CN116798537A - 一种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，它包括：多源含油污水分类分级；建立多源含油污水沉降过程油滴力学平衡关系；将多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为进行关联；建构多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式；建立多源含油污水沉降分离性能评判模型与确定提效运行方式，根据沉降分离性能评判模型获取的油滴沉降速度，以污水中油滴在沉降速度下浮升达到应脱除油量的最短时间作为最佳沉降周期。本发明以污水中油滴在重力式沉降罐内的沉降速度大小来评判沉降分离性能，同时考虑沉降罐结构参数和油田污水处理工艺指标，以最佳沉降周期的确定来满足污水提效分离的需求，评判和提效方法科学清晰。
Description
技术领域：
本发明涉及油田地面工艺中含油污水处理工艺，具体涉及的是一种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法。
背景技术：
含油污水处理作为油田地面工艺中不可或缺的环节，随着我国大部分油田开采步入高含水、特高含水阶段，以保证原油稳产为目标的多元化开发方式得到广泛的推广应用，这便带来了采出水庞大的规模和复杂的采出水水质特性，相应使得油田地面系统含油污水的处理压力日益增大，以我国东部大庆油田为例，目前年所需处理的含油污水体量接近6亿吨。一方面，在油田采出液含水率不断攀升的背景下，含油污水体量的增大对现有工艺设备负荷量和净化效率提出了挑战，污水处理量与回注量需求的匹配关系发生变化，注采水量矛盾问题不断凸显；另一方面，以水驱、聚合物驱、三元复合驱等为代表的多元化开发方式，分别通过补充地层能量、改变驱替相黏度、扩大驱替相波及体积及降低油水界面张力等技术手段使油井不同程度受效，相应地，聚合物、表面活性剂等驱油剂组分的残留使得含油污水呈现出性质复杂、黏度增大、油滴粒径变小和乳化稳定性增强等特点，不同开发方式所产生的多源含油污水给处理工艺的平稳高效运行带来了诸多难题，造成多源含油污水的处理效果无法得到保障(Sun Tao(孙涛)，Wang Jing(王静)，Wang Qian(王茜)，Meng Xiangjuan(孟祥娟)，Pan Zhaocai(潘昭才)，Zhao Jing(赵静)，Oil-Gas Field SurfaceEngineering(油气田地面工程)，2020，39(04)：1～8)。含油污水通常采用两级沉降和一级过滤的“两段式”常规处理方式，对于聚合物驱和三元复合驱产出的复杂污水体系，含油污水经常规处理后往往无法满足水质指标和回注要求，此时污水则需进行经济成本较高的深度处理，而污水深度处理的成本和效果则直接受到常规处理阶段结果的制约，也就是说，含油污水处理的各级流程均离不开有效的初级沉降分离，沉降分离效果的好坏直接决定着含油污水常规及深度处理整体工艺的运行稳定性和经济合理性(Li Jiexun(李杰训)，ZhangHongqi(张宏奇)，Wang Zhihua(王志华)，Numerical Optimization of TreatmentProcess for Polymer Flooding Produced Water and Water Quality Improvement(聚合物驱采出污水处理工艺数值优化及水质提升技术)，2022)。
重力沉降是以重力式沉降罐作为主要设施，依靠油水密度差来实现油水分离的含油污水初级处理工艺，是污水中油滴受到重力、浮力和粘滞阻力后在水中浮升和聚结的动态过程，沉降分离效率和效果会受到污水水质特性和沉降时间的多重影响(ChinaNational Petroleum Corporation(中国石油天然气集团公司)，Code for Design of OilField Produced Water Treatment(油田采出水处理设计规范)，2015；Yu Nan(余男)，CaoGuangsheng(曹广胜)，Bai Yujie(白玉杰)，Li Shining(李世宁)，Shan Jipeng(单继鹏)，Journal of Petrochemical Universities(石油化工高等学校学报)，2018，31(03)：55～60)。然而，分散于污水体系中的油滴在浮升过程将不可避免地受到油水界面层电行为的影响，在极性分子中由于组成成分不同，其吸引电子的能力各有差异，使得分子中有电子偏移的现象，进而产生极性并且偶极持续存在，而固有偶极致使油滴表面产生极化电荷，使在污水中的油滴运动时始终受到排斥或吸附的静电力作用。同时，含油污水体系中多元组分共吸附作用也会激发油滴的界面电荷，与极化电荷耦合调控油水界面层的电行为，进一步影响着油滴在污水体系中的沉降性能。尽管重力沉降处理工艺作为最基本的分离工序，拥有广泛的应用、明确的原理和相对便捷的处理流程，尽管含油污水沉降分离的效果可以通过污水水质监测进行判定，但是，在来水水质特性差异明显的多源含油污水沉降分离过程中，尚未形成考虑污水水质变化和油水界面层电行为影响的系统性认识，多源含油污水重力沉降工艺沉降周期的确定方法更是依靠经验，缺乏科学性和可靠性，且沉降工艺的合理性与适用性也缺少依据。因此，突破传统认识中重力沉降分离的力学描述，实现在油水界面层电行为作用下多源含油污水重力沉降分离效果的评判，更加科学合理地确定多源含油污水沉降周期，建立适用于多源含油污水重力沉降提效运行的方法，对于含油污水处理平稳高效运行具有重要价值。
