含聚污水壓力式深度過濾工藝

作為世界大型三次采油基地，大慶油田自實現(xiàn)聚合物驅(qū)工業(yè)化以來，含聚產(chǎn)出水(含聚污水)的含水率逐年上升。按照目前長垣主體區(qū)塊平均綜合含水率94%計算，大慶油田每年產(chǎn)生的含聚污水量已經(jīng)超過1億立方米，而且隨著油田含水率的不斷提高和化學驅(qū)三次采油在二、三油層的工業(yè)化推廣應用，其規(guī)模還在不斷增加。大慶油田開發(fā)生產(chǎn)實踐中將含聚污水的聚合物濃度下限定為20mg/L。普通的“兩級”處理，即兩級沉淀、一級過濾，是油田地面系統(tǒng)處理含聚污水達到含油量和懸浮物小于20mg/L的基本工藝，也基本滿足油田開發(fā)生產(chǎn)的需要。然而，在綜合含水率不斷上升和油田多元化注采方式探索應用的背景下，注采平衡的油藏開發(fā)理論和方案決定了地面系統(tǒng)存在過剩的含聚污水。同時，二、三類水庫的開發(fā)和化學驅(qū)技術的實施，面臨著寶貴的清水資源和深度處理污水水源短缺的問題。可以對含聚污水進行深度處理，實現(xiàn)包括回注和稀釋聚合物溶液混合在內(nèi)的多途徑回用。因此，為了探索polymer 污水處理的效率提升及其作為潛在深層水源的途徑，從加壓過濾機濾料層的排列和填充入手，綜合油珠和懸浮顆粒聚集和分布的特點，以及過濾水質(zhì)中油和懸浮物的指標，考慮含聚污水過濾運行的穩(wěn)定性對濾料層孔隙率的依賴， 為應對油田化學驅(qū)三次采油開發(fā)中的清水資源，優(yōu)選出適用于含聚污水常規(guī)處理工藝后深度過濾處理的工藝模型。

1.模型結(jié)構(gòu)

1.1物理模型

結(jié)合注水污水深度過濾處理的運行實踐，針對普通處理工藝后的含聚污水，設計了兩級深度過濾模式。具體工藝模式結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)見表1。

考慮到濾料排列在穩(wěn)定過濾流場和提高過濾性能方面的優(yōu)勢，一級過濾器和二級過濾器濾層的濾料排列采用級配方式，兩者結(jié)構(gòu)尺寸相同，均以油田常用的直徑為4m的過濾器為基礎。兩層級配濾料排列和三層排列濾料排列的簡化二維物理模型如圖1所示，濾池的基本結(jié)構(gòu)尺寸與作者前期的采出水壓力濾池配水工藝優(yōu)化研究相同。

對于每種過濾工藝模式，在實現(xiàn)均勻布水的普通處理后，進水首先進入一級過濾器，經(jīng)過總厚度為1000mm的濾料層和總厚度為700mm的填料層，底部集水口的出水通過377mm管道流入二級過濾器，作為二級過濾器的進水。 并且在二級過濾器中也實現(xiàn)了均勻的布水，穿過總厚度為1000mm的過濾材料層和總厚度為700 mm的填料層。此后，

1.2數(shù)學模型

根據(jù)過濾器顆粒層區(qū)域的基本特征和紊流流態(tài)的過濾過程，對于上述模型的數(shù)值計算，紊流模型仍采用標準的k-ε模型，質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程分別表示如下:

在數(shù)值計算中做了以下假設:

(1)來自過濾器入口的水可以在濾料層中實現(xiàn)均勻的布水。

(2)在過濾分離過程中，忽略含聚污水密度的變化，將含聚污水視為不可壓縮流體。

(3)假設顆粒層是各向同性的。

(4)在過濾分離過程中，假設含聚污水的水質(zhì)溫度是恒定的。

2.網(wǎng)格劃分和計算參數(shù)

2.1網(wǎng)格生成

鑒于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在復雜模型中的強適應性

。Gambit用于生成分級填充模式過濾器的物理模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分中，濾層區(qū)域的網(wǎng)格被適度加密，以更全面地再現(xiàn)濾層流場的分布和演化特征，如圖2所示。

2.2邊界條件

在模擬中，根據(jù)含聚污水壓濾的實際特點，上述二維物理模型的壁面邊界被認為是粘性的，壁面處于靜止狀態(tài)。給定水的進口流速，出口邊界采用自由出口；將由級配濾料層和填料層組成的濾床區(qū)域視為多孔介質(zhì)，多相流模型選用DPM模型。其中，過濾流場特征量的離散采用有限體積法。

