三元复合驱采出水过滤罐在线清垢技术研究

刘杨

大庆油田有限责任公司第四采油厂

随着三元复合驱开发的不断深入，三元复合驱采出水中的CO32-和Si含量不断上升，造成三元复合驱污水处理系统处理难度大，现场沉降分离效果差，外输水超标。经过现场调查以及室内实验分析发现，由于三元复合驱污水站上游2座转油放水站外输水不配伍，造成三元复合驱污水站沉降罐进水中硅酸和碱土金属碳酸盐过饱和，从中析出大量硅酸、非晶质二氧化硅和碱土金属碳酸盐微粒。这不仅增加了采出水中悬浮固体的去除难度，而且还造成过滤罐堵塞和回收过滤器反冲洗水中含有大量悬浮固体微粒，严重影响处理效果和污水站正常运行，需要采取适合的除垢措施，降低清垢成本，减少因清垢造成的水质波动，保障生产运行。

1 过滤罐结垢原因分析

由于三元复合驱污水站所处的某三元复合驱区块开发的逐渐深入，采出水中CO32-、pH值、矿化度等指标逐步增加[1]，其中CO32-由初期的100 mg/L

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

图1 三元复合驱污水站采出水离子浓度变化曲线Fig.1 Ion concentration change curve of produced water from ASP flooding sewage stations

同时，HCO3-、Ca2+、Mg2+逐步降低，目前已趋近于0。总Si含量随着三元复合驱注入剂中的NaOH对地层的溶蚀作用加剧而增加，Si进入到污水站过滤罐筛管后，受温度、压力变化的影响，在过滤罐筛管上附着形成垢，造成过滤罐筛管堵塞 （表 1）。

表1 三元复合驱污水站总硅含量Tab.1 Total silicon content of ASP flooding sewage stations

通过对过滤罐筛管上的附着物进行检测，也证明了SiO2是筛管附着物的主要组成部分（表2）。

表2 三元复合驱污水站过滤罐筛管附着物Tab.2 Screen tube attachment of filter tank in ASP flooding sewage stations

由图2可知，筛管清垢后，反冲洗压力回升周期缩短，筛管结垢速度增加。

图2 三元复合驱污水站过滤罐反冲洗压力变化曲线Fig.2 Backwashing pressure changing curve of filter tank in ASP flooding sewage stations

从图3可以看出，除了筛管结垢外，滤料也有一定程度的结垢板结现象。

图3 三元复合驱污水站过滤罐筛管及滤料结垢情况Fig.3 Scaling of filter tank sieve tube and filter material in ASP flooding sewage stations

2 过滤罐清垢措施研究

为保证系统正常运行，需要定期对过滤罐筛管进行清垢，主要选用在线清垢及离线清垢两种方式。

2.1 离线清垢

离线清垢是对过滤罐进行停运，将上、下筛管及滤料进行拆除，运送到指定地点采用酸液进行人工清洗后，再进行安装。

2.2 在线清垢

在线清垢是对过滤罐进行停运，通过泵车将清洗药剂及热水混合物注入过滤罐，再通过泵车进行循环清洗，保证药剂与垢质能够充分接触，增强清洗效果。

2.2.1 滤料表面及过滤罐筛管附着物组成分析

采用TG/DTA热重分析、XRD/XRF组成分析等技术手段，确定滤料表面及过滤器附着物以硅酸盐为主（表3）。

表3 附着物成分Tab.3 Attachment component analysis 质量分数/%

根据滤料表面及过滤罐筛管附着物组成，通过室内化学分析和模拟实验手段，开展附着物组成分析以及清洗剂的研制，确定以有机碱清垢剂、阻垢缓蚀剂、消泡剂等组成滤料清洗剂作为试验药剂。清洗前后效果如图4所示。

图4 三元复合驱污水站滤料清洗前后对比

2.2.2 清洗参数优化室内实验

（1）实验材料和方法。①实验药剂：碱性螯合剂（40%）、pH值调节剂、渗透剂、消泡剂。②实验装置：恒温水浴锅、烧杯、天平、烘干箱。③清洗方法：选取100 g的结垢滤料进行称重，将称重后的滤料放入烧杯中，将烧杯放在恒温水浴锅内；烧杯中加入热水，将实验药剂进行混配，按照不同浓度加入烧杯中；启动恒温水浴锅加热至指定温度并维持指定时间，每10 min搅拌一次；将清洗后的滤料全部取出，放入烘干箱烘干、称重，对比清洗前后的滤料质量，得出清除率，也就是通过药剂清洗将滤料表面附着的垢质变为可溶性离子的能力，即清除垢质的清除率[2]，其可由下式求得：式中： A为清除率，%；m1为实验选取的结垢滤料质量，本次实验选取的滤料质量为100 g；m2为清洗后烘干的滤料质量，g。

通过药剂清洗后，结垢滤料表面的垢质转化为可溶性离子，溶于水中。因此，取出清洗后的滤料进行烘干可以得到其去除垢质的质量，用清洗前的结垢滤料质量与其差值除以清洗前的结垢滤料质量，即可得出清除率，评价清洗效果。

（2）药剂浓度。采用不同浓度的清洗剂及60℃热水对结垢滤料进行清洗，清洗剂用量及效果见表4。

表4 相同温度不同清洗剂浓度效果对比Tab.4 Comparison of effect with different cleaner concentration and same temperature

