古文革 孫琦

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田有限責任公司第一采油廠第三油礦

大多數(shù)油田均采用注水驅油開發(fā)方式，注入水質的好壞直接影響驅油開發(fā)效果。在整個水處理系統(tǒng)中，過濾處理大多為最終的水質把關設備，是污水處理系統(tǒng)中的關鍵設施之一。目前的油田采出水處理系統(tǒng)中，污水處理普通采用“兩級沉降+過濾”的處理工藝，處理后達到高滲透油藏注水水質指標；而污水深度處理多是在污水普通處理的基礎上增加兩級過濾，達到低滲透油藏注水水質指標。因此，過濾設備在油田污水處理中的作用非常巨大，應用的范圍和數(shù)量也非常廣泛，以大慶油田為例，共建有各類過濾設備近3 000臺，每年處理污水9×108m3左右。

過濾罐在濾層的截留和吸附作用下形成濾料板結層是一種常見的必然現(xiàn)象，而在濾料的反沖洗過程中，若不能及時有效地將板結層破碎掉，在反沖洗水的推動下，其將整體上升，既堵塞過濾罐上部篩管，造成反沖洗憋壓，進而造成反沖洗效果變差，又會造成濾料的大量流失（跑料）；而濾料反洗效果差以及濾料流失，又影響到過濾效果，使過濾出水水質變差。

板結層的形成受進水水質、濾料顆粒、離子成垢以及濾料再生等多方面因素的影響，同時，濾料的板結也影響到濾層過濾孔隙、雜質的遷移、過濾周期以及濾料反沖洗的難易程度等。目前雖然大多采用攪拌方式[1-4]來實現(xiàn)濾料的破板結功能，但存在成本高、易損壞、運行時率低等問題，因此，篩選經(jīng)濟、合理的破板結方式是亟待解決的現(xiàn)實問題。

1 板結層的形成

1.1 濾料的水力分級

過濾大多是采用正向過濾，污水自上而下通過濾層，污水中的雜質被濾層孔隙截留和沉積，經(jīng)濾層過濾后的“清水”自濾層底部流出過濾罐。過濾罐運行一段時間后，濾層截留大量的雜質，達到濾料的最大過濾承受能力，即達到了濾料的過濾周期，需進行濾料的反沖洗（濾料再生），以恢復濾層的納污能力。反沖洗大多是利用過濾后的清水，反向沖洗濾層（自下而上），在反沖洗水的推動下，濾層膨脹、流化，濾料顆粒間吸附的雜質經(jīng)濾料的相互摩擦和水力剪切作用而脫附，脫附的雜質隨反沖洗水排出過濾罐；停止反沖洗泵后，流化的濾料在重力作用下自然回落，由于回落速度不同發(fā)生水力分級（經(jīng)反沖洗后，濾料粒徑自上而下按細到粗依次排列稱為濾料的水力分級）。

以油田常用的0.5～1.2 mm單層石英砂過濾罐為例，經(jīng)濾料水力分級后，最細的0.5 mm石英砂濾料在最上層，相對粗的濾料依次在下層，而最粗的1.2 mm在最下層。針對油田水處理常用的石英砂-磁鐵礦雙層濾料過濾器，以0.8～1.2 mm石英砂和0.4～0.8 mm磁鐵礦組合濾料為例，濾料水力分級后，密度相對較低的石英砂在上層，磁鐵礦在下層；上層的石英砂中，粒徑最小的0.8 mm石英砂濾料在最上層，自上而下逐級排列粒徑更大的石英砂濾料；而在下層的磁鐵礦濾層中，最細的0.4 mm濾料在磁鐵礦層的最上層，自上而下逐級排列其他粒徑更大的磁鐵礦濾料，最大的0.8 mm磁鐵礦濾料在最下層。

1.2 濾層的表層過濾

正是由于反沖洗過程形成的濾料水力分級，使正向的過濾是建立在“反粒度”的基礎上進行的?！胺戳６取笔侵缸陨隙碌倪^濾過程，而濾料粒徑是由小變大，造成在同一類型濾料層中僅是表層能起到明顯的過濾作用，即表層過濾，也稱為濾餅過濾。這種過濾原則上只能除去粒徑大于濾餅孔道直徑的顆粒，但并不要求濾料的孔道直徑一定要小于被截留顆粒的直徑。在一般情況下，過濾開始階段會有少量小于濾料孔隙通道直徑的顆粒穿過表層混入濾液中，但顆粒很快在孔隙通道入口發(fā)生架橋現(xiàn)象，使小顆粒受到阻攔且在濾料表面沉積形成濾餅。真正對顆粒攔截起主要作用的是濾餅，濾料僅起著支承濾餅的作用。不過當過濾液的顆粒含量極少而不能形成濾餅時，固體顆粒只能依靠濾料的攔截而與液體分離，此時只有大于孔道直徑的顆粒才能從液體中除去。因此，濾餅的形成是過濾的必然結果，也是濾料板結層形成的必要條件。

