鄂尔多斯盆地临兴中区块气田位于山西省临县和兴县境内，整体建产规模高达13.6×10⁸m³/a致密气压裂返排液是致密气水力压裂施工作业后返回至地面的一类气田采出水，具有成分复杂、黏度大、乳化程度高、有机物种类多等特点。在气田勘探开发和生产过程中，地层水以游离水或饱和水的形式被携带至地面工程设备中的生产水，具有高含盐、难降解等特点。压裂返排液及生产水处理的主要难点在于较高的黏度影响了处理过程中投加药剂的扩散。对上述两种废水常用的处理方法有臭氧氧化、电催化、电絮凝氧化组合及生物技术等。
临兴中区LX-156水处理站为临兴气田4座集气站配套水处理站之一，2021年7月完成新建工程，改造前工艺以“混凝沉淀+气浮+两级过滤”为主；2023年6月，因生产调整及工艺不稳定等问题，废水处理规模从480m³/d提高至1080m³/d，在原有占地基础上，通过技术经济比选确定最佳工艺，即“除油预处理/一体化破胶/涡凹气浮/高密度沉降/保安过滤/精细过滤”耦合工艺，原位扩容改造于2023年8月26日完成通水运行。
1、工程概况
1.1 工艺流程
压裂返排液通过罐车运卸至软体池，生产水经集气站管道输送至软体池。生产水和压裂返排液根据水质特点分别处理，生产水经管道排入1#软体池，实现初步水质水量调节。出水经泵提升至一体化破胶反应器，在微电场、催化电极的协同作用下，实现水中高聚物、氨氮及总氮的进一步分解转化和去除。破胶反应器排水带压进入涡凹气浮装置，在纳米级微气泡和絮凝剂的协同作用下，进一步去除水中残存的胶体、悬浮物等污染物。气浮单元产水经泵提升至高密度斜管沉降器，实现胶体、悬浮物(SS)、COD、聚合物等污染物的有效去除，最终进入高密产水箱。
压裂返排液经罐车运至压裂液2#软体池，经破胶反应器处理后与生产水在高密产水箱汇合，而后经泵依次提升至保安过滤器，去除水体中的残存污染物，以保障后续精密过滤单元的稳定、高效运行。出水进入精密过滤单元，进一步精细化处理，各项水质指标达到设计要求后可汇入回注水罐，供回注使用。
该水处理站改造后工艺流程见图1。
①针对废水黏度高、一直处于热力学稳定状态等特点，新增一体化破胶装置，实现废水中胶类物质快速脱稳聚集。其核心为电催化反应器，内部设置阴、阳两级，其中阴极采用石墨电极，阳极采用高效DSA电极，单极式排列。
②针对生产水和压裂返排液水质不同的情况，同时本着节省占地面积、控制成本的原则，设计将水处理工艺升级改造为两段独立工艺。压裂返排液经破胶、高密度沉降处理后进入产水箱，生产水经破胶、气浮、高密度沉降处理后与前者在高密产水箱汇合。
③该水处理系统采用一体化撬装设备，在达到处理规模和水质要求基础上，充分利用原有设备，缩短建设周期，力争在2个月内完成水处理站改造工作。
1.2 水质分析
该水处理站于2023年8月完成改造扩容，每日进行在线检测，提取90组水质分析数据进行平均化处理，出水水质执行《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》(SY/T5329—2012)的高渗透率油层回注水水质标准。
实际进水指标除pH外均超过设计指标值，其中SS、含油量、COD、总氮等4项指标超标严重，超标率分别为12%、15%、11%、70%。设计进水的颗粒直径中值、氨氮指标则与改造后进水指标相比变化不大。
进、出水水质见表1。
1.3 主要处理单元设计及运行参数
主要构筑物、设备的设计及运行参数如表2所示。
2、运行效果及分析
该水处理系统至今已稳定运行128d，处理规模为1050~1080m³/d。实际运行参数：一体化破胶反应器脱稳时间30min、电压50V、电流200A;气浮装置水力停留时间24min、PAC用量200mg/L、PAM用量10mg/L;高密度斜管沉降器停留时间2h，投加PAC300mg/L、PAM15mg/L、NaOH800mg/L。
经检测，进水SS为205~215mg/L（平均为210mg/L），颗粒直径中值为72~88μm（平均为80μm），含油量为352~388mg/L（平均为370mg/L），COD为3510~3750mg/L（平均为3630mg/L），氨氮为63~87mg/L（平均为75mg/L），总氮为137~169mg/L（平均为153mg/L），pH为6~8（平均为7）。
一体化破胶反应器脱稳运行30min后黏度降至1.82mPa・s，水质关键指标平均值下降至SS为153mg/L，COD为2635mg/L，含油量为218mg/L，破胶反应器SS去除率≥80%，含油量去除率≥85%。随后在高密度斜管沉降器内，通过加入PAC(300mg/L)、PAM(15mg/L)、NaOH(800mg/L)在絮凝区形成密实、均一的矾花和颗粒絮体，出水SS<12.3mg/L、含油量<18.7mg/L、颗粒直径中值<6μm、COD<1980mg/L、氨氮<19mg/L、总氮<26mg/L，关键指标SS、含油量、颗粒直径中值均大幅降低，实现了污染物的精准化处理。超滤膜过滤出水SS为2.1~8.3mg/L(平均为5.2mg/L)，颗粒直径中值为1.5~3.7μm(平均为2.6μm)，含油量为7.8~11.4mg/L(平均为9.6mg/L)，COD为1320~1684mg/L(平均为1502mg/L)，氨氮为11.6~15.6mg/L(平均为13.6mg/L)，总氮为13.2~20.8mg/L(平均为17mg/L)，pH为6.4~7.5(平均为7)。处理达标水通过注水撬打入LX-156井场。改造后实际进、出水水质见表3。
3、成本分析
临兴中区LX-156水处理站扩容改造工程总投资为1340万元，其中工程费用为997万元。运维成本主要包括电费、药剂费、人工费、污泥处置费及其他费用。
稳定运行期间处理成本分析见表4。
由表4可知，改造后设备投资、药剂投加种类，运维人员数量以及备品备件方面发生了变化，综合考虑设备折旧费和水处理站规模，煤层气生产废水(压裂返排液及生产水)富水期为3年，3~5年为衰减期，5年后为枯竭期，进而按照3年折旧考虑，3年后停产整体场站迁址其他区块。处理水量从480m³/d提升至1080m³/d，折旧期过后，吨水成本较改造前降低10%。国内其他气田附属水处理站处理成本为42.74~88.50元/m³。综上所述，本次改造后的临兴中区LX-156水处理站运行成本较低，在油气田水处理方面具有一定的参考价值。
4、结论
临兴中区LX-156水处理站扩容改造充分考虑压裂返排液和生产水水质特点，通过经济技术比选，采用“预处理/一体化破胶/涡凹气浮/高密度沉降/保安过滤/精细过滤”耦合工艺，实现污染物精准化处理，吨水成本平均为46.72元/m³，低于同行业其他水处理站运行成本平均水平。出水关键指标含油量≤30mg/L，SS≤10mg/L，颗粒直径中值≤4μm，满足《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》(SY/T5329—2012)的高渗透率油层回注水水质要求。该改造工程施工周期短，采用一体化撬装设备进行原位扩容，占地面积<2500m²，处理规模稳定在1050~1080m³/d之间，共计处理回注达标水125435m³。该改造工程可为类似气田生产水和压裂返排液处理回注提供参考。（来源：中海油天津化工研究设计院有限公司）
