氣田含醇污水預處理工藝參數優化

蘇碧云，黃 力，李善建，李曉曼

（西安石油大學化學化工學院，陜西西安 710065）

在天然氣開采過程中，隨著氣藏壓力的降低，地層水會逐漸浸入氣藏并伴隨天然氣一同被采出；為了增加天然氣產量，氣田大量采用排水采氣工藝，這兩方面原因使得采氣污水產量劇增。由于天然氣與水容易形成水合物，在天然氣集輸管線系統中，輕則導致管道流通面積的減小，重則將導致管道或設備的堵塞。為了抑制水合物的形成和降低水合物的冰點，通常在天然氣采氣井口或集輸管道噴注有機抑制劑，其中最常用的是甲醇。由于注入管道的甲醇在集氣站與天然氣分開，因此產生了氣田采出水。

氣田采出水經過從天然氣集輸到初加工的整個過程中，發現其具有成分復雜、雜質種類多的特點，并且不同地區的采出水具有不同成分特點，其雜質種類及性質都和氣藏地質條件、天然氣集輸條件等因素有關。總體上講，氣田采出水是一種含有固體雜質、液體雜質、溶解氣體和溶解鹽類等復雜成分的多相混合物[1]。從環保和經濟等方面考慮，這樣的污水直接排放會對環境造成嚴重的污染，對動植物造成極大的危害；同時污水中含有大量的機械性雜質、結垢離子和大量的甲醇，直接注入地下將會造成地層堵塞[2]，從而影響油田的正常運作和安全生產。

米脂天然氣處理廠主要負責子洲氣田生產過程中產生的含醇含油污水，采出水處理工藝主要由處理能力150 m3/d的采出水預處理系統、甲醇再生系統和污水回注系統三個部分組成[3]。氣田采出水先進入污水罐和除油器除油，經過加藥除鐵，最后通過核桃殼粗過濾器及無紡布精細過濾器去除機雜。預處理后的水樣轉入原料水罐，經甲醇精餾塔、甲醇回收裝置后再回注井下。現場氣田采出水預處理系統加藥后污水在反應罐中停留時間較短，經過較短的管道簡單混合后進入中間水罐，無法保證加藥絮凝階段除鐵效果，尤其在冬季處理水量大時，處理系統連續運行，污水在反應罐中幾乎不停留，導致雜質未充分氧化、絮凝、沉淀，直到核桃殼過濾器和無紡布精細過濾器中才滯后析出，造成過濾裝置的堵塞和水處理能力的下降，因此要對原加藥除鐵工藝進行調整和優化。

針對采出水預處理系統所存在的上述問題，在已優化除鐵藥劑及加藥量的基礎上，需對原有的加藥除鐵工藝參數進行再優化，針對反應溫度、加藥間隔、攪拌速率和靜置時間，篩選出四大條件的最優參數，進而在今后的加藥工藝中達到對鐵離子有效去除的目的，防止后續管線堵塞和結垢。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

實驗污水取自長慶油田米脂天然氣處理廠。實驗藥劑：氫氧化鈉、雙氧水、聚丙烯酰胺（PAM，含量≥85%，相對分子質量≥300萬）。

實驗儀器：0.45 μm濾膜，天津津騰實驗設備有限公司。循環水真空泵，鞏義市科瑞儀器有限公司。721分光光度儀，上海第三分析儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 絮凝實驗 在實驗室對米脂處理廠使用的加藥工藝進行模擬及優化，同時進行效果評價。在500 mL燒杯中加入200 mL氣田采出水，加藥量為：NaOH（98%～99%）：400 mg/L～500 mg/L；雙氧水（30%）：400 mg/L～500 mg/L；絮凝劑（陽離子聚丙烯酰胺200萬）：4 mg/L～6 mg/L，加藥順序 H2O2→NaOH→PAM。