1.3 表層濾料結球

濾料結球主要是由于濾料長期反沖洗不徹底或不均勻，造成污染物不能有效排出，濾料表面污染物脫附不徹底，長期積累而成。另外，污水中聚合物的存在也加劇了濾料的清洗難度，使濾料表面裹挾的雜質黏附力增強。因此，濾料結球會加劇板結層的形成。

1.4 油污和聚合物的黏附

油田采出水除含有一定量的懸浮固體顆粒外，還含有一定量的殘余污油（含油量），通過濾料的過濾作用，其沉積在濾料表面，使濾料的黏附性增大，表層濾料形成的板結層強度也相應增大。另外，采出水中聚合物的存在也加劇了雜質與濾料的黏附，使板結層的黏附程度增強。

1.5 離子的結垢析出

在污水中若一些離子含量達到過飽和狀態(tài)，便會在濾料表面結垢析出。如大慶油田某三元復合驅采出水處理站，由于注入堿液對地層的溶蝕作用，采出液中離子處于過飽和狀態(tài)，大量鈣、鎂離子以及硅離子在濾料表面結垢析出（圖1），導致濾料板結嚴重，難以反洗再生，失去過濾功能。

圖1 大慶油田某污水站濾料結垢照片F(xiàn)ig.1 Filter material scaling of one sewage station in Daqing Oilfield

2 板結層的影響

（1）過濾孔隙變細小，濾層壓力上升，水頭損失增大，反洗周期縮短。由于過濾濾料的板結，使濾料間特別是表層濾料的孔隙被雜質填充，濾料孔隙逐漸變小，相應的造成濾層的水頭損失增加，相比其他水頭損失相對小的過濾罐過濾水量也相應減少。當過濾系統(tǒng)的水頭損失達到最大允許水頭損失時，過濾即告結束，需進行濾料反沖洗，濾床重新工作。因此，板結層的形成會加速濾層水頭損失，使過濾周期提前結束，即縮短了過濾的反洗周期。過濾開始階段，濾層比較干凈，濾層的水頭損失較小，該水頭損失稱做“清潔濾層水頭損失”，也稱“起始水頭損失”[5]。起始水頭損失是衡量濾料反沖洗效果好壞的重要指標之一，反沖洗效果越好，起始水頭損失就越低，反之亦然。

（2）平衡表面負荷，利于過濾表面負荷的均勻分布。由于濾料填裝以及濾料反洗后濾層回落均勻性等原因影響，濾層的厚度、孔隙間雜質的含量會有所不同，勢必造成濾料表面不同位置的水頭損失有一定差異。這種差異性，即使非常細微，也會造成濾料承載的表面負荷不同，即水頭損失小的地方，過水局部表面負荷大；水頭損失大的地方，過水局部表面負荷小。但濾料承載表面負荷小的地方，由于表面負荷增大，造成截留雜質增多，使水頭損失逐步增加，而與其他位置最終趨于一種平衡狀態(tài)（相等）。因此，即使濾層由于種種原因存在表面負荷有所不同，但隨著過濾的進行，濾床表面各點的水力負荷終將平衡一致。正是由于表層過濾層的這種自動平衡作用，使表面濾層的各點水力負荷最終是相同的。目前油田應用的絕大多數(shù)過濾罐，過濾進水是通過濾罐上部的多根篩管進行布水的。這種方式主要是考慮均勻布水，但由于濾料自身有平衡過水表面負荷的作用，因此，沒有必要采用多根篩管來強化均勻布水，造成制造成本的大幅提高；同時，由于這種布水方式，易造成濾罐反洗篩管堵塞、反洗憋壓，過濾罐頂部空間存在較大死水區(qū)，不能實現(xiàn)反洗時最頂端排水和排氣，反洗后濾料脫附的雜質排不出去，長時間運行后反而使濾料表層板結速率加快。因此，應充分利用表面濾層所具有的自動平衡水力負荷作用，利用簡單的布水結構（主要是防止進水直接沖擊濾層），結合濾層的平衡作用來實現(xiàn)過濾的均勻布水，并考慮反洗時雜質的無死角、無阻礙排出，進而減緩濾料板結的形成。

