CN106777509A - 含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置及优化方法，其中的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置的正向过滤管路由立式污水罐的原水室与下向流过滤罐顶部的布水器之间设置正向过滤污水管路、下向流过滤罐的集水室与立式污水罐的净化水缓冲室之间设置净化水管路构成，正向过滤污水管路上设置正向过滤来水阀、离心泵、水流调整阀、流量传感器、入口压力传感器；反冲洗管路的反冲洗来水阀通过管线也连接所述离心泵；净化水管路上设置有出口压力传感器，气缸开闭系统、流量传感器、入口压力传感器、出口压力传感器、离心泵均连接自动控制柜。本发明能够减少优化序列的数量，又能够有效提高过滤‐反冲洗参数优化设计结果的精细性。

Description

含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置及优化方法

技术领域

本发明涉及聚合物驱油田地面配套工艺中，基于多介质级配过滤进行含聚采出水的深度处理技术，具体涉及含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置及优化方法。

背景技术

聚合物驱作为最普遍的三次采油技术已经在世界范围内的多数大型油田得到了广泛应用，由于该驱油方法的主要技术特征在于向注入水中加入水溶性高分子聚合物来增加驱替相的粘度，因此，在聚合物前缘推进过程中使油井不同程度受效时，相应采出水中便会有不同量的聚合物残留，这类采出水被称之为“含聚污水”。大庆油田结合多年的开发实践，统一界定了当采出污水中的聚合物浓度达到20mg/L时即为含聚污水（Li Jiexun（李杰训），Surface Engineer Technology of Polymer Flooding（聚合物驱油地面工程技术），2008）。这类污水经传统“两段式”处理（两级沉降、一级过滤）基本能达到含油、悬浮物均小于20mg/L的水质指标，进而在高渗透率油藏回注来满足油田开发生产的需要。然而，一方面，在当前高渗透率油藏开发基础上进一步多元化开发中、低渗透率油藏的背景下，随着油田综合含水率的逐年上升及聚合物驱工业化的应用，含聚污水的规模在不断增大，以大庆油田为例，在目前产量下每年有9×10⁷m³的含聚污水产生，这虽然看似在水源规模上足以应对油田清水资源宝贵、深度污水水源短缺的问题，但由于含聚污水的深度处理工艺技术尚不成熟，仍显著造成了油田整体水量失衡的问题，也就是说中、低渗透率油藏的注水需求量存在缺口，而油田地面系统中含聚污水则存在过剩，迫需对其进行有效的深度处理来应对水量失衡问题；另一方面，含聚污水的典型特性在于电负性增大、粘度升高、油珠粒径变小、水膜强度增加、乳化倾向性和稳定性增强，处理过程中面临着净化效果、设施污染、运行平稳性及经济合理性等多方面难题，同时随着含聚浓度升高所带来水质特性的复杂化，使这些问题的表现更为突出。

过滤作为悬浮液流经颗粒介质或表层层面进行固液（或液液）分离的过程，是微小颗粒向滤料介质表面的“输送”以及在滤料介质表面的“附着”的双重过程，也是实现污水深度处理的核心工艺。同时，过滤罐在运行过程中，从进水中去除的杂质会积聚在滤料层颗粒的表面和颗粒间的孔隙间，随着过滤罐继续运行，从水中去除的和贮集在滤床中的杂质会降低滤床的孔隙率，一方面造成通过滤罐的水头损失增加，另一方面使作用在积聚絮体上的剪切应力增加，导致总水头损失可能接近或等于水流按预定流量通过滤罐时所需的水头，或者絮体颗粒有可能漏入或穿透到过滤罐出水中，带来二次污染，使滤后水质超标（LiuYang（刘扬），Oil & Gas Gathering and Transferring（油气集输），2015）。因此，相应于过滤工艺，与正常过滤水流的方向相反，以一定周期对过滤罐进行水反冲洗，将粘附在滤料颗粒上的污染物冲刷、剥落下来，并将其从过滤罐中排出，也是污水深度处理的通行做法及其工艺的关键。油田目前“两级过滤”的深度污水处理工艺及其运行参数界限是针对水驱采出水而构建、设计，当以含聚污水作为水源，且其含聚浓度升高时，不当的过滤‐反冲洗运行参数会直接影响到水质的处理指标、过滤设备的抗污染能力（如发生滤料板结）及其运行稳定性（如反冲洗压力攀高、反冲洗水量倍增），特别地，为了改善含聚污水的深度处理效果，继一次均质滤料过滤后，在二次过滤中采用多介质级配过滤已经成为了一种趋势（Zhao Hui（赵辉），Ji Ran（纪然），Environmental Protection of Chemical Industry（化工环保），2009，29（6）：526～529；China National Petroleum Corporation（中国石油天然气集团公司），Code for Design of Oil Field Produced Water Treatment（油田采出水处理设计规范），2007），但基于该过滤模式进行含聚污水的深度处理时，尚缺少考虑油田开发中含聚污水本身水质特性变化而对过滤‐反冲洗参数进行科学化优化设计的装置与方法，也无专门针对此的相关报道。因此，突破传统定型化的滤料填设或级配模式、定型化的滤速、定型化的反冲洗时间、反冲洗强度与周期，考虑实际油井不同受效、见聚阶段采出水质特性的变化与影响，建立多介质级配模式下高效过滤与反冲洗参数优化的试验装置，形成一套适用于含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计的试验方法，科学指导矿场含聚污水深度处理工程，已成为聚合物驱油田地面污水处理系统运行精细化、低碳化的一个亟待解决问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，这种含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置用于解决现有技术对含聚污水的深度处理不适应，以及考虑油井在不同受效、见聚阶段采出水质特性变化时的高效过滤与反冲洗参数优化设计的问题，本发明的另一个目的是提供这种含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置的优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置包括立式污水罐、下向流过滤罐、空气压缩泵、气缸开闭系统，自动控制柜，正向过滤管路由立式污水罐的原水室与下向流过滤罐顶部的布水器之间设置正向过滤污水管路、下向流过滤罐的集水室与立式污水罐的净化水缓冲室之间设置净化水管路构成，正向过滤污水管路上设置正向过滤来水阀、离心泵、水流调整阀、流量传感器、入口压力传感器；反冲洗管路的反冲洗来水阀通过管线也连接所述离心泵，并依次经过水流调整阀、流量传感器、入口压力传感器后，通过相应的反冲洗管线连接至下向流过滤罐的集水室；净化水管路上设置有出口压力传感器；气缸开闭系统、流量传感器、入口压力传感器、出口压力传感器、离心泵均连接自动控制柜。

