川东北地区采气废水处理工艺技术问题和发展

　　川东北是中石化在四川盆地的重要气源地之一，西南油气分公司所属的HB、MLB及YB气田均有不同程度产出地层水、凝析水及储层改造未返排残酸等采气废水的气井。水中含大量的盐类（即矿化度高）、悬浮颗粒及油，部分井采气废水中还含硫，而且产水周期长、采出水量较大，若得不到有效处理，不但污染环境还会影响气井正常生产。
　　此外，川东北为典型的山区地貌，各气田、油气井（尤其边远井）间交通距离很远，采出水系统极为分散，不同气井采出水量及水质差异很大，对水处理工艺的选择和流程布局带来不小的难度。
　　1 川东北采气废水现状及水质特点
　　1.1 采气废水现状及趋势
　　目前，区内在产气井36口，产气量约3×108m3/a，其中产水气井17口，单井产水量0.2-184m3/d，采出水总量360m3/d。YB海相高含硫气田投产（预计2015年）后，各类气井近80口，天然气产能约40×108m3/a，采气废水总量近1000m3/d（目前，HB与MLB气田产水总量约为330m3/d；YB高含硫气田预计产水总量400m3/d）。
　　HB气田开采年限不足10年，气井生产平均水气比高达17.8m3/104m3，即每采出1×104m3气将带出17.8m3废水。不难看出，川东北带水采气和排水采气井将逐渐增多，且随开采程度不断深入，产水气井将逐渐增多，单井产水量及采气废水总量会越来越大，因此采气废水的处理是气田正常开发面临的重大问题之一。
　　1.2 采气废水的水质特点
　　采气废水指采气过程中随天然气一同带出地面的各种废水，主要为地层水与凝析水，但川东北大多气井投产前经过酸化、压裂等储层改造措施，残留在地层中的作业液，使气井采出水成分更加复杂、水质进一步恶化。
　　例如YB9井6836-6857m1个水样分析结果为：臭鸡蛋气味的黑色不透明液，水型为CaCl2型，氯根37597.92mg/l，总矿化度58133.12 mg/l。综合分析认为，川东北气井采气废水具有矿化度高，Cl-含量达几千至几万毫克每升；水质呈酸性，某些气井中-高含硫及油；固体悬浮物（SS）含量超标，在温度、压力等条件发生变化时有结垢产生沉淀的可能。
　　2 川东北采气废水的处理现状
　　采气废水处理方法的选择要根据水质特点、产水规模及国家或地方对水排放量、各类污染物的浓度要求、受纳水体的环境质量规定而定。采气废水的处理方法虽然很多，但对于川东北气井因为水质特点、现场条件（气井分散在广大的山区）、处理目标及成本控制等客观原因的制约，采气废水处理经济有效的方法也是非常有限的，大致有以下2种。
　　2.1 就近处理达标后外排
　　若产水气井比较集中、采气废水成分又相对简单，则就近建立污水处理站，废水从井场管输至污水处理站，处理达标后直接排入地面水系或农灌水系。此方法虽然投入成本低，但常因排放废水达不到环保要求，对气井附近居民的生产、生活带来隐患，甚至因外排水质不达标（国家《污水综合排放标准》一级标准），被地方环保部门勒令停产并处以重罚。
　　2.2 集中处理后回注地层
　　采气废水由罐车拉远或者管输至污水处理站集中处理，符合回注地层水质要求后，再管输至回注井并灌注地层，这是一种非常经济、高效解决污水问题的办法，特别适用于产气量大、产水量多的气井。此外，川东北目前有较多地层渗透性好、井下层位空间大、井口残余压力小的生产晚期或已枯竭井，这对采气废水回注提供了极大的便利，极大的降低了采气废水治理的投入成本。
　　对于某些比较偏远的边远井，在井站单独建立污水处理流程或增建污水外输管道都是不经济的，常用的做法是罐车拉运采气废水至污水处理站。此法虽然投入资金较少，但对于川东北农村山区常因路面垮塌、油地关系等原因造成的交通不畅，导致采气废水无法外排而致使气井被迫关井，所以并非长久之计。
