唱永磊

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

在致密氣田勘探開發(fā)和生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)備中。致密氣田生產(chǎn)水通常鹽含量比較高，總?cè)芙夤绦挝锿ǔ３^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(zhì)條件和壓裂采氣工藝不同，導(dǎo)致了致密氣田生產(chǎn)水的水質(zhì)水量特征復(fù)雜，僅僅經(jīng)過簡單的物理工藝處理生產(chǎn)水后不能滿足達(dá)標(biāo)排放的水質(zhì)要求。因此，迫切需要開發(fā)高效的致密氣田生產(chǎn)水處理工藝，使致密氣田生產(chǎn)水處理能夠滿足環(huán)保要求，從而實現(xiàn)致密氣田的高效綠色開發(fā)。

1 致密氣田生產(chǎn)水水量與水質(zhì)特征

1.1 致密氣田生產(chǎn)水水量特征

根據(jù)對某致密氣田集氣站的最新生產(chǎn)日報統(tǒng)計，產(chǎn)水量與水氣比如表1。

表1 某致密氣田產(chǎn)水量與水氣比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1可以看出，區(qū)塊大規(guī)模上產(chǎn)后水氣比呈現(xiàn)總體穩(wěn)定的趨勢，水氣比約0.4～3.0 m3·104m-3。

1.2 致密氣田生產(chǎn)水水質(zhì)特征

通過調(diào)研，收集到的某致密氣田區(qū)塊3 座集氣站脫出的產(chǎn)出水水質(zhì)。收集1 號集氣站生產(chǎn)水和下轄15 口井共計28 次的水質(zhì)檢測報告，收集2 號集氣站生產(chǎn)水和下轄6 口井共計10 次的水質(zhì)檢測報告，收集3 號集氣站生產(chǎn)水和下轄5 口井共計8 次的水質(zhì)檢測報告。具體檢測統(tǒng)計結(jié)果見表2。

由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，生產(chǎn)水平均總?cè)芙夤绦挝?1 746 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(chǎn)水水質(zhì)特征為COD、懸浮物濃度偏高，產(chǎn)出水中含少量凝析油，總?cè)芙夤绦挝锖枯^高且呈弱酸性，表明致密氣田生產(chǎn)水腐蝕性強(qiáng)。由于不同區(qū)塊和氣藏層位的致密氣田生產(chǎn)水質(zhì)差異較大，摻混后使水質(zhì)更加復(fù)雜，更難以處理[3-4]。

2 致密氣田生產(chǎn)水達(dá)標(biāo)外排水質(zhì)要求

確定致密氣田生產(chǎn)水采用處理達(dá)標(biāo)外排水質(zhì)指標(biāo)要求的主要依據(jù)為GB3838《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類水體水質(zhì)要求、DB14/1928《山西省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB8978《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》等，由于一些致密氣田區(qū)塊地處黃河流域，其污水排放直接或間接進(jìn)入黃河，黃河水多用作農(nóng)業(yè)灌溉水，其污染物的指標(biāo)要求更為嚴(yán)格，需要執(zhí)行GB5084《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中對含鹽量、氯化物的要求。初步確定的致密氣排采達(dá)標(biāo)外排控制的主要水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)項目如表3。

表3 致密氣田生產(chǎn)水達(dá)標(biāo)外排主要控制指標(biāo)

3 致密氣田生產(chǎn)水處理工藝流程

根據(jù)致密氣田生產(chǎn)水原水水質(zhì)與達(dá)標(biāo)外排的水質(zhì)處理要求，盡可能提高工藝流程的處理效率，并使設(shè)備布局緊湊、合理，占地面積少，污泥產(chǎn)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(zhì)過濾+超濾+電驅(qū)離子膜+反滲透”為主體的工藝對高含鹽致密氣生產(chǎn)水進(jìn)行處理[4]。

3.1 “高密度澄清池+氣浮”預(yù)處理工藝

生產(chǎn)水通過管道匯入高密度澄清池，在池內(nèi)對大顆粒污染物及懸浮物進(jìn)行沉淀分離。高密度澄清池是一種將污泥進(jìn)行外部循環(huán)的改良型絮凝澄清池，將斜管澄清和污泥濃縮兩種原理結(jié)合。具有結(jié)構(gòu)相對緊湊，運行較為靈活，對原水的水質(zhì)和水量波動不敏感，去除污染物效率高的特點。結(jié)構(gòu)上由快速混合區(qū)、機(jī)械絮凝區(qū)、水力絮凝區(qū)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(chǎn)水清液通過泵提升進(jìn)入到氣浮裝置。致密氣田生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)從含油污水去除油和懸浮物的目的[7]。氣浮是油氣田生產(chǎn)水預(yù)處理的主要設(shè)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(jī)物。在裝置中臭氧通過反應(yīng)介質(zhì)生成氧化能力強(qiáng)于臭氧的二級氧化物，其反應(yīng)條件接近于環(huán)境溫度和壓力，是一種高級氧化工藝[8]。與臭氧氧化反應(yīng)通常面臨的限制性條件不同，催化臭氧氧化能確保COD 的穩(wěn)定去除，提高COD 的去除率和選擇性。應(yīng)用該技術(shù)對致密氣田生產(chǎn)水COD 處理適應(yīng)性較強(qiáng)。