立式污水罐上、下分隔为连通式的净化水缓冲室和原水室，净化水缓冲室和原水室分别外接可视液位管；下向流过滤罐从上到下依次为布水室、过滤室、集水室，其罐体在布水室与过滤室连接处采用可拆卸连接，与空气压缩泵连接的气缸开闭系统控制布水室的开启与闭合，气缸开闭系统以45°角焊接在罐体上的方钢作为固定悬臂；过滤室内铺设多介质滤料层，沿程刻具高度标线的嵌入式可视化窗设于过滤室的正视方向；在集水室中悬空焊接水头损失大于3m的大阻力集水筛管，筛孔分布于大阻力集水筛管的下半圆周。

上述方案中与下向流过滤罐顶部连接的污水管道为可伸缩式金属软管；布水器安装在布水室1/2高度的位置，布水器径向尺寸为下向流过滤罐直径的1/2；布水器的圆柱面上按50mm圆周等间距分布缝宽为5mm的缝隙，布水器的圆柱下底面上按50mm圆周等间距同样分布缝宽为5mm的缝隙，圆柱面上布置的缝隙与圆柱下底面的缝隙相交错。

上述方案中过滤室和集水室连为一体，两者之间采用栅隙不大于基础垫层砾石规格的格栅式支撑方钢隔开并承托，集水室底锥部连接排淤管。

上述方案中大阻力集水筛管的筛孔的孔径为10mm、孔距为15mm。

上述方案中下向流过滤罐布水室与过滤室通过活接点连接，活接点通过圆柱销固定，并采用沟槽式装填“O”型圈进行密封。

上述方案中下向流过滤罐过滤室的可视化窗通过内嵌钢化玻璃、外置框式钢板承压安装。

上述方案中净化水缓冲室容积至少为下向流过滤罐有效容积的5倍，原水室容积至少为下向流过滤罐有效容积的1倍，以保证反冲洗与正向过滤的稳定水量供给。

上述方案中下向流过滤罐过滤室所布填垫料层为不同规格的磁铁矿和砾石，所布填多介质滤料层为不同粒径的石英砂，或不同粒径的磁铁矿，或不同粒径的海绿石砂，或其共存级配。

上述含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置进行参数优化的方法：

（一）多介质级配滤床填设：启动空气压缩泵，拆开污水管道与下向流过滤罐顶部连接法兰的螺栓，并拧动卸开下向流过滤罐布水室与过滤室相接的螺栓，然后基于气动开闭系统气缸的作用力开启下向流过滤罐的布水室，进而在过滤室中依次自下而上布填垫料层和多介质滤料层，通过高度标线区分分层滤床对应的布填厚度，之后，闭合下向流过滤罐的布水室，重新拧紧其与过滤室相接法兰的螺栓，以及下向流过滤罐顶部与污水管道连接法兰的螺栓，完成多介质级配滤床的填设；

（二）级配过滤含聚污水特性的分级：将来自立式污水罐原水室的不同含聚浓度污水以等流量分别泵入某级配模式滤床的下向流过滤罐进行压力式过滤，同时监测过滤稳定时的压差，其中，已知污水的密度、下向流过滤罐的直径、滤床的深度，于是结合水头损失计算方法，可得到：

其中，滤床的深度，为任一分层床的厚度，为滤床填设层数；

定义滤滞系数：

其中为平均摩阻系数，为滤层平均孔隙率；

建立滤滞系数与污水含聚浓度的关系，将滤滞系数每增加1倍时对应的含聚浓度作为污水分级的界限标准，也就是将滤滞系数的增加在1倍以内的含聚污水划属为同一级、1倍以上的划属为另一级，如此便完成对一系列不同含聚浓度污水的分级，获取具有代表性的有限优化序列；

