舒小橋

（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6 作業(yè)公司，天津 300450）

1 核桃殼過濾器在我國的應用現(xiàn)狀

作為二十世紀八十年代發(fā)展起來的新技術(shù)，核桃殼過濾技術(shù)在大港油田得到了較好的應用，在污水處理過程當中，海上、陸上的油田得益于新技術(shù)的發(fā)展，應用越發(fā)的廣泛。隨后大慶油田也逐步吸納采用了這一整套技術(shù)。1998 年，大慶油田成功建成了“南Ⅱ-1 采出水處理站”，由于這座水處理站的高標準建設(shè)，儲量空間巨大，為了達到良好的應用效果，因此采用了核桃殼過濾器。這次應用是大慶油田首次大量應用，獲得了很好的效果。因此在此后的水驅(qū)采出水處理工程中，得到了更加普遍的應用[1]。

作為一種很好的過濾介質(zhì)，核桃殼擁有很好的吸附性能。與其它濾料相比，核桃殼過濾器抗壓能力強，化學性能穩(wěn)定，同時也具有濾速高、吸附截污能力強、除油率高的諸多良好特點。在實際的使用過程中，核桃殼過濾器也存在著很多問題，其中包括濾料質(zhì)量、過濾器結(jié)構(gòu)和反沖洗等三方面。一般認為濾料質(zhì)量問題包括濾料的處理（脫脂等工序）、粒徑和皮殼率三個方面。過濾器結(jié)構(gòu)問題主要是篩管或篩板縫隙設(shè)置、施工質(zhì)量、攪拌器轉(zhuǎn)速與槳葉的設(shè)置等方面。

國內(nèi)目前的石油開發(fā)開采形勢不容樂觀，由于國內(nèi)絕大部分油田開采時間已經(jīng)達到幾十年，很多油田已經(jīng)進入了枯竭期，利用常規(guī)的采油方法已經(jīng)不大可行，因此三次采油在我國油田，尤其是東部油田運用的更為廣泛，這導致了油田污水的水質(zhì)急劇變換。我國目前三采所產(chǎn)生的污水具有以下的變化特質(zhì)：①水中的聚合物含量急劇增加；②增加了污水的粘度；③減小了油滴粒徑；④增大了污水的Zeta 電位；⑤降低了油珠浮升的速度；⑥懸浮顆粒粒徑變細。這些綜合反應令開采出的原油懸浮固體乳化嚴重，這些變化嚴重影響了過濾效果。因此要如何提高過濾效果，這讓研究人員倍感壓力，其問題也主要集中在以下幾個方面：

1.1 濾料的選擇。在選擇過濾器的濾料時，考慮到不同種類濾料的表面吸附特性、密度、球形度以及機械強度等物理特性不同，因此其對污水中污染物的截留和納污能力也不同。國內(nèi)外在處理污水時用到的無煙煤、磁鐵礦、核桃殼等，都各有各自的優(yōu)缺點，因此要根據(jù)不同油田的水質(zhì)選擇合適的濾料，或者開發(fā)新型的工藝材料提高油田污水處理效果[2]。

1.2 新型過濾器的研制。油田污水水質(zhì)的變化，尤其是聚合物的增加，導致原有過濾器在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了一系列問題：反沖洗濾料流失、壓力升高，過濾不穩(wěn)定等等。這些問題的存在嚴重影響了過濾的效果，所以對過濾器進行重新設(shè)計勢在必行，可以通過新型過濾器進行研究，對國外先進技術(shù)進行仿制，從而解決過濾器反沖洗存在問題，改善過濾器的出水效果。

1.3 工藝的改進。進入過濾器的水質(zhì)發(fā)生改變的原因有很多，最主要是油田污水成分的改變。微絮凝工藝是現(xiàn)在油田水處理過濾的主要手段，通過改變懸浮物和油滴的粒徑，提高懸浮物和油的去除率。過濾方式同時也可以分為接觸過濾與直接過濾。接觸過濾是指在原水中加入絮凝劑后立刻進入濾池，即將絮凝反應過程全部移至濾池中進行經(jīng)過微絮凝作用，微小的懸浮顆粒和油滴粒徑變大，從而提高了油田污水處理效果[3]。直接過濾是指在濾前設(shè)置適當?shù)男跄磻?，絮凝劑加入后，絮凝反應一部分在反應器?nèi)進行，另一部分移至濾池中進行。

