致密氣田生產水處理工藝與技術研究

唱永磊

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

在致密氣田勘探開發和生產過程中，地層水會以游離水或氣相飽和水的形式被天然氣攜帶至地面工程生產設備中。致密氣田生產水通常鹽含量比較高，總溶解固形物通常超過18 000 mg·L-1。同時，還含有在采氣和地面集輸處理過程中加入的腐蝕抑制劑、水合物抑制劑、破乳劑等藥劑[1-2]。由于氣田所處氣藏層位的地質條件和壓裂采氣工藝不同，導致了致密氣田生產水的水質水量特征復雜，僅僅經過簡單的物理工藝處理生產水后不能滿足達標排放的水質要求。因此，迫切需要開發高效的致密氣田生產水處理工藝，使致密氣田生產水處理能夠滿足環保要求，從而實現致密氣田的高效綠色開發。

1 致密氣田生產水水量與水質特征

1.1 致密氣田生產水水量特征

根據對某致密氣田集氣站的最新生產日報統計，產水量與水氣比如表1。

表1 某致密氣田產水量與水氣比數據統計

從表1可以看出，區塊大規模上產后水氣比呈現總體穩定的趨勢，水氣比約0.4～3.0 m3·104m-3。

1.2 致密氣田生產水水質特征

通過調研，收集到的某致密氣田區塊3 座集氣站脫出的產出水水質。收集1 號集氣站生產水和下轄15 口井共計28 次的水質檢測報告，收集2 號集氣站生產水和下轄6 口井共計10 次的水質檢測報告，收集3 號集氣站生產水和下轄5 口井共計8 次的水質檢測報告。具體檢測統計結果見表2。

由監測數據分析可知，生產水平均總溶解固形物41 746 mg·L-1，石油類34.5 mg·L-1，COD 961.3 mg·L-1，氨氮13.4 mg·L-1，總氮46.2 mg·L-1，懸浮物486.5 mg·L-1。生產水水質特征為COD、懸浮物濃度偏高，產出水中含少量凝析油，總溶解固形物含量較高且呈弱酸性，表明致密氣田生產水腐蝕性強。由于不同區塊和氣藏層位的致密氣田生產水質差異較大，摻混后使水質更加復雜，更難以處理[3-4]。

2 致密氣田生產水達標外排水質要求

確定致密氣田生產水采用處理達標外排水質指標要求的主要依據為GB3838《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類水體水質要求、DB14/1928《山西省污水綜合排放標準》、GB8978《污水綜合排放標準》等，由于一些致密氣田區塊地處黃河流域，其污水排放直接或間接進入黃河，黃河水多用作農業灌溉水，其污染物的指標要求更為嚴格，需要執行GB5084《農田灌溉水質標準》中對含鹽量、氯化物的要求。初步確定的致密氣排采達標外排控制的主要水質標準項目如表3。

表3 致密氣田生產水達標外排主要控制指標

3 致密氣田生產水處理工藝流程

根據致密氣田生產水原水水質與達標外排的水質處理要求，盡可能提高工藝流程的處理效率，并使設備布局緊湊、合理，占地面積少，污泥產量低，運行成本低，管理方便。確定選擇“高密度澄清池+氣浮+臭氧催化氧化+多介質過濾+超濾+電驅離子膜+反滲透”為主體的工藝對高含鹽致密氣生產水進行處理[4]。

3.1 “高密度澄清池+氣浮”預處理工藝

生產水通過管道匯入高密度澄清池，在池內對大顆粒污染物及懸浮物進行沉淀分離。高密度澄清池是一種將污泥進行外部循環的改良型絮凝澄清池，將斜管澄清和污泥濃縮兩種原理結合。具有結構相對緊湊，運行較為靈活，對原水的水質和水量波動不敏感，去除污染物效率高的特點。結構上由快速混合區、機械絮凝區、水力絮凝區和斜管沉淀池、污泥回流管等組成[5-6]。沉淀澄清后的上層生產水清液通過泵提升進入到氣浮裝置。致密氣田生產水除油推薦采用氣浮除油的方式，氣浮法是在含油廢水中通入空氣使水中產生氣泡，使污水中的分散油、乳化油及水中的懸浮物粘附在氣泡上，上升到水面后借助刮渣板去除，從而實現從含油污水去除油和懸浮物的目的[7]。氣浮是油氣田生產水預處理的主要設備。

3.2 臭氧催化氧化工藝

氣浮裝置出水自流入臭氧催化氧化裝置，臭氧催化氧化工藝的目的是完全或部分降解難以被物理處理工藝去除的溶解性有機物。在裝置中臭氧通過反應介質生成氧化能力強于臭氧的二級氧化物，其反應條件接近于環境溫度和壓力，是一種高級氧化工藝[8]。與臭氧氧化反應通常面臨的限制性條件不同，催化臭氧氧化能確保COD 的穩定去除，提高COD 的去除率和選擇性。應用該技術對致密氣田生產水COD 處理適應性較強。