重复（一）、（二）步骤，取得含聚污水特性在多介质其它级配模式下的分级，提供有限而具代表性的优化序列；

（三）过滤运行参数的优化设计：基于优化序列，将归属于某一特性级别的任一已知含聚浓度的含聚污水汇入立式污水罐的原水室，切换为正向过滤流程，通过离心泵提供压力源、水流调整阀调节并控制不同的进水流量，使其进入下向流过滤罐开展某级配模式滤床下的压力式过滤试验，分别监测不同进水流量（也就是不同过滤速度）下，在过滤初期时的水头损失与相应过滤后水质的含油、悬浮物及粒径中值；

水头损失约束：

水质指标（含油量、悬浮物含量、粒径中值）约束：

同时满足水头损失和水质指标约束条件时的流量对应的过滤速度，或同时满足水头损失和水质指标约束条件时的流量范围对应的过滤速度范围，即为该特性级别含聚污水在相应多介质级配模式下过滤时的最优速度参数或速度范围参数；

重复同样的方法，即可设计优化序列中另一特性级别含聚污水在某多介质级配模式下的最佳过滤速度参数或过滤速度范围参数；

（四）反冲洗运行参数的优化设计：在直径为的下向流过滤罐正向过滤流程下，对于优化序列中某一特性级别的含聚污水，利用所优化设计的过滤速度或进水流量在滤层平均孔隙率为的相应级配模式下进行正常过滤，同步记录累积过滤时间，监测过滤中、后期阶段水头损失的变化，建立以过滤时间为函数的水头损失变化曲线，将水头损失开始大于30m时的前期累积过滤时间设计为反冲洗周期；切换成反向反冲洗流程，通过离心泵将立式污水罐净化水缓冲室中的深度处理水以2倍于过滤阶段进水流量的瞬时排量布于下向流过滤罐，通过集水室中的大阻力筛管，实施反冲洗操作，并开始计时，同时通过流量传感器和压力传感器分别监测瞬时排量、累积水流量和反冲洗压力，至反冲洗压力降低至某一恒定值，结束反冲洗，记录反冲洗时间，按下式确定反冲洗强度：

其中：

正向过滤后期阶段水头损失变化界限约束：

反冲洗压力约束：

滤层平均孔隙率：

其中，任一介质滤层的孔隙率，为该层滤料的比表面积，和为该层滤料颗粒的直径与球状度；

优化得到优化序列中某一特性级别含聚污水在对应多介质级配模式下实现高效过滤处理需要的反冲洗周期、反冲洗时间与反冲洗强度；

重复同样的方法，即可设计优化序列中另一特性级别含聚污水在某多介质级配模式下过滤处理时的最佳反冲洗参数。

上述含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置进行参数优化的方法还包括：

多介质过滤-反冲洗滤料层截污、去污能力及分层滤床稳定性识别：在过滤参数优化设计中，通过嵌入式可视化窗进一步定性观测多介质滤料层的截污能力；在反冲洗参数优化设计中，通过嵌入式可视化窗定性观测多介质滤料层的去污能力，同时，直观再现反冲洗过程中滤层的膨胀情况、粗颗粒介质的下沉及细颗粒介质的上移行为，识别多介质分层滤床的稳定性。

本发明具有以下有益效果：

（一）本发明对级配过滤含聚污水特性的分级充分考虑了来水含聚浓度变化可能给滤料层污染程度及出水水质带来的差异性影响，引入综合了摩阻和滤层孔隙特征的滤滞系数，并将该系数的变化界限作为分级依据，既能够减少优化序列的数量，又能够有效提高过滤‐反冲洗参数优化设计结果的精细性与实用性，促进多元化开发方式下油田含聚污水深度处理参数从定型化向个性化设计的转变，保证动态生产过程中地面过滤设施的运行稳定性及处理水质整体质量。

（二）本发明在多介质级配滤床填设及含聚污水特性分级的基础上，结合水质的达标稳定及滤料的再生，以过滤后水质含油、悬浮物及粒径中值监测值和过滤水头损失为约束，可以优化确定与滤料级配模式及来水水质相适配的过滤速度；以正向过滤水头损失的变化界限及反冲洗压力为约束，并考虑含聚污水过滤中絮体污染物的真正积聚、贮集主要是发生在滤料粒间孔隙中，在滤床有效面积获取中考虑滤料介质颗粒的比表面积、直径及球状度而引入滤层的孔隙率，可以优化确定与滤料级配模式及过滤水质相适配的反冲洗时间、反冲洗周期，特别是保证更为合理的反冲洗强度确定，达到科学化优化设计含聚污水多介质级配过滤‐反冲洗参数的目标，保证含聚污水多介质级配过滤‐反冲洗运行效果。

（三）本发明对过滤参数的优化以过滤出水水质和水头损失为约束，既考虑滤料的截污净水效果，又考虑过滤工艺对水头的要求，同时兼顾过滤过程剪切占优行为对水质二次污染的触发作用，从而保证所设计不同含聚浓度污水在相应级配模式下过滤速度的最优化；对反冲洗参数的优化以正向过滤水头损失的变化界限及反冲洗压力为约束，既遵循于传统污水过滤操作规范，又考虑含聚污水自身特性对工艺参数的潜在影响，增强所优化不同含聚浓度污水在相应级配模式下反冲洗时间、反冲洗强度与反冲洗周期的可靠程度。

