一种油田注水过滤材料性能评价装置及方法与流程

发明属于油田注水系统用设备技术领域，具体涉及一种油田注水过滤材料性能评价装置及方法。

背景技术：

目前，我国大部分油气田处在开发后期，生产过程中产生了大量的含油、含杂污水，这些污水经过处理回注地层，既可以保持地层压力，维持产能，形成注采平衡的良性循环，又可以节约大量水资源，减少排放，保护环境。但是，油田注水对水质有严格的要求，注入水要经过一系列处理达到一定标准才能进入地层。过滤处理技术是污水处理中的一个重要环节，主要是利用过滤材料对石油类悬浮物的截留来达到去除污染物的目的。过滤材料性能决定着滤出水水质。目前我国尚无统一的油田注水过滤材料性能的评价方法，因此，建立油田注水过滤材料性能评价的方法对过滤材料的优选十分重要。

油田污水成分复杂，具有矿化度高、含杂、含油、含聚、用量大、污染性强。根据《syt5329-2012》碎屑岩油藏注水水质推荐指标，油田注水过滤材料主要考虑其过滤、再生、耐污染、易反洗等性能。其中滤料的过滤性能和再生性能是评价滤料的最重要的两项指标，滤料的过滤性能包括除ss性能和除油性能。

经过文献检索发现，在对滤料的过滤性能评价上，gamet和rademacher曾提出下面的评价指标：

式中：v—滤速(m/h)；t—过滤周期(h)；h—过滤周期结束时水头损失(m)；

(1)式中i值越大表示过滤性能越好，虽然采用了滤速、水头损失及过滤周期来衡量滤池内滤料性能，但是其不包含水质因素的影响，因而不能全面地反映过滤材料的性能。

cleasby曾提出采用下式来衡量滤料的过滤性能：

式中：λ—过滤系数；σ—单位滤层截污量；δh—过滤周期结束时水头损失增长量。

(2)式中利用滤层的截污量和水头损失净增长量衡量过滤性能，比较科学，但和很难直接测得，且式中没有考虑过滤周期的影响，难以应用于实际。

ives曾在式(1)基础上提出下式衡量滤料的过滤性能：

式中：c—过滤过程中的平均出水浊度；c0—过滤过程中的平均进水浊度；v—滤速(m/h)；t—过滤周期(h)；h—过滤周期结束时水头损失(m)。

(3)式虽然考虑了水质的影响，但是在过滤过程中，出水浊度在整个过滤过程中每时每刻都在不断变化，对于出水浊度的平均值计算较为困难。

在对滤料的再生性能评价上，业内通常评价滤料再生性能是通过计算排出截留悬浮物的90％所需时间即t90来评价过滤材料的再生性能，这种方法只考虑了密度、粒度、厚度等影响因素，但不能区分不同材质、不同表面特征的滤料的再生性能。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足而提供了一种油田注水过滤材料性能评价装置及方法；本发明的标准化评价方法，可对不同油田注水过滤材料进行系统性评价，具有操作简单，结果准确可靠。

本发明的目的之一公开了一种油田注水过滤材料性能评价的装置，包括原水桶1、液位传感器2、搅拌器3、原水泵4、过滤进水阀5、第一压力表6、滤柱7、过滤出水阀8、反冲洗进水阀9、第二压力表10、反冲洗出水阀11、反洗泵12、清水桶13；所述的原水桶1内设置有液位传感器2；所述的原水桶1上端设置有搅拌器3；所述的原水泵4与所述的滤柱7入口之间依次连接过滤进水阀5和第一压力表6；所述的滤柱的顶部入口设置有反冲洗出水阀11；所述的滤柱底部出口设置有第二压力表10，所述的滤柱的底部出口分两路分别设置有过滤出水阀8、反冲洗进水阀9；所述的反冲洗进水阀9、反洗泵12、清水桶13依次连通。