國內(nèi)的核桃殼過濾工藝技術(shù)，整體水平與國際先進水平相比尚有一定的差距，主要是國外的核桃殼濾料均粒程度遠遠高于我國，濾料質(zhì)量的優(yōu)良直接帶來的就是費用的提升，每噸兩萬余元的成本讓不少油田企業(yè)望而卻步。因此如何研制出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的核桃殼過濾器，如何在現(xiàn)有的經(jīng)濟條件下，對技術(shù)實現(xiàn)突破，成為了科研人員在后續(xù)研究中的焦點所在。

2 過濾器在A 油田的使用背景

A 油田采油平臺工藝流程主要是最大限度處理油田生產(chǎn)污水，為下游分擔處理壓力。核桃殼過濾器作為污水處理系統(tǒng)的第三級設(shè)備，主要作用是對經(jīng)加氣浮選器處理后的生產(chǎn)水進行過濾分離，去除水中污油和懸浮物，其處理效果直接影響著油田注水水質(zhì)。提高核桃殼過濾器處理效果有助于進一步提升注水水質(zhì)，增強注水進入地層對原油的驅(qū)動能力，減少水中雜質(zhì)對地層的污染。

根據(jù)規(guī)劃，十三五期間平臺處理水量將持續(xù)上升，2015 年1月，處理水量為12000 方/天，2018 年1 月，處理水量上升至

隨著核桃殼過濾器運行時間的增長，核桃殼濾料的漏失將持續(xù)加大，降低核桃殼過濾器的處理效果。核桃殼的老化加速，導致有效過濾時間縮短，且隨著投用數(shù)量的增加，反洗時間壓縮，對反洗效果的要求進一步提升。

為了避免上述問題的發(fā)生，需從核桃殼過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行操作程序入手，找出造成核桃殼過濾效果下降和濾料漏失的關(guān)鍵因素。

3 核桃殼過濾器的使用實踐

3.1 篩選反洗各步驟最優(yōu)耗時

核桃殼過濾器反洗基本程序為：等待——反洗——攪拌——攪拌反洗——反洗——靜置——排水，對其中影響反洗效果的關(guān)鍵步驟使用控制變量法進行優(yōu)化篩選，確定各步驟時長效益最佳值。優(yōu)化反洗程序，降低核桃殼整體反洗人工時，提高反洗效果，見圖2。

圖2 反洗各步驟時長篩選數(shù)據(jù)圖

3.2 篩選最優(yōu)反洗程序與反洗水量

根據(jù)平臺核桃殼過濾器的結(jié)構(gòu)特點，攪拌反洗過程會導致核桃殼擾動漂浮增加，進而導致核桃殼濾料流失明顯量增加，另外反洗水量的大小也對核桃殼的反洗果和濾料漏失有較大影響，見圖3。

圖3 攪拌反洗時長和反洗水量實驗數(shù)據(jù)圖

根據(jù)實驗結(jié)果，最終確定單罐反洗程序中各步驟時長設(shè)定值；另外，反洗步驟中攪拌反洗時長和反洗水量的增大都有利于水質(zhì)的提升，但這兩個操作量的上調(diào)均會使核桃殼漏失量大幅上漲，因此，將反洗過程中的攪拌反洗這一步驟取消，并將反42000 方/天（高峰處理水量出現(xiàn)在2022 年，將達到60000 方/天），見圖1。洗水量調(diào)整到保證水質(zhì)合格的最低值（廠家推薦值為230m3/h，實驗最佳值為120-140m3/h）。

圖1 十三五規(guī)劃期間A 油田采油平臺處理水量

3.3 增加反洗判斷依據(jù)

核桃殼過濾器廠家建議，當來水中的懸浮固體顆粒被濾料截留到一定程度過濾壓差達到0.10MPa 或過濾時間達到24h時，程序進入反洗。在使用過程中將該壓差值修正為0.12MPa，但在后期使用過程中發(fā)現(xiàn)，當運行至某一階段，有部分核桃殼過濾器未運行滿24h，且過濾壓差未達到0.12MPa，但該過濾器在高過濾壓差下低流量運行，分析為過濾效果較差引起，此時也應將該核桃殼過濾器投入反洗，以保證核桃殼正常過濾效果。