（四）本发明在含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置中将立式污水罐按上、下分隔为净化水缓冲室和原水室，一体化的布置有效节省了占地空间，简化了工艺流程；采用活接点连接下向流过滤罐布水室与过滤室，并通过气缸开闭系统实现布水室的开启与闭合，极大地方便了多介质级配滤床的填设、检查维护与更换，辅以过滤室嵌入式可视化窗标刻高度线对滤料级配布填厚度的区分，增强了模拟不同级配模式深度处理含聚污水的灵活性；集水室中采用水头损失大于3m的大阻力集水筛管会在相同反冲洗参数下提高滤料再生效果的同时，其悬空焊接及筛孔呈下半圆周分布的模式保证了筛管内免遭正向过滤时不同程度跑料及剪切冲刷污染物的共沉积，消除对过滤后水质的二次污染，也使基于水质指标约束的过滤‐反冲洗参数优化设计过程更具可靠性。

（五）本发明在含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置中通过溢流阀稳定过滤压力，避免下向流过滤罐进水压力不稳定而造成额外的紊乱流场分布及出水水质的波动，并保证滤滞系数测算的准确性，提高参数优化设计精度；在下向流过滤罐内的布水器作用下，含聚污水会以一定水头均匀布于滤料层，消除单道水流对滤料层的水力冲击，同时避免含聚污水可能对进水单元造成的粘附堵塞。

（六）本发明在含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置中，通过嵌入式可视化窗观测整体优化过程中下向流过滤罐过滤室多介质滤料层的截污、去污效果，可为优化设计结果的可靠确定提供有力支撑；特别地，即便参数适配的反冲洗操作，其本身不可避免会带来滤层的膨胀、粗颗粒介质在滤床深度上的下沉及细颗粒介质在滤床深度上的上移，但剧烈的此行为会威胁到分层滤床的稳定性，难以获得级配模式在后续运行过程中的自行复位，从而直接影响下一周期的正向过滤效果，因此，通过嵌入式可视化窗实现对滤床稳定程度的直观再现并识别，有益于取得含聚污水深度处理工艺、运行参数的最优化，并从多层面保障含聚污水的深度处理效果与运行稳定性。

（七）本发明方法科学，原理明确、可行，结构合理，技术参数规范、可调，能突破油田常规采出污水处理中滤料填设、级配模式、过滤参数及反冲洗参数定型化的局限，有效提供一种充分考虑聚合物驱油工艺中油井受效、采出污水水质特性变化的过滤‐反冲洗参数优化设计装置及方法，可操作性和实用性强。

（八）本发明填补了运用科学化试验和理论方法前瞻性指导油田三次采油聚合物驱采出污水深度处理工程的空白，能够为石油工业污水处理中实现最及时有效的跟踪调整、最小尺度个性化工艺参数的设计提供科学手段和依据，既可应用在聚合物驱油田地面工程水量失衡治理的领域，又可推广应用到包括二元复合驱、三元复合驱等化学驱油技术实施中与水质综合治理密切相关的其它领域。

附图说明

图1为本发明中装置的结构示意图；

图2是本发明中布水器的正视图；

图3是本发明中嵌入式可视化窗的侧视图；

图4是本发明中大阻力集水筛管的示意图；

图5是本发明保密性实验中优化参数下含聚污水深度处理运行数据。

图中：1立式污水罐 2下向流过滤罐 3空气压缩泵 4气缸开闭系统 5原水室 6净化水缓冲室 7可视液位管 8布水室 9过滤室 10集水室 12布水器 14固定悬臂 15出口压力传感器 16嵌入式可视化窗 18大阻力集水筛管 19离心泵 20水流调整阀 21流量传感器22溢流阀 23入口压力传感器 24可伸缩式金属软管 25自动控制柜 26正向过滤来水阀 27反冲洗来水阀 28取样阀 29排空阀 30回水阀 31排淤管 32支撑脚 33筛孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置包括立式污水罐、下向流过滤罐、空气压缩泵、气缸开闭系统，自动控制柜、流量传感器、入口压力传感器、出口压力传感器，正向过滤管路由立式污水罐的原水室与下向流过滤罐顶部的布水器之间设置正向过滤污水管路、下向流过滤罐的集水室与立式污水罐的净化水缓冲室之间设置净化水管路构成，正向过滤污水管路上设置正向过滤来水阀、离心泵、水流调整阀、流量传感器、溢流阀、入口压力传感器；反冲洗管路的反冲洗来水阀通过管线也连接所述离心泵，反冲洗管路依次经过水流调整阀、流量传感器、入口压力传感器后，通过相应的反冲洗管线连接至下向流过滤罐的集水室；净化水管路上设置有出口压力传感器；气缸开闭系统、流量传感器、入口压力传感器、出口压力传感器、离心泵均连接自动控制柜。

