王季鋒 白強 關珩 宋成功

（中國石化華北油氣分公司采油氣工程服務中心）

1 概述

氣田天然氣勘探、開發(fā)過程中，為了提高天然氣產(chǎn)量，通常使用壓裂液進行油氣層壓裂，因此油氣田在開采和打井過程中會產(chǎn)生大量的壓裂返排液，并且在氣田開采過程中還會帶出地層的產(chǎn)出水，統(tǒng)稱為氣田水[1]。根據(jù)目前的開發(fā)利用技術，對于氣田水的處理方式主要有以下三種，一是經(jīng)過處理之后回注地層，二是在處理后符合國家相關標準后進行外排，三是經(jīng)過一定的處理技術處理后進行綜合利用。某氣田水處理廠位于鄂爾多斯市毛烏素沙漠，主要負責氣田水的回收與處理工作，處理后達標水全部回注地層。隨著氣田水量的不斷增加，達標水回注負荷不斷加重，出現(xiàn)回注井泵壓不斷增加，回注能力降低等問題。并且回注地層滲透率較低，出水有機物含量高、腐蝕性強、礦化度高，存在回注層結垢堵塞、回注套管腐蝕隱患。

鄂爾多斯盆地作為祖國能源基地，勘探開發(fā)活動頻繁，地下水消耗量較大，為了降低回注壓力，實現(xiàn)高效、可持續(xù)發(fā)展，進一步探究氣田水處理技術、達標水回用途徑具有積極意義。針對氣田水的回用技術，已有學者和專家做了大量的研究[2-3]。主要針對某氣田水處理廠處理后達標水水質現(xiàn)狀，在此，分析了幾種氣田水處理工藝、展望了氣田水回用的幾種途徑。

2 現(xiàn)有處理工藝及出水水質

2.1 處理工藝介紹

某氣田水處理廠主要負責處理氣田在生產(chǎn)、打井過程中產(chǎn)生的氣田水，處理工藝為pH調節(jié)-絮凝沉淀-pH調節(jié)-絮凝沉淀-兩級過濾。進水pH為5～7，加氫氧化鈉調節(jié)pH至7～8后，加10%聚合氯化鋁溶液進行絮凝沉淀，出水進行二次處理，二次處理出水進入多介質過濾器進行兩級過濾，達標水全部回注地層，水處理流程見圖1。

圖1 水處理流程Fig.1 Water treatment flow chart

2.2 達標水水質分析

某氣田水處理廠處理后達標水水質參數(shù)見表1，處理后達標水，具有高含鹽、高化學需氧量（COD）的特點。現(xiàn)有工藝主要起到調節(jié)氣田水pH、降低懸浮物含量的作用，對含鹽量和COD的去除率低，處理后達標水總硬度大、COD高，直接排入地表會破壞水體的自然平衡，對地表水和地下水造成污染[4]。高含鹽、高腐蝕性、高COD是制約該氣田水處理廠達標水回用的重要因素。

表1 處理后達標水水質參數(shù)Tab.1 Water quality parameters of qualified water after treatment

2.3 回注執(zhí)行標準

氣田水處理廠運行期間回注水執(zhí)行《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準——氣田水回注方法》（SY/T 6596—2016）標準，參照（SY/T 6596—2004）《氣田水回注方法》要求控制水質指標，主要指標如表2所示。現(xiàn)有工藝處理后達標水符合回注標準要求。

表2 《氣田水回注方法》主要指標Tab.2 The main indicator on water injection method of gas field

3 氣田水深度處理技術

為了進一步降低達標水硬度和COD，在研究氣田水處理案例的基礎上，依據(jù)某氣田水處理廠達標水特征，探究了三種水處理技術的適用性，作為后續(xù)繼續(xù)針對該氣田水深度處理的技術儲備。

3.1 芬頓法

引用雙氧水（H2O2）作為某氣田水的深度處理氧化劑，與亞鐵離子（Fe2+）一起使用作為芬頓試劑，芬頓試劑的強氧化性可以高效去除氣田水COD，不會造成二次污染，且該氣田水原水中Fe2+含量較多，一定程度上可以減少藥劑損耗。但芬頓反應對pH要求有局限性，在較高pH和較低pH條件下，都不利于羥基自由基（·OH）的生成，從而影響體系氧化效果[5]，一般認為芬頓反應的初始pH設置在2～4時，對有機物的去除效果較好。

3.2 氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法

降低硬度的方法比較多，最常見的方式為投加化學藥劑，讓貢獻硬度的陽離子生成沉淀去除。該工藝目前降低硬度的方式是通過投加氫氧化鈉，將水調節(jié)至堿性，水中陽離子結合氫氧根生成氫氧化合物沉降，但氫氧化鈉對鈣離子的化合物所導致的硬度去除效果較差，為了進一步增強降硬度效果，本研究提出采用氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法降硬。先投加氫氧化鈉去除水中鎂離子等陽離子，再投加碳酸鈉，碳酸根離子和水中鈣離子結合，降低水中鈣離子含量，進一步降低達標水硬度，且碳酸鈉是強堿弱酸鹽，價格較氫氧化鈉便宜，可以和氫氧化鈉一起起到調節(jié)pH的作用。

