王志华， 于雪莹， 李杰训， 乐昕朋

(1.东北石油大学 石油工程学院/黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室，黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田有限责任公司 博士后科研工作站，黑龙江 大庆 163458； 3.大庆油田有限责任公司 第四采油厂，黑龙江 大庆 163511)

油田采出水过滤是指采油污水流经颗粒介质，依靠水力学和界面化学作用而进行固液(或液液)分离的过程，作为油田采出水处理中普遍采用的粒料层过滤工艺，其常用设备为压力式过滤器[1-5]。针对压力式过滤器的设计与应用，已有大量室内及矿场试验研究了粒料类别、粒料规格、粒料层铺设厚度及过滤运行参数对过滤效果的影响[6-8]，单丽君[9]、程雪[10]等也先后运用数值模拟技术揭示了过滤器过滤过程中的流场分布规律，探究了过滤器外部进出口结构特征、过滤处理工艺参数等对水质过滤效果的影响。相比于这些主要集中在对粒料层物性与过滤效果之间关系的研究与认识，对于过滤器内部布水单元的相关研究尚未见公开报道。然而，与粒料层的选择和布置一样，过滤器的布水均匀性直接影响着采出水处理效果，不均匀的布水特征将导致过滤压降过大，且压降增幅快，缩短粒料的反冲洗周期，恶化过滤处理水质[1,11-14]。为此，本文以油田采出水压力式过滤器为背景，着眼于对其布水单元的描述与工艺优化，通过数值模拟研究“条缝式”布水模式和“筛管式”布水模式过滤器内部压力场分布、过滤沿程压降特征、粒子在布水单元的运动迹线特征及粒料层表面的粒子分布与聚集状况，旨在描述布水特征,优化布水工艺,改善过滤水质，为油田地面污水处理系统精细化,低碳化运行提供有益依据和途径。

1 模型建立

本文以“条缝式”和“筛管式”两种布水模式的均质滤料过滤器开展研究，针对直径为4 m规格的两种过滤器的布水单元及其粒料层布置特征，建立相应的过滤器简化物理模型，如图1所示，其几何尺寸见表1。

表1 过滤器基本结构尺寸Table 1 Basic size of filters mm

图1(a)中，进水口在过滤器顶部，来水先进入到圆周上等间距布置的有系列竖直条缝的柱形布水器内，其中，条缝宽度为30 mm，条缝间隔为200 mm。之后，来水从布水器缝隙溢出，分散到粒料层表面。图1(b)中，进水口在过滤器上部的侧壁，来水先进入中央柱状集水单元，然后分配至直径为219 mm的在中央柱状集水单元周围等间距布设的一组筛管内，其中，筛管缝隙宽度为30 mm，缝隙间距为200 mm。之后，来水通过筛管缝隙溢出，分散到粒料层表面，完成过滤操作之前的布水。

图1 布水过滤器简化物理模型

Fig.1Asimplifiedphysicalmodelofwaterfiltercloththefilterwithslots

2 网格划分

2.1 网格剖分

网格类型一般分为结构化网格和非结构化网格。非结构化网格对于复杂模型具有较强的适应性[9,15]，因此利用Gambit建立“条缝式”和“筛管式”布水过滤器模型并生成其非结构化网格，包括进水口、布水单元、配水空间、粒料层、集水空间和出水口，如图2所示。

图2 布水过滤器网格剖分

Fig.2Meshofthefilterwithsievetubes

2.2 假设条件

为了简化数学模型，在计算过程中作了如下假设：

(1)压力式过滤器内部采用“条缝式”和“筛管式”布水过滤器简化模型结构；

(2)在粒子分离过程中，采出水的密度变化可以忽略，因此将采出水视为不可压缩流体；

(3)假定粒料层各向同性；

(4)在流动、过滤过程中，假定温度恒定。

2.3 控制方程

2.3.1 质量守恒方程 单位时间内流体微元体中质量的增加等于同一时间间隔内流体流入该微元体的净质量。根据以上假设，质量守恒方程可表示为：

(1)

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

2.3.2 动量守恒方程 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，根据假设条件，动量守恒方程可表示为：

式中，p为流体微元体上的压力,Pa；μ为来水的动力黏度,Pa·s；ρ为来水密度，kg/m3。

3 布水特征模拟计算

对于粒料层区域，采用多孔介质模型。对于流场特征量的计算，基于有限体积法对控制方程进行离散化处理，采用标准k-ε湍流方程，同时考虑油田采出水进入过滤处理段时，其中离散粒子的体积分数较小，选用了DPM模型[15-16]。

根据油田采出水处理设计规范[17]及生产实践，直径为4 m、不同粒料(石英砂、核桃壳)的单台压力式过滤器的处理量通常分布在50～200 m3/h，过滤入口压力平均在0.12 MPa左右，出口压力平均在0.06 MPa左右。在布水特征模拟计算中，对于“条缝式”和“筛管式”布水模式的过滤器，均选择低、高两种处理量，并以过滤聚合物驱采出水为背景，具体计算参数见表2。

