美國油氣田采出水的處置與利用＊

袁 波 管 碩 馬霄慧

(1.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司)

0 引 言

美國是全球最大的產(chǎn)油國，原油產(chǎn)量達(dá)到2.08×106m3/d，占全球原油產(chǎn)量的14.1%；天然氣產(chǎn)量達(dá)到7 345億m3/d，占全球天然氣產(chǎn)量的20.0%。隨著油氣田事業(yè)的發(fā)展，油氣田采出水(以下簡稱采出水)的排放量逐年上升。采出水的處置與利用是石油工業(yè)的一大難題，一般而言，采出水未經(jīng)處理禁止排放。采出水只有經(jīng)過處理，其中的污染物去除到一定程度才可進(jìn)行排放或再利用。美國是采出水處置與利用比較好的國家，采用地下灌注、同層回注、地表外排及其他再利用方式。本文探討美國對采出水的管理以及存在的風(fēng)險(xiǎn)，為國內(nèi)采出水的處置及資源化利用提供借鑒，促進(jìn)我國油氣田事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 美國油氣田采出水概況

油氣田開發(fā)過程中伴隨著產(chǎn)生大量采出水。這些采出水大部分通過油氣井隨產(chǎn)品一起來到地面，這部分水在產(chǎn)品外運(yùn)和外輸前必須加以脫除，脫除的污水中含有原油，因此，被稱為油氣田采出水。注水采油過程中采出液為油水混合物，含水率高達(dá)90%以上，采出水量較大且組成復(fù)雜，不僅每個(gè)油氣產(chǎn)區(qū)采出水成分差異大，即使同一個(gè)水處理站，不同時(shí)段處理的采出水成分也各不相同。一般采出水SS含量高、顆粒粒徑小、細(xì)菌含量高、油水密度差小、有機(jī)物含量高。在美國，常規(guī)和非常規(guī)油藏平均生產(chǎn)1 m3油需要注入10 m3水，國內(nèi)開采1 m3原油約注入7.19 m3水。大多數(shù)的采出水被注入地下，以提高常規(guī)油藏的采收率，或者使用鹽水處置井進(jìn)行處置。但這些處理方法存在一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，如何管理這些采出水，將其合理利用，是油氣田企業(yè)需要思考的問題。

1.1 采出水水質(zhì)特點(diǎn)

采出水隨著地理位置的變化成分也有很大變化，即使在相同的地層內(nèi)，這些組分的濃度也有數(shù)量級的變化。表1為美國Marcellus頁巖區(qū)和Barnett頁巖區(qū)壓裂返排液主要水質(zhì)指標(biāo)，由于地質(zhì)條件差異等原因，兩個(gè)頁巖區(qū)的某些水質(zhì)指標(biāo)存在較大差別。兩者相比較，Marcellus頁巖區(qū)壓裂返排液中具有較高的總鋇、總鍶、總鈣和總鎂含量，較低的硫酸鹽含量等[1]。所以，對于每口井的采出水都要經(jīng)過嚴(yán)格的水質(zhì)檢測和分析，才能保證后續(xù)處理的達(dá)標(biāo)。

1.2 采出水量的問題

目前，僅在美國就有大約110萬口油氣生產(chǎn)井，并且還以每年13 000口油井的速度增長。據(jù)平均計(jì)算，1 m3油可產(chǎn)出3～5 m3水，采出水量巨大。根據(jù)美國2012年采出水量分布情況，最大水量可達(dá)約5.57億m3。在油氣藏豐富的德克薩斯州，采出水量可達(dá)到0.795～1.176 6億m3，約占總體水量的五分之一。油氣藏同樣豐富的加州和俄克拉荷馬州等地區(qū)的采出水量僅次于德克薩斯地區(qū)。新墨西哥州在2015年前的過去6年中，每年平均產(chǎn)出1.18億m3水，僅在新墨西哥州東南部，2008—2013年產(chǎn)水量為6.47億m3，平均為1.078億m3/a[2]。

表1 美國Marcellus頁巖區(qū)和Barnett頁巖區(qū)壓裂返排液主要水質(zhì)指標(biāo) (mg·L-1，pH值除外)

頁巖氣開發(fā)、油田增產(chǎn)和一些低滲油田開采都需要利用水力壓裂。美國已有60多年的水力壓裂技術(shù)應(yīng)用歷史，采用該技術(shù)獲得的原油量達(dá)30%。如今，95%的新油井應(yīng)用水力壓裂法開采。美國是全球唯一實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)和規(guī)模利用的國家，近年其頁巖氣開采量不斷上升，因而需水量非常大。一次水力壓裂作業(yè)水耗約10 000 m3。

