美国油气田采出水的处置与利用＊

袁 波 管 硕 马霄慧

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油国际勘探开发有限公司)

0 引 言

美国是全球最大的产油国，原油产量达到2.08×106m3/d，占全球原油产量的14.1%；天然气产量达到7 345亿m3/d，占全球天然气产量的20.0%。随着油气田事业的发展，油气田采出水(以下简称采出水)的排放量逐年上升。采出水的处置与利用是石油工业的一大难题，一般而言，采出水未经处理禁止排放。采出水只有经过处理，其中的污染物去除到一定程度才可进行排放或再利用。美国是采出水处置与利用比较好的国家，采用地下灌注、同层回注、地表外排及其他再利用方式。本文探讨美国对采出水的管理以及存在的风险，为国内采出水的处置及资源化利用提供借鉴，促进我国油气田事业的可持续发展。

1 美国油气田采出水概况

油气田开发过程中伴随着产生大量采出水。这些采出水大部分通过油气井随产品一起来到地面，这部分水在产品外运和外输前必须加以脱除，脱除的污水中含有原油，因此，被称为油气田采出水。注水采油过程中采出液为油水混合物，含水率高达90%以上，采出水量较大且组成复杂，不仅每个油气产区采出水成分差异大，即使同一个水处理站，不同时段处理的采出水成分也各不相同。一般采出水SS含量高、颗粒粒径小、细菌含量高、油水密度差小、有机物含量高。在美国，常规和非常规油藏平均生产1 m3油需要注入10 m3水，国内开采1 m3原油约注入7.19 m3水。大多数的采出水被注入地下，以提高常规油藏的采收率，或者使用盐水处置井进行处置。但这些处理方法存在一定环境风险与地质风险，如何管理这些采出水，将其合理利用，是油气田企业需要思考的问题。

1.1 采出水水质特点

采出水随着地理位置的变化成分也有很大变化，即使在相同的地层内，这些组分的浓度也有数量级的变化。表1为美国Marcellus页岩区和Barnett页岩区压裂返排液主要水质指标，由于地质条件差异等原因，两个页岩区的某些水质指标存在较大差别。两者相比较，Marcellus页岩区压裂返排液中具有较高的总钡、总锶、总钙和总镁含量，较低的硫酸盐含量等[1]。所以，对于每口井的采出水都要经过严格的水质检测和分析，才能保证后续处理的达标。

1.2 采出水量的问题

目前，仅在美国就有大约110万口油气生产井，并且还以每年13 000口油井的速度增长。据平均计算，1 m3油可产出3～5 m3水，采出水量巨大。根据美国2012年采出水量分布情况，最大水量可达约5.57亿m3。在油气藏丰富的德克萨斯州，采出水量可达到0.795～1.176 6亿m3，约占总体水量的五分之一。油气藏同样丰富的加州和俄克拉荷马州等地区的采出水量仅次于德克萨斯地区。新墨西哥州在2015年前的过去6年中，每年平均产出1.18亿m3水，仅在新墨西哥州东南部，2008—2013年产水量为6.47亿m3，平均为1.078亿m3/a[2]。

表1 美国Marcellus页岩区和Barnett页岩区压裂返排液主要水质指标 (mg·L-1，pH值除外)

页岩气开发、油田增产和一些低渗油田开采都需要利用水力压裂。美国已有60多年的水力压裂技术应用历史，采用该技术获得的原油量达30%。如今，95%的新油井应用水力压裂法开采。美国是全球唯一实现页岩气商业化开发和规模利用的国家，近年其页岩气开采量不断上升，因而需水量非常大。一次水力压裂作业水耗约10 000 m3。

以Permian盆地为例，其所在的油气田水力压裂用水量逐年上涨，见图1。从图1可看出，2009—2017年当地油气田用水量从平均每口井不到3.18×103m3涨至6.36×104m3左右，最高用水量可达1.03×105m3左右。

图1 Permian盆地近年水力压裂用水量变化情况

2 美国油气田采出水处置与利用途径

当前，美国采出水处置与利用方式主要包括地下灌注、同层回注、地表外排、农业灌溉和市政用水。美国采出水用途见图2。

图2 美国采出水用途

2.1 地下灌注

地下灌注是美国采出水处置最主要的方式，约占46.5%。

图2中占比约46.5%的采出水用于注入常规和非常规盐水处置井。其过程是将灌注液从盐水处置井注入到地下多孔的岩石或土壤地层，排放至地下饮用水资源下面一段距离的深地质层。由于有岩石层隔离，一般不会对饮用水资源造成破环。和其他技术相比，地下灌注的优点是污染风险相对小，并且处理成本低，可以达到隔离处理的目的。

2.2 同层回注

采出水回注是为了充分利用水资源，化害为利，提高原油采收率。美国采出水回注占比约45.1%。

图2中占比约45.1%的采出水用于常规油田的注水开采。用设备将水从注水井注入油层后，可以保持地层压力，也可以驱替孔隙中的原油，提高采收率。二次采油除了注水以外，还可以注蒸汽。蒸汽吞吐和蒸汽驱是目前稠油开采的主要方法，将产出水回用于锅炉，变为蒸汽注入井中，实现稠油采收率的提高。

