含聚污水压力式深度过滤工艺

作为世界大型三次采油基地，大庆油田自实现聚合物驱工业化以来，含聚产出水(含聚污水)的含水率逐年上升。按照目前长垣主体区块平均综合含水率94%计算，大庆油田每年产生的含聚污水量已经超过1亿立方米，而且随着油田含水率的不断提高和化学驱三次采油在二、三油层的工业化推广应用，其规模还在不断增加。大庆油田开发生产实践中将含聚污水的聚合物浓度下限定为20mg/L。普通的“两级”处理，即两级沉淀、一级过滤，是油田地面系统处理含聚污水达到含油量和悬浮物小于20mg/L的基本工艺，也基本满足油田开发生产的需要。然而，在综合含水率不断上升和油田多元化注采方式探索应用的背景下，注采平衡的油藏开发理论和方案决定了地面系统存在过剩的含聚污水。同时，二、三类水库的开发和化学驱技术的实施，面临着宝贵的清水资源和深度处理污水水源短缺的问题。可以对含聚污水进行深度处理，实现包括回注和稀释聚合物溶液混合在内的多途径回用。因此，为了探索polymer 污水处理的效率提升及其作为潜在深层水源的途径，从加压过滤机滤料层的排列和填充入手，综合油珠和悬浮颗粒聚集和分布的特点，以及过滤水质中油和悬浮物的指标，考虑含聚污水过滤运行的稳定性对滤料层孔隙率的依赖， 为应对油田化学驱三次采油开发中的清水资源，优选出适用于含聚污水常规处理工艺后深度过滤处理的工艺模型。

1.模型结构

1.1物理模型

结合注水污水深度过滤处理的运行实践，针对普通处理工艺后的含聚污水，设计了两级深度过滤模式。具体工艺模式结构和基本参数见表1。

考虑到滤料排列在稳定过滤流场和提高过滤性能方面的优势，一级过滤器和二级过滤器滤层的滤料排列采用级配方式，两者结构尺寸相同，均以油田常用的直径为4m的过滤器为基础。两层级配滤料排列和三层排列滤料排列的简化二维物理模型如图1所示，滤池的基本结构尺寸与作者前期的采出水压力滤池配水工艺优化研究相同。

对于每种过滤工艺模式，在实现均匀布水的普通处理后，进水首先进入一级过滤器，经过总厚度为1000mm的滤料层和总厚度为700mm的填料层，底部集水口的出水通过377mm管道流入二级过滤器，作为二级过滤器的进水。 并且在二级过滤器中也实现了均匀的布水，穿过总厚度为1000mm的过滤材料层和总厚度为700 mm的填料层。此后，

1.2数学模型

根据过滤器颗粒层区域的基本特征和紊流流态的过滤过程，对于上述模型的数值计算，紊流模型仍采用标准的k-ε模型，质量守恒方程和动量守恒方程分别表示如下:

在数值计算中做了以下假设:

(1)来自过滤器入口的水可以在滤料层中实现均匀的布水。

(2)在过滤分离过程中，忽略含聚污水密度的变化，将含聚污水视为不可压缩流体。

(3)假设颗粒层是各向同性的。

(4)在过滤分离过程中，假设含聚污水的水质温度是恒定的。

2.网格划分和计算参数

2.1网格生成

鉴于非结构网格在复杂模型中的强适应性

。Gambit用于生成分级填充模式过滤器的物理模型的非结构化网格。在网格划分中，滤层区域的网格被适度加密，以更全面地再现滤层流场的分布和演化特征，如图2所示。

2.2边界条件

在模拟中，根据含聚污水压滤的实际特点，上述二维物理模型的壁面边界被认为是粘性的，壁面处于静止状态。给定水的进口流速，出口边界采用自由出口；将由级配滤料层和填料层组成的滤床区域视为多孔介质，多相流模型选用DPM模型。其中，过滤流场特征量的离散采用有限体积法。