1.2.2 機雜含量的測定 機雜含量的測定采用濾膜過濾法。該方法需取水樣上清液通過已稱至恒重且平均孔徑為0.45 μm的濾膜，根據烘干過濾后濾膜的增重，計算水中機雜的含量。

1.2.3 鐵含量的測定[4]鐵含量測定采用鄰二氮菲分光光度法。在pH值為2～9的溶液中，Fe2+能與鄰二氮菲形成紅色的鄰二氮菲-亞鐵絡合物，該紅色絡合物的最大吸收峰位于510 nm處。通過測定樣品與鄰二氮菲形成的絡合物的吸光度，然后在標準吸收曲線上查得溶液中Fe2+的含量，進而計算水樣中Fe2+的含量。

總鐵含量測定：取待測水樣加入一定量的鹽酸羥胺，使水樣中的Fe3+還原為Fe2+，然后調節pH值在5左右，加入鄰二氮菲，測定鄰二氮菲-亞鐵絡合物的吸光度，最后在標準吸收曲線上查得溶液中Fe2+的含量，計算水樣中總鐵的含量。

Fe2+含量測定：取待測水樣后，調節其pH值在5左右，再加入鄰二氮菲，即形成紅色的鄰二氮菲-亞鐵絡合物，然后測其吸光度，最后在標準吸收曲線上查得溶液中Fe2+的含量，計算水樣中Fe2+的含量。

Fe3+含量測定：Fe3+含量等于總鐵含量與Fe2+含量之間的差值。

2 實驗結果與討論

2.1 現場加藥模擬

模擬現場的加藥工藝，考察現場加藥工藝的除鐵效果，實驗所用藥品（見圖1），加藥量為：NaOH（98%～99%）：400 mg/L～500 mg/L；雙氧水（30%）：400 mg/L～500 mg/L；絮凝劑（陽離子聚丙烯酰胺1 200萬）：4 mg/L～6 mg/L，加藥順序H2O2→NaOH→PAM。現場加藥效果評價結果（見表1），可以看出經現場加藥方案處理后的水樣中Fe3+含量為60.21 mg/L，加藥除去41.68%的鐵離子，但遠高于5 mg/L的回注水水質標準[5]。機雜含量由780 mg/L降至440 mg/L，絮凝沉降43.59%的雜質，與回注水水質國家標準規定的10 mg/L有較大差距[6]。

需對絮凝除鐵的反應溫度、加藥間隔、攪拌速率和靜置時間等工藝參數進行優化，增加反應溫度，機雜的絮凝沉降速度會隨著溫度的升高而增加[7]，但較高的溫度會阻礙Fe2+氧化為Fe3+。適當延長加藥間隔，即為延長了反應時間，可以使各藥劑在污水中絮凝除鐵的反應更加充分。增加攪拌速率使得除鐵藥劑可以更快地與污水離子接觸、反應，但過快的攪拌速率可能會破壞剛形成的絮體結構，可能會導致污水中機雜含量不降反增[8]。

圖1 米脂處理廠現場藥品

表1 現場加藥絮凝效果評價

2.2 加藥反應溫度優化

在保持加藥間隔、攪拌速率、靜置時間不變的條件下，為考察溫度對絮凝效果的影響，溫度變化依次設置為20℃、30℃、40℃、50℃，實驗結果（見圖2）。由圖2可以看出隨著溫度上升，水樣中Fe3+含量迅速下降，且在40℃時達到最低，隨后溫度上升Fe3+含量緩慢增加。機雜的絮凝沉降速度隨著溫度的升高而升高，但考慮到對大量污水進行加熱的經濟成本，因此加藥反應的溫度控制在40℃為宜，此時Fe3+含量降至23.4 mg/L，機雜含量可達372 mg/L。