（3）平衡罐間水量。目前油田的壓力過濾多采用恒壓過濾系統(tǒng)，通過過濾提升泵對多組過濾罐進行恒壓供水，由于每座過濾罐的反沖洗是逐個進行的，使各座過濾罐的濾層水頭損失不同，也造成每座過濾罐的進水量不同，剛反沖洗完的過濾罐，濾層水頭損失小，進水量大于其他過濾罐。進水量的增加梯度將隨著過濾濾層水頭損失的增加逐漸降低，最終各過濾罐的處理水量將趨于平衡（但濾料因板結嚴重而無法再生恢復的過濾罐除外）。

（4）濾料反沖洗時，板結層整體上升，易造成濾料流失。當達到濾料的最大允許水頭損失時，結束過濾，開始濾料的反沖洗。由于過濾形成的板結層黏附強度較大，特別是油田進入化學驅開發(fā)后，采出水中聚合物的存在也加劇了板結層的黏附強度，板結層不易破碎，在反沖洗水流的推動下其整體上升，堵塞過濾罐上部的篩管，造成反沖洗憋壓，甚至造成布水構件損壞。而布水篩管損壞，又會造成大部分反沖洗水從破損點涌出，局部強度過大，反洗水攜帶部分濾料排出，導致濾料流失（跑料）現(xiàn)象發(fā)生。

（5）板結層黏附，影響反洗效果。油田采出水中聚合物的存在，造成濾料板結層的黏附性增強，濾料污染以及濾料表面結垢也會增加板結層的強度，使板結破碎更加困難。這些因素也影響到反沖洗時濾料的摩擦脫附效果，使濾料表面吸附沉積的雜質顆粒難以與濾料分離，造成濾料的反沖洗效果變差。

3 板結層的破碎方式

3.1 攪拌方式

攪拌器的運行機制：在啟動濾料反沖洗之前，先啟動攪拌（圖2），然后啟動正常的水反沖洗程序，攪拌5 min左右停止攪拌，繼續(xù)進行水反沖洗程序。

從目前的運行機制和效果上看，攪拌器對板結層有破碎作用，主要是靠攪拌槳的軸向力，板結層在上升過程中被攪拌鋸齒（爪）切割成環(huán)形條，隨著板結層的持續(xù)上升又被攪拌槳水平擠壓，直至破碎。同時，攪拌對濾料還能起到一定的加劇碰撞和摩擦作用，有利于濾料的清洗再生[1]。

但在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)密封件、電動機以及攪拌槳等部件損壞造成的停機問題[2]，嚴重影響攪拌器的運行時率；有些攪拌器運行時，若轉速設置不合理（轉速過高），造成濾料膨脹高度上升，過濾罐反沖洗憋壓，反而影響濾料的反洗效果；另外，由于攪拌桿以及頂部的減速器等部件占據(jù)了過濾罐的頂部空間，迫使濾罐的過濾進水（反沖洗排水）采用側向進水方式，這樣就造成反沖洗排水無法從最頂端排出，存在頂部集油集氣等問題。

圖2 攪拌器與過濾罐濾料Fig.2 Agitator and filter material of filter tank

從攪拌器的采購價格分析，目前單套攪拌裝置的采購價格大多在10萬元以上，占單臺過濾罐采購成本的15%以上，占比較大，價格較高[6]。

3.2 鋼片靜態(tài)切割破板結方式

鋼片靜態(tài)切割破板結利用的是在濾層上部放置的多個立式鋼片。在反沖洗濾料流化上升過程中，利用鋼片的縱向切割作用，先將板結層切割成若干的小塊，再利用反沖洗水流的縱向水力剪切以及流化濾床的橫向碰撞和翻滾作用，實現(xiàn)對板結層的破碎[7]。