2.3计算参数

模拟计算是在聚合物浓度为150mg/L、处理能力为100 m3/h的典型工况下进行的，其中一级过滤水的含油量和悬浮物含量参数是根据含聚污水常用处理工艺的水质指标限值确定的，二级过滤水的水质特征参数是一级过滤水的实际水质参数。具体模拟计算参数见表2。

3.工艺模式对过滤层颗粒聚集分布的影响。

在过滤过程中，受流场分布、演化规律和颗粒截污性能的影响，含聚污水中的油珠颗粒和悬浮颗粒在滤床中以一定的特征方式聚集和分布。因此，在数值计算过程中，对于不同的过滤过程模式，在含聚污水过滤运行稳定后，提取过滤流场中的油珠颗粒和悬浮颗粒，建立两种颗粒聚集分布特征的云图，再现不同过滤过程模式下过滤流场的分布和演化特征。

3.1“双级配滤料+双级配滤料”两级过滤模式

含聚污水过滤采用“双级滤料+双级滤料”的两级过滤模式。当运行稳定时，油珠和悬浮颗粒的聚集和分布如图3所示。云图中的彩色区域代表了任何一种颗粒的聚集和分布特征，而区域色差反映了相应颗粒在过滤流场中的分布浓度，揭示了颗粒在过滤层区域的聚集和分布密度。

从图3中可以看出，两种颗粒分别在一级过滤器和二级过滤器中的聚集分布的均匀性和密度是相当的，这表明相同滤料填充方式的二级过滤器仍能进一步发挥截污作用，提高含聚污水的过滤性能。同时也揭示了整体过滤流场稳定，滤层截污能力均衡。由于含聚污水中乳化油和胶体悬浮物的相互依存性，在一级过滤器的任何滤层区域，油珠颗粒和悬浮物颗粒的聚集和分布特征都是相似的。

3.2“两级分级滤料+三级匹配滤料”的两级过滤模式

“双级滤料+三级滤料”的两级过滤模式对含聚污水进行过滤。运行稳定时，油珠和悬浮颗粒的聚集和分布如图4所示，云图中的颜色区域和色差与图3相同。

从图4中可以看出，与一级过滤器中的颗粒聚集分布特性相比，在二级过滤器中，过滤层区域的油珠颗粒和悬浮颗粒均向更高分布密度的聚集特性演化，并存在明显的“分层”现象，这表明二级过滤器充分依靠水力作用和界面作用，进一步发挥液-液和固-液分离的潜力， 而较小的粒径可以被孔隙率较低的分级滤层进一步截留，尤其是悬浮颗粒的聚集分布特性。

3.3“三级滤料+三级滤料”的两级过滤模式

“三级滤料+三级滤料”的两级过滤模式对含聚污水进行过滤。运行稳定时，油珠和悬浮颗粒的聚集和分布如图5所示，云图中的彩色区域和色差与图3相同。

从图5中可以看出，由于各级过滤器中滤料的填充方式相同，油珠颗粒和悬浮颗粒在两级过滤器中的聚集和分布特性相似，都呈现出“分层”现象，特别是在第二级过滤器中， 其中孔隙率较低的滤料层分布着前两种工艺模式的过滤器中很少见到的低聚集密度的分散颗粒，这表明两级过滤模式在颗粒截留和水质净化方面发挥了更彻底和有效的作用。

4.工艺模式对水质过滤处理效果的影响

通过数值计算可以计算出滤层任意流场区域的油和悬浮物含量，以跟踪该区域油珠颗粒和悬浮物颗粒的体积分数。运行稳定后，在距一级和二级滤池底部0.6m的汇水空间，即分别在一级和二级滤池模型滤床以下0.5m处取截面，追踪提取界面径向油珠颗粒和悬浮颗粒的体积分数作为相应过滤出水的水质特征参数， 然后建立不同过滤过程模式下一级和二级过滤器径向位置含油质量浓度和含悬浮物质量浓度的分布特征，综合水质稳定性和含油及含悬浮物质量浓度。

