轴向动态反冲洗深床过滤技术处理三元采出水试验研究

刘书孟 董喜贵 于忠臣 孙冰 苗宝林 毕雪

1大庆油田有限责任公司第二采油厂

2大庆油田设计院有限公司

3东北石油大学

近年来，三元复合驱油技术在大庆油田推广规模逐年扩大，已成为原油稳产的重要支撑。三元复合驱采出液成分复杂、黏度大、乳化强，油水分离难度大[1-2]。在见剂高峰期，三元转油放水站运行不平稳，易出现放水含油短时超标现象，导致过滤罐滤料严重污染且滤料难以有效再生，过滤效能下降，过滤水质变差[3]。因此，如何有效改善三元采出水过滤罐滤料再生效果、提高过滤效能和抗冲击能力，已成为亟待研究的重要技术课题。

目前，轴向动态反冲洗深床过滤技术已在聚驱采出水处理站成功应用[4-5]，该技术具有过滤效能高、滤料反冲洗效果好、抗冲击性强的优点。为此，开展了轴向动态反冲洗深床过滤技术处理三元复合驱采出水现场小型试验，考察滤床结构、过滤速度、过滤级数对过滤效能的影响规律，为工业化试验与工程应用提供理论指导与技术支持。

1 现场试验概况

试验在大庆油田某三元采出水处理站进行，污水含聚合物质量浓度（以下简称浓度）415.5～621.2 mg/L、表面活性剂浓度61.2～89.0 mg/L、pH值8.0～8.2。试验装置由两级轴向动态反冲洗过滤装置串联组成，主要包括轴向动态反冲洗过滤装置、水箱、潜水泵、转子流量计、流量控制阀、配电箱和及相关管线。设计流量1.0 m3/h，一级滤速4～6 m/h，二级滤速2.5～4.0 m/h。

轴向动态反冲洗过滤装置可根据试验要求选择核桃壳/石英砂复合滤床、核桃壳/石榴石复合滤床和石榴石单滤床中任意一种。

现场试验工艺流程和试验装置分别如图1和图2所示。

图1 现场试验工艺流程Fig.1 Process flow of field test

图2 现场试验装置Fig.2 Field test device

2 试验结果分析

2.1 过滤级数对过滤效能的影响

当滤速4.0 m/h 时，考察两级过滤模式油和悬浮物的去除效能，以分析过滤级数对过滤效能的影响，其中：一级过滤为Φ1.2～1.6 mm×1 000 mm 核桃壳/Φ0.3～0.5 mm×750 mm石英砂复合滤床，二级过滤为Φ0.15～0.30 mm×600 mm石榴石单滤床。试验结果如图3所示。

图3 过滤级数对过滤效能影响Fig.3 Influence of filtration stages on filtration efficiency

从图3 可以看出：一级过滤污水含油浓度由71.3 mg/L 降至24.4 mg/L，油去除率为65.8%，悬浮物浓度由54.4 mg/L 降至23.2 mg/L，悬浮物去除率为57.4%；二级过滤污水含油浓度由24.4 mg/L降至15.4 mg/L，油去除率为36.9%，悬浮物浓度由23.2 mg/L 降至19.3 mg/L，悬浮物去除率为16.8%。以上试验数据表明：增加过滤级数，能够提高油和悬浮物去除率，但二级滤罐过滤效能明显低于一级滤罐，尤其对提高悬浮物去除率作用不明显。原因主要是三元采出水中油和悬浮物分散微细，污染物穿透能力强，单靠增加过滤级数难以取得理想效果。因此，优化滤床结构，提高滤床深度L、减小滤料粒径d，使L/d值增大是提高二级过滤效能的关键。

2.2 过滤速度对过滤效能的影响

2.2.1 微细滤床过滤效能和过滤速度的关系

微细滤床滤料颗粒直径范围300～500 μm。考察Φ1.2～1.6 mm×1 000 mm 核桃壳/Φ0.3～0.5 mm×750 mm 石英砂复合滤床在过滤速度分别为4.0 m/h和6.0 m/h条件下的过滤效能，结果如图4所示。

图4 微细滤床污染物去除率与过滤速度间的关系Fig.4 Relationship between pollutant removal rate and filtration speed of micro filter bed

从图4可以看出，在相同进水水质条件下，过滤速度变化对油去除率基本没有影响，但降低过滤速度能够提高悬浮物去除率。对于Φ1.2～1.6 mm×1 000 m 核桃壳/Φ0.3～0.5 mm×750 mm 石英砂复合滤床，过滤速度为6.0 m/h 时，油去除率为65.9%，过滤速度为4.0 m/h时，油去除率为65.1%，降低过滤速度对油去除率基本没有影响；过滤速度为6.0 m/h时，悬浮物去除率为50.3%，而过滤速度为4.0 m/h时，悬浮物去除率为55.3%，悬浮物去除率提高5.0%。

2.2.2 超细滤床过滤效能与过滤速度的关系

超细滤床滤料颗粒直径范围150～300 μm。考察Φ0.15～0.30 mm×600 mm石榴石单滤床在过滤速度分别为2.6 m/h 和4.0 m/h 条件下的过滤效能，结果如图5所示。