表2 计算参数设置Table 2 Parameters of calculation

续表2

3.1 压力场分布

压力式过滤器内部运行压力的稳定程度是衡量其过滤性能的一项重要指标。因此，可将过滤过程中过滤器内部最大压力与任意位置压力的差值定义为压降，并且在过滤器模型中建立纵剖面Z=0和三个自上而下的横截面y=1、y=2和y=3，进而得到用以描述过滤运行稳定程度的过滤过程压力场分布，结果如图3所示。

图3 不同处理量下过滤器内部压力场分布

Fig.3Pressurefielddistributioninfiltersatthediffernetrate

模拟计算收敛后，对比过滤器内部的压力场分布可以看出，不同处理量下，“条缝式”布水模式和“筛管式”布水模式过滤器内部的压力场分布规律相似，均反映出在进水口处的压降低，粒料层位置处的压降升高，且由于粒料层的截污阻力，其自上而下y=1、y=2及y=3横截面上的压降依次升高，且“条缝式”布水模式过滤器的压降升高更为明显。处理量增大，两种布水模式过滤器内部的压降均增大，但以“条缝式”布水模式过滤器更为突出，表明其运行压力的稳定程度降低。

为了进一步定量描述过滤过程中的压力场分布，提取过滤器纵轴线的压降特征值，得到如图4所示的不同处理量下不同布水模式过滤器的轴线压降分布。从图4(a)中可以看出，在50 m3/h的较低处理量下，“筛管式”布水模式过滤器轴线压降较低于“条缝式”布水模式，且在距离过滤器顶部0～1 m，两种布水模式过滤器轴线压降均平稳；在距离过滤器顶部1～1.5 m，即布水单元处，“条缝式”布水模式过滤器存在压降突增的现象，而“筛管式”布水模式过滤器压降依然平稳；在距离过滤器顶部2～4 m，即粒料层和垫料层处，两种布水模式过滤器内部轴线压降均开始上升，但“筛管式”布水模式过滤器的平均压降较“条缝式”布水模式过滤器平均压降低38.37%。从图4(b)中可以看出，在200 m3/h的较高处理量下，轴线压降分布总体呈现与50 m3/h处理量下的轴线压降相似的特征，“筛管式”布水模式过滤器轴线压降沿程始终低于“条缝式”布水模式过滤器，平均压降低25.21%，进一步揭示出“筛管式”布水模式过滤器的运行压力更为稳定，两种模拟处理量下的沿程轴线平均压降较“条缝式”布水模式过滤器降低30.56%。

图4 不同处理量下过滤器轴线压降

Fig.4Pressuredropinfiltersalongtheaxisatthedifferentflowrate

3.2 迹线特征

由于聚合物驱采出水中的悬浮物具有良好的分散性[18-19]，过滤环节采出水中粒子的运动迹线特征能够揭示布水的均匀程度。任意提取过滤过程中部分粒子的运动迹线(见图5)。由图5可以发现，在不同处理量下，“条缝式”布水模式过滤器布水过程中粒子均存在大量的涡流现象，这必然会造成过滤器内部运行压力不稳定，同时使粒子能量损失增大，影响过滤运行的稳定性及水质过滤效果。当处理量增大时，粒子运动迹线的分散程度改善，特别对于“筛管式”布水模式过滤器，其粒子迹线更为均匀、分散，这一结果也与过滤过程中的压力场分布特征相吻合。

图5 不同处理量下粒子迹线

Fig.5Pathlinesofparticlesinfiltersatthedifferentflowrate

3.3 粒子分布

在迹线特征描述的基础上，对两种布水模式的过滤器，在不同处理量下取相等数量粒子分散后的粒料表层横截面，分析粒子在粒料表层的分布及聚集状况，结果如图6所示。

图6 不同处理量下粒料表层粒子分布及聚集

Fig.6Particlesdistributionandaggregationongranularlayersurfacesindifferentfiltersatthedifferentflowrate

由图6可以看出，在不同处理量下，与“筛管式”布水模式相比，“条缝式”布水模式的粒料表层存在更多的“0粒子”区域，且粒子分布区域的聚集行为明显，这种不均匀的布水特征将引起过滤运行压降的显著增大，适应的反冲洗周期缩短，水质过滤效率降低。处理量增大，即便是等数量的粒子分散，其在不同布水模式下的分散均匀性均改善，表明合理的运行参数是保证水质处理效果及过滤工艺各单元高效运行的关键。

对图6所示粒料表层粒子分布及聚集的进一步定量计算表明，在50 m3/h的处理量下，“条缝式”和“筛管式”布水模式下粒料表层横截面上粒子分布所占的面积百分比分别为24.71%和26.90%；在200 m3/h的处理量下，粒子分布所占的面积百分比分别为25.62%和30.49%，显然，“筛管式”布水模式布水更均匀，有效过滤面积更大，作为油田采出水压力式过滤器的布水单元更具优势。

4 布水工艺优化

尽管布水特征模拟表明“筛管式”布水模式过滤器具有更为优越的布水性能，但目前在该布水模式过滤器的设计、加工中，对于其布水单元筛管数量的选择仍是依靠经验而缺乏理论依据[1]。因此，优化筛管布设数量，形成最优的布水工艺，是推进“筛管式”布水模式过滤器应用的关键。