以Permian盆地為例，其所在的油氣田水力壓裂用水量逐年上漲，見圖1。從圖1可看出，2009—2017年當(dāng)?shù)赜蜌馓镉盟繌钠骄靠诰坏?.18×103m3漲至6.36×104m3左右，最高用水量可達(dá)1.03×105m3左右。

圖1 Permian盆地近年水力壓裂用水量變化情況

2 美國油氣田采出水處置與利用途徑

當(dāng)前，美國采出水處置與利用方式主要包括地下灌注、同層回注、地表外排、農(nóng)業(yè)灌溉和市政用水。美國采出水用途見圖2。

圖2 美國采出水用途

2.1 地下灌注

地下灌注是美國采出水處置最主要的方式，約占46.5%。

圖2中占比約46.5%的采出水用于注入常規(guī)和非常規(guī)鹽水處置井。其過程是將灌注液從鹽水處置井注入到地下多孔的巖石或土壤地層，排放至地下飲用水資源下面一段距離的深地質(zhì)層。由于有巖石層隔離，一般不會(huì)對飲用水資源造成破環(huán)。和其他技術(shù)相比，地下灌注的優(yōu)點(diǎn)是污染風(fēng)險(xiǎn)相對小，并且處理成本低，可以達(dá)到隔離處理的目的。

2.2 同層回注

采出水回注是為了充分利用水資源，化害為利，提高原油采收率。美國采出水回注占比約45.1%。

圖2中占比約45.1%的采出水用于常規(guī)油田的注水開采。用設(shè)備將水從注水井注入油層后，可以保持地層壓力，也可以驅(qū)替孔隙中的原油，提高采收率。二次采油除了注水以外，還可以注蒸汽。蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)是目前稠油開采的主要方法，將產(chǎn)出水回用于鍋爐，變?yōu)檎羝⑷刖?，?shí)現(xiàn)稠油采收率的提高。

2.3 地表外排

目前，美國采出水外排水占比約6.7%。

美國采出水的外排區(qū)域主要集中在墨西哥灣與西部地區(qū)，而且對于外排到地表水的采出水成分有非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。美國環(huán)保署規(guī)定，靠近海岸并擁有國家污染物排放削減制度(NPDES)許可證的油氣井采出水在處理達(dá)標(biāo)后可排放至海洋，僅允許在深水區(qū)排放(距海岸4.83 km)，并且水中原油月平均含量為29 mg/L，不得超過42 mg/L。對于內(nèi)陸，除特殊情況外，美國環(huán)保署禁止任何采出水排放[3]。因此，外排標(biāo)準(zhǔn)的限制使得大部分油氣田選擇將采出水回注地下。

2.4 蒸發(fā)池

除了排放到河流，約3.4%的采出水排入蒸發(fā)池。

2.5 再利用途徑

美國只有約0.6%的采出水處理后進(jìn)行再利用，方式主要為農(nóng)業(yè)灌溉、市政道路灑水等。

在加州克恩河油田的Bakersfeild區(qū)塊，原本有三分之一的采出水進(jìn)行地下灌注，但考慮到加利福尼亞某縣年平均降雨量極少，農(nóng)田灌溉供水日趨困難，因此，考慮將一部分采出水經(jīng)一系列工藝處理后用于農(nóng)田灌溉。到2015年，采出水的農(nóng)業(yè)用途僅限于特定區(qū)域，如加利福尼亞州和懷俄明州。還有一部分采出水被用于市政，如道路灑水等。早在90年代，賓西法尼亞州為了減輕油氣田廢水對環(huán)境的負(fù)面影響，當(dāng)?shù)丨h(huán)保局專門制定了采油廢水用于道路潑灑的實(shí)施導(dǎo)則，規(guī)范了采油廢水從產(chǎn)生到運(yùn)輸再到使用的全過程，并在道路兩邊進(jìn)行取水檢測和分析，證明了只要水質(zhì)達(dá)到導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)可以接受[4]。除了這些已有案例，其他行業(yè)包括采礦、畜牧等需水量都很大，尤其在缺水的干旱地區(qū)，采出水處理達(dá)標(biāo)后可以補(bǔ)充這些用水，減輕當(dāng)?shù)氐乃Y源負(fù)擔(dān)。

3 美國油氣田采出水處置與利用存在的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 地下處置引發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)

