氣田水處理工藝與回用途徑

王季鋒 白強(qiáng) 關(guān)珩 宋成功

（中國石化華北油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心）

1 概述

氣田天然氣勘探、開發(fā)過程中，為了提高天然氣產(chǎn)量，通常使用壓裂液進(jìn)行油氣層壓裂，因此油氣田在開采和打井過程中會(huì)產(chǎn)生大量的壓裂返排液，并且在氣田開采過程中還會(huì)帶出地層的產(chǎn)出水，統(tǒng)稱為氣田水[1]。根據(jù)目前的開發(fā)利用技術(shù)，對于氣田水的處理方式主要有以下三種，一是經(jīng)過處理之后回注地層，二是在處理后符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行外排，三是經(jīng)過一定的處理技術(shù)處理后進(jìn)行綜合利用。某氣田水處理廠位于鄂爾多斯市毛烏素沙漠，主要負(fù)責(zé)氣田水的回收與處理工作，處理后達(dá)標(biāo)水全部回注地層。隨著氣田水量的不斷增加，達(dá)標(biāo)水回注負(fù)荷不斷加重，出現(xiàn)回注井泵壓不斷增加，回注能力降低等問題。并且回注地層滲透率較低，出水有機(jī)物含量高、腐蝕性強(qiáng)、礦化度高，存在回注層結(jié)垢堵塞、回注套管腐蝕隱患。

鄂爾多斯盆地作為祖國能源基地，勘探開發(fā)活動(dòng)頻繁，地下水消耗量較大，為了降低回注壓力，實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步探究氣田水處理技術(shù)、達(dá)標(biāo)水回用途徑具有積極意義。針對氣田水的回用技術(shù)，已有學(xué)者和專家做了大量的研究[2-3]。主要針對某氣田水處理廠處理后達(dá)標(biāo)水水質(zhì)現(xiàn)狀，在此，分析了幾種氣田水處理工藝、展望了氣田水回用的幾種途徑。

2 現(xiàn)有處理工藝及出水水質(zhì)

2.1 處理工藝介紹

某氣田水處理廠主要負(fù)責(zé)處理氣田在生產(chǎn)、打井過程中產(chǎn)生的氣田水，處理工藝為pH調(diào)節(jié)-絮凝沉淀-pH調(diào)節(jié)-絮凝沉淀-兩級過濾。進(jìn)水pH為5～7，加氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至7～8后，加10%聚合氯化鋁溶液進(jìn)行絮凝沉淀，出水進(jìn)行二次處理，二次處理出水進(jìn)入多介質(zhì)過濾器進(jìn)行兩級過濾，達(dá)標(biāo)水全部回注地層，水處理流程見圖1。

圖1 水處理流程Fig.1 Water treatment flow chart

2.2 達(dá)標(biāo)水水質(zhì)分析

某氣田水處理廠處理后達(dá)標(biāo)水水質(zhì)參數(shù)見表1，處理后達(dá)標(biāo)水，具有高含鹽、高化學(xué)需氧量（COD）的特點(diǎn)。現(xiàn)有工藝主要起到調(diào)節(jié)氣田水pH、降低懸浮物含量的作用，對含鹽量和COD的去除率低，處理后達(dá)標(biāo)水總硬度大、COD高，直接排入地表會(huì)破壞水體的自然平衡，對地表水和地下水造成污染[4]。高含鹽、高腐蝕性、高COD是制約該氣田水處理廠達(dá)標(biāo)水回用的重要因素。

表1 處理后達(dá)標(biāo)水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Water quality parameters of qualified water after treatment

2.3 回注執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

氣田水處理廠運(yùn)行期間回注水執(zhí)行《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——?dú)馓锼刈⒎椒ā罚⊿Y/T 6596—2016）標(biāo)準(zhǔn)，參照（SY/T 6596—2004）《氣田水回注方法》要求控制水質(zhì)指標(biāo)，主要指標(biāo)如表2所示?，F(xiàn)有工藝處理后達(dá)標(biāo)水符合回注標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 《氣田水回注方法》主要指標(biāo)Tab.2 The main indicator on water injection method of gas field

