沁水盆地南部地區煤層氣采出水治理的探討

盧 鍇 王仙之 史 超 王利祥 陳 巧 李 娜

(華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

沁水盆地南部地區煤層氣采出水治理的探討

盧 鍇 王仙之 史 超 王利祥 陳 巧 李 娜

(華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

根據沁水盆地煤層氣的生產實際情況，以不同水文地質單元、不同構造部位、不同井型和不同煤層氣產出量為采樣原則，有針對性地選擇了生產區內6口生產井，對其煤層氣采出水進行取樣測試，發現該區域采出水物理性質較為單一，礦化度較高。基于環保與節能原則，并充分考慮成本控制因素，建議采用反滲透脫鹽裝置中加特定離子交換系統來進行水質處理。

沁水盆地 煤層氣 采出水 礦化度 離子交換

1 沁水盆地南部地區水文概況

從盆地位置來講，沁水盆地南部地區屬延河泉域水系統，該系統北部為地下分水嶺，東、南、西為斷層邊界，南部西段阻水、東段導水，地形標高、水位標高在沁水盆地相對較低，為南部北傾、東部西傾，西部東傾的箕形盆地。北部由北向南，西部由西向東，東部由東向西徑流，呈向東南開口的箕形(圖1)。

該區東部和南部有大氣降水補給，北部和西部有分水嶺的水源補給。水體向水位低等勢面部位匯流。主力煤層隨匯水區方向，煤層氣含量明顯增加，為富氣區。該區鉆孔單位涌水量為75.78m3/d，水質明顯變差，礦化度高達1823.61mg/L。水徑流微弱，但在次級背斜軸部裂隙、巖溶發育地帶，徑流相對增強。

圖1 延河泉域水系統示意圖

2 沁水盆地南部地區煤層氣采出水水文分析及其化學組成

2.1 水文分析

地下采出水的水質類型是礦物和水文機理之間內在聯系所產生的一種結果。所以一個含水層的礦物學特點和地下采出水的水質類型是相互影響的。目前，國內進行常規水文地球化學分析的方法很多，本次研究采用皮珀水文三線圖來定性分析。該圖各以三組主要的陽離子(Ca2+，Mg2+，Na++K+)和陰離子(Cl-，SO42-，HCO3-+CO32-)的每升毫克當量的百分數來表示。

通過皮珀水文三線圖對沁水盆地南部地區水離子成分進行分析(圖2)，含水層主要以NaHCO3為主，說明該區總體保存條件較好。

2.2 化學組成

為了研究采出水動態變化特征，選擇我國煤層氣開發較好的區塊——沁水盆地樊莊區塊進行水樣的連續跟蹤采集，有針對性地選擇了6口生產井，開展了連續的水樣跟蹤采集分析工作，進行了總礦化度、pH值、相對密度、平均分子量以及各種離子含量等多項水樣的物理化學性質的觀測分析(表1)。

圖2 沁水盆地南部地區皮珀水文三線圖

可以看出該區塊所選井的采出水化學組成特點是礦化度高、氯化物多。具體為，陽離子中的K++Na+平均含量是901.4mg/L，Ca2+、Mg2+離子平均含量分別是9.4mg/L、12.2mg/L；陰離子中的HCO3-離子的含量高，平均是1652.2mg/L；Cl-離子含量次之，平均是467.9mg/L；SO42-離子含量最低，平均是14.4mg/L。總礦化度為2181～3591mg/L，平均是3057mg/L，水型為NaHCO3型。

表1 6口生產井采出水化學組成表

3 煤層氣采出水對環境影響

煤層氣采出水是煤層氣開采過程中的副產物，經歷滲流、氣-水作用等多種過程，水質水量變化大，成分復雜。另外，在其開采過程中，鉆井、固井、壓裂施工均以地表水作為載體進行，而地表水的礦化度及主要離子成分明顯不同于煤層水。當地表水進入煤儲層后，發生水-巖作用，導致污染，出現鈉離子、氯離子濃度異常高的特征。如果不進行及時處理而直接排入環境，易導致土壤鹽堿化、農作物減產、地表和地下水污染，對工農業生產和居民生活造成嚴重的負面影響。