本发明的另一个目的公开了一种油田注水过滤材料性能评价方法，具体包括以下步骤：

(1)评价条件的确定

过滤滤速为9.5～10.5ml/min，含ss过滤原水ss浓度为90-110mg/l，含油过滤原水含油量为90-110mg/l，温度为室温。

(2)过滤材料的选取

过滤材料的粒度为16～20目、粒径为0.8-1.2mm、滤层厚度为0.7-1.2m；

所述的过滤材料包括静电砂、石英砂、金刚砂。

(3)过滤材料的除ss性能评价

a、在上述温度条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入上述浓度含ss的过滤原水，并加水至800-900ml，开启搅拌器搅拌30-50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，滤速为上述滤速，过滤材料开始过滤；

c、过滤7-8h后取样，使用浊度仪测量滤出水质浊度，再通过关系曲线换算得到的滤出水ss浓度x，根据x值得大小划分过滤材料的除ss性能等级。

若x≤5mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅰ级；

若5mg/l＜x≤10mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅱ级；

若10mg/l＜x≤15mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅲ级；

若15mg/l＜x≤20mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅳ级；

若20mg/l＜x≤30mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅴ级；

若x＞30mg/l，过滤材料的除ss性能差。

(4)过滤材料的除油性能评价

a、在上述温度条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入上述浓度含油的过滤原水，并加水至700-800ml，开启搅拌器搅拌30-50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，滤速为上述滤速，过滤材料开始过滤；

c、过滤7-8h后取样，得到滤出水的含油浓度y，含油浓度y先通过分光光度仪测得吸光度，再通过关系曲线换算得到，根据y值得大小划分过滤材料的除油性能等级。

若y≤20mg/l，过滤材料的除油性能为ⅰ级；

若20mg/l＜y≤25mg/l，过滤材料的除油性能为ⅱ级；

若25mg/l＜y≤30mg/l，过滤材料的除油性能为ⅲ级；

若30mg/l＜y≤35mg/l，过滤材料的除油性能为ⅳ级；

若35mg/l＜y≤40mg/l，过滤材料的除油性能为ⅴ级；

若y＞40mg/l，过滤材料除油性能差。

(5)过滤材料的再生性能评价

a、在上述温度条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入上述浓度含油的过滤原水，并加水至700-800ml，开启搅拌器搅拌30-50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，滤速为上述滤速，过滤材料开始过滤；

c、过滤7-8h后，向清水桶13内注入1～2l的自来水；

d、打开反冲洗进水阀9及反冲洗出水阀11，关闭过滤进水阀5及过滤出水阀8；

e、打开反洗泵12，过滤材料开始反洗，测定过滤材料的最佳反洗强度；

f、对过滤材料反洗10-20min后，每2min从反洗出水口取样，测量反洗污水浊度，计算反洗污水的平均浊度和最佳反洗强度的乘积i；根据i值得大小划分过滤材料的再生性能等级。

若i≤1，过滤材料的再生性能为ⅰ级；

若1＜i≤1.5，过滤材料的再生性能为ⅱ级；

若1.5＜i≤2，过滤材料的再生性能为ⅲ级；

若2＜i≤2.5，过滤材料的再生性能为ⅳ级；

若2.5＜i≤3，过滤材料的再生性能为ⅴ级；

若i＞3，过滤材料的再生性能差。

所述的最佳反洗强度，其计算公式如下：

ub＝ut/10

式中：ub是指最佳反冲洗强度，m/s；

ut是指单一滤料颗粒的沉降速度，m/s；

ρs是指过滤材料密度，kg/m³；

ρf是指水的密度，kg/m³；

g是指重力加速度，m/s²；

μ是指室温下水的粘度，mpa·s；

d是指过滤材料粒径，m。

所述的反洗污水的平均浊度，其计算公式如下：

式中，n＝5；

τi1是指第2i分钟取样第一次测量浊度值；

τi2是指第2i分钟取样第二次测量浊度值；

τi3是指第2i分钟取样第三次测量浊度值。

本发明与现有技术相比具有如下优点和有益的效果：

(1)本发明采用标准化评价方法，可对不同油田注水过滤材料进行系统性评价，操作简单，结果准确可靠。

(2)本发明建立了过滤材料再生性能的评价指标为反洗污水的平均浊度和最佳反洗强度的乘积，这种方法既考虑了密度、粒度、厚度等因素，又可以区分不同材质、不同表面特征的滤料的再生性能。