3 氣田水深度處理技術(shù)

為了進(jìn)一步降低達(dá)標(biāo)水硬度和COD，在研究氣田水處理案例的基礎(chǔ)上，依據(jù)某氣田水處理廠達(dá)標(biāo)水特征，探究了三種水處理技術(shù)的適用性，作為后續(xù)繼續(xù)針對該氣田水深度處理的技術(shù)儲(chǔ)備。

3.1 芬頓法

引用雙氧水（H2O2）作為某氣田水的深度處理氧化劑，與亞鐵離子（Fe2+）一起使用作為芬頓試劑，芬頓試劑的強(qiáng)氧化性可以高效去除氣田水COD，不會(huì)造成二次污染，且該氣田水原水中Fe2+含量較多，一定程度上可以減少藥劑損耗。但芬頓反應(yīng)對pH要求有局限性，在較高pH和較低pH條件下，都不利于羥基自由基（·OH）的生成，從而影響體系氧化效果[5]，一般認(rèn)為芬頓反應(yīng)的初始pH設(shè)置在2～4時(shí)，對有機(jī)物的去除效果較好。

3.2 氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法

降低硬度的方法比較多，最常見的方式為投加化學(xué)藥劑，讓貢獻(xiàn)硬度的陽離子生成沉淀去除。該工藝目前降低硬度的方式是通過投加氫氧化鈉，將水調(diào)節(jié)至堿性，水中陽離子結(jié)合氫氧根生成氫氧化合物沉降，但氫氧化鈉對鈣離子的化合物所導(dǎo)致的硬度去除效果較差，為了進(jìn)一步增強(qiáng)降硬度效果，本研究提出采用氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法降硬。先投加氫氧化鈉去除水中鎂離子等陽離子，再投加碳酸鈉，碳酸根離子和水中鈣離子結(jié)合，降低水中鈣離子含量，進(jìn)一步降低達(dá)標(biāo)水硬度，且碳酸鈉是強(qiáng)堿弱酸鹽，價(jià)格較氫氧化鈉便宜，可以和氫氧化鈉一起起到調(diào)節(jié)pH的作用。

3.3 太陽能蒸發(fā)技術(shù)

蒸發(fā)是通過能量將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程，作為一種高效去除水中污染物的方式，常應(yīng)用于純凈水制備、海水淡化、廢水處理、蒸發(fā)結(jié)晶等方面。太陽能是地球上最基本、最廣泛的能源，具有綠色安全等特點(diǎn)，文中所指氣田地處鄂爾多斯盆地，光照充足，非常適合太陽能的轉(zhuǎn)化和利用，采用太陽能代替化石能源結(jié)合蒸發(fā)技術(shù)，作為該氣田水處理廠達(dá)標(biāo)水的深度處理工藝，在綠色低碳的前提下，進(jìn)一步去除達(dá)標(biāo)水中含鹽量、有機(jī)物等物質(zhì)，提升出水水質(zhì)[6]，但氣田水成分復(fù)雜，容易污染蒸發(fā)設(shè)備，因此將太陽能光熱蒸發(fā)技術(shù)投入實(shí)際污水處理中，還需要突破材料抗污染性[7]。

3.4 處理技術(shù)對比

結(jié)合三種水處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法可以進(jìn)一步去除鈣離子的化合物導(dǎo)致的硬度，且碳酸鈉和氫氧化鈉都呈堿性，兩種藥劑一起使用可以替代氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH的作用，在現(xiàn)有工藝下可直接使用，不需要額外設(shè)備、建設(shè)投入。芬頓法和太陽能蒸發(fā)技術(shù)可以作為提升達(dá)標(biāo)水水質(zhì)的儲(chǔ)備技術(shù)，用于實(shí)際生產(chǎn)還需進(jìn)一步進(jìn)行研究和驗(yàn)證，三種水處理技術(shù)對比見表3。