模拟优化仍以直径为4 m的过滤器为原型，布水特征模拟图2所示的“筛管式”布水模式过滤器,物理模型为7筛管数量，模拟优化中在其基础上改变筛管布设数量(5、6、8、9、10)，其它结构尺寸不变，描述流动、过滤过程的控制方程同前。计算参数设置见表3。

表3 计算参数设置Table 3 Parameters of calculation

续表3

4.1 压力场分布

取不同布设数量的筛管构成的布水单元，并在过滤器模型中建立纵剖面，结合布水单元及过滤器内部的压力场分布，从局部到整体分析不同筛管布设数量下压力式过滤器内部的运行压力稳定性，分别如图7、8所示。

图7布水单元压力场分布

Fig.7Pressurefielddistributionofwaterdistributionunits

由图7可以看出，对于不同布设数量的筛管所构成的布水单元，均反映出来水进入中央柱状集水单元后由于容积的突扩压降开始上升，之后，水质在不同筛管布设数量下的压降分布均相当，且较为均匀、稳定。

由图8稳定工况下不同布水工艺过滤器内部的压力场分布表明，进水口处的压降最低，粒料层处自上而下压降升高，但随着筛管布设数量的增加，压降呈减小趋势，且不断趋于稳定，贡献于过滤运行的稳定性。

图8不同布水工艺过滤器内部压力场分布
Fig.8Pressurefielddistributioninfilterswithdifferentwaterdistributionprocess

图9为提取过滤器纵轴线的压降特征值得到的不同布水工艺过滤器的轴线压降分布。由图9可以看出，不同布水工艺过滤器运行轴线压降的变化规律相似，压降大幅上升的区域集中在距离过滤器顶部2～4 m处，即粒料层和承托层位置，以5筛管和6筛管数量下的轴线压降最大，最高压降值超过6 000 Pa，当筛管数量为9或10时，轴线压降显著降低，二者的最高压降值相接近，均约为5 500 Pa，揭示出更为稳定的过滤过程。

图9不同布水工艺过滤器轴线压降
Fig.9Pressuredropoffiltersalongtheaxiswithdifferentwaterdistributionprocess

4.2 迹线特征

在不同布水工艺过滤过程中任意提取等数量粒子的运动迹线，如图10所示。

图10不同布水工艺粒子迹线

Fig.10Pathlinesofparticlesinfilterswithdifferentwaterdistributionprocess

由图10可以发现，布水筛管数量增加，粒子运动迹线的分散性增强，但对于5、6、7、8筛管数量的布水工艺，其粒子运动主要集中在过滤器的中央或侧壁，粒子迹线分布不够分散、均匀，这也与其过滤压力场分布不稳定的特征相吻合。相比之下，9、10筛管数量的布水工艺其粒子迹线较为均匀，且二者显示出相近的分散程度，表明能够实现较为均匀的布水。

4.3 粒子分布

取不同布水工艺下相等数量粒子分散后的粒料表层横截面，进一步分析粒子在粒料表层的分布及聚集状况，如图11所示。由图11可以看出，布水筛管数量增加，粒料表层的“0粒子”区域增多，且相比之下，5、6、7、8筛管数量的布水工艺其粒料表层存在更多的“0粒子”区域，表明粒料表层粒子分布不均匀，引起过滤截污的有效面积减少。9、10筛管数量的布水工艺显示出更少的“0粒子”区域，表明粒料表层粒子分布较为均匀，保证了过滤截污的有效面积。

图11不同布水工艺粒料表层粒子分布及聚集

Fig.11Particlesdistributionandaggregationongranularlayersurfacesinfilterswithdifferentwaterdistributionprocess

定量计算表明，在5、6、7、8、9、10筛管数量的布水工艺下，粒料表层横截面上粒子分布、聚集所占的面积百分比依次为25.26%、26.10%、27.32%、27.63%、32.0%和33.39%，显然，增加布水筛管数量至9时，相等数量粒子的分散均匀程度达到峰值,且随布水筛管数量的继续增多而趋于稳定，表明该工艺达到了较为均匀的布水效果。

因此，综合不同布设数量筛管所形成布水工艺下的压力场分布，过滤沿程轴线压降特征，粒子运动迹线特征及粒料层表面粒子的分布与聚集行为，优化确定对于油田常用直径为4 m的过滤器，9筛管模式布水工艺即能取得均匀而稳定的布水能力，又能有效为采出水过滤处理效果提供基本保证。

5 结论

(1)数值模拟描述了油田常用压力式过滤器布水单元的布水特征，相比于“条缝式”布水模式，“筛管式”布水更为均匀，在来水不同处理量下的过滤轴线压降较“条缝式”布水平均低出30.56%，有益于保证稳定的过滤性能。

(2)以压力场分布，过滤沿程轴线压降特征，粒子运动迹线特征及粒料层表面粒子的分布与聚集行为为特征量，优化了适合于直径为4 m的“筛管式”布水模式过滤器的布水工艺，确定优化工艺的筛管布设数量为9。

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