作為世界大型三次采油基地，大慶油田自實(shí)現(xiàn)聚合物驅(qū)工業(yè)化以來(lái)，含聚產(chǎn)出水(含聚污水)的含水率逐年上升。按照目前長(zhǎng)垣主體區(qū)塊平均綜合含水率94%計(jì)算，大慶油田每年產(chǎn)生的含聚污水量已經(jīng)超過(guò)1億立方米，而且隨著油田含水率的不斷提高和化學(xué)驅(qū)三次采油在二、三油層的工業(yè)化推廣應(yīng)用，其規(guī)模還在不斷增加。大慶油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐中將含聚污水的聚合物濃度下限定為20mg/L。普通的“兩級(jí)”處理，即兩級(jí)沉淀、一級(jí)過(guò)濾，是油田地面系統(tǒng)處理含聚污水達(dá)到含油量和懸浮物小于20mg/L的基本工藝，也基本滿(mǎn)足油田開(kāi)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(yīng)用的背景下，注采平衡的油藏開(kāi)發(fā)理論和方案決定了地面系統(tǒng)存在過(guò)剩的含聚污水。同時(shí)，二、三類(lèi)水庫(kù)的開(kāi)發(fā)和化學(xué)驅(qū)技術(shù)的實(shí)施，面臨著寶貴的清水資源和深度處理污水水源短缺的問(wèn)題?？梢詫?duì)含聚污水進(jìn)行深度處理，實(shí)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(guò)濾機(jī)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(diǎn)，以及過(guò)濾水質(zhì)中油和懸浮物的指標(biāo)，考慮含聚污水過(guò)濾運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)濾料層孔隙率的依賴(lài)， 為應(yīng)對(duì)油田化學(xué)驅(qū)三次采油開(kāi)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(guò)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(guò)濾處理的運(yùn)行實(shí)踐，針對(duì)普通處理工藝后的含聚污水，設(shè)計(jì)了兩級(jí)深度過(guò)濾模式。具體工藝模式結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)見(jiàn)表1。

考慮到濾料排列在穩(wěn)定過(guò)濾流場(chǎng)和提高過(guò)濾性能方面的優(yōu)勢(shì)，一級(jí)過(guò)濾器和二級(jí)過(guò)濾器濾層的濾料排列采用級(jí)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(guò)濾器為基礎(chǔ)。兩層級(jí)配濾料排列和三層排列濾料排列的簡(jiǎn)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(duì)于每種過(guò)濾工藝模式，在實(shí)現(xiàn)均勻布水的普通處理后，進(jìn)水首先進(jìn)入一級(jí)過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)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(guò)377mm管道流入二級(jí)過(guò)濾器，作為二級(jí)過(guò)濾器的進(jìn)水。 并且在二級(jí)過(guò)濾器中也實(shí)現(xiàn)了均勻的布水，穿過(guò)總厚度為1000mm的過(guò)濾材料層和總厚度為700 mm的填料層。此后，

1.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)過(guò)濾器顆粒層區(qū)域的基本特征和紊流流態(tài)的過(guò)濾過(guò)程，對(duì)于上述模型的數(shù)值計(jì)算，紊流模型仍采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程分別表示如下:

在數(shù)值計(jì)算中做了以下假設(shè):

(1)來(lái)自過(guò)濾器入口的水可以在濾料層中實(shí)現(xiàn)均勻的布水。

(2)在過(guò)濾分離過(guò)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(shè)顆粒層是各向同性的。

(4)在過(guò)濾分離過(guò)程中，假設(shè)含聚污水的水質(zhì)溫度是恒定的。

2.網(wǎng)格劃分和計(jì)算參數(shù)

2.1網(wǎng)格生成

鑒于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在復(fù)雜模型中的強(qiáng)適應(yīng)性

。Gambit用于生成分級(jí)填充模式過(guò)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(chǎng)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(shí)際特點(diǎn)，上述二維物理模型的壁面邊界被認(rèn)為是粘性的，壁面處于靜止?fàn)顟B(tài)。給定水的進(jìn)口流速，出口邊界采用自由出口；將由級(jí)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(guò)濾流場(chǎng)特征量的離散采用有限體積法。

2.3計(jì)算參數(shù)

模擬計(jì)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(jìn)行的，其中一級(jí)過(guò)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(biāo)限值確定的，二級(jí)過(guò)濾水的水質(zhì)特征參數(shù)是一級(jí)過(guò)濾水的實(shí)際水質(zhì)參數(shù)。具體模擬計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

3.工藝模式對(duì)過(guò)濾層顆粒聚集分布的影響。

在過(guò)濾過(guò)程中，受流場(chǎng)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(jì)算過(guò)程中，對(duì)于不同的過(guò)濾過(guò)程模式，在含聚污水過(guò)濾運(yùn)行穩(wěn)定后，提取過(guò)濾流場(chǎng)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(guò)濾過(guò)程模式下過(guò)濾流場(chǎng)的分布和演化特征。