3.3 多介質過濾與超濾工藝

臭氧催化氧化裝置出水進入多介質過濾器，多介質過濾器可除去污水中大部分懸浮物及濁度。多介質過濾器產水進入超濾系統，超濾膜選用可耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿的無機超濾膜，無機超濾膜的化學清洗周期相比與其它膜材料要長，清洗后膜通量恢復良好，可增加膜的使用壽命。超濾膜采用錯流過濾工藝，膜濃縮水回前端工藝循環處理，減少污水排放[9-11]。超濾裝置可去除大部分分子量大于300 的可溶性膠體以及大部分細菌物質，是電驅離子膜裝置、反滲透裝置必不可少的預處理裝置。

3.4 電驅離子膜與反滲透系統

超濾產水進入到電驅離子膜系統，在系統中當富含鹽離子的液體受到兩電極之間的電場影響時，它們之間就會有連續的電勢差，則陽離子向負極移動，同時陰離子會向正極移動。在電極之間設置的選擇性滲析膜，限制部分離子的遷移，從而實現水的脫鹽[12]。電驅離子膜工藝的特點是不會產出高度脫鹽的水，鹽的去除率取決與電滲析設別內部的水力條件，每次水流通過能達到的最高鹽去除率為70%～85%。因此，適合于脫鹽處理工藝中的初級處理。電驅離子膜系統脫鹽水進入到常規卷式反滲透系統，濃水進入碟管式反滲透系統進行深度脫鹽和濃縮減量。碟管式反滲透膜是今年來開發具有新型結構的膜分離設備，具有開敞式的流道，膜片與盤片之間的寬度為1.5～2 mm，盤片上具有分布均勻的凸點，可以使進水形成湍流，膜片至于導流盤之間，但不與盤片接觸，依托密封圈分開濃縮液和透過液，具有抗污染能力強、組件易于維護、膜片壽命長和出水水質好的特點。對高濃度有機廢水的適應性很強，因此選用為電驅離子膜和二級反滲透膜的濃縮液處理設備。電驅離子膜與反滲透系統的最終產水可達到排放標準。

3.5 濃水結晶與污泥處理工藝

卷式反滲透濃水通過送至電驅離子膜系統前端進行進一步濃縮，碟管反滲透膜濃水進入蒸發結晶系統。根據進水水質的特點，采用三效強制蒸發結晶處理濃縮液，三效蒸發結晶單元通過控制蒸發終點濃度，保證蒸發終點濃度落在氯化鈉的結晶區，從而得到氯化鈉晶體。反滲透濃水進入本單元原料罐，原料經冷凝水預熱后送至三效強制循環蒸發器，料液經強制蒸發器循環泵在加熱室和結晶器中循環濃縮達到過飽和結晶出氯化鈉，關鍵是控制蒸發終點濃度在氯化鈉的結晶區。蒸發的部分濃縮液經出料泵排入稠厚器，使末效結晶器固液處于平衡狀態[13]。

高密度澄清池、氣浮裝置產生的沉淀物和浮渣通過污泥管道收集匯入污泥濃縮池，污泥濃縮池進一步將污泥濃縮。污泥濃縮池沉淀分離的上層清液自流入高密度澄清池。泥濃縮池沉淀分離的下層污泥通過螺桿泵進入到污泥離心脫水設備，污泥脫水設備產生的濾液流入高密度澄清池，脫水后的污泥外運至有資質的第三方進行處理。

4 運行成本分析

“高密度澄清池+氣浮+臭氧催化氧化+多介質過濾+超濾+電驅離子膜+反滲透”致密氣生產水處理工藝流程的主要運行費用包括化學藥劑費、電費、膜組件更換檢修費用等。按照處理規模20m3/h 的裝置每年運行300 d 進行估算，運行成本細項如表4，總運行成本約68.21 元·m-3。

表4 致密氣田生產水操作運行成本估算

5 結 論

致密氣田生產水具有高含鹽、水質復雜和處理難度大的特點，針對致密氣田生產水的水質水量特征，采用“高密度澄清池+氣浮+臭氧催化氧化+多介質過濾+超濾+電驅離子膜+反滲透”的處理工藝能夠滿足達標外排的水質要求，污泥濃縮脫水和蒸發結晶工藝可以對生產水處理系統的濃水和污泥減量。根據運行成本分析，該工藝系統的運行費用約68.21 元·m-3水。該生產水處理方案可大幅削減致密氣田生產水中污染物的排放總量，滿足排放水體的水質要求，為類似工程的設計提供參考。