川東北地區(qū)采氣廢水處理工藝技術(shù)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(fā)研究院,陜西西安 710018)

川東北地區(qū)采氣廢水處理工藝技術(shù)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(fā)研究院,陜西西安 710018)

根據(jù)川東北氣井產(chǎn)水情況及采出水水質(zhì)特點,結(jié)合特殊的地形地貌條件對比分析認(rèn)為回注是采氣廢水最經(jīng)濟、有效的處理方法。該文在現(xiàn)有回注處理工藝基礎(chǔ)上,針對某些邊遠(yuǎn)氣井采氣廢水處理存在“建設(shè)輸水管道投資大,罐車?yán)\受制于道路、油地關(guān)系等因素且運行成本高”等問題,探索一種已在國內(nèi)某油田成功應(yīng)用的多功能一體化水處理設(shè)備,將邊遠(yuǎn)井采氣廢水處理工藝流程優(yōu)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?yán)\至回注井”,可達(dá)到優(yōu)化簡化流程、降低處理成本之目的。

川東北 邊遠(yuǎn)氣井 采氣廢水 工藝技術(shù) 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(chǎn)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(chǎn)水周期長、采出水量較大，若得不到有效處理，不但污染環(huán)境還會影響氣井正常生產(chǎn)。

此外，川東北為典型的山區(qū)地貌，各氣田、油氣井(尤其邊遠(yuǎn)井)間交通距離很遠(yuǎn)，采出水系統(tǒng)極為分散，不同氣井采出水量及水質(zhì)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(xiàn)狀及水質(zhì)特點

1.1 采氣廢水現(xiàn)狀及趨勢

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

HB氣田開采年限不足10年，氣井生產(chǎn)平均水氣比高達(dá)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(chǎn)水氣井將逐漸增多，單井產(chǎn)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(fā)面臨的重大問題之一。

1.2 采氣廢水的水質(zhì)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(chǎn)前經(jīng)過酸化、壓裂等儲層改造措施，殘留在地層中的作業(yè)液，使氣井采出水成分更加復(fù)雜、水質(zhì)進一步惡化。

例如YB9井6836-6857m1個水樣分析結(jié)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(rèn)為，川東北氣井采氣廢水具有礦化度高，Cl-含量達(dá)幾千至幾萬毫克每升；水質(zhì)呈酸性，某些氣井中-高含硫及油；固體懸浮物(SS)含量超標(biāo)，在溫度、壓力等條件發(fā)生變化時有結(jié)垢產(chǎn)生沉淀的可能。

圖1 川東北地區(qū)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(xiàn)狀

采氣廢水處理方法的選擇要根據(jù)水質(zhì)特點、產(chǎn)水規(guī)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(huán)境質(zhì)量規(guī)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(zhì)特點、現(xiàn)場條件(氣井分散在廣大的山區(qū))、處理目標(biāo)及成本控制等客觀原因的制約，采氣廢水處理經(jīng)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(shè)備實物照片

圖3 邊遠(yuǎn)井采氣廢水處理工藝流程示意圖

2.1 就近處理達(dá)標(biāo)后外排

若產(chǎn)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(dá)標(biāo)后直接排入地面水系或農(nóng)灌水系。此方法雖然投入成本低，但常因排放廢水達(dá)不到環(huán)保要求，對氣井附近居民的生產(chǎn)、生活帶來隱患，甚至因外排水質(zhì)不達(dá)標(biāo)(國家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn))，被地方環(huán)保部門勒令停產(chǎn)并處以重罰。

2.2 集中處理后回注地層

采氣廢水由罐車?yán)h(yuǎn)或者管輸至污水處理站集中處理，符合回注地層水質(zhì)要求后，再管輸至回注井并灌注地層，這是一種非常經(jīng)濟、高效解決污水問題的辦法，特別適用于產(chǎn)氣量大、產(chǎn)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(chǎn)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(yuǎn)的邊遠(yuǎn)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(jīng)濟的，常用的做法是罐車?yán)\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(nóng)村山區(qū)常因路面垮塌、油地關(guān)系等原因造成的交通不暢，導(dǎo)致采氣廢水無法外排而致使氣井被迫關(guān)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(rèn)為回注是采氣廢水處理最經(jīng)濟、有效的方法，環(huán)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(zhì)特點，若不經(jīng)任何處理直接回注必然造成注水系統(tǒng)腐蝕或堵塞、地層儲層物性變差甚至出現(xiàn)堵塞。因此，回注的主要工作在于水的預(yù)處理方面，重點解決機械雜質(zhì)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(zhì)，才能達(dá)到預(yù)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(shè)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(shù)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(xì)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(yuǎn)井采氣廢水處理工藝探討