　　3 川东北采气废水回注处理工艺
　　对比分析认为回注是采气废水处理最经济、有效的方法，环境影响小、投资与处理成本低。针对川东北气井采气废水水质特点，若不经任何处理直接回注必然造成注水系统腐蚀或堵塞、地层储层物性变差甚至出现堵塞。因此，回注的主要工作在于水的预处理方面，重点解决机械杂质对地层的堵塞，控制悬浮颗粒的总量和粒径，保证一定的回注水水质，才能达到预期的注得进去、注入量大。
　　3.1 采气废水回注处理工艺
　　采气废水回注处理工艺必须考虑：回注水与地层水配伍性、降低投资及运行的成本、设备性能可靠并易于维护、减少处理过程带来二次污染及各集成单元的迁移性等因素。川东北目前在用的工艺技术流程为：采气废水→拉运或管输至处理站→加药→沉降池→粗过滤→精细过滤→加入杀菌剂→净水储存罐→增压泵加压→注入井（图1）。
　　3.2 边远井采气废水处理工艺探讨
　　针对某些边远气井，建设输水管道投资大、罐车拉运的运行成本高，本着“优化简化流程、降低处理成本”的思路，该文探讨了一种多功能一体化采出水处理设备。主要由含油污水处理装置和多功能一体化气井采气废水处理器组成，前者主要是降低污水浊度以防止堵塞后续装置的滤层，同时可以去除浮油、泥砂等杂质，并对水进行预氧化处理；后者是利用水溶气后进入过滤罐涡流器中进行向心气浮除油、混凝，除油后的污水进填料迷宫中进行微涡旋除污降浊，降浊后的水进行精细过滤，过滤后的水再次进行电极的加强处理（图2）。
　3.2.1 主要工作原理
　　（1）溶气增氧用于脱硫与除铁。采气废水经过溶气增氧后，溶解氧将水中的硫化物氧化成危害较轻的硫代硫酸根、硫酸根、水和氢氧根，有机硫化物被氧化成难溶二硫化物从水中分离出去，反应式如下：
　　同时，溶解氧可将水中的二价铁离子氧化成氢氧化三铁沉淀，从而将铁去除，其反应式为：
　　（2）向心气浮除油原理。溶气废水进入罐涡流器特殊轨迹的流道，产生涡流旋转，通过涡流旋转产生的离心力将油气向内圆运移、聚集后，气体浮力将油上浮至罐顶经收油口进行回收，从而去除废水中的浮油及分散油。
　　（3）涡旋除污降浊原理。
　　特殊的吸附聚集填料迷宫产生微涡旋，可将90%以上直径小于2μm的颗粒聚结成大颗粒和大油珠，油珠上浮去除，颗粒过滤去除。
　　（4）过滤净化原理。粗、细两级纤维 球一体过滤，可以去除90%以上的颗粒和乳化油，过滤介质可根据用户出水要求进行选配，确保达到出水水质要求。
　　（5）防垢、除垢原理。过滤后的水流经高压电极时进行高压电场极化处理，水中溶解粒子表面电荷增强，使其变成带超级电荷粒子，带相同电荷的粒子相互排斥，避免其相互聚集、析出沉淀，从而起到防垢作用。同时，带电粒子在装置内变成超级电荷后，随水流经过固有的垢时，水中超级带电粒子将其电荷转移至垢层表面粒子，使其也带有相同的电荷而相互排斥，最终从固有垢层脱离，重新回到溶液中，随着水流流走，由此去除设备和管网上的被。
　　（6）杀菌原理。在进水管上进行溶气增氧用以抑杀硫酸盐还原菌（SRB），另外高压电极可以产生·O2-、H2O2及·OH等活性氧物质，通过与菌类生物表膜或DNA作用，达到有效地杀灭细菌目的。
　　（7）缓蚀原理。多功能一体化水处理器中，进行溶气增氧杀灭SRB，以避免发生点蚀现象而发生均匀腐蚀。同时，由于电极棒不断向水体释放电子，提高水的碱度而降低腐蚀。主要原理：①水中产生·O2-、H2O2及·OH等活性氧物质，对无垢系统中的金属表面产生钝化保护层；②O2-、H2O2及·OH等活性氧物质可以杀除水中的细菌，降低细菌腐蚀；③电极向水体释放电子起到了阴极保护作用； ④除硫过程中生成OH-提高pH值，可降低水的腐蚀性；⑤在电极的作用下发生O2+2H2O+4e→4OH-，减少氧对设备管网的腐蚀。