(3)目前国内尚无对油田注水过滤材料系统性的评价方法，本发明对油田注水过滤材料的除杂ss、除油及再生性能的评价，为油田过滤材料的优选提供了理论依据和参考价值。

附图说明

图1为油田注水过滤材料性能评价装置的结构连接示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

如图1所示，一种油田注水过滤材料性能评价装置，包括原水桶1、液位传感器2、搅拌器3、原水泵4、过滤进水阀5、第一压力表6、滤柱7、过滤出水阀8、反冲洗进水阀9、第二压力表10、反冲洗出水阀11、反洗泵12、清水桶13；所述的原水桶1内设置有液位传感器2；所述的原水桶1上端设置有搅拌器3；所述的原水泵4与所述的滤柱7入口之间依次连接过滤进水阀5和第一压力表6；所述的滤柱的顶部入口设置有反冲洗出水阀11；所述的滤柱底部出口设置有第二压力表10，所述的滤柱的底部出口分两路分别设置有过滤出水阀8、反冲洗进水阀9；所述的反冲洗进水阀9、反洗泵12、清水桶13依次连通。

一种油田注水过滤材料性能评价方法，具体包括以下步骤：

(1)评价条件的确定

过滤滤速为9.5～10.5ml/min，含ss过滤原水ss浓度为90-110mg/l，含油过滤原水含油量为90-110mg/l，温度为室温。

(2)过滤材料的选取

过滤材料的粒度为16～20目、粒径为0.8-1.2mm、滤层厚度为0.7-1.2m；

所述的过滤材料包括静电砂、石英砂、金刚砂。

(3)过滤材料的除ss性能评价

a、在上述温度条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入上述浓度含ss的过滤原水，并加水至800-900ml，开启搅拌器搅拌30-50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，滤速为上述滤速，过滤材料开始过滤；

c、过滤7-8h后取样，使用浊度仪测量滤出水质浊度，再通过关系曲线换算得到的滤出水ss浓度x，根据x值得大小划分过滤材料的除ss性能等级。

若x≤5mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅰ级；

若5mg/l＜x≤10mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅱ级；

若10mg/l＜x≤15mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅲ级；

若15mg/l＜x≤20mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅳ级；

若20mg/l＜x≤30mg/l，过滤材料的除ss性能为ⅴ级；

若x＞30mg/l，过滤材料的除ss性能差。

(4)过滤材料的除油性能评价

a、在上述温度条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入上述浓度含油的过滤原水，并加水至700-800ml，开启搅拌器搅拌30-50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，滤速为上述滤速，过滤材料开始过滤；

c、过滤7-8h后取样，得到滤出水的含油浓度y，含油浓度y先通过分光光度仪测得吸光度，再通过关系曲线换算得到，根据y值得大小划分过滤材料的除油性能等级。

若y≤20mg/l，过滤材料的除油性能为ⅰ级；

若20mg/l＜y≤25mg/l，过滤材料的除油性能为ⅱ级；

若25mg/l＜y≤30mg/l，过滤材料的除油性能为ⅲ级；

若30mg/l＜y≤35mg/l，过滤材料的除油性能为ⅳ级；

若35mg/l＜y≤40mg/l，过滤材料的除油性能为ⅴ级；

若y＞40mg/l，过滤材料除油性能差。

(5)过滤材料的再生性能评价

a、在上述温度条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入上述浓度含油的过滤原水，并加水至700-800ml，开启搅拌器搅拌30-50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，滤速为上述滤速，过滤材料开始过滤；

c、过滤7-8h后，向清水桶13内注入1～2l的自来水；

d、打开反冲洗进水阀9及反冲洗出水阀11，关闭过滤进水阀5及过滤出水阀8；

e、打开反洗泵12，过滤材料开始反洗，测定过滤材料的最佳反洗强度；

f、对过滤材料反洗10-20min后，每2min从反洗出水口取样，测量反洗污水浊度，计算反洗污水的平均浊度和最佳反洗强度的乘积i；根据i值得大小划分过滤材料的再生性能等级。

