油氣田開發水資源高效利用探討

蔣繼輝 同 霄 范 婧 姜偉光

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

0 引 言

在目前的技術條件下，“水”在相當長一段時期內仍將是油氣田開發重要的生產資料，生產需水量大與廢水產生量大的矛盾始終貫穿于油氣田開發各個環節。尤其是對于致密油氣田而言，隨著體積壓裂技術的大規模推廣，施工作業用水量大與返排液產生量大的矛盾進一步凸顯[1-2]。在部分注水開發油田，采出水產生量大與回注水需求量大也是一大矛盾。因此，在油氣田開發過程中，尤其是干旱缺水地區，處理好生產用水與產出廢水之間的關系是油氣田企業可持續發展的重要問題。

油氣田開發水資源高效利用的最終目的是減少淡水的消耗量，主要體現在兩個方面。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、采油及注水作業需水等環節；二是將產出廢水再利用于生產作業，主要涉及上述作業過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 鉆井作業推廣應用節水鉆探技術

對于水資源(尤其是地表水)短缺的地區而言，傳統的鉆井工藝在施工過程中面臨的耗水量過大的問題顯得尤為突出。

1.1.1 改變鉆井循環介質類型

1)泡沫鉆井液

泡沫鉆井液是通過機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，把大氣泡變成微細氣泡，用較高的凝膠強度使微細氣泡均勻分散在鉆井液中，形成穩定可泵的氣、液、固三相硬膠泡沫。泡沫鉆井液與普通膨潤土鉆井液相比，節水量可達1/3～1/2。

2)氣體或霧狀體系循環介質

氣體鉆井是指鉆進過程中使用性質較穩定的氣體(空氣、天然氣及惰性氣體等)代替鉆井液作為循環介質，在井內水量較多的情況下，氣體循環介質轉變為霧狀體系，可實現100%節水。

1.1.2 基于孔內地層水局部循環的節水鉆探技術

該技術由中國地質大學與俄羅斯自然資源部地質研究所合作開發[3]，是基于孔內地層水局部循環節水思維，利用有限的地表水驅動井下潛水泵實現井內地層水局部循環，從而達到節約地表水的目的，可節水80%～95%。

1.2 壓裂作業推廣應用少/無水壓裂技術

1.2.1 改變壓裂作業工作介質類型

1)二氧化碳泡沫壓裂

泡沫壓裂采用的壓裂液由液態二氧化碳、稠化劑、起泡劑等相關化學添加劑和水混合組成[4]。在向井下注入過程中，隨著溫度的升高達到超臨界溫度后，液態二氧化碳開始氣化，從而與水基壓裂液形成二氧化碳泡沫。統計資料表明，二氧化碳泡沫壓裂施工用水量只有常規水力壓裂的1/6。

2)液態二氧化碳壓裂

液態二氧化碳壓裂是用超臨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80年代早期，北美已采用以液態二氧化碳為基礎的壓裂液系統進行儲層改造，1994年采用以液態二氧化碳/氮氣為基礎的壓裂液系統進行壓裂，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烴類(丙烷或丁烷等)作為壓裂介質以替代清水的壓裂方法[4]。液化石油氣在高壓作用下會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，當它與地下的油氣資源一起返回到地面時，消除了有害物質的排放。

1.2.2 優化改進水力壓裂技術

水力壓裂是油氣增產最常用、最傳統的技術，壓裂結束后，約有15%～80%的液體返排到地面。這些液體的存在將會給油氣田開發企業帶來一系列問題，包括廢液處理、投資成本、環境成本、地表和地下水的污染風險，以及來自社會的反對和誤解等，已在多個國家引起爭議。因此，對水力壓裂技術進行優化改進，以降低對新鮮水的需求量是當前技術條件下亟待解決的問題。AscentTM水平井高邊壓裂采用先進的建模技術，特制的壓裂泵及高強度的超輕支撐劑技術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 產出廢水的再利用

