CN103435226B - 一种用于天然气开采地层水的综合处理技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于天然气开采地层水的综合处理技术，它通过预处理步骤净化了地层水的成分，通过预分离步骤闪蒸掉地层水中易挥发的有机物，再通过三相流分离技术，将组分复杂的天然气采气地层水做到无害化治理，并提取其中有价值的矿物质和综合利用蒸馏出来水。本发明实现了地层水的污染物零排放，使地层水得到完全有效的利用，既解决了天然气开采地层水的治理难题，又使资源得到综合有效利用，是一种既环保又能产生经济价值的地层水综合处理技术。

Description

一种用于天然气开采地层水的综合处理技术

技术领域

本发明涉及一种天然气开采地层水的综合处理技术。

背景技术

随着天然气工业的发展，天然气的开采区域面积不断扩大，天然气的产量得到大幅度提高，但随之在天然气开采过程中产生的废水即地层水的产量也不断增大。在开采天然气的过程中产生的地层水，含有H₂S、HCO₃ ^-、有机物、油污、杂质等有毒有害物质，如果直接排放是不符合国家环保标准的。最开始人们采用回注的方法来处理地层水，即先对地层水进行自然氧化、沉淀、过滤等处理后，向废弃井或新井中注入。但是由于天然气废水产量的逐年增加，废弃井已满足不了要求，而新钻井的一次性投资较大，回注井的泄露对地下水资源的影响等问题，国家已开始限制采用回注技术处理天然气开采过程中产生的地层水，部分地区已禁止使用。

经过对地层水的成分分析，由于在开采的气层中会带出地层中的各种盐类和矿物质，因此在开采天然气的过程中产生的地层水含有大量的Na⁺、K⁺、Cl^-等离子，因此有人提出采用低温多效蒸馏的方式将地层水中的盐成分蒸馏脱离出来加以利用，比如专利申请公布号为CN102603104A的发明专利就公开了一种油气田高氯废水无害化处理的方法，它是加入石膏后的废水进入至少两级的低温多效蒸馏室进行蒸馏，将盐蒸馏出来，然后再通过离心分离装置实现盐类和废水的分离，盐类回收利用，废水经澄清、过滤后，杂质焚烧、液体回注处理。由于油气田废水中不仅含有盐类，还含有H₂S、HCO₃ ^-、有机物、油污、杂质等有毒有害物质，如果不对废水进行预处理，就直接进入蒸馏室进行蒸馏，油污、杂质很容易堵塞管道，降低蒸馏室的工作效率。采用低温多效蒸馏室蒸馏，分离效果不好。废水经蒸馏脱盐后，虽然盐类物质得到了有效利用，但废水中的硫化物、有机物没有得到处理，COD含量高，仍需进行回注处理，天然气废水没有得到完全有效的利用。同时由于废水中含有一定量的硫酸钙，分离过程中容易在管壁上结垢，该发明方法在废水中加入石膏起到了防止分离器管壁上结垢的目的，但是也额外增加了石膏，加大了生产成本。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于天然气开采地层水的综合处理技术，将地层水做到无害化处理，实现地层水的污染物零排放，使地层水得到完全有效的利用，既解决了天然气开采地层水的治理难题，又使资源得到综合有效利用，是一种既环保又能产生经济价值的地层水综合处理技术。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的。

一种用于天然气开采地层水的综合处理技术，包括预处理步骤和三相流分离步骤：

（一）预处理步骤

（1）除杂滤油处理：将地层水过滤掉大固体杂质和悬浮物后，用砂滤器过滤掉小颗粒机械杂质，油过滤器滤去油污使处理后的地层水中杂质、油污和悬浮物总的含量小于5PPm；

（2）去除有机物处理：除杂滤油后的地层水进入氧化曝气池处理达到COD≤1000PPm；

（3）脱硫处理：将地层水放入搅拌器中，加入次氯酸钠，为达到较高的脱硫率，控制反应时间30-80min，搅拌速度25-75r/min，使处理后的地层水中H₂S≤20PPm。

