氣田采出水回注環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制措施探討＊

王毅霖 羅 臻 史小利 張曉飛 李 婷

(1.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.生態(tài)環(huán)境部對(duì)外合作與交流中心)

0 引 言

與可回用于有效注水/注汽的油田采出水不同，氣田采出水必須在地面處理后再利用或達(dá)標(biāo)排放，或回注到地下處置。氣田采出水的水量小、含鹽量高，回注通常是更適合的處置方案。在分析氣田采出水水量、水質(zhì)和污染特征的基礎(chǔ)上，文章綜述了回注處置井的目標(biāo)構(gòu)造選擇方法、保證井筒完整性的建井標(biāo)準(zhǔn)，避免井筒腐蝕泄漏、結(jié)垢降低注水容量和提供注水壓力的水質(zhì)穩(wěn)定方法，并提出相應(yīng)的檢測(cè)/運(yùn)行管理需求，為氣田采出水回注環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。

1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

1.1 水量水質(zhì)

天然氣儲(chǔ)藏孔隙率低，原巖的含水量低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)15個(gè)州油氣田水/油、水/氣平均體積比分別為5.3×10-3，1.02×10-3[1]。天然氣田采用35.86 m3/MMSm3估算采出水量，其中游離水量25 m3/MMSm3，其余為飽和天然氣中的水含量；某頁(yè)巖氣田試采初期2～3個(gè)月平均單井產(chǎn)液量在 20～30 m3/d。

川渝地區(qū)常規(guī)氣田采出水含鹽量超過(guò)80 000 mg/L，主要為氯化物，硫化物和硫酸鹽含量大致為100 mg/L量級(jí)，總固體懸浮物(SS)、揮發(fā)性固體懸浮物(VSS)含量為2.5～4 mg/L，石油類低至1 mg/L。鋇、錳含量接近1 mg/L，其余重金屬為0.01 mg/L的量級(jí)或更低，汞的含量為0.000 1 mg/L的水平。蘇里格(致密氣)和胡尖山氣田采出水懸浮物、硫酸鹽、鋇、鈣、鎂的含量更高(鈣1 000 mg/L量級(jí)，其余均為100 mg/L量級(jí))。四川盆地的構(gòu)造水源于不同階段的蒸發(fā)海水的遺存，震旦紀(jì)和寒武紀(jì)構(gòu)造的構(gòu)造水(Cl-高達(dá)48 000 mg/L)的Br-/Cl-高達(dá)3.5×10-3(摩爾比)，反映了海水蒸發(fā)高達(dá)18倍。相比之下，二疊紀(jì)和三疊紀(jì)構(gòu)造的構(gòu)造水氯含量的范圍(14 000～141 000 mg/L)大得多，Br-/Cl-比高達(dá)6×10-3，表明原始海水的蒸發(fā)程度更高，高達(dá)30倍[4]。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 某天然氣采出水水質(zhì)[5]

1.2 污染路徑

采出水的環(huán)境問(wèn)題主要是土壤、地下水、地表水污染及相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的惡化。鈉會(huì)與鈣、鎂、鉀產(chǎn)生離子競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致植物中所需離子不均衡，高濃度的鈉會(huì)損害土壤結(jié)構(gòu)并抑制水的滲入。地下離子交換會(huì)改變淺層、深層地下水水質(zhì)。一些采出水的微量元素，包括硼、鋰、氟和鐳的濃度較高，很多微量元素具有植物毒性，即使在沖洗出鹽水之后，也會(huì)吸附在土壤中[2]，氣田采出水的鹽(氯離子)含量高，且含有源于儲(chǔ)藏、地面環(huán)境的硫化氫、溶解氧、硫酸鹽還原菌、好氧菌等，具備電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、生物腐蝕的基本條件，條件適宜時(shí)，會(huì)加重并加速腐蝕程度[6-7]。例如，西部某油田2014年的套損總井?dāng)?shù)達(dá)2 012口，其中回注水井達(dá)到了265口。

2 控制措施

2.1 目標(biāo)構(gòu)造

回注需要選擇適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)構(gòu)造和封閉的鹽水含水層，避開地震活動(dòng)頻繁或靠近地質(zhì)斷層的地區(qū)[8]。通常情況下目標(biāo)層應(yīng)為平伏層，區(qū)域內(nèi)均具有水平構(gòu)造水流的頁(yè)巖屏障，坡度低，如果沒(méi)有任何影響地下水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，適用的地質(zhì)條件范圍更大。采出水注入預(yù)測(cè)模擬應(yīng)包括流量(儲(chǔ)藏)模擬和注入井裂縫和裂縫傳播，可確定回注水的歸宿，能實(shí)現(xiàn)通過(guò)綜合認(rèn)識(shí)，以環(huán)境保護(hù)的方式管理注水過(guò)程；還包括模擬預(yù)測(cè)注水運(yùn)行時(shí)間，評(píng)價(jià)注水井關(guān)斷后的徑向壓力場(chǎng)。模擬研究也要考慮預(yù)測(cè)和對(duì)研究的地下水平區(qū)域認(rèn)識(shí)的不確定性。