2.3計算參數(shù)

模擬計算是在聚合物濃度為150mg/L、處理能力為100 m3/h的典型工況下進行的，其中一級過濾水的含油量和懸浮物含量參數(shù)是根據(jù)含聚污水常用處理工藝的水質(zhì)指標限值確定的，二級過濾水的水質(zhì)特征參數(shù)是一級過濾水的實際水質(zhì)參數(shù)。具體模擬計算參數(shù)見表2。

3.工藝模式對過濾層顆粒聚集分布的影響。

在過濾過程中，受流場分布、演化規(guī)律和顆粒截污性能的影響，含聚污水中的油珠顆粒和懸浮顆粒在濾床中以一定的特征方式聚集和分布。因此，在數(shù)值計算過程中，對于不同的過濾過程模式，在含聚污水過濾運行穩(wěn)定后，提取過濾流場中的油珠顆粒和懸浮顆粒，建立兩種顆粒聚集分布特征的云圖，再現(xiàn)不同過濾過程模式下過濾流場的分布和演化特征。

3.1“雙級配濾料+雙級配濾料”兩級過濾模式

含聚污水過濾采用“雙級濾料+雙級濾料”的兩級過濾模式。當運行穩(wěn)定時，油珠和懸浮顆粒的聚集和分布如圖3所示。云圖中的彩色區(qū)域代表了任何一種顆粒的聚集和分布特征，而區(qū)域色差反映了相應顆粒在過濾流場中的分布濃度，揭示了顆粒在過濾層區(qū)域的聚集和分布密度。

從圖3中可以看出，兩種顆粒分別在一級過濾器和二級過濾器中的聚集分布的均勻性和密度是相當?shù)模@表明相同濾料填充方式的二級過濾器仍能進一步發(fā)揮截污作用，提高含聚污水的過濾性能。同時也揭示了整體過濾流場穩(wěn)定，濾層截污能力均衡。由于含聚污水中乳化油和膠體懸浮物的相互依存性，在一級過濾器的任何濾層區(qū)域，油珠顆粒和懸浮物顆粒的聚集和分布特征都是相似的。

3.2“兩級分級濾料+三級匹配濾料”的兩級過濾模式

“雙級濾料+三級濾料”的兩級過濾模式對含聚污水進行過濾。運行穩(wěn)定時，油珠和懸浮顆粒的聚集和分布如圖4所示，云圖中的顏色區(qū)域和色差與圖3相同。

從圖4中可以看出，與一級過濾器中的顆粒聚集分布特性相比，在二級過濾器中，過濾層區(qū)域的油珠顆粒和懸浮顆粒均向更高分布密度的聚集特性演化，并存在明顯的“分層”現(xiàn)象，這表明二級過濾器充分依靠水力作用和界面作用，進一步發(fā)揮液-液和固-液分離的潛力， 而較小的粒徑可以被孔隙率較低的分級濾層進一步截留，尤其是懸浮顆粒的聚集分布特性。

3.3“三級濾料+三級濾料”的兩級過濾模式

“三級濾料+三級濾料”的兩級過濾模式對含聚污水進行過濾。運行穩(wěn)定時，油珠和懸浮顆粒的聚集和分布如圖5所示，云圖中的彩色區(qū)域和色差與圖3相同。

從圖5中可以看出，由于各級過濾器中濾料的填充方式相同，油珠顆粒和懸浮顆粒在兩級過濾器中的聚集和分布特性相似，都呈現(xiàn)出“分層”現(xiàn)象，特別是在第二級過濾器中， 其中孔隙率較低的濾料層分布著前兩種工藝模式的過濾器中很少見到的低聚集密度的分散顆粒，這表明兩級過濾模式在顆粒截留和水質(zhì)凈化方面發(fā)揮了更徹底和有效的作用。

4.工藝模式對水質(zhì)過濾處理效果的影響

通過數(shù)值計算可以計算出濾層任意流場區(qū)域的油和懸浮物含量，以跟蹤該區(qū)域油珠顆粒和懸浮物顆粒的體積分數(shù)。運行穩(wěn)定后，在距一級和二級濾池底部0.6m的匯水空間，即分別在一級和二級濾池模型濾床以下0.5m處取截面，追蹤提取界面徑向油珠顆粒和懸浮顆粒的體積分數(shù)作為相應過濾出水的水質(zhì)特征參數(shù)， 然后建立不同過濾過程模式下一級和二級過濾器徑向位置含油質(zhì)量濃度和含懸浮物質(zhì)量濃度的分布特征，綜合水質(zhì)穩(wěn)定性和含油及含懸浮物質(zhì)量濃度。