（4）酸碱调节处理：地层水中加入石灰调节地层水的PH值在8-10之间，HCO₃ ^-≤10PPm。

（二）预分离步骤

经过预处理步骤后的地层水预热后进入预分离器，控制预分离器的分离温度在100℃以下，常压蒸发，闪蒸掉地层水中易挥发的有机物。

（三）三相流分离步骤

地层水进入三相流分离装置进行蒸馏脱盐，三相流分离装置设置至少两效，地层水在三相流分离装置中被分离成盐浆、母液、蒸汽和冷凝水。

所述三相流分离装置包括通过循环管顺序连接构成循环体系的循环泵、加热室、分离器和固液分离装置，所述的循环管包括上循环管和下循环管，所述的分离器分为上锥段、直段和下锥段，下锥段出口连接固体收集器，所述的上循环管连接分离器直段，下循环管连接分离器下锥段。分离的盐浆从固体收集器出来，母液从固液分离装置出来，蒸汽从分离器上锥段开口出来，冷凝水从加热室出来。

控制三相流分离装置中分离器内固液比为1∶15-30防止装置内部结垢。

（四）回收利用步骤

前一效三相流分离装置蒸馏出的盐浆转排到后一效三相流分离装置中，依次转排到末效，由末效集中排入盐浆收集桶中。

前一效三相流分离装置中的母液转排到后一效三相流分离装置中，依次转排到末效，由末效排入到CaCl₂分离器中。

CaCl₂分离器中控制分离温度在120℃以下，真空度在0.05-0.08MPa，再次分离末效母液中未分离的盐类，分离出的盐类排入盐浆收集桶中，液体进入氯化钙澄清桶中，蒸汽冷凝回收。

前一效三相流分离装置产生的蒸汽进入到后一效三相流分离装置对废水进行蒸馏，依次到末效，末效蒸汽冷凝回收。

一效三相流分离装置产生的冷凝水返回锅炉，二效三相流分离装置产生的冷凝水进入到下一效，依次到末效集中回收。

盐浆收集桶中的物质通过离心分离装置实现盐类和蒸馏水的分离，蒸馏水返回与地层水混合。

设置多效三相流分离装置对地层水进行三相流分离，蒸汽、母液都从前一效转排到后一效，后一效的装置可以利用前一效装置的热源，较单效分离结晶可以大大节约能源。采用三相流分离技术可以更好的分离装置中的气液固三相，提高装置的使用效率，节约能源。作为本发明的最佳实施方式，三相流分离装置设置四效，其能耗和分离分离效果达到最好。

由于天然气开采过程中的地层水多为高钙、高矿化度污水，采用三相流分离装置分离地层水时，分离器易结垢，为避免因结垢影响生产，本发明设置控制分离器内料液的固液比在1∶15-30之间，使料液在循环过程中采用自身固体进行冲刷，起到防垢作用。该技术仅仅需要对分离器内料液固液比进行调节，不需要增加任何药品和设备，在防垢的同时，增到料液的传热系数，同时降低料液比热，起到节能降耗的作用。

本发明预处理步骤中除杂滤油处理过滤掉了地层水中的大固体杂质、悬浮物、小颗粒机械杂质和油污，对地层水起到净化作用，使其符合三相流分离装置的进水要求；有机物去除处理利用氧化曝气池调节地层水中的有机物含量，使其有机物含量达到排放要求；脱硫处理步骤使地层水中的硫含量达到排放标准；酸碱调节处理步骤中加入石灰，使地层水中的碳酸根离子以固态碳酸盐的形式沉淀出来，从而来调节地层水的PH值，而且石灰的加入也促使镁离子从地层水中沉淀出来，间接降低了地层水中镁离子浓度，提高了后期分离出结晶盐的精度。预处理步骤使地层水达到三相流分离工序进水要求，保护了三相流分离装置，提高了三相流分离装置的使用效率和使用寿命。

本发明在对地层水三相流分离前增加了预处理步骤，过滤掉了其中的油污、杂质，提高了三相流分离装置的使用效率和使用寿命，同时有机物去除处理、脱硫处理和酸碱调节处理去除了地层水中的有机物、H₂S和HCO₃ ^-，在三相流分离前净化地层水的成分为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^-离子和水，净化三相流分离的物质，使分离后的物质都能得到有效利用。

通过三相流分离步骤后，地层水被分离成盐浆、母液、冷凝水和蒸馏水，盐浆通过离心脱水再热风干燥后形成结晶盐，达到国家精致工业盐优级标准得到再次利用，分离出的蒸馏水返回到地层水中混合后再次进入三相流分离装置中分离，母液固化后为少量的钙、镁渣泥运到渣场作无害化处理，冷凝水为每效三相流分离装置中产生的冷凝水和蒸汽冷凝的冷凝水，可以作为预热器热源用后再经活性炭吸附净化后作其它用途，因此本发明完全有效的利用了天然气开采的地层水，实现了污染物的零排放，节能环保，真正做到了废水的无害化处理。