美國(guó)對(duì)“地下飲用水源(USDW)”定義是：作為可由人類消耗或含足夠的水量可為公共水系統(tǒng)供水，且總?cè)芙夤腆w低于10 000 mg/L的含水層或其他組成部分。注入井分為五類，其中Ⅱ類為“與油氣生產(chǎn)相關(guān)的注入”，包括采出水、鉆井廢物、廢修井液、集輸管線清管液體。回注要求套管、井管或封隔器沒(méi)有任何泄漏；且沒(méi)有任何明顯液體通過(guò)注入井井筒附近的垂直通道遷移到USDW。地下水和飲用水管理機(jī)構(gòu)采用1 gal/min(約4.3 m3/d)作為確定含水層產(chǎn)水顯著的閾值[9]。美國(guó)有大約144 000口回注處置井，其中鹽水回注處置井占所有II類井約20%，在用于處置與油氣生產(chǎn)相關(guān)的液體時(shí)，會(huì)按照與USDW隔離的、不含烴的構(gòu)造或非生產(chǎn)/枯竭構(gòu)造的且具有足夠的孔隙率、滲透性的特性進(jìn)行井的選擇。

我國(guó)國(guó)家能源局2016年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6596—2016《氣田水注入技術(shù)要求》中要求，回注井位置選擇以現(xiàn)有井優(yōu)先，回注構(gòu)造由隔離充分和穩(wěn)定分布的蓋層覆蓋，回注構(gòu)造具有足夠的容量空間，回注構(gòu)造應(yīng)沒(méi)有任何露頭或長(zhǎng)距離露頭。除了沒(méi)有明確定義“含水層外”，與上述美國(guó)的相關(guān)要求基本相同。

2.2 建井標(biāo)準(zhǔn)

井的完整性狹義定義是：為避免流體遷移并保護(hù)自然水體，是“采用技術(shù)、運(yùn)行和組織的方案，減少一口井整個(gè)生命周期構(gòu)造流體的非受控排放”。安全回注井要求至少3層鋼套管保護(hù)含水層，即表層套管、技術(shù)套管和注水套管。表層套管至少位于最深USDW之下50 ft(約15.24 m)，技術(shù)套管和注水套管要達(dá)到注水位置。任何注入前都需要進(jìn)行初始機(jī)械完整性試驗(yàn)。最大允許注入壓力需要壓力試驗(yàn)。內(nèi)部完整性試驗(yàn)方法可采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)空試壓(SAPT)、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)空監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(SAMT)、放射性示蹤跡調(diào)查(RTS)、水—鹽水界面試驗(yàn)(W-BIT)、壓力試驗(yàn)、環(huán)空水試驗(yàn)(WIAT)等。外部完整性試驗(yàn)方法包括溫度錄井、放射性示蹤跡調(diào)查、固井記錄。表層套管之外和PWR井每?jī)蓚€(gè)套管之間的環(huán)形空間水泥應(yīng)回到地表，環(huán)形空間水泥的底應(yīng)低于最低飲用水構(gòu)造15～35 m。固井水泥的選擇應(yīng)耐受最大注水壓力，并考慮地質(zhì)構(gòu)造和注入流體對(duì)水泥的腐蝕。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6596—2016《氣田水注入技術(shù)要求》中要求套管能夠承受設(shè)計(jì)注入壓力，表層、技術(shù)和生產(chǎn)套管固井水泥應(yīng)返至地面，注入層以上生產(chǎn)套管應(yīng)有可有效封堵注入層流體連續(xù)厚度大于25 m的優(yōu)質(zhì)固井井段。

2.3 水質(zhì)穩(wěn)定

就地下水污染角度而言，最關(guān)鍵的控制參數(shù)是注水壓力、注水井靜水壓力、水頭不超過(guò)“可利用地下水”的低水位(高度)，下方的注入水不會(huì)上侵，上方的地下水可能下泄。雖然可以采用常規(guī)采出水處理方法包括混凝沉淀、過(guò)濾等，去除特定污染物，但回注水處理后應(yīng)保持水質(zhì)穩(wěn)定，主要是防止井筒腐蝕造成泄漏，或者是結(jié)垢造成注水量下降或壓力升高。

目前一些環(huán)境保護(hù)主管部門、研究機(jī)構(gòu)通常要求將回注水質(zhì)處理至特定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，增加處理成本但回注風(fēng)險(xiǎn)控制效果未有明顯提升，且相關(guān)行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求并不嚴(yán)，如Q/SY 0100—2016《氣田水回注技術(shù)規(guī)范》中氣田水回注推薦水質(zhì)主要控制指標(biāo)為：pH值 6～9，溶解氧≤0.5 mg/L，石油類≤100 mg/L，懸浮物固體含量≤200 mg/L，鐵細(xì)菌(IB)≤106個(gè)/mL，硫酸鹽還原菌(SRB)≤25 個(gè)/mL。

