沁水盆地南部地區(qū)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(fā)分公司，山西 048000)

沁水盆地南部地區(qū)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(fā)分公司，山西 048000)

根據(jù)沁水盆地煤層氣的生產(chǎn)實(shí)際情況，以不同水文地質(zhì)單元、不同構(gòu)造部位、不同井型和不同煤層氣產(chǎn)出量為采樣原則，有針對(duì)性地選擇了生產(chǎn)區(qū)內(nèi)6口生產(chǎn)井，對(duì)其煤層氣采出水進(jìn)行取樣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域采出水物理性質(zhì)較為單一，礦化度較高。基于環(huán)保與節(jié)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(tǒng)來進(jìn)行水質(zhì)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(qū)水文概況

從盆地位置來講，沁水盆地南部地區(qū)屬延河泉域水系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(dǎo)水，地形標(biāo)高、水位標(biāo)高在沁水盆地相對(duì)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(qū)東部和南部有大氣降水補(bǔ)給，北部和西部有分水嶺的水源補(bǔ)給。水體向水位低等勢(shì)面部位匯流。主力煤層隨匯水區(qū)方向，煤層氣含量明顯增加，為富氣區(qū)。該區(qū)鉆孔單位涌水量為75.78m3/d，水質(zhì)明顯變差，礦化度高達(dá)1823.61mg/L。水徑流微弱，但在次級(jí)背斜軸部裂隙、巖溶發(fā)育地帶，徑流相對(duì)增強(qiáng)。

圖1 延河泉域水系統(tǒng)示意圖

2 沁水盆地南部地區(qū)煤層氣采出水水文分析及其化學(xué)組成

2.1 水文分析

地下采出水的水質(zhì)類型是礦物和水文機(jī)理之間內(nèi)在聯(lián)系所產(chǎn)生的一種結(jié)果。所以一個(gè)含水層的礦物學(xué)特點(diǎn)和地下采出水的水質(zhì)類型是相互影響的。目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行常規(guī)水文地球化學(xué)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(dāng)量的百分?jǐn)?shù)來表示。

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

2.2 化學(xué)組成

為了研究采出水動(dòng)態(tài)變化特征，選擇我國(guó)煤層氣開發(fā)較好的區(qū)塊——沁水盆地樊莊區(qū)塊進(jìn)行水樣的連續(xù)跟蹤采集，有針對(duì)性地選擇了6口生產(chǎn)井，開展了連續(xù)的水樣跟蹤采集分析工作，進(jìn)行了總礦化度、pH值、相對(duì)密度、平均分子量以及各種離子含量等多項(xiàng)水樣的物理化學(xué)性質(zhì)的觀測(cè)分析(表1)。

圖2 沁水盆地南部地區(qū)皮珀水文三線圖

可以看出該區(qū)塊所選井的采出水化學(xué)組成特點(diǎn)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(chǎn)井采出水化學(xué)組成表

3 煤層氣采出水對(duì)環(huán)境影響

煤層氣采出水是煤層氣開采過程中的副產(chǎn)物，經(jīng)歷滲流、氣-水作用等多種過程，水質(zhì)水量變化大，成分復(fù)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(jìn)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(dāng)?shù)乇硭M(jìn)入煤儲(chǔ)層后，發(fā)生水-巖作用，導(dǎo)致污染，出現(xiàn)鈉離子、氯離子濃度異常高的特征。如果不進(jìn)行及時(shí)處理而直接排入環(huán)境，易導(dǎo)致土壤鹽堿化、農(nóng)作物減產(chǎn)、地表和地下水污染，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

4 沁南地區(qū)煤層氣采出水處理工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)沁南地區(qū)煤層氣井采出水物理性質(zhì)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(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外成熟的煤層氣采出水處理工藝，該地區(qū)煤層氣采出水處理可采用反滲透膜與離子交換技術(shù)相結(jié)合的工藝設(shè)計(jì)，即在反滲透脫鹽裝置中加設(shè)特定離子交換系統(tǒng)。

反滲透脫鹽裝置主要由預(yù)處理系統(tǒng)、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(guān)壓力管道等組合而成。其中，反滲透膜組件是整個(gè)處理系統(tǒng)的關(guān)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(shí)，滲透出淡化水。反滲透脫鹽系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求較高，合理的原水預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)維持反滲透性能的穩(wěn)定性、阻止膜的污染和惡化極其重要。

針對(duì)沁南地區(qū)煤層氣采出水中較高的碳酸氫鹽含量(屬于結(jié)垢型水質(zhì))，故需設(shè)置離子交換深度除鹽部分。離子交換系統(tǒng)可以去除使反滲透膜結(jié)垢的Ca2+、Mg2+離子以及一大部分Na+離子。系統(tǒng)的產(chǎn)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(tǒng)中不易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。同時(shí)，由于替代的陽離子為H+，遇到堿性的CO32-和HCO3-會(huì)轉(zhuǎn)化為CO2和水，降低了水中的固體溶解物雜質(zhì)含量(英文簡(jiǎn)寫TDS)，從而降低了滲透壓，使反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)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(jīng)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(shù)相結(jié)合的工藝設(shè)計(jì)具備以下特點(diǎn)：

(1)離子交換裝置將進(jìn)入反滲透膜系統(tǒng)的水先行脫鹽，從而降低了反滲透膜的系統(tǒng)損耗，裝置壽命將相應(yīng)延長(zhǎng)，節(jié)約了反滲透膜更換的設(shè)備和人力成本。

(2)系統(tǒng)能耗降低，符合國(guó)家節(jié)能增效原則。同時(shí)降低了電網(wǎng)的安全運(yùn)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(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)并更換。因此，在煤層氣產(chǎn)出水水質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，可依照交換劑的特性進(jìn)行樹脂的部分或全部更換，增加了對(duì)水中某幾種陽離子或陰離子的針對(duì)性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性與針對(duì)性。

(4)離子交換設(shè)備體積較小，拆卸程序簡(jiǎn)易，利于系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和再調(diào)整。

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

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(xiàn)從事地面建設(shè)管理工作。