附图说明

图1为本发明预处理步骤的流程示意图。

图2为本发明地层水综合处理技术的流程示意图。

图3为本发明地层水综合处理技术的系统图。

图4为本发明三相流分离装置的结构示意图。

图例说明：

1、预分离器；2、CaCl₂分离器；3、三相流分离装置；41、42、43、44：分离器；5、板式预热器；6、活性炭吸附柱；7、盐浆收集桶；81、82：加热室。

101、循环泵；102、加热室；103、分离器；104、固液分离装置；105、固体收集器；106、上循环管；107、下循环管；301、分离器上锥段；302、分离器直段；303、分离器下锥段。

具体实施方式

为了更加清楚的理解本发明的目的、技术方案及有益效果，下面以具体实施例对本发明做进一步的说明，但并不将本发明的保护范围限定在以下实施例中。

下面用本发明技术对川西气田开采产生的地层水进行处理，处理前先对地层水进行成分分析，其PH值在7.5-9,包括下表所列含量的物质。

（一）对地层水进行预处理

将地层水收集到处理站后，先通过原水储池（折流池）进行大固体杂质和悬浮物过滤，清液用泵泵入砂滤器，过滤掉小颗粒机械杂质，清液通过油过滤器，滤去油污。清液再进入氧化曝气池除去部分的COD，加入石灰调节PH和除镁离子;加入次氯酸钠除硫化氢，控制反应时间30-80min，搅拌速度25-75r/min，反应后泵去渣泥澄清桶澄清分离，清液到清液储池。渣泥和机械过滤渣泥以及滤油器滤出油污等全部进入压滤机压干。具体流程见图1。

预处理后地层水PH为8.5，成分分析如下：

其中（1）杂质、油污和悬浮物总的含量小于5PPm（2）COD≤1000PPm（3）总还原物≤20PPm（4）PH值在8-10之间，HCO₃ ^-≤10PPm；达到了三相流分离工序的进水要求。

（二）预分离和三相流分离步骤

本发明利用地层水中各组分浓度和饱和溶解度的差异，通过加热分离浓缩和三相流分离技术，把先达到结晶条件的溶质分离出来，一步一步分离有价值的矿物质，分离出来的水蒸气冷凝后可综合利用。结晶分离在三相流分离装置3中进行。

参见图4，三相流分离装置3包括通过循环管顺序连接构成循环体系的循环泵101、加热室102、分离器103和固液分离装置104，所述的循环管包括上循环管106和下循环管107，所述的分离器分为上锥段301、直段302和下锥段303，下锥段出口连接固体收集器105，所述的上循环管106连接分离器直段302，下循环管107连接分离器下锥段303。三相流分离装置中分离的盐浆从固体收集器105出来，母液从固液分离装置104出来，蒸汽从分离器上锥段301开口出来，冷凝水从加热室102出来。

原料液系统：预处理后的地层水泵入板式预热器5预热至50℃左右，直接进入预分离器1，闪蒸掉易挥发有机物，含有机物的蒸汽进入活性炭吸附柱6吸附处理。预分离器完成液收集到混料池，混合料液用混料泵泵入各效分离器4，在各效分离器内浓缩结晶，固体盐由1转分离器41排到2效分离器42，依次转排到末效，由末效集中排入盐浆收集桶7中，用离心机脱水干燥包装后送至库房待销，滤液返回至分离系统。

母液系统：为了保证固体产品质量需要排出一定量的浓缩液，浓缩液由1效分离器41转排到2效分离器42，2效分离器42转排到3效分离器43，依次转排到4效分离器44，由末效集中排到其它系统继续分离浓缩生产其它产品。

蒸汽系统：来自锅炉的加热生蒸汽通过减温减压后进入1效三相流分离装置的加热室81中作为加热热源，在1效三相流分离装置中产生的二次蒸汽进入2效加热室82作2效热源，依次到末效，末效二次蒸汽用罗茨液环真空泵抽出通过管式冷凝器冷凝成冷凝水使用。

冷凝水系统：二次蒸汽被冷凝成冷凝水，1效冷凝水直接回锅炉，作锅炉给水，2效冷凝水到3效，依次到末效，混合冷凝水作板式预热器热源用后进入活性炭吸附装置（料液中有未除去的易挥发的有机物）净化后综合利用。