发明内容：
本发明的目的是提供一种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，这种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法用于解决多源含油污水重力沉降分离时，对含油污水沉降分离效果缺乏科学评判的问题，尤其是解决考虑水质特性变化带来油水界面层电行为差异的多源含油污水重力沉降工艺最佳沉降周期确定，以及促进油田含油污水处理工艺整体效率提升和处理设施有效利用的技术难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法：
步骤一、多源含油污水分类分级，利用最小二乘法拟合得到不同分级级别下油滴粒径与污水含油浓度之间的关系：
d＝f(c)
其中，c为污水的含油浓度，mg/L；
步骤二、建立多源含油污水沉降过程油滴力学平衡关系：
其中，f为油滴所受的粘滞阻力，N；η为污水的黏度系数，Pa·s；v为油滴的沉降速度，m/s；d为油滴粒径，m；G为油滴所受重力和浮力之和，N；ρo为油滴的密度，kg/m3；ρw为沉降罐内污水水体密度，kg/m3；Fi-j为油滴与另一油滴之间的静电力，N；Qi为油滴所带的电荷量，C；Qj为另一油滴所带的电荷量，C；r为油滴与另一油滴之间的距离，m；
步骤三、将多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为进行关联，设油滴和另一油滴坐标分别为(xi，yi，zi)、(xj，yj，zj)，令(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2＝Δ，任意油滴总静电力的向量形式表示为：
其中，∑x，∑y，∑z分别为
步骤四、建构多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式，多源含油污水沉降过程任意油滴总静电力的向量形式表示为：
其中，CQ为 为/> 为
步骤五、建立多源含油污水沉降分离性能评判模型与确定提效运行方式，油滴沉降速度影响下的沉降分离性能评判模型：
基于上述沉降分离性能评判模型，完成不同类别含油污水、不同等级序列下的沉降速度确定，沉降速度越大，沉降分离性能越好；反之，沉降分离性能越差；
然后，按照沉降处理前的污水含油量和沉降工艺处理达标的污水含油量，确定该类别及等级序列含油污水重力沉降应实现的脱除油量，根据沉降分离性能评判模型获取的油滴沉降速度，以污水中油滴在沉降速度下浮升达到应脱除油量的最短时间作为最佳沉降周期，即：
其中，T为最佳沉降周期，h；h2为沉降罐的高度，m；v为油滴的沉降速度，m/s；ρo为油滴的密度，kg/m3；φ为沉降处理前的污水含油量，mg/L；φ'为沉降工艺处理达标的污水含油量，mg/L；
由此，获得科学可靠的污水沉降周期，通过调节重力式沉降罐进水口和出水口控制阀门，实现对其布水单元和集水单元流速的调控，使进罐含油污水在重力式沉降罐内停留一个最佳沉降周期，进而保障含油污水的提效分离，完成多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式的确定。
上述方案中步骤一具体为：
将不同含油污水按照来源进行分类为水驱、聚合物驱、三元复合驱，划分类别依次记为A、B、C；利用激光粒度法分别测定不同类别含油污水的油滴粒径分布，油滴平均粒径通过加权平均法计算获取，即：
其中，为油滴平均粒径，μm；v为油滴粒径对应的体积分数，％，d为油滴粒径，μm；
将油滴平均粒径每增加10μm时所对应的含油浓度作为污水分级的界限标准，获取具有代表性的有限优化序列；
利用最小二乘法拟合得到不同分级级别下油滴粒径与污水含油浓度之间的关系：
d＝f(c)
其中，c为污水的含油浓度，mg/L。
上述方案中步骤二具体为：
首先，对多源含油污水中的油滴进行受力分析，油滴在重力式沉降罐内的浮升过程受到竖直向下的重力、竖直向上的浮力、来自污水的粘滞阻力和油滴间的静电力作用；油滴刚开始浮升时，浮力大于重力，油滴沿着竖直方向向上做加速运动，随着浮升的速度越来越快，油滴所受的粘滞阻力也开始逐渐增大；当浮升速度增大到某个值时，重力、浮力、粘滞阻力和静电力四个力达到平衡，接着油滴开始沿着竖直方向向上做匀速直线运动，此时油滴的速度定义为沉降速度；步骤一获取的油滴粒径，根据斯托克斯定律、牛顿经典力学定律和库仑定律建立油滴的受力平衡关系：
