油田采出水过滤器的原理与应用

       关键词：采出水 注水 过滤器 原理

       为了满足各种油层条件对注入水质的要求，近年来开发出多种过滤器在各油田应用。但由于对过滤器的原理与性能了解不够，尤其是对吸附在过滤及反洗过程中的作用不十分了解，使许多工程技术人员在设计和使用注水过滤器时存在一定的困惑。笔者针对油田采出水的特点，对过滤原理进行分析研究，以期对各种过滤方法及设备的适用性能能够正确理解，并对油田注水过滤器的研制、选用和管理有所帮助。

       采出水的水质特点

       采出水的成分包括悬浮固体(ss)、原油、总溶解固体(TDS) 和溶解气体。受地质条件和处理工艺的影响，不同油田甚至不同区块采出水的组分和性质都有很大的差别。从注水的角度仍有一些共同的特点，其中含油就是采出水具有的共同特点。

       油藏对注入水水质的要求是不能对注入层的渗流孔隙造成堵塞。我国石油天然气行业标准《SY／T5329—94碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》规定了不同渗透层对注水水质条件的要求-- 。

       注入水中造成地层堵塞的主要是悬浮固体。采出水中悬浮固体的来源可以是多方面的，有来自地层的固体颗粒，如粘土等，也有细菌等微生物，还可能来自溶解固体和溶解气体的相互作用而生成的不溶物质，如碳酸钙、碳酸镁、硫酸钡、氧化铁和硫化铁等。另外，与堵塞相关的还有悬浮在水中处于分散状态的细小油滴。这些油滴是不稳定颗粒，可能聚并成大油滴，也可能分裂成更小的油滴。它们作为粘结剂与水中的细小的固体颗粒结合，会造成比较严重的地层堵塞， 也会污染过滤设备。因此，对回注的采出水进行净化处理的关键环节是通过过滤来去除悬浮固体和油分。

        过滤器的主要工作原理

        过滤是用过滤介质(滤料) 对作为分散相的悬浮物进行拦截而允许作为连续相的水通过来实现两相分离的过程。典型过滤设备的结构包括滤层和承托层，图1为抽象的过滤原理示意图。过滤介质对悬浮物的拦截作用可分为筛除作用和吸附作用。筛除作用是针对较大的悬浮颗粒， 由于不能通过滤层而被截留在滤层的表层；而较小的悬浮颗粒尽管可以进入滤层，但这些颗粒在通过滤层时与过滤介质接触而被吸附在滤层中被滤除， 这就是吸附作用。对于象砂滤池等深床过滤器，可以滤除的颗粒远小于滤层的孔隙，说明其工作机理主要是吸附作用而不是筛除作用。

       吸附是如何发生的?简单地说即当过滤介质对悬浮颗粒的吸力大于水流对悬浮颗粒的曳力时将发生吸附。过滤介质对悬浮颗粒的吸力主要取决于过滤介质的材料性质和结构两个因素。材料性质因素是由于其化学性质产生的表面吸力；结构因素是由于多孔结构会强化吸附作用。当材料相同时，颗粒与介质表面接触面积越大则吸力越强，而过滤介质所形成的微孔，一方面迫使细小悬浮颗粒获得与过滤介质接触的机会，另一方面也使其接触面积成倍增加，如图2所示。这样，在过滤介质的孔隙内悬浮颗粒会受到足够大吸力，而同时孔隙内的水流一般处于层流状态，流速不会很大，对悬浮颗粒的曳力也就不大，这样就会产生较强的吸附作用。因此，滤层孔隙的吸附作用对过滤性能的影响是很大的，制造更多更小的滤层孔隙会有效地提高过滤精度。

       当过滤器运行持续一定时间之后， 随着截留物累积量大到一定程度，过滤器的性能将会下降，主要表现在滤速的下降和过滤精度的降低。这时就需要进行反冲洗操作来清除截留物，恢复过滤性能。反冲洗的机理实际上是过滤的逆过程。对于筛除作用的截留物， 只用过滤水流的逆向流动就可以清除；但对于吸附作用的截留物，则没有这么简单，因为即使反洗强度很大，逆向水流在孔隙内仍处于层流状态，曳力的大小受到一定限制，并不能完全改变吸附状态。因此，对于吸附截留物的清除必须针对具体过滤装置的吸附特点采取合适的脱附办法。一般说来，产生吸附作用的过滤介质的材料因素是不易改变的， 只能通过改变过滤介质的结构因素，通常是通过解除其所形成的微孔隙来脱附。因而，能否解除滤层的孔隙是决定反洗效果的关键。油井采出水中的含油在过滤操作中可以被视为一种悬浮颗粒，但与固体颗粒相比，是不稳定的颗粒。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，而且形状也很容易改变。因此，在过滤操作中，油滴严格说来是不能被筛除的，只能被吸附，或者是被吸附在筛除截留的固体颗粒中，或者被吸附在过滤介质中。比起固体颗粒，油滴的吸附效应更强，因而脱附也就更加困难。

       各种过滤器的结构特点与适用范围

       在油田使用的过滤器尽管五花八门，但按过滤机理对其结构特点进行分析主要涉及滤层厚度、孔隙大小和孔隙状态。过滤器的工作机理是以筛除作用为主还是以吸附作用为主取决于滤层的厚度。滤层相对较薄的过滤器主要是筛除作用；而滤层较厚的过滤器则以吸附作用为主。过滤器的精度取决于滤层孔隙的大小，但在同样大小孔隙的情况下，吸附作用的过滤精度远大于筛除作用，因此在油田以吸附作用为主的深床过滤器实际应用得较多。但以吸附作用为主的过滤器反洗较难，脱附是这种过滤器反洗的关键，既取决于滤材对悬浮物的吸附强度，也取决于滤层孔隙的大小。如果把滤层孔隙状态在过滤时与反洗时保持不变的过滤器称为固定孔隙过滤器， 而把在反洗时能改变过滤时孔隙状态的过滤器称为非固定孔隙过滤器，则固定孔隙过滤器的反洗要比非固定孔隙过滤器困难得多。由于水中含的油对大多数过滤介质的吸附强度都很大，在固定孔隙过滤器中脱附非常困难，所以固定孔隙过滤器一般说来不适合含油采出水的过滤。

