气田水处理工艺与回用途径

王季锋 白强 关珩 宋成功

（中国石化华北油气分公司采油气工程服务中心）

1 概述

气田天然气勘探、开发过程中，为了提高天然气产量，通常使用压裂液进行油气层压裂，因此油气田在开采和打井过程中会产生大量的压裂返排液，并且在气田开采过程中还会带出地层的产出水，统称为气田水[1]。根据目前的开发利用技术，对于气田水的处理方式主要有以下三种，一是经过处理之后回注地层，二是在处理后符合国家相关标准后进行外排，三是经过一定的处理技术处理后进行综合利用。某气田水处理厂位于鄂尔多斯市毛乌素沙漠，主要负责气田水的回收与处理工作，处理后达标水全部回注地层。随着气田水量的不断增加，达标水回注负荷不断加重，出现回注井泵压不断增加，回注能力降低等问题。并且回注地层渗透率较低，出水有机物含量高、腐蚀性强、矿化度高，存在回注层结垢堵塞、回注套管腐蚀隐患。

鄂尔多斯盆地作为祖国能源基地，勘探开发活动频繁，地下水消耗量较大，为了降低回注压力，实现高效、可持续发展，进一步探究气田水处理技术、达标水回用途径具有积极意义。针对气田水的回用技术，已有学者和专家做了大量的研究[2-3]。主要针对某气田水处理厂处理后达标水水质现状，在此，分析了几种气田水处理工艺、展望了气田水回用的几种途径。

2 现有处理工艺及出水水质

2.1 处理工艺介绍

某气田水处理厂主要负责处理气田在生产、打井过程中产生的气田水，处理工艺为pH调节-絮凝沉淀-pH调节-絮凝沉淀-两级过滤。进水pH为5～7，加氢氧化钠调节pH至7～8后，加10%聚合氯化铝溶液进行絮凝沉淀，出水进行二次处理，二次处理出水进入多介质过滤器进行两级过滤，达标水全部回注地层，水处理流程见图1。

图1 水处理流程Fig.1 Water treatment flow chart

2.2 达标水水质分析

某气田水处理厂处理后达标水水质参数见表1，处理后达标水，具有高含盐、高化学需氧量（COD）的特点。现有工艺主要起到调节气田水pH、降低悬浮物含量的作用，对含盐量和COD的去除率低，处理后达标水总硬度大、COD高，直接排入地表会破坏水体的自然平衡，对地表水和地下水造成污染[4]。高含盐、高腐蚀性、高COD是制约该气田水处理厂达标水回用的重要因素。

表1 处理后达标水水质参数Tab.1 Water quality parameters of qualified water after treatment

2.3 回注执行标准

气田水处理厂运行期间回注水执行《中华人民共和国石油天然气行业标准——气田水回注方法》（SY/T 6596—2016）标准，参照（SY/T 6596—2004）《气田水回注方法》要求控制水质指标，主要指标如表2所示。现有工艺处理后达标水符合回注标准要求。

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

3 气田水深度处理技术

为了进一步降低达标水硬度和COD，在研究气田水处理案例的基础上，依据某气田水处理厂达标水特征，探究了三种水处理技术的适用性，作为后续继续针对该气田水深度处理的技术储备。

3.1 芬顿法

引用双氧水（H2O2）作为某气田水的深度处理氧化剂，与亚铁离子（Fe2+）一起使用作为芬顿试剂，芬顿试剂的强氧化性可以高效去除气田水COD，不会造成二次污染，且该气田水原水中Fe2+含量较多，一定程度上可以减少药剂损耗。但芬顿反应对pH要求有局限性，在较高pH和较低pH条件下，都不利于羟基自由基（·OH）的生成，从而影响体系氧化效果[5]，一般认为芬顿反应的初始pH设置在2～4时，对有机物的去除效果较好。

3.2 氢氧化钠-碳酸钠双碱法

降低硬度的方法比较多，最常见的方式为投加化学药剂，让贡献硬度的阳离子生成沉淀去除。该工艺目前降低硬度的方式是通过投加氢氧化钠，将水调节至碱性，水中阳离子结合氢氧根生成氢氧化合物沉降，但氢氧化钠对钙离子的化合物所导致的硬度去除效果较差，为了进一步增强降硬度效果，本研究提出采用氢氧化钠-碳酸钠双碱法降硬。先投加氢氧化钠去除水中镁离子等阳离子，再投加碳酸钠，碳酸根离子和水中钙离子结合，降低水中钙离子含量，进一步降低达标水硬度，且碳酸钠是强碱弱酸盐，价格较氢氧化钠便宜，可以和氢氧化钠一起起到调节pH的作用。

