川東北地區采氣廢水處理工藝技術探討

何海 馮宴 王曄 汪旭東 舒神寶

(1. 中石化西南油氣分公司川東北采氣廠,四川閬中 637400;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院,陜西西安 710018)

川東北地區采氣廢水處理工藝技術探討

何海1馮宴1王曄2汪旭東1舒神寶1

(1. 中石化西南油氣分公司川東北采氣廠,四川閬中 637400;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院,陜西西安 710018)

根據川東北氣井產水情況及采出水水質特點,結合特殊的地形地貌條件對比分析認為回注是采氣廢水最經濟、有效的處理方法。該文在現有回注處理工藝基礎上,針對某些邊遠氣井采氣廢水處理存在“建設輸水管道投資大,罐車拉運受制于道路、油地關系等因素且運行成本高”等問題,探索一種已在國內某油田成功應用的多功能一體化水處理設備,將邊遠井采氣廢水處理工藝流程優化為“三相分離器→除油沉降罐2具(1用1備)→多功能一體化水處理器→罐車拉運至回注井”,可達到優化簡化流程、降低處理成本之目的。

川東北 邊遠氣井 采氣廢水 工藝技術 探討

川東北是中石化在四川盆地的重要氣源地之一，西南油氣分公司所屬的HB、MLB及YB氣田均有不同程度產出地層水、凝析水及儲層改造未返排殘酸等采氣廢水的氣井。水中含大量的鹽類(即礦化度高)、懸浮顆粒及油，部分井采氣廢水中還含硫，而且產水周期長、采出水量較大，若得不到有效處理，不但污染環境還會影響氣井正常生產。

此外，川東北為典型的山區地貌，各氣田、油氣井(尤其邊遠井)間交通距離很遠，采出水系統極為分散，不同氣井采出水量及水質差異很大，對水處理工藝的選擇和流程布局帶來不小的難度。

1 川東北采氣廢水現狀及水質特點

1.1 采氣廢水現狀及趨勢

目前，區內在產氣井36口，產氣量約3×108m3/a，其中產水氣井17口，單井產水量0.2-184m3/d，采出水總量360m3/d。YB海相高含硫氣田投產(預計2015年)后，各類氣井近80口，天然氣產能約40×108m3/a，采氣廢水總量近1000m3/d(目前，HB與MLB氣田產水總量約為330m3/d；YB高含硫氣田預計產水總量400m3/d)。

HB氣田開采年限不足10年，氣井生產平均水氣比高達17.8m3/104m3，即每采出1×104m3氣將帶出17.8m3廢水。不難看出，川東北帶水采氣和排水采氣井將逐漸增多，且隨開采程度不斷深入，產水氣井將逐漸增多，單井產水量及采氣廢水總量會越來越大，因此采氣廢水的處理是氣田正常開發面臨的重大問題之一。

1.2 采氣廢水的水質特點

采氣廢水指采氣過程中隨天然氣一同帶出地面的各種廢水，主要為地層水與凝析水，但川東北大多氣井投產前經過酸化、壓裂等儲層改造措施，殘留在地層中的作業液，使氣井采出水成分更加復雜、水質進一步惡化。

例如YB9井6836-6857m1個水樣分析結果為：臭雞蛋氣味的黑色不透明液，水型為CaCl2型，氯根37597.92mg/l，總礦化度58133.12 mg/l。綜合分析認為，川東北氣井采氣廢水具有礦化度高，Cl-含量達幾千至幾萬毫克每升；水質呈酸性，某些氣井中-高含硫及油；固體懸浮物(SS)含量超標，在溫度、壓力等條件發生變化時有結垢產生沉淀的可能。

圖1 川東北地區氣井采氣廢水處理工藝流程圖

2 川東北采氣廢水的處理現狀

采氣廢水處理方法的選擇要根據水質特點、產水規模及國家或地方對水排放量、各類污染物的濃度要求、受納水體的環境質量規定而定。采氣廢水的處理方法雖然很多，但對于川東北氣井因為水質特點、現場條件(氣井分散在廣大的山區)、處理目標及成本控制等客觀原因的制約，采氣廢水處理經濟有效的方法也是非常有限的，大致有以下2種。

圖2 多功能一體化水處理設備實物照片

圖3 邊遠井采氣廢水處理工藝流程示意圖

2.1 就近處理達標后外排

若產水氣井比較集中、采氣廢水成分又相對簡單，則就近建立污水處理站，廢水從井場管輸至污水處理站，處理達標后直接排入地面水系或農灌水系。此方法雖然投入成本低，但常因排放廢水達不到環保要求，對氣井附近居民的生產、生活帶來隱患，甚至因外排水質不達標(國家《污水綜合排放標準》一級標準)，被地方環保部門勒令停產并處以重罰。

