三元復合驅采出水過濾罐在線清垢技術研究

劉楊

大慶油田有限責任公司第四采油廠

隨著三元復合驅開發的不斷深入，三元復合驅采出水中的CO32-和Si含量不斷上升，造成三元復合驅污水處理系統處理難度大，現場沉降分離效果差，外輸水超標。經過現場調查以及室內實驗分析發現，由于三元復合驅污水站上游2座轉油放水站外輸水不配伍，造成三元復合驅污水站沉降罐進水中硅酸和堿土金屬碳酸鹽過飽和，從中析出大量硅酸、非晶質二氧化硅和堿土金屬碳酸鹽微粒。這不僅增加了采出水中懸浮固體的去除難度，而且還造成過濾罐堵塞和回收過濾器反沖洗水中含有大量懸浮固體微粒，嚴重影響處理效果和污水站正常運行，需要采取適合的除垢措施，降低清垢成本，減少因清垢造成的水質波動，保障生產運行。

1 過濾罐結垢原因分析

由于三元復合驅污水站所處的某三元復合驅區塊開發的逐漸深入，采出水中CO32-、pH值、礦化度等指標逐步增加[1]，其中CO32-由初期的100 mg/L

上升到目前的超過4 500 mg/L，pH值由初期的8.6上升到11.3，礦化度由4 900 mg/L上升到10 000 mg/L以上（圖1）。

圖1 三元復合驅污水站采出水離子濃度變化曲線Fig.1 Ion concentration change curve of produced water from ASP flooding sewage stations

同時，HCO3-、Ca2+、Mg2+逐步降低，目前已趨近于0。總Si含量隨著三元復合驅注入劑中的NaOH對地層的溶蝕作用加劇而增加，Si進入到污水站過濾罐篩管后，受溫度、壓力變化的影響，在過濾罐篩管上附著形成垢，造成過濾罐篩管堵塞 （表 1）。

表1 三元復合驅污水站總硅含量Tab.1 Total silicon content of ASP flooding sewage stations

通過對過濾罐篩管上的附著物進行檢測，也證明了SiO2是篩管附著物的主要組成部分（表2）。

表2 三元復合驅污水站過濾罐篩管附著物Tab.2 Screen tube attachment of filter tank in ASP flooding sewage stations

由圖2可知，篩管清垢后，反沖洗壓力回升周期縮短，篩管結垢速度增加。

圖2 三元復合驅污水站過濾罐反沖洗壓力變化曲線Fig.2 Backwashing pressure changing curve of filter tank in ASP flooding sewage stations

從圖3可以看出，除了篩管結垢外，濾料也有一定程度的結垢板結現象。

圖3 三元復合驅污水站過濾罐篩管及濾料結垢情況Fig.3 Scaling of filter tank sieve tube and filter material in ASP flooding sewage stations

2 過濾罐清垢措施研究

為保證系統正常運行，需要定期對過濾罐篩管進行清垢，主要選用在線清垢及離線清垢兩種方式。

2.1 離線清垢

離線清垢是對過濾罐進行停運，將上、下篩管及濾料進行拆除，運送到指定地點采用酸液進行人工清洗后，再進行安裝。

2.2 在線清垢

在線清垢是對過濾罐進行停運，通過泵車將清洗藥劑及熱水混合物注入過濾罐，再通過泵車進行循環清洗，保證藥劑與垢質能夠充分接觸，增強清洗效果。

2.2.1 濾料表面及過濾罐篩管附著物組成分析

采用TG/DTA熱重分析、XRD/XRF組成分析等技術手段，確定濾料表面及過濾器附著物以硅酸鹽為主（表3）。

表3 附著物成分Tab.3 Attachment component analysis 質量分數/%

根據濾料表面及過濾罐篩管附著物組成，通過室內化學分析和模擬實驗手段，開展附著物組成分析以及清洗劑的研制，確定以有機堿清垢劑、阻垢緩蝕劑、消泡劑等組成濾料清洗劑作為試驗藥劑。清洗前后效果如圖4所示。

