油氣田開(kāi)發(fā)水資源高效利用探討

蔣繼輝 同 霄 范 婧 姜偉光

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

在目前的技術(shù)條件下，“水”在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)仍將是油氣田開(kāi)發(fā)重要的生產(chǎn)資料，生產(chǎn)需水量大與廢水產(chǎn)生量大的矛盾始終貫穿于油氣田開(kāi)發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)。尤其是對(duì)于致密油氣田而言，隨著體積壓裂技術(shù)的大規(guī)模推廣，施工作業(yè)用水量大與返排液產(chǎn)生量大的矛盾進(jìn)一步凸顯[1-2]。在部分注水開(kāi)發(fā)油田，采出水產(chǎn)生量大與回注水需求量大也是一大矛盾。因此，在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，尤其是干旱缺水地區(qū)，處理好生產(chǎn)用水與產(chǎn)出廢水之間的關(guān)系是油氣田企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。

油氣田開(kāi)發(fā)水資源高效利用的最終目的是減少淡水的消耗量，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是新鮮水的合理使用，主要涉及鉆井、壓裂、老井改造及維護(hù)、采油及注水作業(yè)需水等環(huán)節(jié)；二是將產(chǎn)出廢水再利用于生產(chǎn)作業(yè)，主要涉及上述作業(yè)過(guò)程中由井口返出的廢工作液或地層水。

1 新鮮水的合理使用

1.1 鉆井作業(yè)推廣應(yīng)用節(jié)水鉆探技術(shù)

對(duì)于水資源(尤其是地表水)短缺的地區(qū)而言，傳統(tǒng)的鉆井工藝在施工過(guò)程中面臨的耗水量過(guò)大的問(wèn)題顯得尤為突出。

1.1.1 改變鉆井循環(huán)介質(zhì)類(lèi)型

1)泡沫鉆井液

泡沫鉆井液是通過(guò)機(jī)械攪拌將氣體充入鉆井液中，用表面活性劑降低氣液界面張力，把大氣泡變成微細(xì)氣泡，用較高的凝膠強(qiáng)度使微細(xì)氣泡均勻分散在鉆井液中，形成穩(wěn)定可泵的氣、液、固三相硬膠泡沫。泡沫鉆井液與普通膨潤(rùn)土鉆井液相比，節(jié)水量可達(dá)1/3～1/2。

2)氣體或霧狀體系循環(huán)介質(zhì)

氣體鉆井是指鉆進(jìn)過(guò)程中使用性質(zhì)較穩(wěn)定的氣體(空氣、天然氣及惰性氣體等)代替鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)，在井內(nèi)水量較多的情況下，氣體循環(huán)介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀體系，可實(shí)現(xiàn)100%節(jié)水。

1.1.2 基于孔內(nèi)地層水局部循環(huán)的節(jié)水鉆探技術(shù)

該技術(shù)由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)與俄羅斯自然資源部地質(zhì)研究所合作開(kāi)發(fā)[3]，是基于孔內(nèi)地層水局部循環(huán)節(jié)水思維，利用有限的地表水驅(qū)動(dòng)井下潛水泵實(shí)現(xiàn)井內(nèi)地層水局部循環(huán)，從而達(dá)到節(jié)約地表水的目的，可節(jié)水80%～95%。

1.2 壓裂作業(yè)推廣應(yīng)用少/無(wú)水壓裂技術(shù)

1.2.1 改變壓裂作業(yè)工作介質(zhì)類(lèi)型

1)二氧化碳泡沫壓裂

泡沫壓裂采用的壓裂液由液態(tài)二氧化碳、稠化劑、起泡劑等相關(guān)化學(xué)添加劑和水混合組成[4]。在向井下注入過(guò)程中，隨著溫度的升高達(dá)到超臨界溫度后，液態(tài)二氧化碳開(kāi)始?xì)饣?，從而與水基壓裂液形成二氧化碳泡沫。統(tǒng)計(jì)資料表明，二氧化碳泡沫壓裂施工用水量只有常規(guī)水力壓裂的1/6。

