美國油氣田采出水的處置與利用＊

袁 波 管 碩 馬霄慧

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中國石油國際勘探開發有限公司)

0 引 言

美國是全球最大的產油國，原油產量達到2.08×106m3/d，占全球原油產量的14.1%；天然氣產量達到7 345億m3/d，占全球天然氣產量的20.0%。隨著油氣田事業的發展，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的一大難題，一般而言，采出水未經處理禁止排放。采出水只有經過處理，其中的污染物去除到一定程度才可進行排放或再利用。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險，為國內采出水的處置及資源化利用提供借鑒，促進我國油氣田事業的可持續發展。

1 美國油氣田采出水概況

油氣田開發過程中伴隨著產生大量采出水。這些采出水大部分通過油氣井隨產品一起來到地面，這部分水在產品外運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90%以上，采出水量較大且組成復雜，不僅每個油氣產區采出水成分差異大，即使同一個水處理站，不同時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、細菌含量高、油水密度差小、有機物含量高。在美國，常規和非常規油藏平均生產1 m3油需要注入10 m3水，國內開采1 m3原油約注入7.19 m3水。大多數的采出水被注入地下，以提高常規油藏的采收率，或者使用鹽水處置井進行處置。但這些處理方法存在一定環境風險與地質風險，如何管理這些采出水，將其合理利用，是油氣田企業需要思考的問題。

1.1 采出水水質特點

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，這些組分的濃度也有數量級的變化。表1為美國Marcellus頁巖區和Barnett頁巖區壓裂返排液主要水質指標，由于地質條件差異等原因，兩個頁巖區的某些水質指標存在較大差別。兩者相比較，Marcellus頁巖區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過嚴格的水質檢測和分析，才能保證后續處理的達標。

1.2 采出水量的問題

目前，僅在美國就有大約110萬口油氣生產井，并且還以每年13 000口油井的速度增長。據平均計算，1 m3油可產出3～5 m3水，采出水量巨大。根據美國2012年采出水量分布情況，最大水量可達約5.57億m3。在油氣藏豐富的德克薩斯州，采出水量可達到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的采出水量僅次于德克薩斯地區。新墨西哥州在2015年前的過去6年中，每年平均產出1.18億m3水，僅在新墨西哥州東南部，2008—2013年產水量為6.47億m3，平均為1.078億m3/a[2]。

表1 美國Marcellus頁巖區和Barnett頁巖區壓裂返排液主要水質指標 (mg·L-1，pH值除外)

頁巖氣開發、油田增產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應用歷史，采用該技術獲得的原油量達30%。如今，95%的新油井應用水力壓裂法開采。美國是全球唯一實現頁巖氣商業化開發和規模利用的國家，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年當地油氣田用水量從平均每口井不到3.18×103m3漲至6.36×104m3左右，最高用水量可達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、農業灌溉和市政用水。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和非常規鹽水處置井。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層。由于有巖石層隔離，一般不會對飲用水資源造成破環。和其他技術相比，地下灌注的優點是污染風險相對小，并且處理成本低，可以達到隔離處理的目的。

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%的采出水用于常規油田的注水開采。用設備將水從注水井注入油層后，可以保持地層壓力，也可以驅替孔隙中的原油，提高采收率。二次采油除了注水以外，還可以注蒸汽。蒸汽吞吐和蒸汽驅是目前稠油開采的主要方法，將產出水回用于鍋爐，變為蒸汽注入井中，實現稠油采收率的提高。

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域主要集中在墨西哥灣與西部地區，而且對于外排到地表水的采出水成分有非常嚴格的標準規定。美國環保署規定，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標后可排放至海洋，僅允許在深水區排放(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。對于內陸，除特殊情況外，美國環保署禁止任何采出水排放[3]。因此，外排標準的限制使得大部分油氣田選擇將采出水回注地下。

2.4 蒸發池

除了排放到河流，約3.4%的采出水排入蒸發池。

2.5 再利用途徑

美國只有約0.6%的采出水處理后進行再利用，方式主要為農業灌溉、市政道路灑水等。

在加州克恩河油田的Bakersfeild區塊，原本有三分之一的采出水進行地下灌注，但考慮到加利福尼亞某縣年平均降雨量極少，農田灌溉供水日趨困難，因此，考慮將一部分采出水經一系列工藝處理后用于農田灌溉。到2015年，采出水的農業用途僅限于特定區域，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境的負面影響，當地環保局專門制定了采油廢水用于道路潑灑的實施導則，規范了采油廢水從產生到運輸再到使用的全過程，并在道路兩邊進行取水檢測和分析，證明了只要水質達到導則標準，環境風險可以接受[4]。除了這些已有案例，其他行業包括采礦、畜牧等需水量都很大，尤其在缺水的干旱地區，采出水處理達標后可以補充這些用水，減輕當地的水資源負擔。

3 美國油氣田采出水處置與利用存在的風險

3.1 地下處置引發地震的風險

美國采出水通常是地下處置或運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過程中采出水的處理問題，從而減少采出水引起的環境污染。目前，按照注入液體類型和注入地層的不同，美國環保署將灌注井分成6大類，其中Ⅱ類井用于灌注與油氣生產相關的液體，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高鹽廢水，少部分井用于為地下儲氣庫注氣。油井回注和地下灌注都會產生一些負面影響，比如誘發地震。研究發現，美國發生中等、大型地震(震級大于3級)的次數從20世紀70年代的年均21次增加到了2008年的151次。

美國地質調查局(USGS)1973年以來對德克薩斯州附近的地震監測數據顯示，其中大多數是人為地震，與油氣工業廢水注入密切相關。有報道指出，美國俄克拉荷馬州近十年內地震頻發。自2011年以來，俄克拉荷馬州的地震次數每年增加了近800倍，給當地居民的生活帶來了極大的影響。此外，當地的油井經營者每年平均注入3.657×108m3液體。廢水處理通常位于地表以下1～2 km深處，遠深于淡水供應層。當沿斷層面或在斷層面附近注入壓裂液時，很可能引發地震。因為地殼下幾千米深處所承受的重壓已使該處巖石接近破裂，廢水(壓裂液)的注入迫使流體壓力上升，斷層因此開始滑動，進而引發地震[5]。

根據美國地質調查局(USGS)的地震監測數據，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，都出現了由于采出水地下處置引發的地震。所以，將油氣采出水大量注入地下的高風險是毋庸置疑的。

3.2 淺層處置帶來的問題

研究小組發現，采出水地下灌注的深度和體積的聯合作用至關重要，而注入量在層狀沉積巖與結晶基巖相遇的深度更有可能引發地震。同時還發現，如果將注入井的深度提高到關鍵區域的基巖之上，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生的可能性。因此，目前的監管干預措施要求經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生一定的影響，嚴重時會污染含水層；二是會導致地層壓力增大，因超壓而引起噴溢。

4 結束語

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、農業灌溉和市政用水。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。

對于國內油氣田企業而言，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。應借鑒美國采出水的多途徑管理方式，因地制宜開展國內采出水合規、合理及安全處置與利用的研究及應用。可從以下方面著手：①一般采出水用于農業灌溉及綠化、市政用水的處理技術研究；②高礦化度采出水用于沙漠灌溉應用研究；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濟技術界限研究；④采出水處理配套關鍵技術、設備、化學藥劑研究[6]。國內相關企業與環保機構應圍繞制約國內采出水處理的瓶頸技術，加強科技創新和技術交流，加大新技術、新設備的推廣應用力度，優化采出水處理工藝，全面提升采出水處理技術和管理水平，爭取較大的經濟效益和社會效益，滿足油氣田的可持續開發需求。