从图5可以看出，过滤速度变化对油去除率影响不大，降低过滤速度能够显著提高悬浮物去除率。对于Φ0.15～0.30 mm×600 m 石榴石单滤床，过滤速度为4.0 m/h时，油去除率为31.4%，过滤速度为2.6 m/h时，油去除率为36.2%，油去除率提高4.8%；过滤速度为4.0 m/h 时，悬浮物去除率为14.0%，而过滤速度为2.6 m/h时，悬浮物去除率为24.3%，降低过滤速度能够提高悬浮物去除率10.3%。

图5 超细滤床污染物去除率与过滤速度间关系Fig.5 Relationship between pollutant removal rate and filtration speed of ultra-fine filter bed

综上，过滤速度在2.6～6.0 m/h区间时，过滤速度变化对油去除率影响不大；降低过滤速度有利于提高悬浮物去除率，滤床颗粒越细，悬浮物去除率越高。

2.3 滤床结构对过滤效能的影响

滤速4.0 m/h 时，试验考察Φ0.15～0.30 mm×600 mm 石榴石单滤床、Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃壳/Φ0.15～0.30 mm×900 mm 石榴石复合滤床、Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃壳/Φ0.15～0.30 mm×1 250 mm石榴石复合滤床等3种滤床结构油水过滤效能，以分析滤床结构对过滤效能的影响，结果如图6所示。

图6 不同滤床结构的过滤效能Fig.6 Filtration efficiency of different filter bed structures

从图6可以看出，滤床结构对过滤效能影响较大，复合滤床较单层滤床结构具有更高的过滤效能，增加石榴石滤床厚度，也有利于提高油和悬浮物的去除率，同时提高过滤精度。对于核桃壳/石榴石复合滤床，将石榴石滤层厚度增加350 mm时，油和悬浮物去除率分别提高了10.0%和6.2%。其中：石榴石单滤床，油和悬浮物去除率分别为51.9%和34.2%；Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃壳/Φ0.15～0.30 mm×900 mm石榴石复合滤床，油和悬浮物去除率分别为79.9%和78.0%；Φ1.2～1.6 mm×900 mm 核桃壳/Φ0.15～0.30 mm×1 250 mm 石榴石复合滤床，油和悬浮物去除率分别为89.9%和84.2%。

2.4 核桃壳/石榴石复合滤床过滤效能

试验考察核桃壳/石榴石复合滤床多轮次“过滤-反冲洗”循环的过滤效能，以评价该新型滤床应用于处理三元采出水的可行性和可靠性。滤速4.0 m/h 时，Φ 1.2～1.6 mm×900 mm 核桃壳/Φ 0.15～0.3 mm×1 250 mm 石榴石滤床油的悬浮物去除效能如图7所示。

图7 Φ1.2～1.6 mm×900 mm核桃壳/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm石榴石滤床过滤效能Fig.7 Filtration efficiency of Φ1.2～1.6 mm×900 mm walnut shell/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm garnet filter bed

从图7可以看出，过滤速度4.0 m/h时，进水含油浓度在90.3～730.9 mg/L之间、平均值313.0 mg/L，出水平均含油浓度23.4 mg/L，油平均去除率为89.9%；进水悬浮物浓度在71.0～465.0 mg/L 之间、平均值191.4 mg/L，出水平均悬浮物浓度23.6mg/L，悬浮物平均去除率为84.2%。当进水含油≤170 mg/L、悬浮物≤100 mg/L 时，出水油和悬浮物浓度均低于20 mg/L，满足油田“双20”回注水标准。

进出水粒径分布如图8～9 所示。从图8 可以看出，进水中粒径50 μm 以下的悬浮颗粒占99.9%，粒径20 μm 以下的颗粒占82.7%，进水悬浮颗粒粒径中值为9.60 μm。从图9可以看出，Φ1.2～1.6 mm×900 m核桃壳/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm石榴石滤床的出水中，粒径2 μm 以下的颗粒占63.2%，粒径10 μm 以下的颗粒去除率99.9%，出水粒径中值为1.22 μm。

图8 过滤进水粒径分布Fig.8 Particle size distribution of filter influent

图9 过滤出水粒径分布Fig.9 Particle size distribution of filter effluent

试验数据表明：当进水水质波动较大时，出水水质比较稳定，油和悬浮物的去除率较高，说明核桃壳/石榴石复合滤床对三元采出水具有较好适应性，抗水质冲击性强，是较理想的新型滤床结构。

3 结论

（1）增加过滤级数能够提高油和悬浮物去除率，但二级滤罐过滤效能明显低于一级滤罐。

（2）微细和超细滤床过滤速度在2.6～6.0m/h区间时，过滤速度变化对油去除率的影响不大，降低过滤速度有利于提高悬浮物去除率，提高幅度为5.0～10.3%。

（3）滤床结构对过滤效能影响较大，复合滤床较单层滤床结构具有更高的过滤效能。增加石榴石滤床高度，有利于提高污染物去除效能。对于核桃壳/石榴石复合滤床，将石榴石滤层厚度增加350 mm时，油和悬浮物去除率提高了10.0%和6.2%。

（4）过滤速度为4 m/h时，Φ1.2～1.6 mm×900 m核桃壳/Φ0.15～0.3 mm×1 250 mm 石榴石复合滤床具有较高的油和悬浮物去除效能，油和悬浮物去除率分别为89.9%和84.2%，出水粒径中值为1.22 μm。当进水中含油≤170 mg/L、悬浮物≤100 mg/L 时，出水中油和悬浮物含量均低于20 mg/L，满足油田“双20”回注水标准。核桃壳/石榴石复合滤床对三元采出水具有较好适应性，抗水质冲击性强，是较理想的新型滤床结构。