其中，f为油滴所受的粘滞阻力，N；η为污水的黏度系数，Pa·s；v为油滴的沉降速度，m/s；d为油滴粒径，m；G为油滴所受重力和浮力之和，N；ρo为油滴的密度，kg/m3；ρw为沉降罐内污水水体密度，kg/m3；Fi-j为油滴与另一油滴之间的静电力，N；Qi为油滴所带的电荷量，C；Qj为另一油滴所带的电荷量，C；r为油滴与另一油滴之间的距离，m。
上述方案中步骤三具体为：
在含油污水沉降处理过程中，油水界面层的吸附面积会影响多元组分与油滴之间的共吸附作用，从而侧面反映出油滴受共吸附激发的界面电荷大小，假设多元组分在油滴界面层上任一点的吸附概率一致、任一种类多元组分所需要的吸附面积均相同，则利用油滴的整体吸附水平均值代替界面层上某一点的共吸附作用性能，此时界面电荷将与油滴的表面积呈线性正相关，即：
则油滴与另一油滴的电荷比表示为：
于是，设油滴和另一油滴坐标分别为(xi，yi，zi)、(xj，yj，zj)，油滴和另一油滴间的静电力二次定义为：
令(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2＝Δ，由油滴和另一油滴的空间分布位置知：
则单位向量表示为：
油滴和另一油滴两者间静电力的矢量形式表示为：
取基向量：
经过投影后得到：
则两个油滴间的静电力的矢量形式表示为：
于是，对任意油滴的所有施力对象求和，得到：
总静电力的向量形式表示为：
上述方案中步骤四具体为：
在有限空间的重力式沉降罐中，假设沉降罐内充满均匀分布的含油污水，且污水中的油滴的分布方式服从正态分布，则处于同一水平面的油滴间的静电力作用可以实现相互抵消，即技术方案(三)中的∑x＝0和∑y＝0。
根据对称空间点施加在对称中心的静电力反向抵消的原则，以位于XY平面几何中心的油滴为分析对象，当油滴处于沉降罐的上半部空间时，以油滴所在的XY平面与罐顶间的距离为约束，在XY平面的另一侧得到罐顶的对称面。在罐顶、罐顶的对称面与罐壁所包围的空间内，所有的油滴对中心位置处油滴产生的静电力合力为零，将此部分定义为无效空间；在罐顶的对称面、罐底与罐壁所包围的空间内，静电力对油滴浮升发生作用，将此部分定义为有效空间。
从而，将重力式沉降罐罐体视为规则圆柱体，设油滴所在的XY平面与罐顶间的距离为h1，罐顶到罐底的高度为h2，罐体直径为D。进而，油滴受到静电力作用的有效空间高度为|h2-2h1|，则有效空间的体积为有效空间的电荷量Q可由油滴电荷量Q0和油滴在有效空间中的数量N所求得，即：
其中，油滴在有效空间中的数量可由罐内污水总体积V和污水含油率φ所求得，即：
进一步，将有效空间中的电荷量视为位于空间内部对称中心的点电荷，则该点电荷的电荷量可表示为：
随着在污水中的油滴与罐顶间的距离变化，该点电荷的坐标也发生改变，即：
于是，油滴所受的静电力可视为其与有效空间内的点电荷之间的力，进一步地，技术方案(三)中总静电力及其向量形式可再次表示为：
其中，CQ为 为/> 为
上述方案中步骤五具体为：
在多源含油污水沉降过程中，基于技术方案(二)中建立的油滴力学平衡关系和技术方案(四)中得到的油滴静电力作用模式，在油滴运动达到沉降速度时，粘滞阻力在z轴方向的分力等于静电力、浮力和重力之和，向量形式可表示为：
无效空间的位置和大小随油滴的浮升运动发生着动态变化，在不考虑同一水平面的位移时，油滴始终处于XY平面的中心位置，故z＝h2-h1，则有：
对上式化简后，可得到油滴沉降速度影响下的沉降分离性能评判模型，即：
于是，对于此类别及等级序列的含油污水，以污水中油滴在重力式沉降罐内的沉降速度大小来评判沉降分离性能。与此同时，基于沉降分离性能评判模型，完成不同类别含油污水、不同含油浓度(即不同等级序列)下的沉降速度确定，沉降速度越大，沉降分离性能越好；反之，沉降分离性能越差。
然后，按照沉降处理前的污水含油量和沉降工艺处理达标的污水含油量，确定该类别及等级序列含油污水重力沉降应实现的脱除油量，于是，根据沉降分离性能评判模型获取的油滴沉降速度，便以污水中油滴在沉降速度下浮升达到应脱除油量的最短时间作为最佳沉降周期，即：
其中，T为最佳沉降周期，h；h2为沉降罐的高度，m；v为油滴的沉降速度，m/s；ρo为油滴的密度，kg/m3；φ为沉降处理前的污水含油量，mg/L；φ'为沉降工艺处理达标的污水含油量，mg/L。
由此，获得科学可靠的污水沉降周期，通过调节重力式沉降罐进水口和出水口控制阀门，实现对其布水单元和集水单元流速的调控，使进罐含油污水在重力式沉降罐内停留一个最佳沉降周期，进而保障含油污水的提效分离，也实现沉降处理设施的高效利用，从而完成多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式确定。
