沁水盆地南部地区煤层气采出水治理的探讨

卢 锴 王仙之 史 超 王利祥 陈 巧 李 娜

(华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

沁水盆地南部地区煤层气采出水治理的探讨

卢 锴 王仙之 史 超 王利祥 陈 巧 李 娜

(华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

根据沁水盆地煤层气的生产实际情况，以不同水文地质单元、不同构造部位、不同井型和不同煤层气产出量为采样原则，有针对性地选择了生产区内6口生产井，对其煤层气采出水进行取样测试，发现该区域采出水物理性质较为单一，矿化度较高。基于环保与节能原则，并充分考虑成本控制因素，建议采用反渗透脱盐装置中加特定离子交换系统来进行水质处理。

沁水盆地 煤层气 采出水 矿化度 离子交换

1 沁水盆地南部地区水文概况

从盆地位置来讲，沁水盆地南部地区属延河泉域水系统，该系统北部为地下分水岭，东、南、西为断层边界，南部西段阻水、东段导水，地形标高、水位标高在沁水盆地相对较低，为南部北倾、东部西倾，西部东倾的箕形盆地。北部由北向南，西部由西向东，东部由东向西径流，呈向东南开口的箕形(图1)。

该区东部和南部有大气降水补给，北部和西部有分水岭的水源补给。水体向水位低等势面部位汇流。主力煤层随汇水区方向，煤层气含量明显增加，为富气区。该区钻孔单位涌水量为75.78m3/d，水质明显变差，矿化度高达1823.61mg/L。水径流微弱，但在次级背斜轴部裂隙、岩溶发育地带，径流相对增强。

图1 延河泉域水系统示意图

2 沁水盆地南部地区煤层气采出水水文分析及其化学组成

2.1 水文分析

地下采出水的水质类型是矿物和水文机理之间内在联系所产生的一种结果。所以一个含水层的矿物学特点和地下采出水的水质类型是相互影响的。目前，国内进行常规水文地球化学分析的方法很多，本次研究采用皮珀水文三线图来定性分析。该图各以三组主要的阳离子(Ca2+，Mg2+，Na++K+)和阴离子(Cl-，SO42-，HCO3-+CO32-)的每升毫克当量的百分数来表示。

通过皮珀水文三线图对沁水盆地南部地区水离子成分进行分析(图2)，含水层主要以NaHCO3为主，说明该区总体保存条件较好。

2.2 化学组成

为了研究采出水动态变化特征，选择我国煤层气开发较好的区块——沁水盆地樊庄区块进行水样的连续跟踪采集，有针对性地选择了6口生产井，开展了连续的水样跟踪采集分析工作，进行了总矿化度、pH值、相对密度、平均分子量以及各种离子含量等多项水样的物理化学性质的观测分析(表1)。

图2 沁水盆地南部地区皮珀水文三线图

可以看出该区块所选井的采出水化学组成特点是矿化度高、氯化物多。具体为，阳离子中的K++Na+平均含量是901.4mg/L，Ca2+、Mg2+离子平均含量分别是9.4mg/L、12.2mg/L；阴离子中的HCO3-离子的含量高，平均是1652.2mg/L；Cl-离子含量次之，平均是467.9mg/L；SO42-离子含量最低，平均是14.4mg/L。总矿化度为2181～3591mg/L，平均是3057mg/L，水型为NaHCO3型。

表1 6口生产井采出水化学组成表

3 煤层气采出水对环境影响

煤层气采出水是煤层气开采过程中的副产物，经历渗流、气-水作用等多种过程，水质水量变化大，成分复杂。另外，在其开采过程中，钻井、固井、压裂施工均以地表水作为载体进行，而地表水的矿化度及主要离子成分明显不同于煤层水。当地表水进入煤储层后，发生水-岩作用，导致污染，出现钠离子、氯离子浓度异常高的特征。如果不进行及时处理而直接排入环境，易导致土壤盐碱化、农作物减产、地表和地下水污染，对工农业生产和居民生活造成严重的负面影响。

4 沁南地区煤层气采出水处理工艺设计

根据沁南地区煤层气井采出水物理性质较为单一，与煤矿水相比较为清洁，无明显悬浮物，且矿化度较高的特点，结合国内外成熟的煤层气采出水处理工艺，该地区煤层气采出水处理可采用反渗透膜与离子交换技术相结合的工艺设计，即在反渗透脱盐装置中加设特定离子交换系统。

反渗透脱盐装置主要由预处理系统、反渗透膜组件、压力容器、高压泵、反渗透滑架、控制仪表及相关压力管道等组合而成。其中，反渗透膜组件是整个处理系统的关键部件，反渗透膜装在膜壳中，通过高压泵的作用，将煤层气采出水输送到膜壳中，采出水通过膜片时，渗透出淡化水。反渗透脱盐系统对进水水质要求较高，合理的原水预处理系统对维持反渗透性能的稳定性、阻止膜的污染和恶化极其重要。

针对沁南地区煤层气采出水中较高的碳酸氢盐含量(属于结垢型水质)，故需设置离子交换深度除盐部分。离子交换系统可以去除使反渗透膜结垢的Ca2+、Mg2+离子以及一大部分Na+离子。系统的产出液基本只含Na+和Cl-离子，在水中溶解度非常大，因此，在反渗透膜系统中不易发生结垢现象。同时，由于替代的阳离子为H+，遇到碱性的CO32-和HCO3-会转化为CO2和水，降低了水中的固体溶解物杂质含量(英文简写TDS)，从而降低了渗透压，使反渗透膜系统的运行成本大大降低。在阳离子部分去除后，CO2溶解在水中以碳酸形式存在，需要经过除气装置处理。其流程和装置如图3所示。

图3 基于离子交换原理的煤层气水处理工艺示意图

反渗透膜与离子交换技术相结合的工艺设计具备以下特点：

(1)离子交换装置将进入反渗透膜系统的水先行脱盐，从而降低了反渗透膜的系统损耗，装置寿命将相应延长，节约了反渗透膜更换的设备和人力成本。

(2)系统能耗降低，符合国家节能增效原则。同时降低了电网的安全运行隐患。

(3)离子交换装置中的离子交换树脂可以按照煤层气采出水质进行设计并更换。因此，在煤层气产出水水质发生变化时，可依照交换剂的特性进行树脂的部分或全部更换，增加了对水中某几种阳离子或阴离子的针对性，增强了系统的灵活性与针对性。

(4)离子交换设备体积较小，拆卸程序简易，利于系统进行优化和再调整。

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(责任编辑 韩甲业)

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

卢锴，男，助理工程师，工程硕士，现从事地面建设管理工作。