立式污水罐1具有支撑脚32，其下部的原水室5的出水管路通过三通分别连接正向过滤来水阀26和排空阀29，立式污水罐1上部的净化水缓冲室6设置有取样阀28，净化水缓冲室与下向流过滤罐的集水室之间设置反冲洗来水阀27、净化水缓冲室6与原水室之间设置有回水管，回水管上设置有回水阀30，同时原水室5和净化水缓冲室6均连通式外接可视液位管7；离心泵19作为压力源通过管路与正向过滤来水阀26和反冲洗来水阀27相接，并依次经由水流调整阀20、流量传感器21、溢流阀22和入口压力传感器23后，一路连接可伸缩式金属软管24，另一路连接大阻力集水筛管18；可伸缩式金属软管24通过连接法兰固定连接具有支撑脚32的下向流过滤罐2内布水室8中的布水器12，布水室8与过滤室9通过活接点连接，内用圆柱销固定，采用连接于空气压缩泵3的气缸开闭系统4控制布水室8的开启与闭合，通过连接法兰对其以螺栓进行固定或拆卸，以沟槽式装填的“O”型圈进行密封，并以45°角焊接在罐体上的方钢作为气缸开闭系统4的固定悬臂14，沿程刻具高度标线的嵌入式可视化窗16设于过滤室9的正视方向，过滤室9和集水室10连为一体，之间采用栅隙不大于基础垫层砾石规格的格栅式支撑方钢17隔开并承托，在集水室10中悬空焊接水头损失大于3m的大阻力集水筛管18，并在集水室10底锥部连接排淤管31；大阻力集水筛管18出口与净化水缓冲室6之间有净化水管路，出口压力传感器15设置在净化水管路上，用以正向过滤水头损失的监测；另外，下向流过滤罐2顶部开设人孔，以备过滤‐反冲洗过程中出现冒罐等事故时应急处理使用。

参阅图2，径向尺寸为过滤罐直径1/2的布水器12的圆柱面上按50mm圆周等间距分布缝宽为5mm的缝隙，布水器12的圆柱下底面上按50mm圆周等间距同样分布缝宽为5mm的缝隙，圆柱面上布置的缝隙与圆柱下底面的缝隙相交错，交织流道缝隙实现含聚污水以一定水头经由过滤室平稳布于滤料层上，克服单道水流对滤料层的水力冲击，提高过滤处理的稳定性，同时避免一定特性的含聚污水可能对进水单元造成的粘附堵塞。

参阅图3，它提供了下向流过滤罐2内过滤室8中嵌入式可视化窗16的结构示意图，如图所示，具有与过滤室高度一样、可防止滤料磨花可视化表面的钢化玻璃内嵌于罐体，采用外置框式钢板进行压盖、密封，同时沿程刻具高度标线，充分发挥直观性的作用，有效实现多介质过滤-反冲洗滤料层截污、去污能力及分层滤床稳定性的识别。

参阅图4，它提供了大阻力集水筛管17的布置结构示意图，如图所示，悬空焊接在集水室10中的大阻力集水筛管17的下半圆周整体布置孔距15mm、孔径10mm的筛孔33，保证筛管内免遭正向过滤时由于不同程度跑料及剪切冲刷污染物而导致的共沉积，避免流通截面的减小，消除对过滤后水质的二次污染，同时提高反冲洗操作中在相同反冲洗参数下滤料的再生效果。

本发明中通过净化水缓冲室6出水管道上的取样阀27进行水质的同步取样监测，其含油量监测采用分光光度法，悬浮物含量监测采用滤膜重量法，粒径中值监测采用库尔特计数法，以定量获取含聚污水的深度过滤处理效果。

本发明优化设计多介质级配过滤‐反冲洗参数的方法：

（一）启动空气压缩泵3，拆开可伸缩式金属软管24与下向流过滤罐2顶部处连接法兰的螺栓，同时也拧动卸开下向流过滤罐2中布水室8与过滤室9相接处连接法兰的螺栓，通过自动控制柜25打开气缸开闭系统4，开启布水室8，在过滤室9中依次自下而上布填垫料层和多介质滤料层，并通过嵌入式可视化窗16上刻具的高度标线区分滤床布填模式，滤料层级配布填完成后同样通过自动控制柜25控制闭合布水室8，检查或更换沟槽式装填的“O”型密封圈，拧紧布水室8与过滤室9相接处连接法兰的螺栓，复原下向流过滤罐2顶部跟可伸缩式金属软管24之间连接法兰的紧固螺栓。由此实现多介质级配滤床的填设。

（二）按照下向流过滤罐2上进下出的过滤原则，切换装置阀组呈正向过滤流程，打开排空阀29排空，将某含聚浓度的来水从立式污水罐1的原水室5中以折算过滤滤速在8m/h左右的恒定流量泵入布水器12，通过交织流道汇入多介质级配模式滤床的下向流过滤罐2进行压力式过滤，过滤出水利用剩余水头从管汇流入立式污水罐1的净化水缓冲室6中，并根据可视液位管7的变化相继排向下游水系统，过滤过程中同步监测过滤运行稳定时入口压力传感器23的读数和出口压力传感器15的读数，获得此工况下的压差；同样的方法，将另一含聚浓度的来水以等恒定流量进行压力式过滤，监测稳定时进口段和出口段压力传感器23的读数，获得该工况下的压差，如此，便可得到一系列不同含聚浓度污水对应的压差（），根据下式：

建立滤滞系数与污水含聚浓度的关系，将每增加1倍时对应的含聚浓度作为污水分级的界限标准，也就是将的增加在1倍以内的含聚污水划属为同一级、1倍以上的划属为另一级。由此完成对一系列不同含聚浓度污水的分级，获取过滤‐反冲洗参数优化设计中具有代表性的有限优化序列。