因此，引入另一判斷核桃殼過濾器是否需要反洗的臨界點-差量比：過濾壓差（KPa）/實時過濾流量（m3/h），根據(jù)日常經(jīng)驗值測算，當差量比大于0.8 時，需將核桃殼過濾濾器投入反洗。

另外，增加核桃殼過濾器過濾累計量（5000 方）為確認是否需要進行反洗處理的依據(jù)，避免單個核桃殼負載過大或者因為壓差之外的因素影響核桃殼使用效果。

3.4 氣動蝶閥控制模式改造

核桃殼過濾器作為中間處理設(shè)備，若出現(xiàn)故障阻斷流程，最終會導致平臺三級關(guān)斷，與儀表部門共同協(xié)作，制作儀表氣路旁通流程，在控制盤失電狀態(tài)下實現(xiàn)KV 閥的開關(guān)動作，增強流程穩(wěn)定性。

3.5 增加觀測點

對核桃殼過濾器排污管線增加取樣觀測點，實現(xiàn)對其正常過濾和反洗結(jié)束后狀態(tài)的全面監(jiān)測。

4 過濾器安裝后的實踐效果

4.1 差異化管理，增加單次核桃過濾時長上限

通過實施優(yōu)化后的反洗程序和反洗流量，核桃殼過濾器平均過濾時長由18.2 小時增加至22.0 小時，反洗投用后平均壓差由38.5KPa 下降至29.5KPa，核桃殼反洗效果明顯提高，見表1。

表1 核桃殼優(yōu)化前后效果比對表

4.2 核桃殼漏失量較低，在廠家允許損失量1/5以下

核桃殼漏失量長期處于較低水平，在廠家允許損失量1/5 以下，運行三年后過濾能力仍能滿足現(xiàn)場需要，且已經(jīng)超過廠家建議更換時間2 年（廠家建議每年更換一次），各罐開蓋后核桃殼濾料狀態(tài)-漏失量較低，無板結(jié)、變質(zhì)現(xiàn)象。為進一步提升水質(zhì)，核桃殼運行滿三年后進行更換，核桃殼濾料單罐損失量均值約為1.7 方。

核桃殼濾料更換周期得到了明顯的延長，按照廠家建議更換時間為一年一次計算，石英砂為1380 元/噸，核桃殼濾料為3540 元/噸，人工費用為1.6 萬元/個，則每年12 個核桃殼更換費用共計71.7 萬元；目前狀態(tài)為每3 年更換一次，則平均每年為平臺節(jié)約費用47.8 萬元。

4.3 核桃殼過濾器運行狀態(tài)良好，出口水中含油遠低于注水水質(zhì)要求的標準

核桃殼過濾器精細化管理現(xiàn)場實施后，其處理效果一直處于較好狀態(tài)，目前平臺處理水量已達到1730m3/h，處理后的生產(chǎn)水水中含油維持在10ppm 以下，遠低于注水水質(zhì)要求的標準（20ppm），且單臺核桃殼正常過濾時間并無明顯的縮短。由于反洗效果的提升，縮短了單臺反洗耗時，在核桃殼濾器投用數(shù)量達到10 臺后，仍能保證充足的反洗時間。

5 結(jié)論

本項目根據(jù)流程特點、科學規(guī)劃，將數(shù)學中常用的控制變量法應用到核桃殼反洗、過濾最優(yōu)程序的摸索與實踐中。通過在A 油田采油平臺的應用，在效益最佳點篩選、核心程序創(chuàng)新、流程優(yōu)化改造等一整套核桃殼過濾器科學使用模式現(xiàn)場實踐后，取得了超出預期的成果：（1）核桃殼過濾器的反洗效果得到大幅提升，反洗投用后平均壓差明顯下降，有效降低了反洗能耗和反洗人工時；（2）在處理水量不斷上升的情況下，核桃殼過濾器保持較高的處理效果，出口水中含油維持在8-10ppm，遠低于渤海地區(qū)注水水質(zhì)要求（20ppm），保證了注水進入地層對原油驅(qū)動的有效性；（3）核桃殼過濾器各罐漏失量均在廠家允許量的1/5 以下，核桃殼過濾器的使用時間延長2 倍以上，僅A 油田采油平臺節(jié)省核桃殼濾料更換費用達到47.8 萬元/年。