上述方案中油滴的形状为球形。
有益效果：
(一)本发明对油田生产过程中产生的含油污水进行分类分级，在油田产生的含油污水水质特性不断变化的实际工程背景下，可根据含油污水的来源和含油浓度快速确定含油污水的类别和等级序列，无需通过多次反复实验，即可直接获取不同含油浓度下的油滴粒径分布。既能实现油田污水的系统性划分，得到具有代表性的有限优化序列，又有益于油田生产过程含油污水来源和水质特性不断变化后的油滴形态描述，为油田污水处理工艺的选择和运行提供依据，同时也满足含油污水针对性处理的需求。
(二)本发明充分考虑了含油污水重力沉降过程中油滴浮升的原理，在斯托克斯定律的基础上，纳入油滴间的静电力作用，科学地描述了含油污水重力沉降过程中油滴的运动行为，为油滴的力学平衡关系建立提供了基础，使重力沉降条件下的油水分离机制得到进一步的完善，有益于静电力和含油污水重力沉降处理工艺的定量关联。
(三)本发明突破了含油污水重力沉降过程的传统描述，从不同开发方式产生的含油污水水质差异性出发，考虑了污水重力沉降过程中的油水界面行为，以及聚合物、表面活性剂、碱剂与油滴间的多元组分共吸附行为，通过界面电荷与油滴的表面积的关系建立，实现了多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为的关联，进而保证了含油污水沉降过程中油滴力学参数获取的实效性，有益于在真实工况下的油滴运动行为的表征，使沉降工艺的针对性提效分离成为了可能。
(四)本发明对多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式的建构，既着眼于含油污水重力沉降工艺的实际情况，以油田广泛应用的重力式沉降罐为主体对象，同时兼顾油田污水处理系统中含油污水体系分散相与连续相的分布特征，避免了对含油污水实际处理工艺特征分析的缺失，根据对称空间点施加在对称中心的静电力反向抵消的原则，通过划分静电力作用有效空间和无效空间，以有效空间内的点电荷产生的极化电荷等效代替油滴界面电荷，构建界面电荷分布与点电荷的关联式，原理明确、可行，方法科学、可靠，能突破传统对含油污水沉降过程中油滴间的静电力进行定性和定量描述的局限，为更加科学、深入地揭示静电力作用下油滴力学平衡机制提供了有益的方法和借鉴。
(五)本发明根据牛顿经典力学定律完善油滴力学平衡关系，考虑沉降罐内有效空间和无效空间的动态变化，建立多源污水沉降分离性能评判模型，以污水中油滴在重力式沉降罐内的沉降速度大小来评判沉降分离性能，同时考虑沉降罐结构参数和油田污水处理工艺指标，以最佳沉降周期的确定来满足污水提效分离的需求，评判和提效方法科学清晰，原理明确，能突破传统含油污水重力沉降工艺沉降周期依靠经验确定的局限，有效提供一种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，科学性、可操作性及实用性强，既能够为油田含油污水重力沉降处理作用机制的再现与深刻揭示提供有益的科学方法，又可丰富并拓展含油污水重力沉降中油滴的浮升与聚并理论，保证油田含油污水处理工艺整体效率提升和处理设施有效利用，同时也为加快油田含油污水处理工艺技术的开发与高效低能处理设备的研发应用提供了理论手段和依据。
附图说明：
图1为本发明方法的油滴力学平衡关系示意图；
图2为本发明方法的静电力作用模式示意图。
1油滴运动方向 2静电力 3油滴的粒径 4重力 5粘滞阻力 6浮力 7油滴 8另一油滴 9另一油滴的粒径 10沉降罐空间内的任一油滴 11油滴所在的XY平面 12罐顶 13罐顶对称面 14罐底 15罐壁 16静电力作用无效空间 17静电力作用有效空间 18有效空间内部的点电荷 19有效空间提供的静电力。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，在流场稳定的重力式沉降罐中，分布在水中的油滴的浮升方向均为运动方向1。以油滴7为对象受力分析，在油滴7沿方向1浮升的过程中，受到来自油滴8的静电力2、自身的重力4、粘滞阻力5和浮力6的共同作用，油滴7和油滴8之间的静电力2由所带的电荷量和两者间的空间距离决定，油滴7的电荷量与其粒径3相关，油滴8所带的电荷量与其粒径8相关。
如图2所示，以油滴10所在的XY平面11到罐顶12的距离为约束，可得到罐顶12的对称面13，由罐顶12、罐顶对称面13和罐壁15所包围的空间为静电力作用无效空间16，由罐顶对称面13、罐壁15和罐底14所包围的空间为静电力作用有效空间17，静电力作用有效空间17所带的电荷量视为其空间对称中心的点电荷18，则油滴10受到的静电力作用有效空间17提供的静电力19可视为点电荷18与油滴10之间的静电力。
这种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法包括如下步骤：