其中， ，为级配模式下任一分层床的厚度，为滤床填设层数；为下向流过滤罐2的直径，为含聚污水的密度。

另外，重复（一）、（二）过程，可以取得含聚污水特性在多介质滤料其它不同级配模式下的分级，并提供有限而具代表性的优化序列。

（三）基于得到的优化序列，将归属于某一特性级别的任一已知含聚浓度的含聚污水汇入立式污水罐1的原水室5中，切换装置阀组呈正向过滤流程，通过自动控制柜25启动离心泵19，开启流量传感器21、入口压力传感器23及溢流阀22，进行压力式过滤试验，监测入口压力传感器23和出口压力传感器15的读数，通过净化水缓冲室6排水管道的取样阀28取样监测该进水流量（过滤速度）下过滤后水质的含油、悬浮物及粒径中值；在同样的滤料级配模式下，对上述同一含聚浓度的污水，调节、控制水流调整阀20，改变进水流量（过滤速度）进行又一压力式过滤试验，同样监测进出口压力和过滤后水质，如此多组试验，得到不同进水流量（过滤速度）下的过滤后水质指标，并利用下式可得到不同进水流量（过滤速度）下过滤初期时的水头损失：

（）

将同时满足水头损失，水质含油量、悬浮物含量、粒径中值时的流量（或流量范围）对应的过滤速度（或过滤速度范围）作为该特性级别含聚污水在相应多介质级配模式下过滤时的最优速度（或速度范围）参数。

其中，为含聚污水的密度；为重力加速度。

其中，含油量监测采用分光光度法，悬浮物含量监测采用滤膜重量法，粒径中值监测采用库尔特计数法。

类似于同样的方法及过程，即可设计优化序列中另一特性级别含聚污水在某多介质级配模式下的最佳过滤速度（或过滤速度范围）参数。

（四）在下向流过滤罐2滤层平均孔隙率为的相应级配模式下，先切换装置阀组呈正向过滤流程，对优化序列中某一特性级别的含聚污水利用所优化设计的过滤速度（进水流量）开展正常过滤，通过自动控制柜25同步记录累积过滤时间，与（三）种水头损失的获取一样，监测过滤中、后期阶段水头损失的变化，建立以过滤时间为函数的水头损失变化曲线，基于变化曲线，将水头损失开始大于30m时的前期累积过滤时间设计为反冲洗周期。

然后切换装置阀组呈反向反冲洗流程，通过自动控制柜25启动离心泵19、开启流量传感器21、入口压力传感器23及溢流阀22，将立式污水罐1的净化水缓冲室6中的净化水以2倍于正常过滤阶段进水流量的瞬时排量布于下向流过滤罐2中，经由集水室10中的大阻力集水筛管18，进行反冲洗试验操作，并通过自动控制柜25开始计时、监测瞬时排量、累积水流量和反冲洗压力，当反冲洗压力降低到某一恒定值时，结束反冲洗试验操作，反冲洗所历经时间作为反冲洗时间，反冲洗强度按下式确定：

其中：

为下向流过滤罐2的直径，而其多介质滤床中任一介质滤层的孔隙率则为：，为该层滤料的比表面积，和为该层滤料颗粒的直径与球状度。

由此，优化得到优化序列中某一特性级别含聚污水在对应多介质级配模式下能够实现高效过滤处理需要的反冲洗周期、反冲洗时间与反冲洗强度。

重复同样的方法及过程，即可设计优化序列中另一特性级别含聚污水在某多介质级配模式下过滤处理时的最佳反冲洗参数。

（五）在步骤（三）、（四）进行中，通过嵌入式可视化窗16定性观测正向过滤过程中多介质滤料层对污染物的截留能力、反向反冲洗过程中滤料层污染物的被去除能力，并直观再现反冲洗过程中滤层的膨胀情况、粗颗粒介质的下沉及细颗粒介质的上移行为。由此实现多介质过滤-反冲洗滤料层截污、去污能力及分层滤床稳定性的识别，为优化序列中某特性级别含聚污水进行过滤处理时的反冲洗时间和反冲洗强度优化提供有益指导，并为含聚污水深度处理中多介质滤料级配模式的构建提供充分依据。而其中通过嵌入式可视化窗进一步定性观测多介质滤料层的截污能力，为过滤速度的优化及多介质滤料级配模式的适应性评估提供有益支撑。

（六）完成对某优化序列含聚污水的过滤‐反冲洗参数优化设计后，打开回水阀30，切换为立式污水罐1的内清洗流程，其净化水缓冲室6中的净化水汇入原水室5中进行清罐，通过放空阀29进行排液，之后打开排淤管31对集水室10底锥部的淤泥杂质进行排放。由此进一步实现装置的清理，完整结束过滤‐反冲洗参数优化设计过程，并为新序列的优化设计做好试验准备。

此发明主要为五步法，针对化学驱三次采油油井在不同受效、见聚阶段采出水质特性变化时的高效过滤与反冲洗参数优化设计，能够实现对多介质级配模式下过滤‐反冲洗参数的个性化优化设计及处理后水质稳定性及质量的保证，构建破解水量失衡矛盾下油田地面污水处理系统运行精细化、低碳化难题的科学有效方法，提供含聚污水工业化深度处理及技术界限及时有效跟踪调整的根本途径。