       现对油田使用的几种典型的过滤器分析如下：

    1．石英砂过滤器

       石英砂过滤器是一种典型的深床过滤器，其结构特点是滤层较厚， 过滤介质石英砂的密度较大，滤床比较稳定。石英砂过滤器工作的机理主要是吸附作用，而筛除作用是次要的。由于滤床在反冲洗时是固定的，属于固定孔隙过滤器，被吸附在滤层中的微小颗粒脱附比较困难，因此用反洗来恢复过滤性能的效果有限，使用一段时间后过滤性能会严重下降，往往需要更换滤料。这种过滤器一般应用在对水质要求相对不高的清水过滤。

    2．轻质滤料过滤器

       油田使用的轻质滤料过滤器主要是核桃壳过滤器，这种过滤器的基本结构和过滤原理与石英砂过滤器相同，区别是作为滤料的核桃壳的密度较小，一般在1．2 g／cm 左右。由于滤料较轻，反冲洗时在水流作用下滤层成为沸腾床，由滤料间隙形成的微孔被解除，吸附的悬浮物得以脱附。因此，这种过滤器属于非固定孔隙过滤器，反洗再生能力较强，过滤性能稳定，适合于中高渗透率地层水质要求的采出水过滤 。

    3．微孔陶瓷过滤器

       这种过滤器的过滤原件是烧结而成的多孔陶瓷管，它的本体既作为滤层也作为承托层。这种过滤介质的特点是孔隙均匀且稳定，对较大的悬浮物有筛除作用，而对较小的悬浮物有吸附作用。反冲洗是通过逆向流和横向流对过滤介质进行冲刷，对筛除物的清除效果较好，而对吸附物的清除效果则不明显， 因而容易造成堵塞。这种过滤器适合中等渗透率地层水质的清水过滤。用于含油的采出水过滤时，过滤原件的反洗再生比较困难，需要加人清洗剂并采用气吹等办法，反洗工艺非常复杂。

    4．膜过滤器

       这种过滤器的核心原件是滤膜，这是一种制备在微孔承托层(支撑体) 上的布满更微小孔隙的薄膜。制作滤膜的材料有很多，分为有机膜(如聚砜中空纤维膜) 和无机膜(如陶瓷膜)。滤膜作为过滤原件其结构特点是滤层非常薄，因而它的过滤机理主要是筛除作用，吸附效应很小。因此，膜过滤器的过滤精度较高，粒径控制比较稳定，而且反冲洗容易恢复性能。不过如果水中含有油的话，则很容易堵塞而且不易反洗。国内外许多研究者曾基于陶瓷材料的亲水性质而寄希望于用陶瓷膜处理采出水，但经过研究后，普遍认为膜污染问题仍然很难解决。膜污染是非常复杂的问题，但有一点是可以肯定的， 即污染物中有机物的大量存在是确定无疑的，不过一般往往关注膜本身而较少考虑承托层。按照吸附机理并结合膜层和承托层的孔隙特征来分析，可以解释为什么膜过滤针对清水不易堵塞而对于含油污水极易堵塞。对于一般固体悬浮物来说，大于膜孔的颗粒被截留(筛除) 在膜的表面，小于膜孔的颗粒通过膜孔，由于作为滤层的膜很薄，而不能对这些颗粒产生吸附，虽然承托层相对较厚，但其孔隙相对于膜孔较大，不足以产生吸附。这样只有筛除作用，所以很容易反洗清除。

       而对于水中的油来说，由于油滴的不稳定性，大于膜孔的油滴不一定被筛除，因为可能分裂成小于膜孔的油滴而通过膜孔，尽管它们能穿过膜本身，但在承托层中可以聚结成大的油滴而被承托层的微孔吸附，而且无法脱附。因此，含油污水会对膜过滤器形成堵塞，并且反洗困难。因而这种过滤器适合于低渗透率地层水质要求的清水过滤，而不适用于含油采出水的过滤。

    5．纤维介质过滤器

       这也是一种深床过滤器，滤层介质采用纤维材料，一般为合成纤维，常用的有纤维球和纤维束。这种过滤器的过滤机理是纤维介质在外力(水力或机械力) 作用下被压紧后形成微小的孔隙，主要产生吸附作用，将水中的悬浮物滤除。反洗时，解除压紧力使纤维滤材蓬松，被吸附的悬浮物脱附并在反洗水流的冲洗下被清除。由于纤维材料非常细，压紧后形成的孔隙也就非常小，因此过滤精度非常高，是比较理想的精细过滤器。不过，如果水中含油，则会非常麻烦。因为一般合成纤维都是亲油的，对油会有很强的吸附力，而油被吸附到纤维滤材上之后作为粘结剂将纤维滤材粘在一起，很难松开，反洗非常困难。这种过滤器适用于以清水作为水源的低渗透地层注水水质过滤。目前已得到比较成功的应用。此外， 国内一些研究单位(如江汉机械研究所) 正在研究不亲油纤维以及纤维改性技术， 目的是将这种过滤器用于含油的采出水过滤， 目前已取得了很大的进展。如果能将纤维材料本身对油的吸附力减小到足够的程度，纤维介质过滤器，尤其是纤维束过滤器将会成为低渗透油田采出水回注水质过滤的理想设备。