油田采出水過濾器的原理與應用

       關鍵詞：采出水 注水 過濾器 原理

       為了滿足各種油層條件對注入水質的要求，近年來開發(fā)出多種過濾器在各油田應用。但由于對過濾器的原理與性能了解不夠，尤其是對吸附在過濾及反洗過程中的作用不十分了解，使許多工程技術人員在設計和使用注水過濾器時存在一定的困惑。筆者針對油田采出水的特點，對過濾原理進行分析研究，以期對各種過濾方法及設備的適用性能能夠正確理解，并對油田注水過濾器的研制、選用和管理有所幫助。

       采出水的水質特點

       采出水的成分包括懸浮固體(ss)、原油、總溶解固體(TDS) 和溶解氣體。受地質條件和處理工藝的影響，不同油田甚至不同區(qū)塊采出水的組分和性質都有很大的差別。從注水的角度仍有一些共同的特點，其中含油就是采出水具有的共同特點。

       油藏對注入水水質的要求是不能對注入層的滲流孔隙造成堵塞。我國石油天然氣行業(yè)標準《SY／T5329—94碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》規(guī)定了不同滲透層對注水水質條件的要求-- 。

       注入水中造成地層堵塞的主要是懸浮固體。采出水中懸浮固體的來源可以是多方面的，有來自地層的固體顆粒，如粘土等，也有細菌等微生物，還可能來自溶解固體和溶解氣體的相互作用而生成的不溶物質，如碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鋇、氧化鐵和硫化鐵等。另外，與堵塞相關的還有懸浮在水中處于分散狀態(tài)的細小油滴。這些油滴是不穩(wěn)定顆粒，可能聚并成大油滴，也可能分裂成更小的油滴。它們作為粘結劑與水中的細小的固體顆粒結合，會造成比較嚴重的地層堵塞， 也會污染過濾設備。因此，對回注的采出水進行凈化處理的關鍵環(huán)節(jié)是通過過濾來去除懸浮固體和油分。

        過濾器的主要工作原理

        過濾是用過濾介質(濾料) 對作為分散相的懸浮物進行攔截而允許作為連續(xù)相的水通過來實現兩相分離的過程。典型過濾設備的結構包括濾層和承托層，圖1為抽象的過濾原理示意圖。過濾介質對懸浮物的攔截作用可分為篩除作用和吸附作用。篩除作用是針對較大的懸浮顆粒， 由于不能通過濾層而被截留在濾層的表層；而較小的懸浮顆粒盡管可以進入濾層，但這些顆粒在通過濾層時與過濾介質接觸而被吸附在濾層中被濾除， 這就是吸附作用。對于象砂濾池等深床過濾器，可以濾除的顆粒遠小于濾層的孔隙，說明其工作機理主要是吸附作用而不是篩除作用。

       吸附是如何發(fā)生的?簡單地說即當過濾介質對懸浮顆粒的吸力大于水流對懸浮顆粒的曳力時將發(fā)生吸附。過濾介質對懸浮顆粒的吸力主要取決于過濾介質的材料性質和結構兩個因素。材料性質因素是由于其化學性質產生的表面吸力；結構因素是由于多孔結構會強化吸附作用。當材料相同時，顆粒與介質表面接觸面積越大則吸力越強，而過濾介質所形成的微孔，一方面迫使細小懸浮顆粒獲得與過濾介質接觸的機會，另一方面也使其接觸面積成倍增加，如圖2所示。這樣，在過濾介質的孔隙內懸浮顆粒會受到足夠大吸力，而同時孔隙內的水流一般處于層流狀態(tài)，流速不會很大，對懸浮顆粒的曳力也就不大，這樣就會產生較強的吸附作用。因此，濾層孔隙的吸附作用對過濾性能的影響是很大的，制造更多更小的濾層孔隙會有效地提高過濾精度。

