0 引言

在聚合物驱油过程中，聚丙烯酰胺随采岀液由井口采出，经过油水分离后得到的含有聚丙烯酰胺的含油污水称为聚合物驱采出水，简称聚驱污水或含聚污水，我国大庆油田将含聚污水的最低含聚质量浓度界线定为20 mg/L^[1-4]。

随着绿色、低碳战略在油田可持续开发中的不断贯彻，含聚污水在油田地面处理过程中面临着净化效果、设施污染、健康环保及经济合理性等多方面挑战，使得含聚污水处理技术从定型化向系列化、个性化发展成为一种必然趋势^[5-6]。作为去除含聚污水中不溶性悬浮固体杂质的主要方法，依靠水力学和界面化学作用进行污水净化分离的过滤处理技术一直备受关注和广泛应用，其与自然沉降、混凝沉降工艺为一体，在油田含聚污水的有效处理与回注利用方面发挥着重要作用^{[1, 5, 7-10]}。但是，随着高浓度聚合物驱油技术的应用，由于含聚污水中大量高分子聚丙烯酰胺的存在(采出污水中含聚质量浓度可高达1 000 mg/L以上)，使其水质特性与水驱污水、普通低含聚污水相比会发生较大变化，如黏度增加、油珠粒径变小、油水界面膜强度增大和界面电荷增强等，造成采出水中悬浮固体杂质的失稳难度增大、过滤设施的运行效率降低、运行稳定性下降以及滤后水质超标^{[1, 2, 11-15]}。

笔者在前期优化油田采出水压力式过滤器布水工艺的基础上^[16]，根据所优化的“筛管式”最优布水，从构建过滤器均质滤料及级配滤料的思路出发，建立以滤料层和垫料层多种模式填设为主体的相应模型，数值模拟研究滤料层填设模式对含聚污水压力式过滤处理效果的影响，通过过滤流场的压力场分布、油珠及悬浮物粒子聚集分布、除油率和悬浮物去除率的定量描述来揭示含聚污水对于过滤层级配滤料填设模式的适配性，旨在为油田含聚污水个性化处理工艺的构建提供依据，也为含聚污水深度处理的研究提供途径和思路。

1 物理模型

以油田常用直径为4 m的过滤器为原型，构建如图 1所示的均质滤料、双层级配滤料及3层级配滤料过滤器简化二维物理模型。过滤器的基本结构尺寸与前期对采出水压力式过滤器布水工艺优化研究部分^[16]相同，滤料、垫料的填设规格及填装厚度如表 1所示。

通过所优化“筛管式”布水工艺^[16]实现均匀布水的来水进入到过滤器，经总厚度为1 000 mm的滤料层和总厚度为700 mm的垫料层，滤后出水从过滤器底部集水口流出。

2 数学模型

针对过滤器滤料层区域的基本特征及呈湍流流态的过滤过程，数值计算时其湍流模型依然采用标准k-ε模型^[17-18]，质量守恒方程和动量守恒方程分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：u为来水在x方向的速度，m/s；v为来水在y方向的速度，m/s；ρ为来水的密度，kg/m³；μ为来水的动力黏度，Pa·s；S_m为源项；S_u=0；S_v=-ρg。

为了简化计算，做如下假设：

(1) 过滤器入口来水可实现在滤料层的均匀布水；

(2) 在过滤分离过程中，忽略含聚污水密度的变化，将含聚污水视为不可压缩流体；

(3) 假定滤料层各向同性；

(4) 在过滤分离过程中，假定含聚污水水质温度恒定。

3 网格划分 3.1 网格剖分

考虑非结构化网格对于复杂模型具有较强的适应性^[19-20]，在网格划分时，利用Gambit生成不同滤料级配填设模式过滤器物理模型的非结构化网格，且对滤料层区域网格进行适度加密，以更充分地再现过滤流场的演变特征，如图 2所示。

3.2 边界条件

在模拟计算时，物理模型壁面边界考虑黏性影响，壁面为静止状态；来水给定入口速度，出口边界采用自由出口；级配滤料层和垫料层构成的滤床区域按多孔介质处理，孔隙率根据级配滤料层和垫料层的技术参数进行相应取值。

4 压力式过滤模拟计算参数

以处理量100 m³/h的运行工况，针对含聚质量浓度分别为150、515和820 mg/L的含聚污水，基于前述不同滤料级配填设模式进行过滤流场分布、演变特征及过滤处理效果的模拟计算，同时选择不含聚水驱污水，进行过滤特性的对比分析，具体模拟计算参数见表 2。

模拟中，过滤流场特征量的计算采用有限体积法对数学模型进行离散化处理，多相流模型选择DPM模型^[21-22]。

5 过滤流场特征模拟

从压力场分布特征、油珠粒子聚集分布特征及悬浮物粒子聚集分布特征出发，描述不同性质含聚污水在均质滤料模式、双层级配滤料模式及三层级配滤料模式下过滤时的流场分布及演变特征，再现过滤层滤料填设模式及含聚质量浓度对污水过滤性能的影响。