(一)多源含油污水分类分级。将水驱、聚合物驱、三元复合驱等不同含油污水按照来源进行分类，划分类别依次记为A、B、C、…。利用激光粒度法分别测定不同类别含油污水的油滴粒径分布，油滴平均粒径可通过加权平均法计算获取，即：
其中，为油滴平均粒径，μm；v为油滴粒径对应的体积分数，％，d为油滴粒径，μm。
从而，将油滴平均粒径每增加10μm时所对应的含油浓度作为污水分级的界限标准，获取具有代表性的有限优化序列。以水驱含油污水为例，将油滴平均粒径范围内的污水含油浓度划属为同一级，记为A1；/>的划属为同一级，记为A2；的划属为同一级，记为A3；/>的划属为同一级，记为A4。
然后，利用最小二乘法拟合得到不同分级级别下油滴粒径与污水含油浓度之间的关系：
d＝f(c)
其中，c为污水的含油浓度，mg/L。
至此完成多源含油污水的分类分级。重复此步骤，即可根据含油污水的来源和含油浓度确定含油污水的类别和等级序列，再根据建立的油滴粒径与污水含油浓度的关系，直接获取相应类别污水含油浓度变化后其油滴粒径的分布。
(二)多源含油污水沉降过程油滴力学平衡关系建立。首先，对多源含油污水中的油滴7进行受力分析，油滴7在重力式沉降罐内沿着运动方向1浮升，受到竖直向下的重力4、竖直向上的浮力6、来自污水的粘滞阻力5和另一油滴8间的静电力作用2。油滴7刚开始浮升时，浮力6大于重力4，油滴7沿着竖直方向向上做加速运动，随着浮升的速度越来越快，油滴7所受的粘滞阻力5也开始逐渐增大。当浮升速度增大到某个值时，重力4、浮力6、粘滞阻力5和静电力2四种力达到平衡，接着油滴7开始沿着竖直方向向上做匀速直线运动，此时油滴7的速度定义为沉降速度。基于步骤(一)获取的油滴粒径3和另一油滴粒径9，可根据斯托克斯定律、牛顿经典力学定律和库仑定律建立油滴7的受力平衡关系：
其中，f为油滴7所受的粘滞阻力，N；η为污水的黏度系数，Pa·s；v为油滴7的沉降速度，m/s；d为油滴7粒径，m；G为油滴7所受重力4和浮力6之和，N；ρo为油滴7的密度，kg/m3；ρw为沉降罐内污水水体密度，kg/m3；Fi-j为油滴7与另一油滴8之间的静电力2，N；Qi为油滴7所带的电荷量，C；Qj为另一油滴8所带的电荷量，C；r为油滴7与另一油滴8之间的距离，m。
由此，完成多源含油污水沉降过程油滴力学平衡关系建立，重复此步骤，即可获得不同类别和等级序列含油污水体系沉降过程油滴力学平衡关系。
(三)多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为的关联。在含油污水沉降处理过程中，油水界面层的吸附面积会影响多元组分与油滴之间的共吸附作用，从而侧面反映出油滴受共吸附激发的界面电荷大小，假设多元组分在油滴界面层上任一点的吸附概率一致、任一种类多元组分所需要的吸附面积均相同，则利用油滴的整体吸附水平均值代替界面层上某一点的共吸附作用性能，此时界面电荷将与油滴的表面积呈线性正相关，即：
则油滴7与另一油滴8的电荷比可表示为：
于是，设油滴7和另一油滴8坐标分别为(xi，yi，zi)、(xj，yj，zj)，油滴7和另一油滴8间的静电力2可二次定义为：
令(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2＝Δ，由油滴7和另一油滴8的空间分布位置可知：
则单位向量可表示为：
油滴7和另一油滴8两者间静电力2的矢量形式可表示为：
取基向量：
经过投影后得到：
则两个油滴间的静电力2的矢量形式可表示为：
于是，对任意油滴的所有施力对象求和，得到：
总静电力的向量形式可表示为：
其中，∑x，∑y，∑z分别为
由此完成多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为的关联。重复此步骤，即可描述不同类别和等级序列含油污水体系沉降过程油水界面层电行为，并根据油滴几何参数计算得到沉降过程中的静电力。
(四)多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式建构。在有限空间的重力式沉降罐中，假设沉降罐内充满均匀分布的含油污水，且污水中的油滴的分布方式服从正态分布，则与油滴10处于同一XY水平面11的油滴间的静电力作用可以实现相互抵消，即步骤(三)中的∑x＝0和∑y＝0。
根据对称空间点施加在对称中心的静电力反向抵消的原则，以位于XY平面11几何中心的油滴10为分析对象，当油滴10处于沉降罐的上半部空间时，以油滴10所在的XY平面11与罐顶12间的距离为约束，在XY平面11的另一侧得到罐顶对称面13。在罐顶12、罐顶对称面13与罐壁15所包围的空间内，所有的油滴对中心位置处油滴10产生的静电力合力为零，将此部分定义为无效空间16；在罐顶对称面13、罐底14与罐壁15所包围的空间内，静电力对油滴10浮升发生作用，将此部分定义为有效空间17。