       當過濾器運行持續(xù)一定時間之后， 隨著截留物累積量大到一定程度，過濾器的性能將會下降，主要表現在濾速的下降和過濾精度的降低。這時就需要進行反沖洗操作來清除截留物，恢復過濾性能。反沖洗的機理實際上是過濾的逆過程。對于篩除作用的截留物， 只用過濾水流的逆向流動就可以清除；但對于吸附作用的截留物，則沒有這么簡單，因為即使反洗強度很大，逆向水流在孔隙內仍處于層流狀態(tài)，曳力的大小受到一定限制，并不能完全改變吸附狀態(tài)。因此，對于吸附截留物的清除必須針對具體過濾裝置的吸附特點采取合適的脫附辦法。一般說來，產生吸附作用的過濾介質的材料因素是不易改變的， 只能通過改變過濾介質的結構因素，通常是通過解除其所形成的微孔隙來脫附。因而，能否解除濾層的孔隙是決定反洗效果的關鍵。油井采出水中的含油在過濾操作中可以被視為一種懸浮顆粒，但與固體顆粒相比，是不穩(wěn)定的顆粒。分散的油滴容易分裂成更小的油滴，也容易聚并成更大的油滴，而且形狀也很容易改變。因此，在過濾操作中，油滴嚴格說來是不能被篩除的，只能被吸附，或者是被吸附在篩除截留的固體顆粒中，或者被吸附在過濾介質中。比起固體顆粒，油滴的吸附效應更強，因而脫附也就更加困難。

       各種過濾器的結構特點與適用范圍

       在油田使用的過濾器盡管五花八門，但按過濾機理對其結構特點進行分析主要涉及濾層厚度、孔隙大小和孔隙狀態(tài)。過濾器的工作機理是以篩除作用為主還是以吸附作用為主取決于濾層的厚度。濾層相對較薄的過濾器主要是篩除作用；而濾層較厚的過濾器則以吸附作用為主。過濾器的精度取決于濾層孔隙的大小，但在同樣大小孔隙的情況下，吸附作用的過濾精度遠大于篩除作用，因此在油田以吸附作用為主的深床過濾器實際應用得較多。但以吸附作用為主的過濾器反洗較難，脫附是這種過濾器反洗的關鍵，既取決于濾材對懸浮物的吸附強度，也取決于濾層孔隙的大小。如果把濾層孔隙狀態(tài)在過濾時與反洗時保持不變的過濾器稱為固定孔隙過濾器， 而把在反洗時能改變過濾時孔隙狀態(tài)的過濾器稱為非固定孔隙過濾器，則固定孔隙過濾器的反洗要比非固定孔隙過濾器困難得多。由于水中含的油對大多數過濾介質的吸附強度都很大，在固定孔隙過濾器中脫附非常困難，所以固定孔隙過濾器一般說來不適合含油采出水的過濾。

       現對油田使用的幾種典型的過濾器分析如下：

    1．石英砂過濾器

       石英砂過濾器是一種典型的深床過濾器，其結構特點是濾層較厚， 過濾介質石英砂的密度較大，濾床比較穩(wěn)定。石英砂過濾器工作的機理主要是吸附作用，而篩除作用是次要的。由于濾床在反沖洗時是固定的，屬于固定孔隙過濾器，被吸附在濾層中的微小顆粒脫附比較困難，因此用反洗來恢復過濾性能的效果有限，使用一段時間后過濾性能會嚴重下降，往往需要更換濾料。這種過濾器一般應用在對水質要求相對不高的清水過濾。

    2．輕質濾料過濾器

       油田使用的輕質濾料過濾器主要是核桃殼過濾器，這種過濾器的基本結構和過濾原理與石英砂過濾器相同，區(qū)別是作為濾料的核桃殼的密度較小，一般在1．2 g／cm 左右。由于濾料較輕，反沖洗時在水流作用下濾層成為沸騰床，由濾料間隙形成的微孔被解除，吸附的懸浮物得以脫附。因此，這種過濾器屬于非固定孔隙過濾器，反洗再生能力較強，過濾性能穩(wěn)定，適合于中高滲透率地層水質要求的采出水過濾 。