5.1 压力场分布

考虑到压力的稳定性是衡量压力式过滤器工作性能的重要指标，定义含聚污水过滤过程中过滤器内最大压力与过滤器内任一截面平均压力的差值，也就是压降作为表征过滤器内压力场分布的特征参数，建立不同含聚污水在不同级配滤料填设模式过滤器中过滤的压降特征云图，再现过滤流场特征及过滤器运行的稳定性。

图 3~图 6分别为不含聚、含聚质量浓度150、515和820 mg/L污水过滤的压力场分布云图。

从图 3可以看出，不含聚污水在级配滤料填设模式过滤器中过滤的压降比在均质滤料填设模式中过滤的压降减小，且在3层级配滤料填设模式下的压降更低，这说明滤料多层级配填设具有提高流场稳定性的作用。同时，压力场分布也反映出级配滤料模式下其配水空间更小的扰动。

从图 4可以看出：对于含聚质量浓度为150 mg/L的污水，尽管在不同滤料填设模式过滤器中的压降与不含聚污水相比在整体上均有所增大，压力场分布云图的区分度提高，且滤料层由于截污而出现一定的“分层”现象，但级配滤料填设模式过滤器中的压降呈减小特征，同样揭示了滤料多层级配填设提高了含聚污水过滤流场的稳定性。在滤料层级配填设模式下，滤料层上、下区域的压降规律及差异将有益于减小过滤器配水和集水空间的扰动，除了可以使过滤流场稳定外，还可以与所优化过滤器布水工艺实现良好的衔接。

从图 5可以看出：对于含聚质量浓度为515 mg/L污水，在滤料层不同填设模式下过滤的压力场分布规律及其演变更为明显和突出，级配填设模式下滤料层区域呈现明显的压降增大特征，体现出含聚质量浓度上升对过滤流场稳定性的不利影响。但是，此含聚污水在级配滤料填设模式过滤器中过滤的压降能够减小，且在3层级配滤料填设模式下过滤的压降要小于双层级配滤料填设模式过滤的压降。

从图 6可以看出：当污水中含聚质量浓度上升到820 mg/L时，不同滤料填设模式过滤器中的压降进一步整体升高，但依然呈现均质滤料填设模式过滤器中的过滤压降最大，而3层级配滤料填设模式过滤器中的过滤压降最小；由于滤料层区域截污，在压降大幅增加的同时，其变化也出现明显的“分层”现象。

对比分析压力场分布特征可知，随着污水含聚质量浓度增大，过滤流场压降增大，过滤趋向不稳定特征，且在均质滤料填设模式下更为显现，这必然影响到含聚污水的过滤性能；对于任一含聚质量浓度的污水，滤料层填设从均质改变为级配模式时，过滤流场均向着稳定特征方向演变，含聚污水过滤性能的改善将得到保障。

5.2 油珠及悬浮物粒子聚集分布

根据污水过滤的原理及本质^{[1, 3, 5]}，过滤过程中污水含油、悬浮物粒子在滤床中的聚集、分布便是反映流场规律、揭示滤料截污性能的另一主要特征。因此，在数值计算过程中，对于不同的滤料层填设模式过滤，均在某一定性质污水过滤运行稳定后，提取过滤流场中的油珠粒子及悬浮物粒子，构建任一类粒子及其混合体的聚集分布特征云图，进一步再现过滤流场的演变特征。

图 7~图 10分别为不含聚、含聚质量浓度150、515和820 mg/L污水在不同滤料层填设模式下过滤运行稳定时的油珠粒子、悬浮物粒子及二者混合体的聚集分布云图。从图可以看出：所有性质污水在过滤器任一滤料层填设模式下过滤时，油珠粒子和悬浮物粒子在滤床中的聚集分布具有相似性，这也是对油田采出污水中乳化油和胶体悬浮物具有相互依存性认识的一种证实^[22]。

从图 7和图 8可以看出：不含聚污水及含聚质量浓度150 mg/L的污水，当滤料层填设从均质改变为级配模式时，过滤流场中油珠粒子、悬浮物粒子及其混合体均向聚集分布均匀、聚集分布密度大的特征演变，未被滤床截留而积聚在过滤罐集水空间或残留在滤后出水中的油珠、悬浮物基本消失。这说明过滤器滤料层级配填设可促进流场稳定、提升滤层截污能力、改善污水过滤性能，且3层级配滤料填设模式表现出比双层级配滤料模式更明显的粒子聚集分布演变特征，同时也说明低含聚质量浓度尚不会对污水过滤过程中油珠、悬浮物粒子的聚集分布及其截留带来显著影响。

从图 9可以看出：当污水中含聚质量浓度为515 mg/L时，油珠粒子和悬浮物粒子除了在滤料层级配填设模式过滤器中向聚集分布均匀、聚集分布密度大的特征演变外，两类粒子的聚集分布空间相对向着滤床下部区域延伸，且以油珠粒子更为明显，这主要在于粘性含聚水质对乳化油更强的携带作用，以及水质中乳化油珠在垫料层的粘附机制；同时可见少量未被滤床截留而分散、积聚于过滤器集水空间的油珠、悬浮物粒子，且以悬浮物粒子更为明显，这表明，一方面污水中含聚质量浓度的上升冲击过滤流场的稳定性、降低粒料的截污性能，进而必然影响到滤后出水水质，另一方面悬浮物的有效去除是实现含聚污水过滤达标处理的关键。