圖2 溫度對加藥絮凝效果的影響

2.3 加藥間隔優化

在保持溫度40℃且攪拌速率、靜置時間不變的條件下，為考察加藥間隔對絮凝效果的影響，加藥間隔依次設置為20 s、40 s、60 s與無間隔。實驗結果（見圖3），隨著加藥間隔的增加，Fe3+含量呈直線下降趨勢，因此間隔時間越長采出水中的Fe2+氧化越徹底，NaOH與絮凝劑對Fe3+的絮凝效果越明顯。機雜含量在加藥間隔為20 s時最低，且隨著加藥間隔的延長，采出水中機雜含量有少量增加。故取加藥間隔60 s為宜，此時Fe3+含量降至2.1 mg/L，機雜含量可達310 mg/L。

2.4 攪拌速度優化

在保持溫度40℃、加藥間隔60 s和靜置時間不變的條件下，為考察攪拌速率對加藥反應絮凝效果的影響，設置攪拌速率依次為：200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min。實驗結果（見圖4），可以得出隨著攪拌速率的增加Fe3+含量先緩慢增加，接著在400 r/min后迅速下降；而采出水樣機雜含量在200 r/min～300 r/min大量減少，300 r/min有微量波動。但總體來看，在攪拌速率為500 r/min時，三價鐵的含量達到最低，同時機雜的含量也較低，其效果也是最好的，故選擇攪拌速率為500 r/min，此時Fe3+含量降至5.7 mg/L，機雜含量可達220 mg/L。

2.5 靜置時間優化

圖3 加藥間隔對加藥絮凝效果的影響

在保持40℃、加藥間隔60 s、攪拌速率500 r/min的條件下，改變靜置時間考察其對絮凝效果的影響，將靜置時間設置為 20 min、30 min、40 min、50 min，實驗結果（見圖5），由圖5可知隨著靜置時間的延長，采出水水樣中的Fe3+含量先緩慢上升，30 min后持續大量減少；機雜含量先急劇減少，30 min后采出水中機雜含量變化平緩。考慮到現場水處理量，因此靜置時間不宜太長，故選擇50 min最佳，此時Fe3+含量降至10.9 mg/L，機雜含量可達87 mg/L。

圖4 攪拌速率對加藥絮凝效果的影響

3 結論

（1）根據上述工藝參數優化的實驗結果可知，在現場原有的反應條件基礎上適當升高加藥反應溫度、增長加藥間隔，加快攪拌速率和延長靜置時間都有利于反應的充分進行，從而降低鐵含量，提高絮凝效果。優化后的加藥除鐵工藝參數：40℃下，攪拌速率為500 r/min，加藥間隔60 s，靜置50 min，可將原始采出水水樣的Fe3+含量減少至11 mg/L，機雜含量控制在90 mg/L以下，經核桃殼過濾器和無紡布精細過濾器過濾后，水質基本滿足甲醇精餾塔的水質要求。

（2）現場可根據采出水的水質變化適當調節NaOH、H2O2及絮凝劑的加量。

圖5 靜置時間對加藥絮凝效果的影響

國內首套高壓直流干擾大功率直流排流器研制成功

10月30日，管道公司牽頭的國家重點研發計劃項目“高壓直流強干擾和動態交直流雜散電流監測及防御技術研究”代表性設備——高壓直流干擾大功率直流排流器，順利通過中國測量技術研究院性能測試鑒定，標志著高壓直流干擾大功率直流排流器研制成功。

高壓直流干擾大功率直流排流器是針對我國高壓直流干擾實際需要研發的，具有自主知識產權。該設備采用首創的基于芯片智能控制的“分級導通，分級散熱”技術，將排流器的直流通流能力由15安提升到240安，溫升控制在10攝氏度之內，可同時滿足常規性固態去耦合器的所有參數要求。這套設備實現了無高壓直流干擾時，排常規交流干擾；有高壓直流干擾時，排直流，且不漏失陰極保護電流的特點。

高壓直流干擾大功率排流器解決了管道交流干擾和高壓直流干擾并存排流技術難題，對消除我國高壓直流干擾地區管道閥室燃爆風險具有重要意義。

（摘自中國石油報第7217期）