2.2 集中處理后回注地層

采氣廢水由罐車拉遠或者管輸至污水處理站集中處理，符合回注地層水質要求后，再管輸至回注井并灌注地層，這是一種非常經濟、高效解決污水問題的辦法，特別適用于產氣量大、產水量多的氣井。此外，川東北目前有較多地層滲透性好、井下層位空間大、井口殘余壓力小的生產晚期或已枯竭井，這對采氣廢水回注提供了極大的便利，極大的降低了采氣廢水治理的投入成本。

對于某些比較偏遠的邊遠井，在井站單獨建立污水處理流程或增建污水外輸管道都是不經濟的，常用的做法是罐車拉運采氣廢水至污水處理站。此法雖然投入資金較少，但對于川東北農村山區常因路面垮塌、油地關系等原因造成的交通不暢，導致采氣廢水無法外排而致使氣井被迫關井，所以并非長久之計。

3 川東北采氣廢水回注處理工藝

對比分析認為回注是采氣廢水處理最經濟、有效的方法，環境影響小、投資與處理成本低。針對川東北氣井采氣廢水水質特點，若不經任何處理直接回注必然造成注水系統腐蝕或堵塞、地層儲層物性變差甚至出現堵塞。因此，回注的主要工作在于水的預處理方面，重點解決機械雜質對地層的堵塞，控制懸浮顆粒的總量和粒徑，保證一定的回注水水質，才能達到預期的注得進去、注入量大。

3.1 采氣廢水回注處理工藝

采氣廢水回注處理工藝必須考慮：回注水與地層水配伍性、降低投資及運行的成本、設備性能可靠并易于維護、減少處理過程帶來二次污染及各集成單元的遷移性等因素。川東北目前在用的工藝技術流程為：采氣廢水→拉運或管輸至處理站→加藥→沉降池→粗過濾→精細過濾→加入殺菌劑→凈水儲存罐→增壓泵加壓→注入井(圖1)。

3.2 邊遠井采氣廢水處理工藝探討

針對某些邊遠氣井，建設輸水管道投資大、罐車拉運的運行成本高，本著“優化簡化流程、降低處理成本”的思路，該文探討了一種多功能一體化采出水處理設備。主要由含油污水處理裝置和多功能一體化氣井采氣廢水處理器組成，前者主要是降低污水濁度以防止堵塞后續裝置的濾層，同時可以去除浮油、泥砂等雜質，并對水進行預氧化處理；后者是利用水溶氣后進入過濾罐渦流器中進行向心氣浮除油、混凝，除油后的污水進填料迷宮中進行微渦旋除污降濁，降濁后的水進行精細過濾，過濾后的水再次進行電極的加強處理(圖2)。

賈榮林[27]等對比分析了空氣源熱泵熱水器中R417A和R22的性能。結果表明，分別以R22和R417A為制冷工質的空氣源熱泵熱水器的COP接近，但后者的排氣溫度和冷凝壓力均低于前者，說明R417A比R22更適合作為空氣源熱泵熱水器的制冷工質。

3.2.1 主要工作原理

(1)溶氣增氧用于脫硫與除鐵。采氣廢水經過溶氣增氧后，溶解氧將水中的硫化物氧化成危害較輕的硫代硫酸根、硫酸根、水和氫氧根，有機硫化物被氧化成難溶二硫化物從水中分離出去，反應式如下：

同時，溶解氧可將水中的二價鐵離子氧化成氫氧化三鐵沉淀，從而將鐵去除，其反應式為

(2)向心氣浮除油原理。溶氣廢水進入罐渦流器特殊軌跡的流道，產生渦流旋轉，通過渦流旋轉產生的離心力將油氣向內圓運移、聚集后，氣體浮力將油上浮至罐頂經收油口進行回收，從而去除廢水中的浮油及分散油。

(3)渦旋除污降濁原理。

特殊的吸附聚集填料迷宮產生微渦旋，可將90%以上直徑小于2μm的顆粒聚結成大顆粒和大油珠，油珠上浮去除，顆粒過濾去除。

(4)過濾凈化原理。粗、細兩級纖維球一體過濾，可以去除90%以上的顆粒和乳化油，過濾介質可根據用戶出水要求進行選配，確保達到出水水質要求。

(6)殺菌原理。在進水管上進行溶氣增氧用以抑殺硫酸鹽還原菌(SRB)，另外高壓電極可以產生·O2-、H2O2及·OH等活性氧物質，通過與菌類生物表膜或DNA作用，達到有效地殺滅細菌目的。