3.3 多介質(zhì)過濾與超濾工藝

臭氧催化氧化裝置出水進(jìn)入多介質(zhì)過濾器，多介質(zhì)過濾器可除去污水中大部分懸浮物及濁度。多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水進(jìn)入超濾系統(tǒng)，超濾膜選用可耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿的無機(jī)超濾膜，無機(jī)超濾膜的化學(xué)清洗周期相比與其它膜材料要長，清洗后膜通量恢復(fù)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(huán)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(xì)菌物質(zhì)，是電驅(qū)離子膜裝置、反滲透裝置必不可少的預(yù)處理裝置。

3.4 電驅(qū)離子膜與反滲透系統(tǒng)

超濾產(chǎn)水進(jìn)入到電驅(qū)離子膜系統(tǒng)，在系統(tǒng)中當(dāng)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(xù)的電勢差，則陽離子向負(fù)極移動，同時陰離子會向正極移動。在電極之間設(shè)置的選擇性滲析膜，限制部分離子的遷移，從而實現(xiàn)水的脫鹽[12]。電驅(qū)離子膜工藝的特點是不會產(chǎn)出高度脫鹽的水，鹽的去除率取決與電滲析設(shè)別內(nèi)部的水力條件，每次水流通過能達(dá)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(qū)離子膜系統(tǒng)脫鹽水進(jìn)入到常規(guī)卷式反滲透系統(tǒng)，濃水進(jìn)入碟管式反滲透系統(tǒng)進(jìn)行深度脫鹽和濃縮減量。碟管式反滲透膜是今年來開發(fā)具有新型結(jié)構(gòu)的膜分離設(shè)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(jìn)水形成湍流，膜片至于導(dǎo)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(qiáng)、組件易于維護(hù)、膜片壽命長和出水水質(zhì)好的特點。對高濃度有機(jī)廢水的適應(yīng)性很強(qiáng)，因此選用為電驅(qū)離子膜和二級反滲透膜的濃縮液處理設(shè)備。電驅(qū)離子膜與反滲透系統(tǒng)的最終產(chǎn)水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 濃水結(jié)晶與污泥處理工藝

卷式反滲透濃水通過送至電驅(qū)離子膜系統(tǒng)前端進(jìn)行進(jìn)一步濃縮，碟管反滲透膜濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的特點，采用三效強(qiáng)制蒸發(fā)結(jié)晶處理濃縮液，三效蒸發(fā)結(jié)晶單元通過控制蒸發(fā)終點濃度，保證蒸發(fā)終點濃度落在氯化鈉的結(jié)晶區(qū)，從而得到氯化鈉晶體。反滲透濃水進(jìn)入本單元原料罐，原料經(jīng)冷凝水預(yù)熱后送至三效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，料液經(jīng)強(qiáng)制蒸發(fā)器循環(huán)泵在加熱室和結(jié)晶器中循環(huán)濃縮達(dá)到過飽和結(jié)晶出氯化鈉，關(guān)鍵是控制蒸發(fā)終點濃度在氯化鈉的結(jié)晶區(qū)。蒸發(fā)的部分濃縮液經(jīng)出料泵排入稠厚器，使末效結(jié)晶器固液處于平衡狀態(tài)[13]。

高密度澄清池、氣浮裝置產(chǎn)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(jìn)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(jìn)入到污泥離心脫水設(shè)備，污泥脫水設(shè)備產(chǎn)生的濾液流入高密度澄清池，脫水后的污泥外運至有資質(zhì)的第三方進(jìn)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(zhì)過濾+超濾+電驅(qū)離子膜+反滲透”致密氣生產(chǎn)水處理工藝流程的主要運行費用包括化學(xué)藥劑費、電費、膜組件更換檢修費用等。按照處理規(guī)模20m3/h 的裝置每年運行300 d 進(jìn)行估算，運行成本細(xì)項如表4，總運行成本約68.21 元·m-3。

表4 致密氣田生產(chǎn)水操作運行成本估算

5 結(jié) 論

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