从图 10可以看出：当污水中含聚质量浓度上升到820 mg/L时，过滤过程中油珠、悬浮物粒子的聚集分布呈现显著变化，尽管两类粒子及其混合体在滤料层级配填设模式过滤器中的聚集分布均匀性相对提高、聚集分布密度相对增大，但在不同填设模式下可观的粒子杂乱分布特征、可观的未被有效截留粒子数量均不可忽视。这也说明即使多层级配滤料填设模式比均质滤料填设模式在促进过滤流场稳定、提升滤层截污能力、改善污水过滤性能方面更具优势，但其运行技术参数的优化仍是关键。

6 过滤处理效果评价

在对过滤器滤料层不同填设模式下含聚污水过滤流场分布特征及规律描述的基础上，根据数值计算结果定量过滤出水水质的含油及悬浮物指标，衡量含聚污水过滤处理效果。

对于过滤流场任一区域的含油及悬浮物含量可利用数值计算追踪所得该区域油珠粒子与悬浮物粒子的体积分数来求解。本文模拟计算中，待运行稳定后，在距离过滤器底部0.6 m，也即过滤器模型滤床以下0.5 m的集水空间位置取截面，追踪提取其径向上粒子分布体积分数，作为过滤处理出水水质的特性参数，进而可建立含油质量分数及悬浮物质量分数在此过滤器径向上的分布特征，衡量含聚污水过滤处理效果，分析出水水质的稳定性，同时可按下式确定含聚污水的除油率和悬浮物去除率：

(4)

式中：η为油珠粒子(或悬浮物粒子)的去除率；ρ为油珠粒子(或悬浮物粒子)的密度，kg/m³；V_fi为近过滤罐出水口截面径向任一位置处油珠粒子(或悬浮物粒子)的体积分数；i为近过滤罐出水口截面径向上油珠粒子(或悬浮物粒子)的个数；c₀为原始来水粒子质量浓度，mg/L。

不同滤料层填设模式过滤不同性质含聚污水的除油率和悬浮物去除率计算结果见表 3。

从表 3可以看出：不含聚污水在均质滤料模式、双层级配滤料模式及3层级配滤料模式过滤的除油率和悬浮物去除率分别为71.19%、81.54%、88.87%和66.59%、80.11%、89.04%；当污水中含聚质量浓度为150 mg/L时，3种滤料层填设模式下的除油率和悬浮物去除率分别比不含聚污水下降2.89%、4.87%、1.00%和10.13%、4.99%、2.00%，降低程度并不显著；当污水中含聚质量浓度上升到515 mg/L时，3种滤料层填设模式下的除油率和悬浮物去除率分别比不含聚污水降低25.97%、29.45%、31.87%和27.61%、31.72%、37.78%，含聚质量浓度增大对水质过滤处理效果的影响凸显；当污水中含聚质量浓度继续上升至820 mg/L时，这种降低程度继续增大，分别为34.05%、28.82%、33.45%和37.53%、32.97%、38.56%。

综合上述分析，对于不同含聚质量浓度的污水，级配滤料层填设模式过滤的除油率和悬浮物去除率均提高。其中，双层级配滤料模式较均质滤料模式分别平均提高20.98%和34.93%，3层级配滤料模式比均质滤料模式分别平均提高32.19%和48.27%。不过，在模拟的含聚质量浓度条件下，双层级配滤料模式下的除油率和悬浮物去除率即可维持在50%以上，使过滤后水质的含油、悬浮物指标均控制在20 mg/L左右，除油率甚至能更高。这满足对采出污水沉降后进行普通处理的基本要求，也符合油田过滤工艺实际运行特征^{[8, 23-24]}。

7 结论

(1) 随着污水中含聚质量浓度增大，过滤流场压降增大，油珠及悬浮物粒子分布均匀性下降，过滤流场趋向不稳定特征，且滤料的截污性能随之变差，在均质滤料过滤含聚污水中，除油率和悬浮物去除率从含聚质量浓度150 mg/L时的68.30%和56.46%下降到含聚质量浓度820 mg/L时的37.14%和29.06%。

(2) 滤料层填设模式对含聚污水过滤流场的稳定性及过滤处理效果有显著影响，滤料层填设从均质模式改变为级配模式时，不同含聚污水的过滤流场均向着稳定特征方向演变，过滤层的截污能力提升，污水的过滤性能改善；综合过滤流场特征和处理效果可知，双层级配滤料模式适合含聚污水的过滤处理。

(3) 当污水中含聚质量浓度增大至820 mg/L时，双层级配滤料模式下的除油率和悬浮物去除率比均质滤料模式分别提高15.58%和18.08%，滤后出水水质的含油、悬浮物指标均能控制在20 mg/L左右，满足含聚污水普通处理的技术要求。