(7)緩蝕原理。多功能一體化水處理器中，進行溶氣增氧殺滅SRB，以避免發生點蝕現象而發生均勻腐蝕。同時，由于電極棒不斷向水體釋放電子，提高水的堿度而降低腐蝕。主要原理：①水中產生·O2-、H2O2及·OH等活性氧物質，對無垢系統中的金屬表面產生鈍化保護層；②O2-、H2O2及·OH等活性氧物質可以殺除水中的細菌，降低細菌腐蝕；③電極向水體釋放電子起到了陰極保護作用；④除硫過程中生成OH-提高pH值，可降低水的腐蝕性；⑤在電極的作用下發生O2＋2H2O＋4e→4OH-，減少氧對設備管網的腐蝕。

(8)濾料渦流沖洗再生原理。獨立濾料循環反沖洗再生系統，反沖洗濾料在罐內外循環的同時濾料也在罐內進行渦流旋轉，過濾罐結構上不留反沖洗死角，反沖洗徹底、抗污染能力強，杜絕濾料板結現象。反沖洗強度低(≤3.6L/s·m2)、用水量少，可有效控制濾后水回流，提高系統效率，節能降耗顯著。下出上進濾料循環方式，有效縮短濾料反沖洗再生時間(一般不超過15分鐘)。

3.2.2 處理工藝流程

針對川東北邊遠氣井采氣廢水回注處理，管輸至污水處理站則管道建設投資巨大；罐車拉運的運行成本高，受道路不暢、油地關系等因素制約，且直接拉運原水尤其含硫原水有較高風險。基于前述問題，按照優化處理流程、提高處理效果的思路，應用多功能一體化水處理設備，工藝流程優化為“三相分離器→除油沉降罐2具(1用1備)→多功能一體化水處理器→罐車拉運至回注井”，減少了混凝沉降罐的處理環節(圖3)。

某油田因原水礦化度較高(100g/l)及污水處理系統后續工藝不完善，處理后水質指標長期徘徊在含油60-80mg/l、懸浮物40-60mg/l、總鐵16-20mg/l。應用多功能一體化處理設備優化處理工藝流程后，含油、懸浮物均在10mg/l以內，總鐵含量下降到4-7mg/l。說明，采用該設備對邊遠井采氣廢水回注工藝流程進行優化，有較好經濟效益和應用前景。

4 結語

(1)目前川東北采出水總量360m3/d，且隨采出程度的增加，產水氣井將逐漸增多，采氣廢水量會越來越大。水質特點：含大量的鹽類、SS含量超標、部分井采氣廢水中-高含硫及少量油，在溫度壓力等條件變化時可能結垢產生沉淀，產水周期長、采出水量較大。

(2)川東北地區采氣廢水常見處理方式有：就近處理達標后外排與集中處理后回注地層，對比分析認為回注是采氣廢水處理最經濟、有效的方法。由于地處典型山區地貌，各氣井(尤其邊遠井)間距離遠，采出水系統分散且產水量及水質差異大，對水處理工藝的選擇和流程布局帶來不小的難度。

(3)回注的主要工作在水的預處理方面，在用的處理工藝技術流程為“采氣廢水→拉運或管輸至處理站→加藥→沉降池→二級過濾→加入殺菌劑→凈水儲存罐→增壓泵加壓→注入井”。針對某些邊遠氣井，建設輸水管道投資大、罐車拉運的運行成本高且受制因素較多，本著“優化簡化流程、降低處理成本”的思路，探索了一種多功能一體化采出水處理設備，將工藝流程優化為“三相分離器→除油沉降罐2具(1用1備)→多功能一體化水處理器→罐車拉運至回注井”。

(4)多功能一體化采氣廢水處理設備體積小(占地面積少)，自動化程度較高，現場操作簡單；處理流程簡單，且不需投加藥劑，可有效減少采出水處理環節，降低工程投資和運行成本；由于具有除油、過濾、防垢、緩蝕、殺菌及自動反沖洗等功能。該設備已在國內某油田成功應用，處理效果良好，在邊遠井采氣廢水處理中有較好的應用前景。

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何海,(1984—),四川省巴中市人,男,助理工程師,碩士;2012年畢業于中國地質大學(北京)礦產普查與勘探專業;主要從事采油氣工藝及油藏動態跟蹤等方面的生產、科研工作。