具体流程见图2所示。

经过上述方法得到的物质分析为：

固体盐（NaCl%）：≥99.1%（可作工业用盐）  

冷凝水（CL^-含量）：≤10PPm（可作锅炉软水用，或其它综合利用）

浓缩液：作其它产品加工原料。

（三）分离物综合利用

冷凝水：分离出来的冷凝水达到国家环境保护局和国家技术监督局联合发布的《污水综合排放标准》(GB8978-1996)  一级标准，满足地方农灌水要求，该装置冷凝水除了少部分作装置自身工业水外，其余的排入农灌渠作农业灌溉水用；如果当地条件允许可买去澡堂，或可生产矿泉水，节约水资源。

分离出来的结晶盐，通过离心机脱水再用热风干燥后，达到国家精制工业盐优级标准，包装成50Kg/bag袋盐卖与盐业公司。

其它矿物质，可根据情况设置生产系统。

少量钙、镁渣泥固化后运到渣场作无害化处理。

Claims (10)

1.一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：将所述地层水依次通过预处理步骤、预分离步骤、三相流分离步骤和回收利用步骤处理；

所述预处理步骤包括将地层水依次通过除杂滤油处理步骤、有机物去除处理步骤、脱硫处理步骤和酸碱调节处理步骤使其达到三相流分离步骤中的进水要求：（1）杂质、油污和悬浮物总的含量小于5ppm（2）COD≤1000ppm（3）H₂S≤20ppm（4）pH值在8-10之间，HCO₃ ^-≤10ppm；

经过预处理后的地层水进入预分离器内闪蒸掉易挥发的有机物完成预分离步骤，其中控制预分离器的分离温度低于100℃；

所述三相流分离步骤为地层水在三相流分离装置中被分离成盐浆、母液、蒸汽和冷凝水，其中三相流分离装置设置至少两效，每效三相流分离装置中分离器内固液比为1∶15-1：30；

所述回收利用步骤为三相流分离装置中分离的盐浆、母液、蒸汽和冷凝水的回收利用；

所述三相流分离装置包括通过循环管顺序连接构成循环体系的循环泵、加热室、分离器和固液分离装置，所述的循环管包括上循环管和下循环管，所述的分离器分为上锥段、直段和下锥段，下锥段出口连接固体收集器，所述的上循环管连接分离器直段，下循环管连接分离器下锥段；分离的盐浆从固体收集器出来，母液从固液分离装置出来，蒸汽从分离器上锥段开口出来，冷凝水从加热室出来。

2.根据权利要求1所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述除杂滤油处理步骤是将地层水过滤掉大颗粒杂质、悬浮物、小颗粒机械杂质和油污，使地层水中杂质、油污和悬浮物总的含量小于5ppm。

3.根据权利要求1所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述的有机物去除处理步骤是将地层水放置于氧化曝气池中，使其COD≤1000ppm。

4.根据权利要求1所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述脱硫处理步骤是在地层水中加入次氯酸钠反应至地层水中H₂S≤20ppm。

5.根据权利要求4所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述次氯酸钠与地层水的反应在搅拌器中反应，控制搅拌速度25-75r/min，反应时间30-80min。

6.根据权利要求1所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述酸碱调节处理步骤是在地层水中加入石灰至地层水的pH值在8-10之间，HCO₃ ^-≤10ppm。

7.根据权利要求1所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述回收利用步骤中前一效三相流分离装置中蒸馏出的盐浆转排到后一效三相流分离装置中，依次转排到末效，由末效集中排入盐浆收集桶中；前一效三相流分离装置中的母液转排到后一效三相流分离装置中，依次转排到末效，由末效排入到CaCl₂分离器中；前一效三相流分离装置产生的蒸汽进入到后一效三相流分离装置对废水进行蒸馏，依次到末效，末效蒸汽冷凝回收；一效三相流分离装置产生的冷凝水返回锅炉，二效三相流分离装置产生的冷凝水进入到下一效，依次到末效集中回收。

8.根据权利要求7所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：末效母液进入CaCl₂分离器再次分离，经CaCl₂分离器分离出的盐浆进入盐浆收集桶中、液体进入氯化钙澄清桶中、蒸汽冷凝回收，其中控制CaCl₂分离器中分离温度低于120℃，真空度在0.05-0.08MPa。

9.根据权利要求7或8所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述盐浆收集桶中的物质通过离心分离装置实现盐类和蒸馏水的分离，蒸馏水返回与地层水混合。

10.根据权利要求1所述的一种用于天然气开采地层水的综合处理方法，其特征在于：所述三相流分离步骤中三相流分离装置设置四效。