圖4 三元復合驅污水站濾料清洗前后對比

2.2.2 清洗參數優化室內實驗

（1）實驗材料和方法。①實驗藥劑：堿性螯合劑（40%）、pH值調節劑、滲透劑、消泡劑。②實驗裝置：恒溫水浴鍋、燒杯、天平、烘干箱。③清洗方法：選取100 g的結垢濾料進行稱重，將稱重后的濾料放入燒杯中，將燒杯放在恒溫水浴鍋內；燒杯中加入熱水，將實驗藥劑進行混配，按照不同濃度加入燒杯中；啟動恒溫水浴鍋加熱至指定溫度并維持指定時間，每10 min攪拌一次；將清洗后的濾料全部取出，放入烘干箱烘干、稱重，對比清洗前后的濾料質量，得出清除率，也就是通過藥劑清洗將濾料表面附著的垢質變為可溶性離子的能力，即清除垢質的清除率[2]，其可由下式求得：式中： A為清除率，%；m1為實驗選取的結垢濾料質量，本次實驗選取的濾料質量為100 g；m2為清洗后烘干的濾料質量，g。

通過藥劑清洗后，結垢濾料表面的垢質轉化為可溶性離子，溶于水中。因此，取出清洗后的濾料進行烘干可以得到其去除垢質的質量，用清洗前的結垢濾料質量與其差值除以清洗前的結垢濾料質量，即可得出清除率，評價清洗效果。

（2）藥劑濃度。采用不同濃度的清洗劑及60℃熱水對結垢濾料進行清洗，清洗劑用量及效果見表4。

表4 相同溫度不同清洗劑濃度效果對比Tab.4 Comparison of effect with different cleaner concentration and same temperature

采用質量分數10%～15%的藥劑及60℃熱水清洗，附著物去除率可以達到90%左右。

（3）清洗溫度。采用質量分數10%的清洗劑及45～70℃熱水對結垢濾料進行清洗，水溫45、50℃時清洗時間為180 min；水溫60℃時清洗時間為60 min；水溫70℃時清洗時間為35 min（表5）。

表5 相同濃度不同清洗溫度、不同清洗時間效果對比Tab.5 Comparison of effect with same concentration，different cleaning temperature and different cleaning time

由表5可知，清洗溫度越高效果越明顯，溫度升高可以縮短清洗時間。

（4）清洗時間。采用質量分數10%的清洗劑及60℃熱水對結垢濾料進行清洗。清洗溫度60℃時不同清洗時間的清洗效果見表6。

表6 相同濃度與清洗溫度、不同清洗時間效果對比Tab.6 Comparison of effect with same concentration，different cleaning temperature and different cleaning time

由表6可知，清洗時間越長清洗效果越好，現場清洗可以延長清洗時間，提高清洗效果。同時，循環清洗可以將清洗中的油及泥攜帶出裝置，并在清洗車內沉降截留，綜合提高清洗效果。

2.2.3 現場試驗

通過前期室內實驗確定加藥參數，并開展現場試驗。采用在線高溫清洗方式進行清洗，對三元復合驅污水站一級4#過濾罐的反沖洗進出口管道進行帶壓開孔，通過高壓軟管對過濾罐反沖洗進出口與加藥泵車及熱水罐車進行連接，通過加藥泵車將熱洗罐車中的藥劑與70℃熱水混合液[3]（共計16 t，其中藥劑6 t，熱水10 t）從反沖洗進口加入過濾罐中，2臺罐車單車加藥時間為45 min，合計用時90 min。加藥后，通過循環泵使藥劑在過濾罐與熱水罐車之間循環，實現均勻沖洗；循環90 min后悶罐浸泡，浸泡時間為120 min，以便強化效果。現場試驗流程見圖5。