油氣田產出廢水成分復雜，其中懸浮物含量為150～300 mg/L、石油類為15～35 mg/L，COD為4 000～7 000 mg/L，色度為400～600，并且含有大量的無機離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-等，pH值5.0～7.0[5]。廢水處理后排放是最常見的處置方法，然而達標排放不僅增加了水處理成本，還造成了水資源的浪費。為了解決油氣田開發供、排水之間的矛盾，將產出廢水回收再利用是油氣田企業近年來采取的有效措施，應從以下3個方面開展工作。

2.1 研發可回收清潔工作液體系

可回收清潔工作液體系的“可回收”性體現在該體系返排液僅需通過簡單處理就可重復利用，“清潔”性體現在無毒無害、環境友好。

2.1.1 環保型鉆井液處理劑材料及鉆井液體系

可用作環保型鉆井液處理劑的材料大多來自天然產物及提取物，如淀粉、纖維素、木質素、栲膠、腐殖酸等，其來源廣、價格較低、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

對普通胍膠進行降解處理，通過控制胍膠濃度、生物酶用量、降解溫度、降解時間及pH值等條件來控制胍膠的降解程度，使其相對分子質量降低的同時，又能保證在足夠的硼酸根作用下實現交聯，可研制出低分子胍膠稠化劑。通過pH值控制硼酸鹽離解平衡移動原理，改變胍膠壓裂液的交聯狀態，使其在酸性條件下非降解性破膠，胍膠分子結構不被破壞，可實現重復交聯。低分子胍膠壓裂返排液經過簡單的“沉砂+過濾”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狀結構，攜砂性能優異。聚合物壓裂返排液經過簡單的過濾除砂處理即可實現回收利用。

2.2 處理后配制工作液

以長慶油田為例，該油田產建井大多采用叢式井組或者水平井進行開發，不但需要大量的配液用水，而且產生大量的作業廢水。若能將產生的廢水處理后再利用，則可有效解決廢水產生量大與配液用水需求量大的矛盾，在降低生產成本和減少環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密切相關，水中的各種雜質、無機鹽類、三價金屬離子、細菌和氣體等對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，可采取化學沉淀法或轉化法、過濾法對其進行處理。

2.2.2 配制壓裂液

廢水的pH值、金屬陽離子(鈣、鎂、鐵等)、懸浮物、細菌、顆粒粒徑等是影響配制壓裂液的關鍵因素[6]，可通過混凝沉淀、精細過濾、紫外線殺菌[7]等方式對上述指標進行控制，對于酸化壓裂廢水或高黏度壓裂廢水還應增加相應的中和及降黏等預處理步驟。

2.3 用于油田注水開發

注水開發是維持地層壓力、提高原油采收率的有效手段。對于地處黃土塬區的長慶油田來說，由于油層滲透率極低，每年需要大量的水源進行注水開發。如果產出廢水經處理后作為回注水，不但可以有效緩解該區域干旱缺水的難題，而且可以減少安全環保隱患。廢水的懸浮物、石油類、粒徑中值等是影響油田注水開發效果的主要因素，針對低滲透油藏注水水質要求，可在儲層敏感性評價的基礎上，對油田壓裂廢水采用混凝沉淀、精細過濾、殺菌防垢等技術進行處理[8]。

3 展 望

1)優化工作液體系，實現產出廢水“免處理”再利用

對產出廢水的處理不可避免地會導致二次廢物的產生，增加了安全或環境問題的發生風險及生產作業成本。因此，可以通過優化工作液體系，最大程度利用油氣田產出廢水。

需要解決的關鍵問題：①當前周期用水管理成本及水質參數特性描述；②儲層損害機理與重復用水基礎設施成本建模分析；③結合產出廢水或其他可用水源，設計調制特定的工作液體系。

2)建立油氣田開發水管理體系

隨著油田工廠化、大井組作業模式的應用，集中大規模用水、排水頻繁，鉆井、壓裂、排水構成了一個水系統，做好水科學管理，可大大提高水資源利用率，緩解油氣田開發與水資源缺乏之間的矛盾。

需要解決的關鍵問題：①制定回用水質標準；②開發低成本環保型水處理劑，攻關廢水處理回用關鍵技術；③設計應用模塊化、集約化的處理裝備；④規范油氣田開發水系統科學管理技術等。