4 沁南地區煤層氣采出水處理工藝設計

根據沁南地區煤層氣井采出水物理性質較為單一，與煤礦水相比較為清潔，無明顯懸浮物，且礦化度較高的特點，結合國內外成熟的煤層氣采出水處理工藝，該地區煤層氣采出水處理可采用反滲透膜與離子交換技術相結合的工藝設計，即在反滲透脫鹽裝置中加設特定離子交換系統。

反滲透脫鹽裝置主要由預處理系統、反滲透膜組件、壓力容器、高壓泵、反滲透滑架、控制儀表及相關壓力管道等組合而成。其中，反滲透膜組件是整個處理系統的關鍵部件，反滲透膜裝在膜殼中，通過高壓泵的作用，將煤層氣采出水輸送到膜殼中，采出水通過膜片時，滲透出淡化水。反滲透脫鹽系統對進水水質要求較高，合理的原水預處理系統對維持反滲透性能的穩定性、阻止膜的污染和惡化極其重要。

針對沁南地區煤層氣采出水中較高的碳酸氫鹽含量(屬于結垢型水質)，故需設置離子交換深度除鹽部分。離子交換系統可以去除使反滲透膜結垢的Ca2+、Mg2+離子以及一大部分Na+離子。系統的產出液基本只含Na+和Cl-離子，在水中溶解度非常大，因此，在反滲透膜系統中不易發生結垢現象。同時，由于替代的陽離子為H+，遇到堿性的CO32-和HCO3-會轉化為CO2和水，降低了水中的固體溶解物雜質含量(英文簡寫TDS)，從而降低了滲透壓，使反滲透膜系統的運行成本大大降低。在陽離子部分去除后，CO2溶解在水中以碳酸形式存在，需要經過除氣裝置處理。其流程和裝置如圖3所示。

圖3 基于離子交換原理的煤層氣水處理工藝示意圖

反滲透膜與離子交換技術相結合的工藝設計具備以下特點：

(1)離子交換裝置將進入反滲透膜系統的水先行脫鹽，從而降低了反滲透膜的系統損耗，裝置壽命將相應延長，節約了反滲透膜更換的設備和人力成本。

(2)系統能耗降低，符合國家節能增效原則。同時降低了電網的安全運行隱患。

(3)離子交換裝置中的離子交換樹脂可以按照煤層氣采出水質進行設計并更換。因此，在煤層氣產出水水質發生變化時，可依照交換劑的特性進行樹脂的部分或全部更換，增加了對水中某幾種陽離子或陰離子的針對性，增強了系統的靈活性與針對性。

(4)離子交換設備體積較小，拆卸程序簡易，利于系統進行優化和再調整。

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(責任編輯 韓甲業)

Discussion on the Treatment of Water Produced from the Coalbed Methane Wells of South District in Qinshui Basin

LU Kai, WANG Xianzhi, SHI Chao, WANG Lixiang, CHEN Qiao, LI Na

(Huabei Oilfield CBM Branch Company, PetroChina, Shanxi 048000)

According to the actual situation of coalbed methane production in Qinshui Basin, different hydro geological units, different structural parts of different type and different coalbed methane wells for sampling principle amount, the paper purposefully chose the production area of 6 production wells, sampling test of its coalbed methane produced water, found that the physical properties of the produced water in the region is single, higher salinity. Based on the principles of environmental protection and energy saving, and fully consider the factors of cost control, recommend using reverse osmosis desalination unit with specific ion exchange system for water treatment.

Qinshui Basin; coalbed methane; produced water; salinity; ion exchange

盧鍇，男，助理工程師，工程碩士，現從事地面建設管理工作。