專利名稱：利用來自水純化處理的廢水生產油和氣的方法
利用來自水純化處理的廢水生產油和氣的方法
背景技術：
本發(fā)明涉及利用來自水純化處理的廢水生產油和氣的方法。 水純化處理一般生成"相對潔凈的水，，的第一流出液和包含不需要的
污染物的"廢水"的第二流出液。例如，通過去除鈣和鎂對硬水軟化對于
工業(yè)和家庭的使用而言都是必需的。
已知的水軟化處理是通過離子交換、膜軟化或沉淀的方法進行的。在
離子交換處理中，二價的4丐和鎂離子與一價的鈉交換，并且通過大量過量 的氯化鈉實現(xiàn)了離子交換樹脂的再生。該處理產生再生流出液，該流出液 通常為不得不被丟棄的相對濃的鈉、鈣和4^的氯化物的水溶液?？蛇x才奪地， 能夠利用將氫離子與4丐和鎂離子交換的弱酸性樹脂，并且可以使用礦物酸 再生失去效力的樹脂。盡管該方法產生較少的廢水，但是它比較昂貴并且 產生具有腐蝕性的酸性較強的軟水。膜軟化將鈣、鎂的鹽和其它二價離子 的鹽濃縮，生成需要高成本處理的廢水。傳統(tǒng)的沉淀處理通過"石灰-蘇打" 法來進行，其中將石灰加到硬水中以將水溶性碳酸氫鈣轉化為不溶于水的 碳酸釣。該處理也會產生難于過濾并需要笨重設備的廢水。
因此，廢水的處理對于社會而言已經成為昂貴的問題。例如，僅僅在 加利福尼亞州，水處理的操作和油田就產生了含有大約800,000噸混合的 鈉、4丐、鎂的氯化物和^5危酸鹽的大約16.1億加侖的廢水。這些廢水的處理 每年要花費數(shù)百萬美元。在世界的其他地方，廢水的處理甚至已經更成問 題，并且為處理付出的努力每年要花費數(shù)十億美元。以回收和利用鹽成分 的方式對含鹽廢水進行經濟利用是非常有利的，由此可以為社會帶來利 益。
農田與灌溉用水通常不能接受含量高的鈉。含有相對于鈣鹽和/或鎂鹽 更大量的鈉鹽的灌溉用水能夠在土壤中形成鈉鹽的積累。這種鈉過量的土 壤導致土壤膠狀顆粒的分散以及土壤pH的升高。當干燥時，膠狀顆粒的 分散導致土壤變硬，并且對水的滲透和浸透的抵抗能力提高。當濕潤時， 由于土壤膨脹，富含鈉的土壤也會阻止水的滲透。土壤和灌溉用水的總鹽度也是受到關注的。鹽度指的是水中的總鹽量，鹽度中重要的正離子(陽 離子)為鈣、鎂和鈉離子，以及重要的負離子(陰離子)為氯、硫酸根和 碳酸氫根離子。
所有的灌溉用水都含有 一些溶解的鹽。當土壤具有高含量的溶解鹽， 或灌溉用水具有足夠的鹽以提高土壤的鹽度時，土壤就傾向于保持水分， 而非借助滲透壓通過植物的根吸收來釋放水。即使土壤含有大量的水分， 植物也將會由于不能吸收必需的水分而枯萎。
發(fā)明簡述
簡言之，根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明人改進了油井或氣井的鉆探或生產。這 些改進提供了之前只能被丟棄的水的有益且經濟的用途。
在一個實施方案中，改進包括以下步驟的組合收集含有以重量計為 0.15。/?；蚋嗟腘a、 Ca、 Mg、 K、 Cl、 S04或C03的鹽或其組合的被污染 的水，對被污染的水進行分離處理以生成基本上是固體的或液體的第 一分 離產物和基本上是固體的或液體的第二分離產物，并且將這些產物之一作 為增重劑加到鉆井液中。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，改進包括以下步驟的組合收集含有 以重量計為0.15%或更多的Na、 Ca、 Mg、 K、 Cl、 504或(303的鹽或其組 合的被污染的水，對被污染的水進行分離處理以生成基本上是固體的或液 體的第一分離產物和基本上是固體的或液體的第二分離產物，與收集的水 相比，第一分離產物中氯化鈉增加，氯化鎂和氯化4丐減少或其組合，第二 分離產物中氯化鈉減少，氯化鎂和氯化釣增加或其組合，將第一分離產物 用于混合鹽飽和的水泥，并且將水泥用于鉆孔套管。