2)液態(tài)二氧化碳?jí)毫?/p>

液態(tài)二氧化碳?jí)毫咽怯贸R界二氧化碳代替水作為壓裂液，在不添加水或其他輔助成分的情況下，用液態(tài)二氧化碳作為支撐劑的傳遞液將支撐劑注入地層的方法。20世紀(jì)80年代早期，北美已采用以液態(tài)二氧化碳為基礎(chǔ)的壓裂液系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)層改造，1994年采用以液態(tài)二氧化碳/氮?dú)鉃榛A(chǔ)的壓裂液系統(tǒng)進(jìn)行壓裂，被證明是一種行之有效的方法。

3)液化石油氣壓裂

液化石油氣壓裂是使用液態(tài)烴類(lèi)(丙烷或丁烷等)作為壓裂介質(zhì)以替代清水的壓裂方法[4]。液化石油氣在高壓作用下會(huì)形成凝膠狀的黏稠物，具有理想的黏度和攜砂性能。與水不同的是，液化石油氣能與地下的油氣資源自然混合，并且不溶解任何鹽、重金屬或放射性物質(zhì)，當(dāng)它與地下的油氣資源一起返回到地面時(shí)，消除了有害物質(zhì)的排放。

1.2.2 優(yōu)化改進(jìn)水力壓裂技術(shù)

水力壓裂是油氣增產(chǎn)最常用、最傳統(tǒng)的技術(shù)，壓裂結(jié)束后，約有15%～80%的液體返排到地面。這些液體的存在將會(huì)給油氣田開(kāi)發(fā)企業(yè)帶來(lái)一系列問(wèn)題，包括廢液處理、投資成本、環(huán)境成本、地表和地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)，以及來(lái)自社會(huì)的反對(duì)和誤解等，已在多個(gè)國(guó)家引起爭(zhēng)議。因此，對(duì)水力壓裂技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低對(duì)新鮮水的需求量是當(dāng)前技術(shù)條件下亟待解決的問(wèn)題。AscentTM水平井高邊壓裂采用先進(jìn)的建模技術(shù)，特制的壓裂泵及高強(qiáng)度的超輕支撐劑技術(shù)有效降低了油田用水和壓裂液的用量，用水量大約降低20%。

2 產(chǎn)出廢水的再利用

油氣田產(chǎn)出廢水成分復(fù)雜，其中懸浮物含量為150～300 mg/L、石油類(lèi)為15～35 mg/L，COD為4 000～7 000 mg/L，色度為400～600，并且含有大量的無(wú)機(jī)離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-等，pH值5.0～7.0[5]。廢水處理后排放是最常見(jiàn)的處置方法，然而達(dá)標(biāo)排放不僅增加了水處理成本，還造成了水資源的浪費(fèi)。為了解決油氣田開(kāi)發(fā)供、排水之間的矛盾，將產(chǎn)出廢水回收再利用是油氣田企業(yè)近年來(lái)采取的有效措施，應(yīng)從以下3個(gè)方面開(kāi)展工作。

2.1 研發(fā)可回收清潔工作液體系

可回收清潔工作液體系的“可回收”性體現(xiàn)在該體系返排液僅需通過(guò)簡(jiǎn)單處理就可重復(fù)利用，“清潔”性體現(xiàn)在無(wú)毒無(wú)害、環(huán)境友好。

2.1.1 環(huán)保型鉆井液處理劑材料及鉆井液體系

可用作環(huán)保型鉆井液處理劑的材料大多來(lái)自天然產(chǎn)物及提取物，如淀粉、纖維素、木質(zhì)素、栲膠、腐殖酸等，其來(lái)源廣、價(jià)格較低、可生物降解，主要包括硅酸鹽鉆井液、天然高分子聚合物鉆井液、有機(jī)鹽鉆井液、聚合醇鉆井液、合成基鉆井液等。

2.1.2 低分子胍膠壓裂液

對(duì)普通胍膠進(jìn)行降解處理，通過(guò)控制胍膠濃度、生物酶用量、降解溫度、降解時(shí)間及pH值等條件來(lái)控制胍膠的降解程度，使其相對(duì)分子質(zhì)量降低的同時(shí)，又能保證在足夠的硼酸根作用下實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，可研制出低分子胍膠稠化劑。通過(guò)pH值控制硼酸鹽離解平衡移動(dòng)原理，改變胍膠壓裂液的交聯(lián)狀態(tài)，使其在酸性條件下非降解性破膠，胍膠分子結(jié)構(gòu)不被破壞，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)交聯(lián)。低分子胍膠壓裂返排液經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的“沉砂+過(guò)濾”處理后即可回用。