圖5 現場試驗流程Fig.5 Flow of field test

藥劑清洗完成后，采用正常的反沖洗流程進行反沖洗。清洗參數見表7。

表7 清洗參數Tab.7 Cleaning parameter

2.2.4 清洗效果

三元復合驅污水站一級4#過濾罐進行清洗之前，反沖洗最大排量僅能達到210 m3/h，反沖洗壓力達到0.54 MPa。清洗后初次反沖洗參數見表8。

表8 清洗后初次反沖洗參數Tab.8 Initial backwashing parameters after cleaning

由表8可知，反沖洗排量上升明顯，但反沖洗壓力仍較高，說明過濾罐內雜質還有殘余，未完全洗出。次日，低排量反沖洗，發現壓力明顯下降[4]，說明雜質已被帶出過濾罐。清洗1天后反沖洗參數見表9。

表9 清洗1天后反沖洗參數Tab.9 Backwashing parameters after one-day cleaning

清洗2天后繼續提高反沖洗排量，排量上升，壓力穩定在較低水平，說明過濾罐內的垢質已被清洗干凈，達到了清洗效果[5]（表10）。

表10 清洗2天后反沖洗參數Tab.10 Backwashing parameters after two-day cleaning

6月24日清洗后，跟蹤2個月的反沖洗參數變化情況，一級4#過濾罐最大反沖洗排量一直維持在550 m3/h以上，最高點的反沖洗壓力低于0.11 MPa，說明清洗效果良好，過濾罐內的垢質被清洗干凈[6]（圖6）。

圖6 清洗后過濾罐壓力及反沖洗排量跟蹤曲線Fig.6 Tracking curve of filtering tank pressure and backwashing displacement after cleaning

2.3 清垢效果對比

2.3.1 不同清洗方式效果

從清洗后反沖洗壓力變化情況看，由于篩管的垢質已被去除，兩種方式反沖洗壓力隨反沖洗排量變化的趨勢差距接近，反沖洗后壓力回升的速度相近（表11）。

表11 不同清洗方式反沖洗壓力Tab.11 Backwash pressure with different cleaning methods

2.3.2 不同清洗方式影響時間

從清洗時需要過濾罐停運時間看，由于離線清洗需要拆除、安裝過濾罐篩管及濾料，需要停運11天以上；而在線清洗只在清洗時停運過濾罐，合計影響時間小于0.25天，1個清洗車組合理使用，1天可清洗2座罐以上[7]（表12）。

表12 不同清洗方式停罐時間Tab.12 Tank shutdown time for different cleaning methods

2.3.3 不同清洗方式成本

對不同清洗方式成本進行對比，離線清洗包括過濾罐篩管拆除、濾料清洗等，費用包括運輸費用及人工費用[8]；在線清洗只包括藥劑費用，單罐清洗成本可節約34 000元左右（表13）。

表13 不同清洗方式成本Tab.13 Cost of different cleaning methods

3 結論及建議

通過對過濾罐篩管結垢影響因素進行分析，對清垢措施進行研究，得到如下結論：

（1）三元復合驅污水站過濾罐受其污水中的藥劑影響，上、下篩管等內部構件結垢堵塞，嚴重影響過濾效果。由于三元復合驅開發中NaOH的使用，地層中的含硅巖層被溶蝕，Si隨著采出液被帶到地面[9]；同時由于區塊交替開發，某三元復合驅區塊2個子區塊采出液混摻后采出液中的CO32-也成飽和態[10]，造成了過濾罐篩管結垢加劇。

（2）采用在線清洗方式可以有效降低清洗成本[11]，減少因清洗停運過濾罐對水質造成的影響時間，有利于保證污水站正常運行管理。

（3）建議在加強過濾罐篩管清垢的同時，研究篩管防垢技術，同時采取措施解決污水飽和度高的問題，延長過濾罐結垢周期。