采用本发明所述含聚污水多介质级配过滤‐反冲洗参数优化设计装置及方法进行了保密性试验，保密性试验中含聚污水水源涉及普通中分聚合物驱（聚合物注入分子量1400万、注入浓度1300mg/L）、普通高分聚合物驱（聚合物注入分子量1900万、注入浓度1600mg/L）及高分子量高浓度聚合物驱（聚合物注入分子量2500万、注入浓度2000mg/L）开发区块的采出水，表1为试验装置主体参数及多介质级配滤床填设参数：

表1 试验装置主体参数及多介质级配滤床填设参数

表2为在上述滤料级配填设模式下进行的优化设计中，对35～974mg/L范围（35℃粘度范围为1.0～3.6mPa.s）含聚浓度的污水特性所完成的分级情况：

表2 试验含聚污水特性的分级

特性分级	滤滞系数	含聚浓度范围
			Ⅰ级	1.30～1.33×108	35～150mg/L
Ⅱ级	2.55～2.60×108	150～448mg/L
			Ⅲ级	3.88～4.00×108	448～720mg/L
Ⅳ级	5.15～5.40×108	720～974mg/L

同时，抽样分析了实例中这些不同开发区块采出水中的含聚分子量，结果进一步证明了随着驱油过程中聚合物前缘的推进及采出环节的系列剪切降解过程，含聚分子量已不是影响粘度特性及滤滞系数的主因，考虑来水含聚浓度的变化来进行污水特性分级是充分而合理的。

表3 为上述级配模式及相应分级水质的过滤‐反冲洗参数优化设计结果：

表3 过滤‐反冲洗参数试验优化设计结果

试验含聚污水特性	过滤速度	反冲洗时间	反冲洗强度	反冲洗周期
					Ⅰ级	5.6m/h	12min	12.63L/(m2.s)	44h
Ⅱ级	5.1m/h	15min	13.55L/(m2.s)	32h
					Ⅲ级	4.7m/h	18min	14.28L/(m2.s)	25h
Ⅳ级	4.0m/h	22min	14.63L/(m2.s)	20h

图5为经过本发明装置及方法优化设计后应用于高分子量高浓度聚合物驱（聚合物注入分子量2500万、注入浓度2000mg/L）采出水深度处理的实际动态运行数据。

显然，基于本发明装置及方法的优化设计结果，处理后水质的含油、悬浮物均在10mg/L以内，悬浮物粒径中值低于4µm，且处理后水质质量稳定，达到了实现含聚污水深度处理的目的，表明本技术方案适应于含聚污水过滤‐反冲洗参数的个性化优化设计，从而破解水量失衡矛盾下油田地面污水处理系统运行精细化、低碳化的难题。

Claims (10)

1.一种含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：这种含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置包括立式污水罐、下向流过滤罐、空气压缩泵、气缸开闭系统，自动控制柜，正向过滤管路由立式污水罐的原水室与下向流过滤罐顶部的布水器之间设置正向过滤污水管路、下向流过滤罐的集水室与立式污水罐的净化水缓冲室之间设置净化水管路构成，正向过滤污水管路上设置正向过滤来水阀、离心泵、水流调整阀、流量传感器、入口压力传感器；反冲洗管路的反冲洗来水阀通过管线也连接所述离心泵，并依次经过水流调整阀、流量传感器、入口压力传感器后，通过相应的反冲洗管线连接至下向流过滤罐的集水室；净化水管路上设置有出口压力传感器；气缸开闭系统、流量传感器、入口压力传感器、出口压力传感器、离心泵均连接自动控制柜；

立式污水罐上、下分隔为连通式的净化水缓冲室和原水室，净化水缓冲室和原水室分别外接可视液位管；下向流过滤罐从上到下依次为布水室、过滤室、集水室，其罐体在布水室与过滤室连接处采用可拆卸连接，与空气压缩泵连接的气缸开闭系统控制布水室的开启与闭合，气缸开闭系统以45°角焊接在罐体上的方钢作为固定悬臂；过滤室内铺设多介质滤料层，沿程刻具高度标线的嵌入式可视化窗设于过滤室的正视方向；在集水室中悬空焊接水头损失大于3m的大阻力集水筛管，筛孔分布于大阻力集水筛管的下半圆周。

2.根据权利要求1所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的与下向流过滤罐顶部连接的污水管道为可伸缩式金属软管；布水器安装在布水室1/2高度的位置，布水器径向尺寸为下向流过滤罐直径的1/2；布水器的圆柱面上按50mm圆周等间距分布缝宽为5mm的缝隙，布水器的圆柱下底面上按50mm圆周等间距同样分布缝宽为5mm的缝隙，圆柱面上布置的缝隙与圆柱下底面的缝隙相交错。

3.根据权利要求2所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的过滤室和集水室连为一体，两者之间采用栅隙不大于基础垫层砾石规格的格栅式支撑方钢隔开并承托，集水室底锥部连接排淤管。

4.根据权利要求3所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的下向流过滤罐布水室与过滤室通过活接点连接，活接点通过圆柱销固定，并采用沟槽式装填“O”型圈进行密封。

5.根据权利要求4所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的下向流过滤罐过滤室的可视化窗通过内嵌钢化玻璃、外置框式钢板承压安装。

6.根据权利要求5所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的大阻力集水筛管的筛孔的孔径为10mm、孔距为15mm。

7.根据权利要求6所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的净化水缓冲室容积至少为下向流过滤罐有效容积的5倍，原水室容积至少为下向流过滤罐有效容积的1倍，以保证反冲洗与正向过滤的稳定水量供给。