3.1“雙級(jí)配濾料+雙級(jí)配濾料”兩級(jí)過(guò)濾模式

含聚污水過(guò)濾采用“雙級(jí)濾料+雙級(jí)濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式。當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，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(yīng)顆粒在過(guò)濾流場(chǎng)中的分布濃度，揭示了顆粒在過(guò)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(jí)過(guò)濾器和二級(jí)過(guò)濾器中的聚集分布的均勻性和密度是相當(dāng)?shù)?，這表明相同濾料填充方式的二級(jí)過(guò)濾器仍能進(jìn)一步發(fā)揮截污作用，提高含聚污水的過(guò)濾性能。同時(shí)也揭示了整體過(guò)濾流場(chǎng)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(jí)過(guò)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(jí)分級(jí)濾料+三級(jí)匹配濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式

“雙級(jí)濾料+三級(jí)濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式對(duì)含聚污水進(jìn)行過(guò)濾。運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，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(jí)過(guò)濾器中的顆粒聚集分布特性相比，在二級(jí)過(guò)濾器中，過(guò)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(jí)過(guò)濾器充分依靠水力作用和界面作用，進(jìn)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(jí)濾層進(jìn)一步截留，尤其是懸浮顆粒的聚集分布特性。

3.3“三級(jí)濾料+三級(jí)濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式

“三級(jí)濾料+三級(jí)濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式對(duì)含聚污水進(jìn)行過(guò)濾。運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，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(jí)過(guò)濾器中濾料的填充方式相同，油珠顆粒和懸浮顆粒在兩級(jí)過(guò)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(jí)過(guò)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(guò)濾器中很少見(jiàn)到的低聚集密度的分散顆粒，這表明兩級(jí)過(guò)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(duì)水質(zhì)過(guò)濾處理效果的影響

通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以計(jì)算出濾層任意流場(chǎng)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?jǐn)?shù)。運(yùn)行穩(wěn)定后，在距一級(jí)和二級(jí)濾池底部0.6m的匯水空間，即分別在一級(jí)和二級(jí)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?jǐn)?shù)作為相應(yīng)過(guò)濾出水的水質(zhì)特征參數(shù)， 然后建立不同過(guò)濾過(guò)程模式下一級(jí)和二級(jí)過(guò)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(jí)配濾料+雙級(jí)配濾料”兩級(jí)過(guò)濾模式

“雙級(jí)濾料+雙級(jí)濾料”兩級(jí)過(guò)濾模式下含聚污水深度過(guò)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(jí)過(guò)濾水?dāng)嗝婧唾|(zhì)量濃度分布相比，二級(jí)過(guò)濾水?dāng)嗝婧唾|(zhì)量濃度分布相對(duì)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(guò)濾后出水懸浮物的平均質(zhì)量濃度為4.23 mg/L

4.2“兩級(jí)分級(jí)濾料+三級(jí)匹配濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式

“雙層分級(jí)濾料+三層匹配濾料”兩級(jí)過(guò)濾模式下含聚污水深度過(guò)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(jí)濾水段的水質(zhì)均勻性進(jìn)一步提高，濾壁徑向附近區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)水質(zhì)不穩(wěn)定的特征。二級(jí)過(guò)濾水?dāng)嗝嫠|(zhì)含油質(zhì)量濃度集中在0.1~5.0mg/L，過(guò)濾后平均含油質(zhì)量濃度達(dá)到2.44mg/L；懸浮物含量為“微量”的跟蹤統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)量增加，這也與油珠和懸浮物顆粒在相應(yīng)濾層中的聚集分布特征(見(jiàn)圖4)及其“分層”現(xiàn)象相一致。一級(jí)過(guò)濾后，二級(jí)過(guò)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(jí)濾料+三級(jí)濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式

“三級(jí)濾料+三級(jí)濾料”兩級(jí)過(guò)濾模式下含聚污水深度過(guò)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(guò)三級(jí)濾料的第一級(jí)過(guò)濾后，出水?dāng)嗝娴挠秃蛻腋∥餄舛确謩e集中在2.0~7.5mg/L和2.0 ~ 9.0 mg/L，經(jīng)過(guò)三級(jí)濾料的第二級(jí)過(guò)濾后，出水?dāng)嗝娴挠秃蛻腋∥餄舛确謩e集中在0.1~5.0mg/L和0 ~ 5.0 mg。過(guò)濾后，平均油濃度和懸浮物濃度分別進(jìn)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(lèi)似于“雙級(jí)濾料+三層濾料”的兩級(jí)過(guò)濾模式。

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

表3顯示了不同過(guò)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(jí)濾料+三級(jí)濾料”工藝模式的除油率和懸浮物去除率比“雙級(jí)濾料+雙級(jí)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(guò)濾后的水質(zhì)含油量和懸浮物指標(biāo)均控制在5 mg/L以?xún)?nèi)。因此，對(duì)于普通處理后的含聚污水的進(jìn)一步深度處理，“雙級(jí)濾料+三級(jí)濾料”是一種潛在可行的過(guò)濾工藝模式。

5.結(jié)論

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

(2)含聚污水兩級(jí)過(guò)濾的綜合除油率和懸浮物去除率可分別達(dá)到87.78%和87.11%，過(guò)濾后水質(zhì)的油和懸浮物指標(biāo)可控制在5mg/L以?xún)?nèi)，是含聚污水普通處理后進(jìn)一步深度處理的一種有潛力的過(guò)濾工藝模式。(來(lái)源:大慶油田有限責(zé)任公司、大慶油田工程有限責(zé)任公司、東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院/黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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標(biāo)簽:  含聚污水壓力式深度過(guò)濾工藝