海上油田多介質過濾器氣水反沖洗工藝優化

杜虹

1海洋石油高效開發國家重點實驗室

2中海油研究總院有限責任公司

3中海石油（中國）有限公司天津分公司

渤海某油田位于渤海遼東灣，產出油品質較好，生產污水處理系統主體處理流程尚未進行過較大的調整。但是隨著聚合物驅、二元復合驅項目的逐步開展[1]，油田的生產水處理流程逐步面臨著濾料再生困難與懸浮物固體含量控制困難的問題。

圍繞多介質過濾器氣水反沖洗工藝面臨的實際問題，本文分析了各因素對濾料再生與生產污水水質控制指標的影響，在現有流程基礎上開展反沖洗工藝的優化，并根據氣沖洗排液含油量優選氣沖洗工作參數，建立合理的工作制度。經礦場試驗，優選后的方案有效解決了濾料再生率低、懸浮物固體含量偏高等問題。

1 渤海某油田的產出液處理現狀

1.1 濾料再生率下降

渤海某油田主力油層原油黏度19.02～181.45 mPa·s，含硫量、含蠟量低，凝固點低，含硫量低于0.362%，含蠟量低于5.7%，凝固點-35～-22 ℃，其地層水總礦化度6 401～9 182 mg/L，水型為NaHCO3。自開展聚合物驅、二元復合驅以來，油田含聚采出液濃度上升明顯，隨著開發進入后期階段，生產污水中含有的聚合物容易與油田使用的陽離子型清水劑結合形成大量絮狀物，過濾器濾料顆粒在長期運行后形成的污染層具有黏度高和附著力強的特點[2]，常規的氣水反沖洗再生方式很難將截留在濾料表面形成的包裹層的污油、雜質及聚合物等成分沖洗掉，在聚合物的影響下容易板結和形成濾餅層[3]。

由表1可知，渤海某油田單井采出液含聚濃度隨著化學驅的深入開展呈現出逐步增加的趨勢，部分單井采出液含聚質量濃度一度達到了1 000 mg/L以上。油田生產污水處理情況基本滿足表2所示的水質控制指標，尤其是懸浮物固體含量指標處于剛好達標，可見含聚采出液處理難度較大。

圖1 為渤海某油田2016 年11 月開展多介質過濾器濾料更換期間發現的濾料板結成塊現象。

圖1 多介質過濾器在聚合物影響下的濾料板結情況Fig.1 Hardened filter material condition of multi media filter under the influence of polymer

1.2 過濾效果下降

受濾料板結成塊和形成濾餅層的影響，過濾器過濾效果明顯下降，主要體現在污水含油高、懸浮物固體含量升高。在水式反沖洗強度增大時，還容易造成墊料和濾料之間混層和濾料流失，過濾效果進一步降低。

雖然通過縮小濾料粒徑、提高濾層厚度等措施可以有效降低生產水含油、懸浮物固體含量，但濾料粒徑較小對延長過濾周期是不利的[4]。

由圖2可知，渤海某油田生產污水系統過濾器在2016 年8 月24 日—9 月23 日完成濾料更換，含油、注水懸浮物固體含量兩項指標在隨后的2個月中較之前均有一定的改善。但隨著運行時間延長兩項指標開始逐步上升，11月16日懸浮物固體質量濃度恢復至9.5 mg/L，過濾效果下降至濾料更換前水平。

表1 渤海某油田部分單井采出液含聚濃度情況Tab.1 Concentration of polymer in produced fluid of some single wells in an oilfield in Bohai Sea mg/L

表2 渤海某油田注水主要控制指標Tab.2 Main contol index of water injection in an oilfield in Bohai Sea

圖2 注水含油量、懸浮固體指標運行效果Fig.2 Operation effect of oil content and suspended solids index of water injection

1.3 多介質過濾器鼓風機工作效率偏低

多介質過濾器自動控制系統采用PLC控制系統流程中的氣動蝶閥實現過濾、反沖洗、靜置模式的切換。受過濾器濾料丟失、水溫高等因素影響，氣動蝶閥中的密封用橡膠圈老化較快，鼓風機出口容易形成積水，降低氣沖洗效果，一旦積水進入鼓風機潤滑系統，更有可能造成滑油乳化、設備故障停運[5]。鼓風機故障率高，造成多介質過濾器氣水反沖洗效果進一步下降，再生效果減弱。由表3 可知，渤海某油田羅茨鼓風機近4 年內因滑油乳化、機封漏水造成故障停運多達9次，受限于海上備件采辦周期過長等多方因素，停運高達46 天，因濾料臟堵、過濾器運行壓力過高，造成羅茨鼓風機輸出壓力無法滿足氣沖洗要求停運3次，停運高達65天，嚴重影響了油田污水處理。

表3 2014—2017年羅茨鼓風機主要故障原因及檢修時長統計Tab.3 Main failure causes and maintenance time statistics of Roots blower from 2014 to 2017