8.根据权利要求7所述的含聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置，其特征在于：所述的下向流过滤罐过滤室所布填垫料层为不同规格的磁铁矿和砾石，所布填多介质滤料层为不同粒径的石英砂，或不同粒径的磁铁矿，或不同粒径的海绿石砂，或其共存级配。

9.一种权利要求7所述的聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置优化参数方法，其特征在于：

（一）多介质级配滤床填设：启动空气压缩泵，拆开污水管道与下向流过滤罐顶部连接法兰的螺栓，并拧动卸开下向流过滤罐布水室与过滤室相接的螺栓，然后基于气动开闭系统气缸的作用力开启下向流过滤罐的布水室，进而在过滤室中依次自下而上布填垫料层和多介质滤料层，通过高度标线区分分层滤床对应的布填厚度，之后，闭合下向流过滤罐的布水室，重新拧紧其与过滤室相接法兰的螺栓，以及下向流过滤罐顶部与污水管道连接法兰的螺栓，完成多介质级配滤床的填设；

（二）级配过滤含聚污水特性的分级：将来自立式污水罐原水室的不同含聚浓度污水以等流量分别泵入某级配模式滤床的下向流过滤罐进行压力式过滤，同时监测过滤稳定时的压差，其中，已知污水的密度、下向流过滤罐的直径、滤床的深度，于是结合水头损失计算方法，可得到：

其中，滤床的深度，为任一分层床的厚度，为滤床填设层数；

定义滤滞系数：

其中为平均摩阻系数，为滤层平均孔隙率；

建立滤滞系数与污水含聚浓度的关系，将滤滞系数每增加1倍时对应的含聚浓度作为污水分级的界限标准，也就是将滤滞系数的增加在1倍以内的含聚污水划属为同一级、1倍以上的划属为另一级，如此便完成对一系列不同含聚浓度污水的分级，获取具有代表性的有限优化序列；

重复（一）、（二）步骤，取得含聚污水特性在多介质其它级配模式下的分级，提供有限而具代表性的优化序列；

（三）过滤运行参数的优化设计：基于优化序列，将归属于某一特性级别的任一已知含聚浓度的含聚污水汇入立式污水罐的原水室，切换为正向过滤流程，通过离心泵提供压力源、水流调整阀调节并控制不同的进水流量，使其进入下向流过滤罐开展某级配模式滤床下的压力式过滤试验，分别监测不同进水流量（也就是不同过滤速度）下，在过滤初期时的水头损失与相应过滤后水质的含油、悬浮物及粒径中值；

水头损失约束：

水质指标（含油量、悬浮物含量、粒径中值）约束：

同时满足水头损失和水质指标约束条件时的流量对应的过滤速度，或同时满足水头损失和水质指标约束条件时的流量范围对应的过滤速度范围，即为该特性级别含聚污水在相应多介质级配模式下过滤时的最优速度参数或速度范围参数；

重复同样的方法，即可设计优化序列中另一特性级别含聚污水在某多介质级配模式下的最佳过滤速度参数或过滤速度范围参数；

（四）反冲洗运行参数的优化设计：在直径为的下向流过滤罐正向过滤流程下，对于优化序列中某一特性级别的含聚污水，利用所优化设计的过滤速度或进水流量在滤层平均孔隙率为的相应级配模式下进行正常过滤，同步记录累积过滤时间，监测过滤中、后期阶段水头损失的变化，建立以过滤时间为函数的水头损失变化曲线，将水头损失开始大于30m时的前期累积过滤时间设计为反冲洗周期；切换成反向反冲洗流程，通过离心泵将立式污水罐净化水缓冲室中的深度处理水以2倍于过滤阶段进水流量的瞬时排量布于下向流过滤罐，通过集水室中的大阻力筛管，实施反冲洗操作，并开始计时，同时通过流量传感器和压力传感器分别监测瞬时排量、累积水流量和反冲洗压力，至反冲洗压力降低至某一恒定值，结束反冲洗，记录反冲洗时间，按下式确定反冲洗强度：

其中：

正向过滤后期阶段水头损失变化界限约束：

反冲洗压力约束：

滤层平均孔隙率：

其中，任一介质滤层的孔隙率，为该层滤料的比表面积，和为该层滤料颗粒的直径与球状度；

优化得到优化序列中某一特性级别含聚污水在对应多介质级配模式下实现高效过滤处理需要的反冲洗周期、反冲洗时间与反冲洗强度；

重复同样的方法，即可设计优化序列中另一特性级别含聚污水在某多介质级配模式下过滤处理时的最佳反冲洗参数。

10.根据权利要求9所述的聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置优化参数方法，其特征在于：所述的聚污水过滤‐反冲洗参数优化设计装置优化参数方法还包括多介质过滤-反冲洗滤料层截污、去污能力及分层滤床稳定性识别：在过滤参数优化设计中，通过嵌入式可视化窗进一步定性观测多介质滤料层的截污能力；在反冲洗参数优化设计中，通过嵌入式可视化窗定性观测多介质滤料层的去污能力，同时，直观再现反冲洗过程中滤层的膨胀情况、粗颗粒介质的下沉及细颗粒介质的上移行为，识别多介质分层滤床的稳定性。