塔里木气田采出水回用荒漠灌溉工艺技术研究

＊张新庆 许议霖 杨磊 顾泓 卢庆庆 浦硕

（1.中国石油塔里木油田分公司克拉采油气管理区 新疆 841000 2.四川树霖科技集团有限公司 四川 621000）

前言

塔里木克深气田目前已形成年产天然气100×108m3的生产规模，然而受水淹影响，气藏日产水超过3000m3。目前克深气田水以回注地层方式处理，受注入水层物性、地质构造及输送距离等影响，系统持续回注能力有限；高压回注可能诱发裂缝进而污染地下水源，回注环评及安评过审难度日益加大，现有回注水处理系统将难以满足气田开发产水需求[1-3]。由于克深、克拉、大北、迪那等气田都已进入开发中后期，气田水产量逐年上升，水淹严峻，开展气田水回用荒漠灌溉工艺技术研究必要而紧迫。

（1）水质特征。克深气田水水质参数相对稳定，本项目以此作为研究对象。克深气田水水型为高CaCl2型，主要具备以下特征：①总矿化度高达90000～200000mg/L，其中Cl-含量约50000～120000mg/L，气田水呈弱酸性；②石油类等有机物含量高，COD高达12000～31000mg/L；③硬度高，钙离子含量1500～12000mg/L，镁离子含量200～3000mg/L；④重金属含量高，铅、镉等离子严重超标；⑤悬浮物、石油类含量基本在300mg/L以上。

（2）气田水处理工艺流程。如果将气田水处理回用于荒漠灌溉，水质至少需要达到《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021），如表1所示。

表1 农田灌溉水质与污水综合排放标准水质参数对比表（部分指标）

克深气田水TDS含量超高，气田水除盐采用蒸发工艺最为适合[3]，而气田水中不仅含有钙镁离子，还含有Ba2+、Sr2+等杂质，蒸发中Ba2+、Ca2+、Mg2+容易结垢，影响蒸发工艺能耗和稳定；另外，水中有超高的有机物，也需要对气田水进行预处理，以去除上述杂质[4-5]。

针对水质分析，本文提出了一套工艺路线，主要包含“隔油气浮+除硬+混凝沉降+芬顿氧化+多效蒸发+A/0生化+臭氧氧化”工序，下面对重要的工序进行分析。

①除重金属工艺。电絮凝、化学沉淀等常规方法对镉、铅、镍等重金属有很好的去除效果。汞具有独特特性，要将其处理达到0.001mg/L以下，难度较大，单一技术很难实现[6-7]。业界常用处理含汞废水方法通常分为沉淀分离、吸附和膜分离法，常用沉淀分离工艺有化学沉淀法和微电解-混凝沉淀法等[7-8]。化学沉淀通常是汞离子直接与其他离子反应，如硫离子，生成沉淀，从而脱离溶液，后面固液分离去除。该法对汞离子含量高的废水表现出良好的性能，但是其对低浓度含汞废水处理不彻底[9]。汞离子也可以通过微电解还原成金属汞，金属汞不溶水，然后采用混凝法进一步去除[10]。吸附法采用吸附剂将游离汞固定，常用的吸附剂有膨润土、壳聚糖、活性炭等，该法适宜处理低浓度含汞废水[11]。膜分离法可以高效处理含汞废水，但造价成本高、膜极易被污染[12]。迄今为止，国内外研究和探索含汞采出水的有效处理方法仍是一个严峻的课题[13-14]。

②除COD工艺。目前去除COD的主要方法有，以过滤、浮选、重力分离、蒸发结晶、活性炭吸附等为主的物理法，以混凝沉降、化学氧化与还原和化学沉淀为主的化学法，以加混凝剂的浮选法、离子交换法、膜分离、蒸发为主的物理化学法，以电絮凝、电催化、电芬顿、铁碳微电解为主的电化学法，以及以微生物化学作用为主的生化方法。克深气田采出水COD含量高达10000mg/L，其中融进了一些悬浮物、油、有害气体、硫化物、CO2、石油类、甲醇、乙二醇、挥发酚、苯等有机污染物[15]，COD处理要降到200mg/L以下，需要采用组合工艺。

③除盐工艺。目前气田水由于成分较为复杂，前处理成本较高，气田水除盐通常采用前处理除杂，后预浓缩+蒸发结晶或者直接蒸发结晶形式。蒸发结晶除盐较为彻底，但是需要提供水汽化潜热，能耗较高，由此高效节能的蒸发形式尤为关键。常用的节能蒸发工艺有低温多效蒸发（MED）和机械蒸汽再压缩蒸发（MVR），前者通过二次蒸汽的重复利用实现节能，后者通过机械做功，使二次蒸汽得到温度和压力提升，从而实现二次蒸汽的重复利用。气田水经过低温多效蒸发（MED）和机械蒸汽再压缩蒸发（MVR）后，盐分进入母液或者得到结晶，蒸出水盐分很低，总TDS可以小于500mg/L，蒸发得到的冷凝水盐分完全可以达到农田灌溉水质标准。从投资与维护成本角度来说，多效蒸发投资和维护成本比MVR低，但是多效蒸发器需要蒸汽作为热源，能耗比MVR高。