美國采出水通常是地下處置或運(yùn)往污水處理廠處理后排放。對于油田，大部分是將采出水回注，以維持地層壓力和提高采收率，少部分進(jìn)行地下灌注；對于氣田，通常采用地下灌注方式，將采出水注入地下多孔的巖石或土壤中，以解決有水氣藏開發(fā)過程中采出水的處理問題，從而減少采出水引起的環(huán)境污染。目前，按照注入液體類型和注入地層的不同，美國環(huán)保署將灌注井分成6大類，其中Ⅱ類井用于灌注與油氣生產(chǎn)相關(guān)的液體，主要是油氣開采過程中伴生的鹽水。截至2010 年，美國Ⅱ類灌注井共計(jì)150 851口，其中80%用于注水、注蒸汽等，其余大部分井用于灌注石油天然氣工業(yè)高鹽廢水，少部分井用于為地下儲(chǔ)氣庫注氣。油井回注和地下灌注都會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面影響，比如誘發(fā)地震。研究發(fā)現(xiàn)，美國發(fā)生中等、大型地震(震級大于3級)的次數(shù)從20世紀(jì)70年代的年均21次增加到了2008年的151次。

美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)1973年以來對德克薩斯州附近的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其中大多數(shù)是人為地震，與油氣工業(yè)廢水注入密切相關(guān)。有報(bào)道指出，美國俄克拉荷馬州近十年內(nèi)地震頻發(fā)。自2011年以來，俄克拉荷馬州的地震次數(shù)每年增加了近800倍，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳顜砹藰O大的影響。此外，當(dāng)?shù)氐挠途?jīng)營者每年平均注入3.657×108m3液體。廢水處理通常位于地表以下1～2 km深處，遠(yuǎn)深于淡水供應(yīng)層。當(dāng)沿?cái)鄬用婊蛟跀鄬用娓浇⑷雺毫岩簳r(shí)，很可能引發(fā)地震。因?yàn)榈貧は聨浊咨钐幩惺艿闹貕阂咽乖撎帋r石接近破裂，廢水(壓裂液)的注入迫使流體壓力上升，斷層因此開始滑動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)地震[5]。

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，俄克拉荷馬州油氣田附近地震頻率非常高，且震級多為2.5～3.5級。此外，位于其他區(qū)域的油氣田，如德克薩斯州的Eagle Ford、Cogdell、Delaware盆地，以及位于新墨西哥州的Dagger Draw，都出現(xiàn)了由于采出水地下處置引發(fā)的地震。所以，將油氣采出水大量注入地下的高風(fēng)險(xiǎn)是毋庸置疑的。

3.2 淺層處置帶來的問題

研究小組發(fā)現(xiàn)，采出水地下灌注的深度和體積的聯(lián)合作用至關(guān)重要，而注入量在層狀沉積巖與結(jié)晶基巖相遇的深度更有可能引發(fā)地震。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，如果將注入井的深度提高到關(guān)鍵區(qū)域的基巖之上，則可以顯著減少每年地震所釋放的能量，從而相對減少較大破壞性地震發(fā)生的可能性。因此，目前的監(jiān)管干預(yù)措施要求經(jīng)營者要么減少注入量，要么將注入井提升至基巖以上。而在基巖之上進(jìn)行淺層處置，一是若這些廢水外泄，對井筒附近的淺層地下水將產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)污染含水層；二是會(huì)導(dǎo)致地層壓力增大，因超壓而引起噴溢。

4 結(jié)束語

美國采出水處置與利用方式主要包括地下灌注、同層回注、地表外排、農(nóng)業(yè)灌溉和市政用水。其中地下灌注與同層回注是其采出水處置與利用最主要的兩種方式。

對于國內(nèi)油氣田企業(yè)而言，采出水如何處置與利用是目前亟待需要思考與解決的問題。應(yīng)借鑒美國采出水的多途徑管理方式，因地制宜開展國內(nèi)采出水合規(guī)、合理及安全處置與利用的研究及應(yīng)用?？蓮囊韵路矫嬷郑孩僖话悴沙鏊糜谵r(nóng)業(yè)灌溉及綠化、市政用水的處理技術(shù)研究；②高礦化度采出水用于沙漠灌溉應(yīng)用研究；③采出水滿足地表排放與地下灌注要求等各種處置途徑的經(jīng)濟(jì)技術(shù)界限研究；④采出水處理配套關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備、化學(xué)藥劑研究[6]。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)與環(huán)保機(jī)構(gòu)應(yīng)圍繞制約國內(nèi)采出水處理的瓶頸技術(shù)，加強(qiáng)科技創(chuàng)新和技術(shù)交流，加大新技術(shù)、新設(shè)備的推廣應(yīng)用力度，優(yōu)化采出水處理工藝，全面提升采出水處理技術(shù)和管理水平，爭取較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，滿足油氣田的可持續(xù)開發(fā)需求。