从而，将重力式沉降罐罐体视为规则圆柱体，设油滴所在的XY平面11与罐顶12间的距离为h1，罐顶12到罐底14的高度为h2，罐体直径为D。进而，油滴10受到静电力作用的有效空间17高度为|h2-2h1|，则有效空间17的体积为有效空间17的电荷量Q可由油滴电荷量Q0和油滴在有效空间17中的数量N所求得，即：
其中，油滴在有效空间17中的数量可由罐内污水总体积V和污水含油率φ所求得，即：
进一步，将有效空间17中的电荷量视为位于空间内部对称中心的点电荷18，则该点电荷18的电荷量可表示为：
随着在污水中的油滴10与罐顶12间的距离变化，该点电荷18的坐标也发生改变，即：
于是，油滴10所受的静电力19可视为其与有效空间17内的点电荷18之间的力，进一步地，步骤(三)中总静电力及其向量形式可再次表示为：
其中，CQ为 为/> 为/>
由此完成多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式建构。重复此步骤，即可将重力式沉降罐内部空间定义为有效空间与无效空间，以区分任意位置油滴对另一油滴的力学作用贡献程度，完成不同类别和等级序列含油污水体系沉降过程油滴静电力作用模式建构。
(五)多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式确定。在多源含油污水沉降过程中，基于步骤(二)中建立的油滴力学平衡关系和步骤(四)中得到的油滴静电力作用模式，在油滴运动达到沉降速度时，粘滞阻力在z轴方向的分力等于静电力、浮力和重力之和，向量形式可表示为：
无效空间的位置和大小随油滴的浮升运动发生着动态变化，在不考虑同一水平面的位移时，油滴始终处于XY平面的中心位置，故z＝h2-h1，则有：
对上式化简后，可得到油滴沉降速度影响下的沉降分离性能评判模型，即：
于是，对于此类别及等级序列的含油污水，以污水中油滴在重力式沉降罐内的沉降速度大小来评判沉降分离性能。与此同时，基于沉降分离性能评判模型，完成不同类别含油污水、不同含油浓度(即不同等级序列)下的沉降速度确定，沉降速度越大，沉降分离性能越好；反之，沉降分离性能越差。
然后，按照沉降处理前的污水含油量和沉降工艺处理达标的污水含油量，确定该类别及等级序列含油污水重力沉降应实现的脱除油量，于是，根据沉降分离性能评判模型获取的油滴沉降速度，便以污水中油滴在沉降速度下浮升达到应脱除油量的最短时间作为最佳沉降周期，即：
其中，T为最佳沉降周期，h；h2为沉降罐的高度，m；v为油滴的沉降速度，m/s；ρo为油滴的密度，kg/m3；φ为沉降处理前的污水含油量，mg/L；φ'为沉降工艺处理达标的污水含油量，mg/L。
由此，获得科学可靠的污水沉降周期，通过调节重力式沉降罐进水口和出水口控制阀门，实现对其布水单元和集水单元流速的调控，使进罐含油污水在重力式沉降罐内停留一个最佳沉降周期，进而保障含油污水的提效分离，也实现沉降处理设施的高效利用，从而完成多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式确定。
重复技术方案(一)和(五)，可确定不同含油污水体系所属的类别和级别，获取油滴的粒径分布，通过含油污水沉降分离性能评判模型获得油滴沉降速度，以沉降速度的大小完成不同含油污水体系沉降分离效果的评判，以确定最佳沉降周期实现不同含油污水体系沉降分离提效运行。
本发明中油滴的形状为球形；油、水两相的密度均采用质量体积法获得；含油污水的黏度系数采用恩氏粘度测定法获得；油滴的电荷量通过电泳光散射法测量Zeta电位获得；沉降后污水的含油量通过分光光度法测试获得；重力加速度g的值取9.8m/s2；沉降工艺处理达标的污水含油量可按照《油田采出水处理设计规范》(GB 50428-2015)确定。
此发明主要为五步法，即多源含油污水分类分级、多源含油污水沉降过程油滴力学平衡关系建立、多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为的关联、多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式建构、多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式确定。其中第一步为多源含油污水按照来源和水质特性分类分级，建立油滴粒径与含油污水类别和等级序列的关系，为后续沉降速度及最佳沉降周期的确定提供基础参数；二、三、四步为突破沉降过程中油滴运动的传统力学描述的局限，考虑油水界面层电行为，从油滴力学平衡关系的构建入手，通过纳入不可忽略的油滴间静电力作用，实现油滴几何参数与油水界面层电行为的关联，构建多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式，完成静电力作用对含油污水沉降过程的定性和定量表征；第五步基于考虑油滴沉降速度的沉降分离性能评判模型，通过沉降速度确定，确保含油污水沉降处理效果得到有效识别和评价，根据油田污水沉降处理实际工艺指标和设施基础参数，确定科学可靠的污水最佳沉降周期，从而确定多源含油污水沉降分离提效运行方式。由此，为不同来源、不同水质特性下含油污水重力沉降的最佳沉降周期确定提供了可靠的手段与科学方法，有助于填补对多源含油污水沉降过程中油水界面层电行为影响的系统性认识，同时对于促进重力沉降分离工艺在油田中的优化应用及科学化评判、破解含油污水重力沉降处理过程中沉降效率和设备负荷率下降的难题具有重要作用。