若i≤1，过滤材料的再生性能为ⅰ级；

若1＜i≤1.5，过滤材料的再生性能为ⅱ级；

若1.5＜i≤2，过滤材料的再生性能为ⅲ级；

若2＜i≤2.5，过滤材料的再生性能为ⅳ级；

若2.5＜i≤3，过滤材料的再生性能为ⅴ级；

若i＞3，过滤材料的再生性能差。

所述的最佳反洗强度，其计算公式如下：

ub＝ut/10

式中：ub是指最佳反冲洗强度，m/s；

ut是指单一滤料颗粒的沉降速度，m/s；

ρs是指过滤材料密度，kg/m³；

ρf是指水的密度，kg/m³；

g是指重力加速度，m/s²；

μ是指室温下水的粘度，mpa·s；

d是指过滤材料粒径，m。

所述的反洗污水的平均浊度，其计算公式如下：

式中，n＝5；

τi1是指第2i分钟取样第一次测量浊度值；

τi2是指第2i分钟取样第二次测量浊度值；

τi3是指第2i分钟取样第三次测量浊度值。

实施例1：石英砂、核桃壳、石榴石三种过滤材料的除ss性能评价

石英砂、核桃壳、石榴石三种过滤材料的除ss性能评价，具体评价方法如下：

(1)过滤材料的选取

所述的过滤材料的粒度为16～20目、粒径为0.8-1.0mm、滤层厚度为0.7m；

(2)过滤材料的除ss性能评价

a、在室温条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入ss浓度为100mg/l的过滤原水，并加水至800ml，开启搅拌器搅拌30min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，过滤滤速为10ml/min，过滤材料开始过滤；

c、过滤7h后取样，使用浊度仪测量滤出水质浊度，再通过关系曲线换算得到的滤出水ss浓度x。

石英砂、核桃壳、石榴石过滤出水的ss浓度分别为6.52mg/l、2.86mg/l、8.15mg/l，分别符合本发明的ⅱ级、ⅰ级、ⅱ级评价标准。

实施例2：石英砂、核桃壳、石榴石三种过滤材料的除油性能评价

石英砂、核桃壳、石榴石三种过滤材料的除油性能评价，具体评价方法如下：

(1)过滤材料的选取

所述的过滤材料的粒度为16～20目、粒径为1.0mm、滤层厚度为0.8m；

(2)过滤材料的除油性能评价

a、在室温条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入含油浓度为90mg/l的过滤原水，并加水至800ml，开启搅拌器搅拌50min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，过滤滤速为9.5ml/min，过滤材料开始过滤；

c、过滤8h后取样，得到滤出水的含油浓度y，含油浓度y先通过分光光度仪测得吸光度，再通过关系曲线换算得到。

石英砂、核桃壳、石榴石过滤出水的含油浓度分别为26.7mg/l，17.3mg/l，28.5mg/l，分别符合本发明的iii级、ⅰ级、iii级评价标准。

实施例3：石英砂、核桃壳、石榴石三种过滤材料的再生性能评价

石英砂、核桃壳、石榴石三种过滤材料的再生性能评价，具体评价方法如下：

(1)过滤材料的选取

所述的过滤材料的粒度为16～20目、粒径为1.2mm、滤层厚度为1.2m；

(2)过滤材料的再生性能评价

a、在室温条件下，将过滤材料装入滤柱7内，打开液位传感器2，在原水桶1内加入含油浓度为110mg/l的过滤原水，并加水至750ml，开启搅拌器搅拌30min，使过滤原水搅拌均匀；

b、打开过滤进水阀5和过滤出水阀8；关闭反冲洗进水阀9和反冲洗出水阀11；打开原水泵4，过滤滤速为10.5ml/min，过滤材料开始过滤；

c、过滤7h后，向清水桶13内注入1l的自来水；

d、打开反冲洗进水阀9及反冲洗出水阀11，关闭过滤进水阀5及过滤出水阀8；

e、打开反洗泵12，过滤材料开始反洗，测定过滤材料的最佳反洗强度；

f、对过滤材料反洗10min后，每2min从反洗出水口取样，测量反洗污水浊度，计算反洗污水的平均浊度和最佳反洗强度的乘积i。

石英砂、核桃壳、石榴石的i值分别为1.4、2.1、1.2，分别符合本发明的ii、iv、ii级评价指标。