3.3 太阳能蒸发技术

蒸发是通过能量将液态水转化为气态的过程，作为一种高效去除水中污染物的方式，常应用于纯净水制备、海水淡化、废水处理、蒸发结晶等方面。太阳能是地球上最基本、最广泛的能源，具有绿色安全等特点，文中所指气田地处鄂尔多斯盆地，光照充足，非常适合太阳能的转化和利用，采用太阳能代替化石能源结合蒸发技术，作为该气田水处理厂达标水的深度处理工艺，在绿色低碳的前提下，进一步去除达标水中含盐量、有机物等物质，提升出水水质[6]，但气田水成分复杂，容易污染蒸发设备，因此将太阳能光热蒸发技术投入实际污水处理中，还需要突破材料抗污染性[7]。

3.4 处理技术对比

结合三种水处理技术的优缺点以及适用范围，氢氧化钠-碳酸钠双碱法可以进一步去除钙离子的化合物导致的硬度，且碳酸钠和氢氧化钠都呈碱性，两种药剂一起使用可以替代氢氧化钠调节pH的作用，在现有工艺下可直接使用，不需要额外设备、建设投入。芬顿法和太阳能蒸发技术可以作为提升达标水水质的储备技术，用于实际生产还需进一步进行研究和验证，三种水处理技术对比见表3。

表3 三种水处理技术对比Tab.3 Comparison of three water treatment technologies

4 回用途径

鄂尔多斯盆地，是我国的重要的能源基地，同时也是生态环境脆弱的地区，气田生产、生活用水依赖地下水，合理利用水资源，建设高效可持续的工业用水体系至关重要，提高出水水质，增大达标水回用率，对鄂尔多斯盆地水资源的可持续利用具有重要意义[8]。

4.1 农业用水

近年来，毛乌素沙漠治沙效果显著，当地生态环境转好，玉米、马铃薯、牧草等成为当地主要农作物，但毛乌素沙漠水资源较为匮乏，如果将处理合格的气田水回用于农业灌溉，不仅能给农业生产提供稳定的水源，减少水资源浪费，而且污水中适量的氮、磷、钾等成分也可以为土壤提供了肥力，在减少了化肥用量的同时，又增加了农作物产量，同时污水的回用也可以减少对地下水的超采[8]。依据农田灌溉水质标准（GB 5084—2021），进一步增加降硬、降COD的处理技术，提升出水水质，才能满足农业灌溉水质要求。

4.2 绿化环境回用

气田水处理厂处理后的工业污水中COD含量高，重金属含量低，将处理达标后的气田水用于厂区绿化，可以减少回注量，实现污水资源的综合利用，是气田水的一个重要的回用途径。但将气田水回用于绿化必须防止土壤污染，需进一步降低出水硬度、COD，并加强重金属的监测，防止水中残余重金属污染土壤。

4.3 工业回用

为了提高天然气产量，天然气开采和打井过程中都需要使用大量的压裂液，水基压裂液重复利用，可以降低气田水回注风险，节约水资源。为了最大化的利用好返排液中的有效物质，针对返排液的处理要着重减少有效物质的损耗、降低危害物质的含量，水基压裂液的重复利用关键在于结合实际情况，采用相适应的回用处理工艺，达到高效回用目的[9]。

工业回用的另一个途径是用作循环冷却水和用于井场冲洗等方面，为了防止冷却水管线腐蚀和结垢，循环冷却水出水水质要求较高，依据GB/T 50050—2017《循环冷却水处理设计规范》，回用前需进一步深度去除达标水中含盐量和COD。

4.4 地下水回灌

该气田水处理厂位于鄂尔多斯盆地的毛乌素沙漠，鄂尔多斯作为国家能源基地，各种开采活动频繁，地下水损耗较多，因此将处理合格的达标水回灌地下，可以解决地下水过度开采的问题，污水回灌地下水对水质要求很高，回灌前须经生物处理，包括硝化与脱氮，还必须有效去除有机物与重金属，一旦回灌水质不达标，将会对地下水含水层造成污染。回灌地下水是水资源回用的一个重要方向，具有很大的发展潜力，对保持地球水系统循环平衡意义重大[10]。

5 结论

为了充分落实水资源节约，保持低碳、高效、可持续发展，该研究综合各种因素，提出采用芬顿法、氢氧化钠-碳酸钠双碱法、太阳能蒸发技术降低出水硬度、COD含量，进一步提升达标水水质的处理方案。随着环保形势日益严峻，提高达标水回用率是发展趋势，农业灌溉、工业回用、绿化厂区、地下水回灌是常见的回用途径，也是提高气田水回用率的重要探究方向，提高气田水回用率对祖国能源基地的可持续发展具有积极意义。