4.1“双级配滤料+双级配滤料”两级过滤模式

“双级滤料+双级滤料”两级过滤模式下含聚污水深度过滤出水含油量和悬浮物质量浓度特征如图6所示。从图6中可以看出，与1.0~10.3mg/L的一级过滤水断面含油质量浓度分布相比，二级过滤水断面含油质量浓度分布相对集中，水质的均匀性和稳定性提高，含油质量浓度为1.0~6.0mg/L，出水平均含油质量浓度降至4.02 mg/L，同理， 出水水质中悬浮物的质量浓度分布由初滤后的2.0~11.0mg/L浓缩至1.5~6.5mg/L，该工艺模式下过滤后出水悬浮物的平均质量浓度为4.23 mg/L

4.2“两级分级滤料+三级匹配滤料”的两级过滤模式

“双层分级滤料+三层匹配滤料”两级过滤模式下含聚污水深度过滤出水的油和悬浮物特征如图7所示。从图7可以看出，二级滤水段的水质均匀性进一步提高，滤壁径向附近区域没有出现水质不稳定的特征。二级过滤水断面水质含油质量浓度集中在0.1~5.0mg/L，过滤后平均含油质量浓度达到2.44mg/L；悬浮物含量为“微量”的跟踪统计点数量增加，这也与油珠和悬浮物颗粒在相应滤层中的聚集分布特征(见图4)及其“分层”现象相一致。一级过滤后，二级过滤断面水质中悬浮物质量浓度分布集中在0~5.5mg/L，出水悬浮物平均质量浓度为2.58 mg/L。

4.3“三级滤料+三级滤料”的两级过滤模式

“三级滤料+三级滤料”两级过滤模式下含聚污水深度过滤出水的油和悬浮物特征如图8所示。从图8可以看出，经过三级滤料的第一级过滤后，出水断面的油和悬浮物浓度分别集中在2.0~7.5mg/L和2.0 ~ 9.0 mg/L，经过三级滤料的第二级过滤后，出水断面的油和悬浮物浓度分别集中在0.1~5.0mg/L和0 ~ 5.0 mg。过滤后，平均油浓度和悬浮物浓度分别进一步降至2.14mg/L和2.43mg/L，出水水质的均匀性和稳定性得到提高。出水水质特征类似于“双级滤料+三层滤料”的两级过滤模式。

为了进一步定量衡量含聚污水在不同过滤工艺模式下的深度处理效果，根据公式(3)计算含聚污水在各工艺模式下两级过滤的除油率和悬浮物去除率:

表3显示了不同过滤工艺模式下含聚污水的深度处理效果。

从表3可以看出，在三种工艺模式下，“双级滤料+三级滤料”工艺模式的除油率和悬浮物去除率比“双级滤料+双级滤料”工艺模式高出近10%，含聚污水的综合除油率和悬浮物去除率均在85%以上， 深度过滤后的水质含油量和悬浮物指标均控制在5 mg/L以内。因此，对于普通处理后的含聚污水的进一步深度处理，“双级滤料+三级滤料”是一种潜在可行的过滤工艺模式。

5.结论

(1)含聚污水经普通处理后的两级深度过滤，可依靠水力和界面效应实现进一步截污。低浓度、小粒径的油珠和悬浮颗粒在两级过滤器的不同孔隙率过滤层中得到极大的拦截和分离，重现稳定的过滤性能，获得深度处理水源。

(2)含聚污水两级过滤的综合除油率和悬浮物去除率可分别达到87.78%和87.11%，过滤后水质的油和悬浮物指标可控制在5mg/L以内，是含聚污水普通处理后进一步深度处理的一种有潜力的过滤工艺模式。(来源:大庆油田有限责任公司、大庆油田工程有限责任公司、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与污染防治重点实验室)

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