摘要：分析了過濾器的篩除作用和吸附作用以及反沖洗操作的工作原理。概述了油田使用的石英砂過濾器、輕質(zhì)濾料(核桃殼) 過濾器、微孔陶瓷過濾器、膜過濾器和纖維介質(zhì)過濾器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。指出固定孔隙過濾器不適合含油采出水的過濾； 研究不親油纖維和纖維改性技術(shù)，使纖維本身對(duì)油的吸附減小到足夠的程度， 纖維束過濾器將成為低滲透油田采出水回注水質(zhì)過濾的理想設(shè)備。
關(guān)鍵詞：采出水 注水 過濾器 原理
為了滿足各種油層條件對(duì)注入水質(zhì)的要求，近年來開發(fā)出多種過濾器在各油田應(yīng)用。但由于對(duì)過濾器的原理與性能了解不夠，尤其是對(duì)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(shù)人員在設(shè)計(jì)和使用注水過濾器時(shí)存在一定的困惑。筆者針對(duì)油田采出水的特點(diǎn)，對(duì)過濾原理進(jìn)行分析研究，以期對(duì)各種過濾方法及設(shè)備的適用性能能夠正確理解，并對(duì)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(zhì)特點(diǎn)
采出水的成分包括懸浮固體(ss)、原油、總?cè)芙夤腆w(tds) 和溶解氣體。受地質(zhì)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(zhì)都有很大的差別。從注水的角度仍有一些共同的特點(diǎn)，其中含油就是采出水具有的共同特點(diǎn)。
油藏對(duì)注入水水質(zhì)的要求是不能對(duì)注入層的滲流孔隙造成堵塞。我國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《sy／t5329—94碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》規(guī)定了不同滲透層對(duì)注水水質(zhì)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(xì)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(zhì)，如碳酸鈣、碳酸鎂、、氧化鐵和硫化鐵等。另外，與堵塞相關(guān)的還有懸浮在水中處于分散狀態(tài)的細(xì)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(jié)劑與水中的細(xì)小的固體顆粒結(jié)合，會(huì)造成比較嚴(yán)重的地層堵塞， 也會(huì)污染過濾設(shè)備。因此，對(duì)回注的采出水進(jìn)行凈化處理的關(guān)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(zhì)(濾料) 對(duì)作為分散相的懸浮物進(jìn)行攔截而允許作為連續(xù)相的水通過來實(shí)現(xiàn)兩相分離的過程。典型過濾設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(zhì)對(duì)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(duì)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(jìn)入濾層，但這些顆粒在通過濾層時(shí)與過濾介質(zhì)接觸而被吸附在濾層中被濾除， 這就是吸附作用。對(duì)于象砂濾池等深床過濾器，可以濾除的顆粒遠(yuǎn)小于濾層的孔隙，說明其工作機(jī)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(jiǎn)單地說即當(dāng)過濾介質(zhì)對(duì)懸浮顆粒的吸力大于水流對(duì)懸浮顆粒的曳力時(shí)將發(fā)生吸附。過濾介質(zhì)對(duì)懸浮顆粒的吸力主要取決于過濾介質(zhì)的材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素。材料性質(zhì)因素是由于其化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的表面吸力；結(jié)構(gòu)因素是由于多孔結(jié)構(gòu)會(huì)強(qiáng)化吸附作用。當(dāng)材料相同時(shí)，顆粒與介質(zhì)表面接觸面積越大則吸力越強(qiáng)，而過濾介質(zhì)所形成的微孔，一方面迫使細(xì)小懸浮顆粒獲得與過濾介質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)，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(zhì)的孔隙內(nèi)懸浮顆粒會(huì)受到足夠大吸力，而同時(shí)孔隙內(nèi)的水流一般處于層流狀態(tài)，流速不會(huì)很大，對(duì)懸浮顆粒的曳力也就不大，這樣就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用。因此，濾層孔隙的吸附作用對(duì)過濾性能的影響是很大的，制造更多更小的濾層孔隙會(huì)有效地提高過濾精度。
當(dāng)過濾器運(yùn)行持續(xù)一定時(shí)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(huì)下降，主要表現(xiàn)在濾速的下降和過濾精度的降低。這時(shí)就需要進(jìn)行反沖洗操作來清除截留物，恢復(fù)過濾性能。反沖洗的機(jī)理實(shí)際上是過濾的逆過程。對(duì)于篩除作用的截留物， 只用過濾水流的逆向流動(dòng)就可以清除；但對(duì)于吸附作用的截留物，則沒有這么簡(jiǎn)單，因?yàn)榧词狗聪磸?qiáng)度很大，逆向水流在孔隙內(nèi)仍處于層流狀態(tài)，曳力的大小受到一定限制，并不能改變吸附狀態(tài)。因此，對(duì)于吸附截留物的清除必須針對(duì)具體過濾裝置的吸附特點(diǎn)采取合適的脫附辦法。一般說來，產(chǎn)生吸附作用的過濾介質(zhì)的材料因素是不易改變的， 只能通過改變過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(guān)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(yán)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(zhì)中。比起固體顆粒，油滴的吸附效應(yīng)更強(qiáng)，因而脫附也就更加困難。