　　（8）滤料涡流冲洗再生原理。独立滤料循环反冲洗再生系统，反冲洗滤料在罐内外循环的同时滤料也在罐内进行涡流旋转，过滤罐结构上不留反冲洗死角，反冲洗彻底、抗污染能力强，杜绝滤料板结现象。反冲洗强度低（≤3.6L/s·m2）、用水量少，可有效控制滤后水回流，提高系统效率，节能降耗显著。下出上进滤料循环方式，有效缩短滤料反冲洗再生时间（一般不超过15分钟）。
　　3.2.2 处理工艺流程
　　针对川东北边远气井采气废水回注处理，管输至污水处理站则管道建设投资巨大；罐车拉运的运行成本高，受道路不畅、油地关系等因素制约，且直接拉运原水尤其含硫原水有较高风险。基于前述问题，按照优化处理流程、提高处理效果的思路，应用多功能一体化水处理设备，工艺流程优化为“三相分离器→除油沉降罐2具（1用1备）→多功能一体化水处理器→罐车拉运至回注井”，减少了混凝沉降罐的处理环节（图3）。
　　某油田因原水矿化度较高（100g/l）及污水处理系统后续工艺不完善，处理后水质指标长期徘徊在含油60-80mg/l、悬浮物40-60mg/l、总铁16-20mg/l。应用多功能一体化处理设备优化处理工艺流程后，含油、悬浮物均在10mg/l以内，总铁含量下降到4-7mg/l。说明，采用该设备对边远井采气废水回注工艺流程进行优化，有较好经济效益和应用前景。
　　4 结语
　　（1）目前川东北采出水总量360m3/d，且随采出程度的增加，产水气井将逐渐增多，采气废水量会越来越大。水质特点：含大量的盐类、SS含量超标、部分井采气废水中-高含硫及少量油，在温度压力等条件变化时可能结垢产生沉淀，产水周期长、采出水量较大。
　　（2）川东北地区采气废水常见处理方式有：就近处理达标后外排与集中处理后回注地层，对比分析认为回注是采气废水处理最经济、有效的方法。由于地处典型山区地貌，各气井（尤其边远井）间距离远，采出水系统分散且产水量及水质差异大，对水处理工艺的选择和流程布局带来不小的难度。
　　（3）回注的主要工作在水的预处理方面，在用的处理工艺技术流程为“采气废水→拉运或管输至处理站→加药→沉降池→二级过滤→加入杀菌剂→净水储存罐→增压泵加压→注入井”。针对某些边远气井，建设输水管道投资大、罐车拉运的运行成本高且受制因素较多，本着“优化简化流程、降低处理成本”的思路，探索了一种多功能一体化采出水处理设备，将工艺流程优化为“三相分离器→除油沉降罐2具（1用1备）→多功能一体化水处理器→罐车拉运至回注井”。
　　（4）多功能一体化采气废水处理设备体积小（占地面积少），自动化程度较高，现场操作简单；处理流程简单，且不需投加药剂，可有效减少采出水处理环节，降低工程投资和运行成本；由于具有除油、过滤、防垢、缓蚀、杀菌及自动反冲洗等功能。该设备已在国内某油田成功应用，处理效果良好，在边远井采气废水处理中有较好的应用前景。
　　参考文献：
　　[1]蒋晓蓉，黎洪珍.川东气田水处理成本分析及控制[J].南方油气，2004，17（2）：66-68.
　　[2]叶燕，高立新.对四川气田水处理的几点看法[J].石油与天然气化工，2001，30（5）：263-265.
　　[3]王政，唐春凌，胡金燕，等.油气田废水地下灌注技术及其环境风险分析[J].石油钻采工艺，2010，32（增刊）：162-164.
　　[4]刘倩，唐建荣，喻宁.气田水回注处理工艺技术探讨[J].钻采工艺，2006，29（5）：59.