2.1.3 聚合物體系壓裂液

以丙烯酰胺為主體，通過(guò)在非離子表面活性劑上引入不飽和鍵，采用乳液聚合的方式，在一定的溫度和壓力下可合成聚合物體系壓裂液主劑；利用表面活性劑基團(tuán)之間的架橋作用(靜電吸附、氫鍵等)可使聚合物主劑形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，攜砂性能優(yōu)異。聚合物壓裂返排液經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾除砂處理即可實(shí)現(xiàn)回收利用。

2.2 處理后配制工作液

以長(zhǎng)慶油田為例，該油田產(chǎn)建井大多采用叢式井組或者水平井進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不但需要大量的配液用水，而且產(chǎn)生大量的作業(yè)廢水。若能將產(chǎn)生的廢水處理后再利用，則可有效解決廢水產(chǎn)生量大與配液用水需求量大的矛盾，在降低生產(chǎn)成本和減少環(huán)保隱患方面具有重要意義。

2.2.1 配制鉆井液

鉆井液性能與配漿水的性質(zhì)密切相關(guān)，水中的各種雜質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、三價(jià)金屬離子、細(xì)菌和氣體等對(duì)鉆井液的性能有很大影響。因此，在廢水回收再利用配制鉆井液之前，可采取化學(xué)沉淀法或轉(zhuǎn)化法、過(guò)濾法對(duì)其進(jìn)行處理。

2.2.2 配制壓裂液

廢水的pH值、金屬陽(yáng)離子(鈣、鎂、鐵等)、懸浮物、細(xì)菌、顆粒粒徑等是影響配制壓裂液的關(guān)鍵因素[6]，可通過(guò)混凝沉淀、精細(xì)過(guò)濾、紫外線殺菌[7]等方式對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行控制，對(duì)于酸化壓裂廢水或高黏度壓裂廢水還應(yīng)增加相應(yīng)的中和及降黏等預(yù)處理步驟。

2.3 用于油田注水開(kāi)發(fā)

注水開(kāi)發(fā)是維持地層壓力、提高原油采收率的有效手段。對(duì)于地處黃土塬區(qū)的長(zhǎng)慶油田來(lái)說(shuō)，由于油層滲透率極低，每年需要大量的水源進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)。如果產(chǎn)出廢水經(jīng)處理后作為回注水，不但可以有效緩解該區(qū)域干旱缺水的難題，而且可以減少安全環(huán)保隱患。廢水的懸浮物、石油類(lèi)、粒徑中值等是影響油田注水開(kāi)發(fā)效果的主要因素，針對(duì)低滲透油藏注水水質(zhì)要求，可在儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)油田壓裂廢水采用混凝沉淀、精細(xì)過(guò)濾、殺菌防垢等技術(shù)進(jìn)行處理[8]。

3 展 望

1)優(yōu)化工作液體系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出廢水“免處理”再利用

對(duì)產(chǎn)出廢水的處理不可避免地會(huì)導(dǎo)致二次廢物的產(chǎn)生，增加了安全或環(huán)境問(wèn)題的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)及生產(chǎn)作業(yè)成本。因此，可以通過(guò)優(yōu)化工作液體系，最大程度利用油氣田產(chǎn)出廢水。

需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：①當(dāng)前周期用水管理成本及水質(zhì)參數(shù)特性描述；②儲(chǔ)層損害機(jī)理與重復(fù)用水基礎(chǔ)設(shè)施成本建模分析；③結(jié)合產(chǎn)出廢水或其他可用水源，設(shè)計(jì)調(diào)制特定的工作液體系。

2)建立油氣田開(kāi)發(fā)水管理體系

隨著油田工廠化、大井組作業(yè)模式的應(yīng)用，集中大規(guī)模用水、排水頻繁，鉆井、壓裂、排水構(gòu)成了一個(gè)水系統(tǒng)，做好水科學(xué)管理，可大大提高水資源利用率，緩解油氣田開(kāi)發(fā)與水資源缺乏之間的矛盾。

需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：①制定回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；②開(kāi)發(fā)低成本環(huán)保型水處理劑，攻關(guān)廢水處理回用關(guān)鍵技術(shù)；③設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊化、集約化的處理裝備；④規(guī)范油氣田開(kāi)發(fā)水系統(tǒng)科學(xué)管理技術(shù)等。