顶端出口,进而极大地降低了发生滤料流失的可能性.该方式具有结构简单、造价低廉、易于施工等特点.尽管采用搅拌器也能使板结层破碎,但由于价格较高、易损坏[2]、不节能、维护维修成本高,同时占用顶部空间,无法实现过滤罐最顶端排油、排水等原因,不建议使用.

2.2 调整过滤罐反冲洗强度

过滤罐的反冲洗强度应随污水黏度的变化相应调整,以保持滤层膨胀率维持在30%~50%最佳滤料反洗膨胀率的合理范围内[8].具体要求各污水站应根据污水黏度的变化,调整反冲洗强度,实施个性化滤料反冲洗,确保滤料的膨胀高度维持在最佳反冲洗膨胀率的范围之内,保障滤料的高效冲洗,同时避免发生因滤料膨胀过高造成的非正常滤料流失.按照公式(1),在保持石英砂反冲洗膨胀率40%时,反冲洗强度与污水黏度关系的计算曲线如图2所示,由图2可知,随着污水黏度的上升,应适当降低反冲洗强度,以适应污水黏度的变化.

图2 洁净滤料的反冲洗强度与污水黏度关系曲线Fig.2 Relation curve between the backwashing strength of clean filter and sewage viscosity

2.3 取消过滤罐的集配水筛管

取消上部布水筛管,采用挡水板布水,能避免滤罐憋压及内件损坏的发生,相应地降低了滤料流失的可能性.取消下部配水筛管,采用大阻力穿孔管,能提高内部穿孔管的承压性能,减少内部结垢堵塞的发生[7],同样也起到防止内件损坏及滤料流失的作用,并可消除不锈钢筛管与碳钢管之间产生的电偶腐蚀.同时,取消上部布水筛管,可在不增加过滤罐罐体高度的基础上,增大滤料膨胀的富余活动高度,降低了滤料升至过滤罐顶部的可能性,降低了滤料流失的风险;并可实现反冲洗时最顶端排水、排油、排气,消除了过滤罐反冲洗时的死水区影响,为过滤罐排油装置提供了基础条件.另外,采用挡水板和穿孔管结构,造价低廉、施工简单,虽然不能直接防止跑料的发生,但避免了采用筛管造成的后续不利影响.

2.4 控制来水水质防止滤料非正常污染

若采用布水筛管结构,在发生过滤罐滤料大面积污染事故时,会发生滤料反洗憋压,导致滤料再生过程无法实施,滤料整体污染,整个过滤系统失去过滤功能;若继续强制反冲洗,势必导致内件损坏、滤料流失的发生.而采用挡水板布水结构,在事故状态下(大量污油进入过滤罐),虽可通过静态钢片切割装置降低发生滤料流失的可能性,但不能完全避免,应在生产管理上加强预防.

3 结束语

(1)过滤罐是油田水处理的关键设施,提高过滤罐处理效能,防止滤料流失是水处理重要工作之一.但在实际工作中,是采用以"堵"为主的筛管拦截方式,还是以"防"为主的优化调整反冲洗强度防止跑料方式,是一种理念上的差别.在生产实践中应从长远考虑,单纯的"堵"是不能解决跑料问题的,要防止采用"堵"造成的过滤罐憋压、内件损坏以及无法反冲洗等问题,要建立过滤罐在非正常事故时的应急处理措施,防止滤料大面积板结污染;更要建立滤料反冲洗强度随污水黏度变化而优化调整的技术理念.

(2)过滤罐发生一定程度的轻微跑料属正常范围,每年的滤料流失量应控制在5%以内.

(3)油田采出水由于聚合物的存在,反冲洗强度没有随黏度上升实时调整,造成滤料膨胀率过高,是导致滤料流失的主要原因.此外,过滤罐憋压及滤料板结也是导致滤料流失的主要原因.

(4)采取有效的技术措施防止板结层整体上升,采用经济实用的破板结方式避免采用集配水筛管结构,以免发生筛管的堵塞、憋压和损坏.