與攪拌器相比，鋼片靜態(tài)切割具有以下特點：①采用鋼片結構的靜態(tài)切割破板結裝置造價低廉；②無運行部件，無需檢修，無需人工干預，不消耗電能，即可實現(xiàn)對濾層的自動破板結功能；③獨特的立式鋼片切割結構更有利于對板結層的切割破碎；④取消攪拌器后，騰出的頂部空間為實現(xiàn)反沖洗水的頂部排出創(chuàng)造了必要條件；⑤整體結構簡單，易于施工制造。

3.3 氣水反沖洗

過濾罐的氣水反沖洗是利用氣體上升時產生強力摩擦作用，使顆粒濾料上黏附的雜質和污染物被剝落去除，再生恢復出顆粒濾料的干凈表面[8]。由于氣體對濾層的摩擦作用，使其具有破板結功能，同時也加強了濾料間的摩擦脫附，加速了污染物與濾料的分離。

目前，大慶油田的過濾罐多采用的是先氣后水的方式。先用一定強度的空氣沖洗濾層，在氣泡的上升氣流作用下，濾層松動，濾料間相互蠕動、摩擦。在氣洗階段，由于濾層不發(fā)生明顯膨脹，濾料間的蠕動、摩擦以及濾層的松動作用，均可使板結層發(fā)生一定程度的震動裂縫，并在氣流的作用下發(fā)生破裂。之后進入水洗階段，在水流的作用下，斷裂板結塊發(fā)生翻滾、碰撞，直至破碎。因此，氣水反沖洗不僅能加速濾料間的相互摩擦脫附，提高濾料的再生效果，對濾層的破板結作用也較為明顯。

3.4 變強度反沖洗

變強度反沖洗[9]一般采用先小后大的反沖洗強度。小強度沖洗使濾層處于剛剛流化狀態(tài)，濾料間以摩擦碰撞為主，使濾料與雜質摩擦脫附；然后，加大沖洗強度，濾料間以水力剪切為主，通過大強度漂洗，快速使脫附的雜質隨反沖洗水排出濾罐。

變強度沖洗對濾層的破板結作用相對有限，僅在板結層的黏附強度不大時才能起到一定的破板結作用；若濾層污染較嚴重、板結層的黏附強度較大，變強度反沖洗對板結層的破碎將不起作用，板結層將隨反沖洗水流的上升而整體上升，造成濾罐憋壓以及濾料流失。

3.5 化學法清洗

化學法破板結主要是針對濾料因過濾介質結垢嚴重而造成的板結。如，碳酸鹽垢可考慮在反沖洗水中投加一定量的鹽酸和緩蝕劑[10]，進行濾料浸泡和沖洗，主要是對垢進行分解去除；硅酸鹽垢可考慮在反沖洗水中投加一定量的堿液（如NaOH），用以增加溶液對硅酸鹽的溶解性，主要起到溶垢作用。大慶油田某強堿三元采出水處理站，由于采出水中硅酸鹽過飽和析出，造成過濾罐濾料板結嚴重，濾罐反沖洗嚴重憋壓，無法進行濾料的正常反洗工作，過濾效果嚴重惡化。通過投加堿液浸泡和沖洗后，反洗憋壓現(xiàn)象明顯改善，過濾罐反洗壓力由0.4 MPa左右降至0.06 MPa左右，反洗泵排量也由330～420 m3/h提高到550～590 m3/h，達到了設計要求，如表1所示。

表1 加藥前后反沖洗數(shù)據(jù)Tab.1 Backwashing data of before and after chemical dosing

4 結論

（1）攪拌器具有一定的破板結作用，但造價較高，且易損壞、運行時率低，反而影響濾料的清洗效果，不建議繼續(xù)大規(guī)模應用。

（2）鋼片靜態(tài)切割是較為經(jīng)濟實用的濾料破板結方式，具有結構簡單、造價低廉、無運行部件、無需檢修、無需人工干預、無電能消耗等優(yōu)點，并為簡化過濾罐結構提供了先決條件，可以替代攪拌器的破板結功能，建議推廣應用。

（3）氣水反沖洗既具有較強的破板結作用，又可加速濾料間的相互摩擦脫附，具有提高濾料的再生效果的功效，對于濾料再生困難的油田化學驅采出水以及低溫處理污水，應推廣應用。

（4）變強度濾料反沖洗在一定范圍內也能起到一定程度的破板結作用，但對板結程度較嚴重的大塊濾料板結層的破碎作用相對較弱。

（5）化學法濾料清洗主要是對結垢嚴重引起的濾料板結起作用，是一種應急處理方法，不適合日常頻繁使用。