Claims (7)
1.一种用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、多源含油污水分类分级，利用最小二乘法拟合得到不同分级级别下油滴粒径与污水含油浓度之间的关系：
d＝f(c)
其中，c为污水的含油浓度，mg/L；
步骤二、建立多源含油污水沉降过程油滴力学平衡关系：
其中，f为油滴所受的粘滞阻力，N；η为污水的黏度系数，Pa·s；v为油滴的沉降速度，m/s；d为油滴粒径，m；G为油滴所受重力和浮力之和，N；ρo为油滴的密度，kg/m3；ρw为沉降罐内污水水体密度，kg/m3；Fi-j为油滴与另一油滴之间的静电力，N；Qi为油滴所带的电荷量，C；Qj为另一油滴所带的电荷量，C；r为油滴与另一油滴之间的距离，m；
步骤三、将多源含油污水沉降过程油滴几何参数与油水界面层电行为进行关联，设油滴和另一油滴坐标分别为(xi，yi，zi)、(xj，yj，zj)，令(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2＝Δ，任意油滴总静电力的向量形式表示为：
其中，∑x，∑y，∑z分别为
步骤四、建构多源含油污水沉降过程油滴静电力作用模式，多源含油污水沉降过程任意油滴总静电力的向量形式表示为：
其中，CQ为 为/> 为
步骤五、建立多源含油污水沉降分离性能评判模型与确定提效运行方式，油滴沉降速度影响下的沉降分离性能评判模型：
基于上述沉降分离性能评判模型，完成不同类别含油污水、不同等级序列下的沉降速度确定，沉降速度越大，沉降分离性能越好；反之，沉降分离性能越差；
然后，按照沉降处理前的污水含油量和沉降工艺处理达标的污水含油量，确定该类别及等级序列含油污水重力沉降应实现的脱除油量，根据沉降分离性能评判模型获取的油滴沉降速度，以污水中油滴在沉降速度下浮升达到应脱除油量的最短时间作为最佳沉降周期，即：
其中，T为最佳沉降周期，h；h2为沉降罐的高度，m；v为油滴的沉降速度，m/s；ρo为油滴的密度，kg/m3；φ为沉降处理前的污水含油量，mg/L；φ'为沉降工艺处理达标的污水含油量，mg/L；
由此，获得科学可靠的污水沉降周期，通过调节重力式沉降罐进水口和出水口控制阀门，实现对其布水单元和集水单元流速的调控，使进罐含油污水在重力式沉降罐内停留一个最佳沉降周期，进而保障含油污水的提效分离，完成多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式的确定。
2.根据权利要求1所述的用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于：所述步骤一具体为：
将不同含油污水按照来源进行分类为水驱、聚合物驱、三元复合驱，划分类别依次记为A、B、C；利用激光粒度法分别测定不同类别含油污水的油滴粒径分布，油滴平均粒径通过加权平均法计算获取，即：
其中，为油滴平均粒径，μm；v为油滴粒径对应的体积分数，％，d为油滴粒径，μm；
将油滴平均粒径每增加10μm时所对应的含油浓度作为污水分级的界限标准，获取具有代表性的有限优化序列；
利用最小二乘法拟合得到不同分级级别下油滴粒径与污水含油浓度之间的关系：
d＝f(c)
其中，c为污水的含油浓度，mg/L。
3.根据权利要求2所述的用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于：所述步骤二具体为：
首先，对多源含油污水中的油滴进行受力分析，油滴在重力式沉降罐内的浮升过程受到竖直向下的重力、竖直向上的浮力、来自污水的粘滞阻力和油滴间的静电力作用；油滴刚开始浮升时，浮力大于重力，油滴沿着竖直方向向上做加速运动，随着浮升的速度越来越快，油滴所受的粘滞阻力也开始逐渐增大；当浮升速度增大到某个值时，重力、浮力、粘滞阻力和静电力四个力达到平衡，接着油滴开始沿着竖直方向向上做匀速直线运动，此时油滴的速度定义为沉降速度；步骤一获取的油滴粒径，根据斯托克斯定律、牛顿经典力学定律和库仑定律建立油滴的受力平衡关系：
其中，f为油滴所受的粘滞阻力，N；η为污水的黏度系数，Pa·s；v为油滴的沉降速度，m/s；d为油滴粒径，m；G为油滴所受重力和浮力之和，N；ρo为油滴的密度，kg/m3；ρw为沉降罐内污水水体密度，kg/m3；Fi-j为油滴与另一油滴之间的静电力，N；Qi为油滴所带的电荷量，C；Qj为另一油滴所带的电荷量，C；r为油滴与另一油滴之间的距离，m。