4.1“雙級配濾料+雙級配濾料”兩級過濾模式

“雙級濾料+雙級濾料”兩級過濾模式下含聚污水深度過濾出水含油量和懸浮物質(zhì)量濃度特征如圖6所示。從圖6中可以看出，與1.0~10.3mg/L的一級過濾水斷面含油質(zhì)量濃度分布相比，二級過濾水斷面含油質(zhì)量濃度分布相對集中，水質(zhì)的均勻性和穩(wěn)定性提高，含油質(zhì)量濃度為1.0~6.0mg/L，出水平均含油質(zhì)量濃度降至4.02 mg/L，同理， 出水水質(zhì)中懸浮物的質(zhì)量濃度分布由初濾后的2.0~11.0mg/L濃縮至1.5~6.5mg/L，該工藝模式下過濾后出水懸浮物的平均質(zhì)量濃度為4.23 mg/L

4.2“兩級分級濾料+三級匹配濾料”的兩級過濾模式

“雙層分級濾料+三層匹配濾料”兩級過濾模式下含聚污水深度過濾出水的油和懸浮物特征如圖7所示。從圖7可以看出，二級濾水段的水質(zhì)均勻性進一步提高，濾壁徑向附近區(qū)域沒有出現(xiàn)水質(zhì)不穩(wěn)定的特征。二級過濾水斷面水質(zhì)含油質(zhì)量濃度集中在0.1~5.0mg/L，過濾后平均含油質(zhì)量濃度達到2.44mg/L；懸浮物含量為“微量”的跟蹤統(tǒng)計點數(shù)量增加，這也與油珠和懸浮物顆粒在相應濾層中的聚集分布特征(見圖4)及其“分層”現(xiàn)象相一致。一級過濾后，二級過濾斷面水質(zhì)中懸浮物質(zhì)量濃度分布集中在0~5.5mg/L，出水懸浮物平均質(zhì)量濃度為2.58 mg/L。

4.3“三級濾料+三級濾料”的兩級過濾模式

“三級濾料+三級濾料”兩級過濾模式下含聚污水深度過濾出水的油和懸浮物特征如圖8所示。從圖8可以看出，經(jīng)過三級濾料的第一級過濾后，出水斷面的油和懸浮物濃度分別集中在2.0~7.5mg/L和2.0 ~ 9.0 mg/L，經(jīng)過三級濾料的第二級過濾后，出水斷面的油和懸浮物濃度分別集中在0.1~5.0mg/L和0 ~ 5.0 mg。過濾后，平均油濃度和懸浮物濃度分別進一步降至2.14mg/L和2.43mg/L，出水水質(zhì)的均勻性和穩(wěn)定性得到提高。出水水質(zhì)特征類似于“雙級濾料+三層濾料”的兩級過濾模式。

為了進一步定量衡量含聚污水在不同過濾工藝模式下的深度處理效果，根據(jù)公式(3)計算含聚污水在各工藝模式下兩級過濾的除油率和懸浮物去除率:

表3顯示了不同過濾工藝模式下含聚污水的深度處理效果。

從表3可以看出，在三種工藝模式下，“雙級濾料+三級濾料”工藝模式的除油率和懸浮物去除率比“雙級濾料+雙級濾料”工藝模式高出近10%，含聚污水的綜合除油率和懸浮物去除率均在85%以上， 深度過濾后的水質(zhì)含油量和懸浮物指標均控制在5 mg/L以內(nèi)。因此，對于普通處理后的含聚污水的進一步深度處理，“雙級濾料+三級濾料”是一種潛在可行的過濾工藝模式。

5.結(jié)論

(1)含聚污水經(jīng)普通處理后的兩級深度過濾，可依靠水力和界面效應實現(xiàn)進一步截污。低濃度、小粒徑的油珠和懸浮顆粒在兩級過濾器的不同孔隙率過濾層中得到極大的攔截和分離，重現(xiàn)穩(wěn)定的過濾性能，獲得深度處理水源。

(2)含聚污水兩級過濾的綜合除油率和懸浮物去除率可分別達到87.78%和87.11%，過濾后水質(zhì)的油和懸浮物指標可控制在5mg/L以內(nèi)，是含聚污水普通處理后進一步深度處理的一種有潛力的過濾工藝模式。(來源:大慶油田有限責任公司、大慶油田工程有限責任公司、東北石油大學石油工程學院/黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理與污染防治重點實驗室)

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