各種過濾器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jī)理對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)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(jī)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(duì)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(yuǎn)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(shí)際應(yīng)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(guān)鍵，既取決于濾材對(duì)懸浮物的吸附強(qiáng)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(shí)與反洗時(shí)保持不變的過濾器稱為固定孔隙過濾器， 而把在反洗時(shí)能改變過濾時(shí)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(duì)大多數(shù)過濾介質(zhì)的吸附強(qiáng)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(xiàn)對(duì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是濾層較厚， 過濾介質(zhì)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(jī)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(shí)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(fù)過濾性能的效果有限，使用一段時(shí)間后過濾性能會(huì)嚴(yán)重下降，往往需要更換濾料。這種過濾器一般應(yīng)用在對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)不高的清水過濾。
2．輕質(zhì)濾料過濾器
油田使用的輕質(zhì)濾料過濾器主要是核桃殼過濾器，這種過濾器的基本結(jié)構(gòu)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(shí)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(qiáng)，過濾性能穩(wěn)定，適合于中高滲透率地層水質(zhì)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(jié)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(zhì)的特點(diǎn)是孔隙均勻且穩(wěn)定，對(duì)較大的懸浮物有篩除作用，而對(duì)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(duì)過濾介質(zhì)進(jìn)行沖刷，對(duì)篩除物的清除效果較好，而對(duì)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(zhì)的清水過濾。用于含油的采出水過濾時(shí)，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(fù)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(jī)膜(如聚砜中空纖維膜) 和無機(jī)膜(如陶瓷膜)。濾膜作為過濾原件其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是濾層非常薄，因而它的過濾機(jī)理主要是篩除作用，吸附效應(yīng)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(fù)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(guó)內(nèi)外許多研究者曾基于陶瓷材料的親水性質(zhì)而寄希望于用陶瓷膜處理采出水，但經(jīng)過研究后，普遍認(rèn)為膜污染問題仍然很難解決。膜污染是非常復(fù)雜的問題，但有一點(diǎn)是可以肯定的， 即污染物中有機(jī)物的大量存在是確定無疑的，不過一般往往關(guān)注膜本身而較少考慮承托層。按照吸附機(jī)理并結(jié)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(duì)清水不易堵塞而對(duì)于含油污水極易堵塞。對(duì)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(duì)這些顆粒產(chǎn)生吸附，雖然承托層相對(duì)較厚，但其孔隙相對(duì)于膜孔較大，不足以產(chǎn)生吸附。這樣只有篩除作用，所以很容易反洗清除。
而對(duì)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?yàn)榭赡芊至殉尚∮谀た椎挠偷味ㄟ^膜孔，盡管它們能穿過膜本身，但在承托層中可以聚結(jié)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(huì)對(duì)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(zhì)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(zhì)過濾器
這也是一種深床過濾器，濾層介質(zhì)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(jī)理是纖維介質(zhì)在外力(水力或機(jī)械力) 作用下被壓緊后形成微小的孔隙，主要產(chǎn)生吸附作用，將水中的懸浮物濾除。反洗時(shí)，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(xì)，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(xì)過濾器。不過，如果水中含油，則會(huì)非常麻煩。因?yàn)橐话愫铣衫w維都是親油的，對(duì)油會(huì)有很強(qiáng)的吸附力，而油被吸附到纖維濾材上之后作為粘結(jié)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(zhì)過濾。目前已得到比較成功的應(yīng)用。此外， 國(guó)內(nèi)一些研究單位(如江漢機(jī)械研究所) 正在研究不親油纖維以及纖維改性技術(shù)， 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(jìn)展。如果能將纖維材料本身對(duì)油的吸附力減小到足夠的程度，纖維介質(zhì)過濾器，尤其是纖維束過濾器將會(huì)成為低滲透油田采出水回注水質(zhì)過濾的理想設(shè)備。
參 考 文 獻(xiàn)
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