目前除了必要的惰性氣體密閉隔氧、pH值調(diào)整等措施，國(guó)內(nèi)、外均普遍通過(guò)投加適當(dāng)?shù)木徫g劑、阻垢劑、殺菌劑等措施控制井筒腐蝕/結(jié)垢，保證處理后的回注水水質(zhì)穩(wěn)定。藥劑多數(shù)是由專業(yè)供應(yīng)商提供的商品藥劑，一般不提供化學(xué)組成。乙醛滅菌效果非常好，但半衰期長(zhǎng)，細(xì)菌會(huì)逐漸耐受初始的致死劑量。次氯酸鹽的成本效率高，投資和運(yùn)行成本低，由于半衰期短，環(huán)境、健康和安全風(fēng)險(xiǎn)非常低，但混合不當(dāng)時(shí)游離氯可達(dá)10 mg/L，腐蝕性非常強(qiáng)[7]。在過(guò)去10 a中，四鈦(羥甲基)硫酸磷(THP)已經(jīng)成為油氣行業(yè)使用最廣泛的殺菌劑，可有效消除硫化鐵。二氧化氯是一種強(qiáng)力的選擇性殺菌劑，可以被氯氣和次氯酸鹽氧化的各種有機(jī)物則不可被其氧化，所需藥劑量少，反應(yīng)性較弱(除了細(xì)菌)。投加鉻酸鈉、鉻酸鋅和亞硝酸鈉可快速去除H2S。強(qiáng)腐蝕環(huán)境可投加緩蝕劑[8]。

回注水與地層水不相溶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢，造成回注井堵塞。不同的廢水混合，溶解性離子反應(yīng)會(huì)形成非溶解性產(chǎn)物，造成井筒附近滲透性降低。常用的阻垢劑包括聚磷酸鹽、磷酸酯、聚丙烯酸和其他含羧酸的聚合物，對(duì)硫酸鈣、碳酸鈣和硫酸鋇有效，對(duì)酸性條件和溫度變化敏感，高溫和酸性條件下水解，使用溫度低于150℉(65.6℃)。綠色阻垢劑有羧甲基菊粉(CMI)和聚天冬(PASP)，ACCENTTM可示蹤(Traceable)聚合物阻垢劑，可以分散不溶解顆粒、阻止晶體生長(zhǎng)和聚結(jié)。

2.4 檢測(cè)/運(yùn)行

根據(jù)泄漏、腐蝕、結(jié)垢的控制要求，選擇適用的檢測(cè)項(xiàng)目、分析方法及模擬計(jì)算。腐蝕刮片可用來(lái)量化回注系統(tǒng)運(yùn)行的腐蝕速率，也可定性觀察腐蝕類型。光學(xué)檢查也可確定腐蝕類型。X射線衍射可分析確定形成的腐蝕產(chǎn)物?；瘜W(xué)方法要通過(guò)分解垢樣品，用標(biāo)準(zhǔn)滴定或沉淀的方法進(jìn)行分析。井的泄漏檢測(cè)可采用：初始?jí)毫υ囼?yàn)后，監(jiān)測(cè)環(huán)空壓力，同時(shí)保持環(huán)空正壓；采用液體或氣體試壓；適于泄漏檢測(cè)的放射性示蹤跡試驗(yàn)；或獲批準(zhǔn)的其他試驗(yàn)。

混合相溶性評(píng)價(jià)采用溶解度計(jì)算或?qū)嶒?yàn)方法。目前已有化學(xué)模型可根據(jù)詳細(xì)的流體條件，預(yù)測(cè)結(jié)垢的性質(zhì)和范圍，模型采用熱動(dòng)力原理和地質(zhì)化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)相平衡，需要輸入基本數(shù)據(jù)，如元素濃度分析、溫度、壓力和氣相組成。這些程序用來(lái)預(yù)測(cè)擾動(dòng)的影響，如不相溶水體混合的結(jié)果或可能導(dǎo)致的溫度、壓力發(fā)生變化。只有少量的計(jì)算機(jī)程序?qū)ｉT用來(lái)模擬油田高含鹽水化學(xué)性質(zhì)，也可用來(lái)模擬孔隙構(gòu)造中的化學(xué)遷移。

3 結(jié)論與建議

氣田采出水回注的主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是井筒內(nèi)腐蝕造成泄漏后的土壤、地下水污染，最關(guān)鍵的控制參數(shù)是注水壓力/注水井靜水壓力低于“可利用地下水”的低水位(高度)，保證下方的注入水不會(huì)上侵。在保證目標(biāo)層選擇、井筒完整性符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，水質(zhì)穩(wěn)定可控制腐蝕、結(jié)垢造成的注水量泄漏或壓力升高，利用模型預(yù)測(cè)、檢測(cè)、分析等方法可觀察和分析泄漏趨勢(shì)，將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制到可接受的水平。