2.3 地表外排

目前，美国采出水外排水占比约6.7%。

美国采出水的外排区域主要集中在墨西哥湾与西部地区，而且对于外排到地表水的采出水成分有非常严格的标准规定。美国环保署规定，靠近海岸并拥有国家污染物排放削减制度(NPDES)许可证的油气井采出水在处理达标后可排放至海洋，仅允许在深水区排放(距海岸4.83 km)，并且水中原油月平均含量为29 mg/L，不得超过42 mg/L。对于内陆，除特殊情况外，美国环保署禁止任何采出水排放[3]。因此，外排标准的限制使得大部分油气田选择将采出水回注地下。

2.4 蒸发池

除了排放到河流，约3.4%的采出水排入蒸发池。

2.5 再利用途径

美国只有约0.6%的采出水处理后进行再利用，方式主要为农业灌溉、市政道路洒水等。

在加州克恩河油田的Bakersfeild区块，原本有三分之一的采出水进行地下灌注，但考虑到加利福尼亚某县年平均降雨量极少，农田灌溉供水日趋困难，因此，考虑将一部分采出水经一系列工艺处理后用于农田灌溉。到2015年，采出水的农业用途仅限于特定区域，如加利福尼亚州和怀俄明州。还有一部分采出水被用于市政，如道路洒水等。早在90年代，宾西法尼亚州为了减轻油气田废水对环境的负面影响，当地环保局专门制定了采油废水用于道路泼洒的实施导则，规范了采油废水从产生到运输再到使用的全过程，并在道路两边进行取水检测和分析，证明了只要水质达到导则标准，环境风险可以接受[4]。除了这些已有案例，其他行业包括采矿、畜牧等需水量都很大，尤其在缺水的干旱地区，采出水处理达标后可以补充这些用水，减轻当地的水资源负担。

3 美国油气田采出水处置与利用存在的风险

3.1 地下处置引发地震的风险

美国采出水通常是地下处置或运往污水处理厂处理后排放。对于油田，大部分是将采出水回注，以维持地层压力和提高采收率，少部分进行地下灌注；对于气田，通常采用地下灌注方式，将采出水注入地下多孔的岩石或土壤中，以解决有水气藏开发过程中采出水的处理问题，从而减少采出水引起的环境污染。目前，按照注入液体类型和注入地层的不同，美国环保署将灌注井分成6大类，其中Ⅱ类井用于灌注与油气生产相关的液体，主要是油气开采过程中伴生的盐水。截至2010 年，美国Ⅱ类灌注井共计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气工业高盐废水，少部分井用于为地下储气库注气。油井回注和地下灌注都会产生一些负面影响，比如诱发地震。研究发现，美国发生中等、大型地震(震级大于3级)的次数从20世纪70年代的年均21次增加到了2008年的151次。

美国地质调查局(USGS)1973年以来对德克萨斯州附近的地震监测数据显示，其中大多数是人为地震，与油气工业废水注入密切相关。有报道指出，美国俄克拉荷马州近十年内地震频发。自2011年以来，俄克拉荷马州的地震次数每年增加了近800倍，给当地居民的生活带来了极大的影响。此外，当地的油井经营者每年平均注入3.657×108m3液体。废水处理通常位于地表以下1～2 km深处，远深于淡水供应层。当沿断层面或在断层面附近注入压裂液时，很可能引发地震。因为地壳下几千米深处所承受的重压已使该处岩石接近破裂，废水(压裂液)的注入迫使流体压力上升，断层因此开始滑动，进而引发地震[5]。

根据美国地质调查局(USGS)的地震监测数据，俄克拉荷马州油气田附近地震频率非常高，且震级多为2.5～3.5级。此外，位于其他区域的油气田，如德克萨斯州的Eagle Ford、Cogdell、Delaware盆地，以及位于新墨西哥州的Dagger Draw，都出现了由于采出水地下处置引发的地震。所以，将油气采出水大量注入地下的高风险是毋庸置疑的。

3.2 浅层处置带来的问题

研究小组发现，采出水地下灌注的深度和体积的联合作用至关重要，而注入量在层状沉积岩与结晶基岩相遇的深度更有可能引发地震。同时还发现，如果将注入井的深度提高到关键区域的基岩之上，则可以显著减少每年地震所释放的能量，从而相对减少较大破坏性地震发生的可能性。因此，目前的监管干预措施要求经营者要么减少注入量，要么将注入井提升至基岩以上。而在基岩之上进行浅层处置，一是若这些废水外泄，对井筒附近的浅层地下水将产生一定的影响，严重时会污染含水层；二是会导致地层压力增大，因超压而引起喷溢。

4 结束语

美国采出水处置与利用方式主要包括地下灌注、同层回注、地表外排、农业灌溉和市政用水。其中地下灌注与同层回注是其采出水处置与利用最主要的两种方式。

对于国内油气田企业而言，采出水如何处置与利用是目前亟待需要思考与解决的问题。应借鉴美国采出水的多途径管理方式，因地制宜开展国内采出水合规、合理及安全处置与利用的研究及应用。可从以下方面着手：①一般采出水用于农业灌溉及绿化、市政用水的处理技术研究；②高矿化度采出水用于沙漠灌溉应用研究；③采出水满足地表排放与地下灌注要求等各种处置途径的经济技术界限研究；④采出水处理配套关键技术、设备、化学药剂研究[6]。国内相关企业与环保机构应围绕制约国内采出水处理的瓶颈技术，加强科技创新和技术交流，加大新技术、新设备的推广应用力度，优化采出水处理工艺，全面提升采出水处理技术和管理水平，争取较大的经济效益和社会效益，满足油气田的可持续开发需求。