    3．微孔陶瓷過濾器

       這種過濾器的過濾原件是燒結而成的多孔陶瓷管，它的本體既作為濾層也作為承托層。這種過濾介質的特點是孔隙均勻且穩(wěn)定，對較大的懸浮物有篩除作用，而對較小的懸浮物有吸附作用。反沖洗是通過逆向流和橫向流對過濾介質進行沖刷，對篩除物的清除效果較好，而對吸附物的清除效果則不明顯， 因而容易造成堵塞。這種過濾器適合中等滲透率地層水質的清水過濾。用于含油的采出水過濾時，過濾原件的反洗再生比較困難，需要加人清洗劑并采用氣吹等辦法，反洗工藝非常復雜。

    4．膜過濾器

       這種過濾器的核心原件是濾膜，這是一種制備在微孔承托層(支撐體) 上的布滿更微小孔隙的薄膜。制作濾膜的材料有很多，分為有機膜(如聚砜中空纖維膜) 和無機膜(如陶瓷膜)。濾膜作為過濾原件其結構特點是濾層非常薄，因而它的過濾機理主要是篩除作用，吸附效應很小。因此，膜過濾器的過濾精度較高，粒徑控制比較穩(wěn)定，而且反沖洗容易恢復性能。不過如果水中含有油的話，則很容易堵塞而且不易反洗。國內外許多研究者曾基于陶瓷材料的親水性質而寄希望于用陶瓷膜處理采出水，但經過研究后，普遍認為膜污染問題仍然很難解決。膜污染是非常復雜的問題，但有一點是可以肯定的， 即污染物中有機物的大量存在是確定無疑的，不過一般往往關注膜本身而較少考慮承托層。按照吸附機理并結合膜層和承托層的孔隙特征來分析，可以解釋為什么膜過濾針對清水不易堵塞而對于含油污水極易堵塞。對于一般固體懸浮物來說，大于膜孔的顆粒被截留(篩除) 在膜的表面，小于膜孔的顆粒通過膜孔，由于作為濾層的膜很薄，而不能對這些顆粒產生吸附，雖然承托層相對較厚，但其孔隙相對于膜孔較大，不足以產生吸附。這樣只有篩除作用，所以很容易反洗清除。

       而對于水中的油來說，由于油滴的不穩(wěn)定性，大于膜孔的油滴不一定被篩除，因為可能分裂成小于膜孔的油滴而通過膜孔，盡管它們能穿過膜本身，但在承托層中可以聚結成大的油滴而被承托層的微孔吸附，而且無法脫附。因此，含油污水會對膜過濾器形成堵塞，并且反洗困難。因而這種過濾器適合于低滲透率地層水質要求的清水過濾，而不適用于含油采出水的過濾。

    5．纖維介質過濾器

       這也是一種深床過濾器，濾層介質采用纖維材料，一般為合成纖維，常用的有纖維球和纖維束。這種過濾器的過濾機理是纖維介質在外力(水力或機械力) 作用下被壓緊后形成微小的孔隙，主要產生吸附作用，將水中的懸浮物濾除。反洗時，解除壓緊力使纖維濾材蓬松，被吸附的懸浮物脫附并在反洗水流的沖洗下被清除。由于纖維材料非常細，壓緊后形成的孔隙也就非常小，因此過濾精度非常高，是比較理想的精細過濾器。不過，如果水中含油，則會非常麻煩。因為一般合成纖維都是親油的，對油會有很強的吸附力，而油被吸附到纖維濾材上之后作為粘結劑將纖維濾材粘在一起，很難松開，反洗非常困難。這種過濾器適用于以清水作為水源的低滲透地層注水水質過濾。目前已得到比較成功的應用。此外， 國內一些研究單位(如江漢機械研究所) 正在研究不親油纖維以及纖維改性技術， 目的是將這種過濾器用于含油的采出水過濾， 目前已取得了很大的進展。如果能將纖維材料本身對油的吸附力減小到足夠的程度，纖維介質過濾器，尤其是纖維束過濾器將會成為低滲透油田采出水回注水質過濾的理想設備。