針對某些邊遠(yuǎn)氣井，建設(shè)輸水管道投資大、罐車?yán)\的運行成本高，本著“優(yōu)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(shè)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(xù)裝置的濾層，同時可以去除浮油、泥砂等雜質(zhì)，并對水進行預(yù)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(xì)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(jié)果表明，分別以R22和R417A為制冷工質(zhì)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(zhì)。

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(jīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生渦流旋轉(zhuǎn)，通過渦流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將油氣向內(nèi)圓運移、聚集后，氣體浮力將油上浮至罐頂經(jīng)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(chǎn)生微渦旋，可將90%以上直徑小于2μm的顆粒聚結(jié)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(xì)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(zhì)可根據(jù)用戶出水要求進行選配，確保達(dá)到出水水質(zhì)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(chǎn)生·O2-、H2O2及·OH等活性氧物質(zhì)，通過與菌類生物表膜或DNA作用，達(dá)到有效地殺滅細(xì)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(fā)生點蝕現(xiàn)象而發(fā)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(chǎn)生·O2-、H2O2及·OH等活性氧物質(zhì)，對無垢系統(tǒng)中的金屬表面產(chǎn)生鈍化保護層；②O2-、H2O2及·OH等活性氧物質(zhì)可以殺除水中的細(xì)菌，降低細(xì)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(fā)生O2＋2H2O＋4e→4OH-，減少氧對設(shè)備管網(wǎng)的腐蝕。

(8)濾料渦流沖洗再生原理。獨立濾料循環(huán)反沖洗再生系統(tǒng)，反沖洗濾料在罐內(nèi)外循環(huán)的同時濾料也在罐內(nèi)進行渦流旋轉(zhuǎn)，過濾罐結(jié)構(gòu)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(jié)現(xiàn)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(tǒng)效率，節(jié)能降耗顯著。下出上進濾料循環(huán)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(yuǎn)氣井采氣廢水回注處理，管輸至污水處理站則管道建設(shè)投資巨大；罐車?yán)\的運行成本高，受道路不暢、油地關(guān)系等因素制約，且直接拉運原水尤其含硫原水有較高風(fēng)險。基于前述問題，按照優(yōu)化處理流程、提高處理效果的思路，應(yīng)用多功能一體化水處理設(shè)備，工藝流程優(yōu)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?yán)\至回注井”，減少了混凝沉降罐的處理環(huán)節(jié)(圖3)。

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

4 結(jié)語

(1)目前川東北采出水總量360m3/d，且隨采出程度的增加，產(chǎn)水氣井將逐漸增多，采氣廢水量會越來越大。水質(zhì)特點：含大量的鹽類、SS含量超標(biāo)、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(jié)垢產(chǎn)生沉淀，產(chǎn)水周期長、采出水量較大。

(2)川東北地區(qū)采氣廢水常見處理方式有：就近處理達(dá)標(biāo)后外排與集中處理后回注地層，對比分析認(rèn)為回注是采氣廢水處理最經(jīng)濟、有效的方法。由于地處典型山區(qū)地貌，各氣井(尤其邊遠(yuǎn)井)間距離遠(yuǎn)，采出水系統(tǒng)分散且產(chǎn)水量及水質(zhì)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(yù)處理方面，在用的處理工藝技術(shù)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(yuǎn)氣井，建設(shè)輸水管道投資大、罐車?yán)\的運行成本高且受制因素較多，本著“優(yōu)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(shè)備，將工藝流程優(yōu)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?yán)\至回注井”。

(4)多功能一體化采氣廢水處理設(shè)備體積小(占地面積少)，自動化程度較高，現(xiàn)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(huán)節(jié)，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(shè)備已在國內(nèi)某油田成功應(yīng)用，處理效果良好，在邊遠(yuǎn)井采氣廢水處理中有較好的應(yīng)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(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè);主要從事采油氣工藝及油藏動態(tài)跟蹤等方面的生產(chǎn)、科研工作。