2 工藝優化與措施

2.1 多介質過濾器氣水反沖洗流程優化

多介質過濾器氣水反沖洗工藝主要包括排水、氣沖洗、排氣、水沖洗四部分。其中，氣沖洗狀態下，罐內連續沖入空氣，可以實現松動壓實的濾料，同時，濾料在氣壓沖擊下產生搓動摩擦，達到搓洗效果。當適當提高氣沖洗強度時，有助于提升反沖洗效果[6]。

2018年4月，渤海某油田嘗試采用海上平臺空壓機作為氣式反沖洗的動力源，實施了替換羅茨鼓風機的流程優化改造，具體改造見圖3。

懸浮物固體含量取決于懸浮顆粒與濾料表面接觸頻率，在容積不變的條件下，濾料粒徑越小，其比表面積越大，懸浮固體含量越低[4]。適當降低濾料粒徑有助于控制懸浮物固體含量。

多介質過濾器氣沖洗氣源主要由R233 型羅茨鼓風機提供，其最大工作壓力為98 kPa，輸出氣量為15 m3/min。而該氣沖洗強度已無法破除含聚采出液在濾料表面形成的板結塊，綜合考慮氣源性質、多介質過濾器工作壓力、氣沖洗強度等因素，完全可利用海上平臺公用氣系統實施替代。

2.2 改進措施

2017 年11 月，渤海某油田對多介質過濾器中金剛砂粒徑由1.2～1.6 mm下調至0.8～1.2 mm，核桃殼粒徑由1.2～1.6 mm 下調至0.8～1.2 mm[7]，具體填充情況見表4。

表4 優化前后多介質過濾器濾料填充情況Tab.4 Filter material filling condition in multi media filter before and after optimization

2018年4月，渤海某油田對多介質過濾器氣水反沖洗流程氣源由羅茨鼓風機變更為公用氣罐，并將氣沖洗排出液的污水含油量作為調整氣沖洗強度的優選參數，確定最佳氣沖洗壓力。

圖3 多介質過濾器氣水反沖洗流程調整方案Fig.3 Adjustment scheme for gas-water backwashing process of multi-media filter

渤海某油田在氣沖洗氣源由羅茨鼓風機調整為公用氣穩定運行3月后，開展了不同氣沖洗強度下排液閥出口液體的含油監測工作。由圖4可知，當氣沖洗壓力入口為0.13 MPa時，氣沖洗排液含油量最高，搓洗效果最好。

由圖5可知，不同氣沖洗壓力與氣沖洗排液出口含油擬合出的曲線與實際關系吻合達到了0.967 2，基本符合現場特征。經過對擬合公式的計算，得出（0.09，0.15）區間內，0.13 MPa左右搓洗效果達到最佳，與現場試驗基本吻合。

圖4 不同氣沖洗壓力下的排液出口含油變化Fig.4 Change of oil content at drain outlet under different gas washing pressure

圖5 不同氣沖洗壓力下氣沖洗排液出口含油擬合情況Fig.5 Fitting condition of oil content at drain outlet and gas washing pressure

3 優化后的運行現狀

對于多介質過濾器氣水反沖洗工藝優化效果，通過油田總注水懸浮物固體含量、含油量以及單級多介質過濾器懸浮物固體含量進行了水質指標對比評估，同時在濾料更換期間通過濾料板結情況以及年度濾料更換次數進行了再生評估。

圖6 渤海某油田2017—2018年注水指標運行趨勢Fig.6 Operation trend of water injection index of an oilfiled in Bohai Sea from 2017 to 2018

由圖6、圖7、表5可知，經過優化后，油田注水總懸浮物固體含量及含油量改善效果明顯，針對多介質過濾器開展的相應優化效果非常明顯，其中，懸浮物固體質量濃度由15.4 mg/L 下降至9.5 mg/L，過濾效率由優化前的12.5%上升至14.3%，提升了23.6%。

2018年8月與2019年4月，渤海某油田開展多介質濾器濾料更換作業，更換作業中均未發現任何濾料板結情況，對比圖1，濾料板結成塊現象得到解決（圖8）。

圖7 多介質過濾器濾料換型前后懸浮物固體含量對比Fig.7 Comparison of suspended solid content in multi media filter before and after optimization

圖8 多介質過濾器內部情況Fig.8 Internal conditions of multi media filter

表5 2014—2019年多介質過濾器單級懸浮物固體含量去除能力及濾料更換情況Tab.5 Removal capacity of content suspended solid in one single stage and filter material replacement condition

續表5

4 結論

渤海某油田隨著聚合物驅、二元復合驅的開展，產出液污水處理難度進一步增加，降低了多介質過濾器的過濾效果與濾料再生率。從過濾機理出發，通過優選濾料粒徑，同時變更多介質過濾器氣水反沖洗氣源，優化提升氣沖洗強度，提高了過濾器過濾效果與濾料再生率。結果表明：

（1）多介質過濾器濾料粒徑下調，可改善懸浮物固體含量指標。

（2）提高多介質過濾器氣水沖洗中的氣沖洗強度，可有效提高濾料再生率，降低濾料更換頻率。

（3）氣水反沖洗強度并非越大越好，強度過大反而降低氣沖洗效果。