采用质量分数10%～15%的药剂及60℃热水清洗，附着物去除率可以达到90%左右。

（3）清洗温度。采用质量分数10%的清洗剂及45～70℃热水对结垢滤料进行清洗，水温45、50℃时清洗时间为180 min；水温60℃时清洗时间为60 min；水温70℃时清洗时间为35 min（表5）。

表5 相同浓度不同清洗温度、不同清洗时间效果对比Tab.5 Comparison of effect with same concentration，different cleaning temperature and different cleaning time

由表5可知，清洗温度越高效果越明显，温度升高可以缩短清洗时间。

（4）清洗时间。采用质量分数10%的清洗剂及60℃热水对结垢滤料进行清洗。清洗温度60℃时不同清洗时间的清洗效果见表6。

表6 相同浓度与清洗温度、不同清洗时间效果对比Tab.6 Comparison of effect with same concentration，different cleaning temperature and different cleaning time

由表6可知，清洗时间越长清洗效果越好，现场清洗可以延长清洗时间，提高清洗效果。同时，循环清洗可以将清洗中的油及泥携带出装置，并在清洗车内沉降截留，综合提高清洗效果。

2.2.3 现场试验

通过前期室内实验确定加药参数，并开展现场试验。采用在线高温清洗方式进行清洗，对三元复合驱污水站一级4#过滤罐的反冲洗进出口管道进行带压开孔，通过高压软管对过滤罐反冲洗进出口与加药泵车及热水罐车进行连接，通过加药泵车将热洗罐车中的药剂与70℃热水混合液[3]（共计16 t，其中药剂6 t，热水10 t）从反冲洗进口加入过滤罐中，2台罐车单车加药时间为45 min，合计用时90 min。加药后，通过循环泵使药剂在过滤罐与热水罐车之间循环，实现均匀冲洗；循环90 min后闷罐浸泡，浸泡时间为120 min，以便强化效果。现场试验流程见图5。

图5 现场试验流程Fig.5 Flow of field test

药剂清洗完成后，采用正常的反冲洗流程进行反冲洗。清洗参数见表7。

表7 清洗参数Tab.7 Cleaning parameter

2.2.4 清洗效果

三元复合驱污水站一级4#过滤罐进行清洗之前，反冲洗最大排量仅能达到210 m3/h，反冲洗压力达到0.54 MPa。清洗后初次反冲洗参数见表8。

表8 清洗后初次反冲洗参数Tab.8 Initial backwashing parameters after cleaning

由表8可知，反冲洗排量上升明显，但反冲洗压力仍较高，说明过滤罐内杂质还有残余，未完全洗出。次日，低排量反冲洗，发现压力明显下降[4]，说明杂质已被带出过滤罐。清洗1天后反冲洗参数见表9。

表9 清洗1天后反冲洗参数Tab.9 Backwashing parameters after one-day cleaning

清洗2天后继续提高反冲洗排量，排量上升，压力稳定在较低水平，说明过滤罐内的垢质已被清洗干净，达到了清洗效果[5]（表10）。

表10 清洗2天后反冲洗参数Tab.10 Backwashing parameters after two-day cleaning

6月24日清洗后，跟踪2个月的反冲洗参数变化情况，一级4#过滤罐最大反冲洗排量一直维持在550 m3/h以上，最高点的反冲洗压力低于0.11 MPa，说明清洗效果良好，过滤罐内的垢质被清洗干净[6]（图6）。

图6 清洗后过滤罐压力及反冲洗排量跟踪曲线Fig.6 Tracking curve of filtering tank pressure and backwashing displacement after cleaning

2.3 清垢效果对比

2.3.1 不同清洗方式效果

从清洗后反冲洗压力变化情况看，由于筛管的垢质已被去除，两种方式反冲洗压力随反冲洗排量变化的趋势差距接近，反冲洗后压力回升的速度相近（表11）。

表11 不同清洗方式反冲洗压力Tab.11 Backwash pressure with different cleaning methods

2.3.2 不同清洗方式影响时间

从清洗时需要过滤罐停运时间看，由于离线清洗需要拆除、安装过滤罐筛管及滤料，需要停运11天以上；而在线清洗只在清洗时停运过滤罐，合计影响时间小于0.25天，1个清洗车组合理使用，1天可清洗2座罐以上[7]（表12）。

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

2.3.3 不同清洗方式成本

对不同清洗方式成本进行对比，离线清洗包括过滤罐筛管拆除、滤料清洗等，费用包括运输费用及人工费用[8]；在线清洗只包括药剂费用，单罐清洗成本可节约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 结论及建议

通过对过滤罐筛管结垢影响因素进行分析，对清垢措施进行研究，得到如下结论：

（1）三元复合驱污水站过滤罐受其污水中的药剂影响，上、下筛管等内部构件结垢堵塞，严重影响过滤效果。由于三元复合驱开发中NaOH的使用，地层中的含硅岩层被溶蚀，Si随着采出液被带到地面[9]；同时由于区块交替开发，某三元复合驱区块2个子区块采出液混掺后采出液中的CO32-也成饱和态[10]，造成了过滤罐筛管结垢加剧。

（2）采用在线清洗方式可以有效降低清洗成本[11]，减少因清洗停运过滤罐对水质造成的影响时间，有利于保证污水站正常运行管理。

（3）建议在加强过滤罐筛管清垢的同时，研究筛管防垢技术，同时采取措施解决污水饱和度高的问题，延长过滤罐结垢周期。