目前针对气田水除盐，中石化、中石油四川境内的气田水达标排放项目已广泛应用低温真空多效和机械蒸汽再压缩蒸发分离技术，至少在德阳、巴中、遂宁、泸州等地建设了十余套这两种类型的气田水蒸发除盐装置。这些装置的成功运行，实现了气田水盐和水的分离，产出物分别为工业盐（杂盐）、冷凝外排水和母液。结合克深气田采出水量规模大、天然气出厂价格低的实际情况，该项目选择低温真空多效蒸发（MED）工艺更为妥当。

1.气田水处理工艺验证实验

(1)主要材料及仪器

主要材料：硫酸（H2SO4），分析纯；氢氧化钠（NaOH），分析纯；碳酸钠（Na2CO3），分析纯；过氧化氢（H2O2），质量分数27%；硫酸亚铁（FeSO4·7H2O），分析纯；聚合氯化铝（PAC）；聚丙烯酰胺（PAM）；重金属捕捉剂（ZPJ610）；商品活性炭。

主要仪器：COD快速测定仪（DR1010）；pH计（PHSJ-3F）；原子荧光光谱仪（AFS8520）；原子吸收分光光度仪（GGX830）；多参数水质分析仪（DZS-708）；红外分光测油仪（JC-OIL-6）。

(2)实验过程

经过大量调研和研究分析，确立了“隔油气浮+除硬+混凝沉降+芬顿氧化+蒸发+A/O生化+臭氧氧化”的实验工艺路线，图1为实验工艺流程技术路线图。

图1 气田水处理实验工艺流程技术路线图

第一步气田水用滤纸过滤隔油，并采用气浮进行除油除杂，将气田水原水倒入2L烧杯，采用微型气泵向烧杯中通入空气5min，将气浮后的气田水用滤纸进行过滤并收集，初步去除气田水悬浮物、杂质和COD。第二步气田水软化除硬，向气田水中加入10g碳酸钠，经电磁搅拌5min，约10min出现碳酸钙沉淀，用滤纸过滤沉淀。第三步混凝沉降，向气田水中加入氢氧化钠稀释溶液，将pH调至8，再依次向气田水中加入药剂量PAC 100mg/L、重金属捕捉剂100mg/L和助凝剂PAM 4mg/L，经电磁搅拌5min，约15min后气田水沉淀分层进入稳定状态，用滤纸分离沉淀。第四步芬顿氧化，向气田水中加入硫酸亚铁20g和质量分数30%的过氧化氢40g，搅拌5min，约10min后沉淀稳定，后用滤纸过滤沉淀。第五步气田水蒸发除盐，将2L经预处理的气田水进入蒸发皿进行蒸发，蒸发冷凝水回收约1.8L。第六步采用A/O生化，进一步去除气田水COD。第七步采用臭氧氧化，确保COD可有效降低至200mg/L以内。

2.实验结果及讨论

气田水原水pH值5.8，COD含量为24565mg/L、隔油后为7822mg/L，Cl-含量53850mg/L，钙离子含量4071mg/L，镉含量5.6mg/L，铅含量3.71mg/L，石油类含量340mg/L，悬浮物含量297mg/L。经一系列工艺处理后，出水端水质COD含量为124mg/L，Cl-含量115mg/L，钙离子含量21.3mg/L，镉含量0.0053mg/L，铅含量0.1mg/L，石油类含量4.8mg/L，悬浮物含量3.6mg/L，见表2和表3，水质达到《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021）旱地作物标准。

表2 气田水实验室内流程关键环节COD数据表(单位：mg/L)

表3 气田水室内实验进出端水样数据表(单位：mg/L)

经药剂耗材和能耗统计估算，该工艺技术路线气田水处理直接成本约为160元/m3，较国内现有气田水达标零排放处理项目相对较低。每方气田水的产物主要有0.9方的达标清水，90kg的工业杂盐和15kg的绝干污泥，达标出水可用于荒漠灌溉，污泥经减量或无害化处理后外送处理。本工艺路线采用成熟技术，组合创新，水质处理效果稳定，在塔里木地区具有广阔的应用价值。

3.结论与建议

（1）克深气田产水量大，水质基本稳定。从室内实验结果来看，“隔油气浮+除硬+混凝沉降+芬顿氧化+多效蒸发+A/0生化+臭氧氧化”的气田水处理工艺能有效降低气田水中的COD、重金属离子、钙镁离子和TDS含量，出水水质满足《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021）旱地作物标准。（2）室内实验估算气田水处理单方直接成本约160元/m3，与高压回注综合成本相比相差不大，具有广阔的推广应用价值。（3）克深、克拉气田水产量逐年上升，预计十四五末产水规模将达到10000方/天，气田水达标处理回用荒漠灌溉的技术路线可以彻底解除采出水制约塔里木气田开发的“紧箍咒”。