4.根据权利要求3所述的用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于：所述步骤三具体为：
在含油污水沉降处理过程中，油水界面层的吸附面积会影响多元组分与油滴之间的共吸附作用，从而侧面反映出油滴受共吸附激发的界面电荷大小，假设多元组分在油滴界面层上任一点的吸附概率一致、任一种类多元组分所需要的吸附面积均相同，则利用油滴的整体吸附水平均值代替界面层上某一点的共吸附作用性能，此时界面电荷将与油滴的表面积呈线性正相关，即：
则油滴与另一油滴的电荷比表示为：
于是，设油滴和另一油滴坐标分别为(xi，yi，zi)、(xj，yj，zj)，油滴和另一油滴间的静电力二次定义为：
令(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2＝Δ，由油滴和另一油滴的空间分布位置知：
则单位向量表示为：
油滴和另一油滴两者间静电力的矢量形式表示为：
取基向量：
经过投影后得到：
则两个油滴间的静电力的矢量形式表示为：
于是，对任意油滴的所有施力对象求和，得到：
总静电力的向量形式表示为：
5.根据权利要求4所述的用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于：所述步骤四具体为：
在有限空间的重力式沉降罐中，假设沉降罐内充满均匀分布的含油污水，且污水中的油滴的分布方式服从正态分布，则处于同一水平面的油滴间的静电力作用可以实现相互抵消，∑x＝0和∑y＝0；
根据对称空间点施加在对称中心的静电力反向抵消的原则，以位于XY平面几何中心的油滴为分析对象，当油滴处于沉降罐的上半部空间时，以油滴所在的XY平面与罐顶间的距离为约束，在XY平面的另一侧得到罐顶的对称面。在罐顶、罐顶的对称面与罐壁所包围的空间内，所有的油滴对中心位置处油滴产生的静电力合力为零，将此部分定义为无效空间；在罐顶的对称面、罐底与罐壁所包围的空间内，静电力对油滴浮升发生作用，将此部分定义为有效空间；
将重力式沉降罐罐体视为规则圆柱体，设油滴所在的XY平面与罐顶间的距离为h1，罐顶到罐底的高度为h2，罐体直径为D；油滴受到静电力作用的有效空间高度为|h2-2h1|，则有效空间的体积为有效空间的电荷量Q可由油滴电荷量Q0和油滴在有效空间中的数量N所求得，即：
其中，油滴在有效空间中的数量由罐内污水总体积V和污水含油率φ所求得：
将有效空间中的电荷量视为位于空间内部对称中心的点电荷，则该点电荷的电荷量表示为：
随着在污水中的油滴与罐顶间的距离变化，该点电荷的坐标也发生改变，即：
于是，油滴所受的静电力视为其与有效空间内的点电荷之间的力，此时，总静电力及其向量形式表示为：
6.根据权利要求5所述的用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于：所述步骤五具体为：
在多源含油污水沉降过程中，基于步骤二中建立的油滴力学平衡关系和步骤四中得到的油滴静电力作用模式，在油滴运动达到沉降速度时，粘滞阻力在z轴方向的分力等于静电力、浮力和重力之和，向量形式表示为：
无效空间的位置和大小随油滴的浮升运动发生着动态变化，在不考虑同一水平面的位移时，油滴始终处于XY平面的中心位置，故z＝h2-h1，则有：
对上式化简后，得到油滴沉降速度影响下的沉降分离性能评判模型，即：
于是，对于此类别及等级序列的含油污水，以污水中油滴在重力式沉降罐内的沉降速度大小来评判沉降分离性能；与此同时，基于沉降分离性能评判模型，完成不同类别含油污水、不同含油浓度下的沉降速度确定，沉降速度越大，沉降分离性能越好；反之，沉降分离性能越差；
然后，按照沉降处理前的污水含油量和沉降工艺处理达标的污水含油量，确定该类别及等级序列含油污水重力沉降应实现的脱除油量，于是，根据沉降分离性能评判模型获取的油滴沉降速度，以污水中油滴在沉降速度下浮升达到应脱除油量的最短时间作为最佳沉降周期，即：
其中，T为最佳沉降周期，h；h2为沉降罐的高度，m；v为油滴的沉降速度，m/s；ρo为油滴的密度，kg/m3；φ为沉降处理前的污水含油量，mg/L；φ'为沉降工艺处理达标的污水含油量，mg/L；
由此，获得科学可靠的污水沉降周期，通过调节重力式沉降罐进水口和出水口控制阀门，实现对其布水单元和集水单元流速的调控，使进罐含油污水在重力式沉降罐内停留一个最佳沉降周期，保障含油污水的提效分离，实现沉降处理设施的高效利用，完成多源含油污水沉降分离性能评判模型建立与提效运行方式确定。
7.根据权利要求6所述的用于多源含油污水重力沉降工艺提效运行的方法，其特征在于：油滴的形状为球形。
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| CN116798537B (zh) | 2024-02-27 |
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