表3 三種水處理技術(shù)對比Tab.3 Comparison of three water treatment technologies

4 回用途徑

鄂爾多斯盆地，是我國的重要的能源基地，同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，氣田生產(chǎn)、生活用水依賴地下水，合理利用水資源，建設(shè)高效可持續(xù)的工業(yè)用水體系至關(guān)重要，提高出水水質(zhì)，增大達(dá)標(biāo)水回用率，對鄂爾多斯盆地水資源的可持續(xù)利用具有重要意義[8]。

4.1 農(nóng)業(yè)用水

近年來，毛烏素沙漠治沙效果顯著，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)好，玉米、馬鈴薯、牧草等成為當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物，但毛烏素沙漠水資源較為匱乏，如果將處理合格的氣田水回用于農(nóng)業(yè)灌溉，不僅能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的水源，減少水資源浪費(fèi)，而且污水中適量的氮、磷、鉀等成分也可以為土壤提供了肥力，在減少了化肥用量的同時(shí)，又增加了農(nóng)作物產(chǎn)量，同時(shí)污水的回用也可以減少對地下水的超采[8]。依據(jù)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 5084—2021），進(jìn)一步增加降硬、降COD的處理技術(shù)，提升出水水質(zhì)，才能滿足農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)要求。

4.2 綠化環(huán)境回用

氣田水處理廠處理后的工業(yè)污水中COD含量高，重金屬含量低，將處理達(dá)標(biāo)后的氣田水用于廠區(qū)綠化，可以減少回注量，實(shí)現(xiàn)污水資源的綜合利用，是氣田水的一個(gè)重要的回用途徑。但將氣田水回用于綠化必須防止土壤污染，需進(jìn)一步降低出水硬度、COD，并加強(qiáng)重金屬的監(jiān)測，防止水中殘余重金屬污染土壤。

4.3 工業(yè)回用

為了提高天然氣產(chǎn)量，天然氣開采和打井過程中都需要使用大量的壓裂液，水基壓裂液重復(fù)利用，可以降低氣田水回注風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約水資源。為了最大化的利用好返排液中的有效物質(zhì)，針對返排液的處理要著重減少有效物質(zhì)的損耗、降低危害物質(zhì)的含量，水基壓裂液的重復(fù)利用關(guān)鍵在于結(jié)合實(shí)際情況，采用相適應(yīng)的回用處理工藝，達(dá)到高效回用目的[9]。

工業(yè)回用的另一個(gè)途徑是用作循環(huán)冷卻水和用于井場沖洗等方面，為了防止冷卻水管線腐蝕和結(jié)垢，循環(huán)冷卻水出水水質(zhì)要求較高，依據(jù)GB/T 50050—2017《循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》，回用前需進(jìn)一步深度去除達(dá)標(biāo)水中含鹽量和COD。

4.4 地下水回灌

該氣田水處理廠位于鄂爾多斯盆地的毛烏素沙漠，鄂爾多斯作為國家能源基地，各種開采活動(dòng)頻繁，地下水損耗較多，因此將處理合格的達(dá)標(biāo)水回灌地下，可以解決地下水過度開采的問題，污水回灌地下水對水質(zhì)要求很高，回灌前須經(jīng)生物處理，包括硝化與脫氮，還必須有效去除有機(jī)物與重金屬，一旦回灌水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，將會(huì)對地下水含水層造成污染。回灌地下水是水資源回用的一個(gè)重要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，對保持地球水系統(tǒng)循環(huán)平衡意義重大[10]。

5 結(jié)論

為了充分落實(shí)水資源節(jié)約，保持低碳、高效、可持續(xù)發(fā)展，該研究綜合各種因素，提出采用芬頓法、氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法、太陽能蒸發(fā)技術(shù)降低出水硬度、COD含量，進(jìn)一步提升達(dá)標(biāo)水水質(zhì)的處理方案。隨著環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻，提高達(dá)標(biāo)水回用率是發(fā)展趨勢，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)回用、綠化廠區(qū)、地下水回灌是常見的回用途徑，也是提高氣田水回用率的重要探究方向，提高氣田水回用率對祖國能源基地的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。