3.3 太陽能蒸發(fā)技術

蒸發(fā)是通過能量將液態(tài)水轉化為氣態(tài)的過程，作為一種高效去除水中污染物的方式，常應用于純凈水制備、海水淡化、廢水處理、蒸發(fā)結晶等方面。太陽能是地球上最基本、最廣泛的能源，具有綠色安全等特點，文中所指氣田地處鄂爾多斯盆地，光照充足，非常適合太陽能的轉化和利用，采用太陽能代替化石能源結合蒸發(fā)技術，作為該氣田水處理廠達標水的深度處理工藝，在綠色低碳的前提下，進一步去除達標水中含鹽量、有機物等物質，提升出水水質[6]，但氣田水成分復雜，容易污染蒸發(fā)設備，因此將太陽能光熱蒸發(fā)技術投入實際污水處理中，還需要突破材料抗污染性[7]。

3.4 處理技術對比

結合三種水處理技術的優(yōu)缺點以及適用范圍，氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法可以進一步去除鈣離子的化合物導致的硬度，且碳酸鈉和氫氧化鈉都呈堿性，兩種藥劑一起使用可以替代氫氧化鈉調節(jié)pH的作用，在現(xiàn)有工藝下可直接使用，不需要額外設備、建設投入。芬頓法和太陽能蒸發(fā)技術可以作為提升達標水水質的儲備技術，用于實際生產(chǎn)還需進一步進行研究和驗證，三種水處理技術對比見表3。

表3 三種水處理技術對比Tab.3 Comparison of three water treatment technologies

4 回用途徑

鄂爾多斯盆地，是我國的重要的能源基地，同時也是生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，氣田生產(chǎn)、生活用水依賴地下水，合理利用水資源，建設高效可持續(xù)的工業(yè)用水體系至關重要，提高出水水質，增大達標水回用率，對鄂爾多斯盆地水資源的可持續(xù)利用具有重要意義[8]。

4.1 農(nóng)業(yè)用水

近年來，毛烏素沙漠治沙效果顯著，當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境轉好，玉米、馬鈴薯、牧草等成為當?shù)刂饕r(nóng)作物，但毛烏素沙漠水資源較為匱乏，如果將處理合格的氣田水回用于農(nóng)業(yè)灌溉，不僅能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的水源，減少水資源浪費，而且污水中適量的氮、磷、鉀等成分也可以為土壤提供了肥力，在減少了化肥用量的同時，又增加了農(nóng)作物產(chǎn)量，同時污水的回用也可以減少對地下水的超采[8]。依據(jù)農(nóng)田灌溉水質標準（GB 5084—2021），進一步增加降硬、降COD的處理技術，提升出水水質，才能滿足農(nóng)業(yè)灌溉水質要求。

4.2 綠化環(huán)境回用

氣田水處理廠處理后的工業(yè)污水中COD含量高，重金屬含量低，將處理達標后的氣田水用于廠區(qū)綠化，可以減少回注量，實現(xiàn)污水資源的綜合利用，是氣田水的一個重要的回用途徑。但將氣田水回用于綠化必須防止土壤污染，需進一步降低出水硬度、COD，并加強重金屬的監(jiān)測，防止水中殘余重金屬污染土壤。

4.3 工業(yè)回用

為了提高天然氣產(chǎn)量，天然氣開采和打井過程中都需要使用大量的壓裂液，水基壓裂液重復利用，可以降低氣田水回注風險，節(jié)約水資源。為了最大化的利用好返排液中的有效物質，針對返排液的處理要著重減少有效物質的損耗、降低危害物質的含量，水基壓裂液的重復利用關鍵在于結合實際情況，采用相適應的回用處理工藝，達到高效回用目的[9]。

工業(yè)回用的另一個途徑是用作循環(huán)冷卻水和用于井場沖洗等方面，為了防止冷卻水管線腐蝕和結垢，循環(huán)冷卻水出水水質要求較高，依據(jù)GB/T 50050—2017《循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》，回用前需進一步深度去除達標水中含鹽量和COD。

4.4 地下水回灌

該氣田水處理廠位于鄂爾多斯盆地的毛烏素沙漠，鄂爾多斯作為國家能源基地，各種開采活動頻繁，地下水損耗較多，因此將處理合格的達標水回灌地下，可以解決地下水過度開采的問題，污水回灌地下水對水質要求很高，回灌前須經(jīng)生物處理，包括硝化與脫氮，還必須有效去除有機物與重金屬，一旦回灌水質不達標，將會對地下水含水層造成污染?；毓嗟叵滤撬Y源回用的一個重要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，對保持地球水系統(tǒng)循環(huán)平衡意義重大[10]。

5 結論

為了充分落實水資源節(jié)約，保持低碳、高效、可持續(xù)發(fā)展，該研究綜合各種因素，提出采用芬頓法、氫氧化鈉-碳酸鈉雙堿法、太陽能蒸發(fā)技術降低出水硬度、COD含量，進一步提升達標水水質的處理方案。隨著環(huán)保形勢日益嚴峻，提高達標水回用率是發(fā)展趨勢，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)回用、綠化廠區(qū)、地下水回灌是常見的回用途徑，也是提高氣田水回用率的重要探究方向，提高氣田水回用率對祖國能源基地的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。