在本發(fā)明的又一個實施方案中，改進包括以下步驟的組合收集含有 以重量計為0.15%或更多的Na、 Ca、 Mg、 K、 Cl、 504或(303的鹽或其組 合的被污染的水，對被污染的水進行分離處理以生成基本上是固體的或液 體的第一分離產物和基本上是固體的或液體的第二分離產物，與收集的水 相比，第一分離產物中氯化鈉增加，氯化鎂和氯化鈣減少或其組合，第二 分離產物中氯化鈉減少，氯化鎂和氯化鈣增加或其組合，并且將第一廢產 物注入到油井或氣井的地層中以改善生產。
本發(fā)明所用的廢水為由水純化過程產生的任何水，特別是油田產生的 經純化的廢水，及經純化的灌溉排水。這種純化或"分離"過程產生潔凈水的第 一 流出液和通常必需被丟棄的廢水的第二流出液。這樣的分離過程 的例子包括反滲透、電透析、蒸餾、蒸發(fā)、離子交換和石灰軟化。這些過 程產生具有各種鹽含量水平的廢水產物。對于本發(fā)明的目的而言，本發(fā)明
人將"廢水，，定義為含有以重量計為大約0.15%或更多的Na、 K、 Ca、
Mg、 Fe、 Cl、 S04和C03的鹽或其組合的水。在本發(fā)明出現(xiàn)以前，由任 何這些過程處理廢水都很昂貴。
本發(fā)明包括處理廢水以生成在石油工業(yè)中有用的產物，改進油/氣鉆揮: /生產的經濟性，而且同時降低廢水處理的經濟和環(huán)境成本。
特別地，本發(fā)明人已經發(fā)現(xiàn)對產生于油田操作的廢水進行軟化生成兩 種流出液，它們都可以用于油田應用。對于實施本發(fā)明的這個實施方案而 言，油田廢水為"軟化的水，，，生成鈉和鉀增加的第一 "潔凈，，流出液和 鈣和鎂增加的第二再生流出液。
由于油田廢水傾向于具有基本上高的鹽含量，甚至"潔凈"流出液通 常具有以重量計為0.15%或更多的鹽的鹽含量。于是，潔凈水通常由于含 鹽量太高無法利用而不得不被丟棄。然而，根據(jù)本發(fā)明，將來自油田水的 分離處理(水軟化)的第一流出液用作1)鉆井泥漿的增重劑，2)用于 制造油井套管的水泥的添加劑，以及3)用于注入到油井鉆孔位置的地層 中，以在所謂的"水驅法"過程中保持流體壓力。通常具有3.0%或更高鹽 含量的再生鹽水也可用于鉆井泥漿的增重劑。
附圖簡述


圖1為描述本發(fā)明的一個優(yōu)選方法的流程圖，其涉及來自石油工業(yè)的 水純化處理的產物的用途，包括用作強化采油液；
圖2為本發(fā)明另一個優(yōu)選方法的流程圖，其涉及來自石油工業(yè)的水純 化處理的產物的用途，包括用作強化采油液；
圖3為本發(fā)明另一個優(yōu)選方法的流程圖，其涉及來自石油工業(yè)的水純 化處理的產物的用途，包括用強化采油液；
圖4為本發(fā)明另一個優(yōu)選方法的流程圖，其涉及來自水純化處理的產 物的用途，包括用在石油工業(yè)中的多個熱交換器中的用途；和
圖5為本發(fā)明另一個優(yōu)選方法的流程圖，其涉及來自石油工業(yè)的水純 化處理的產物的用途，包括在發(fā)電廠的渦輪機中的用途，作為乳化劑且重 新開啟關閉的石油工業(yè)中的井。優(yōu)選實施方案的詳述
水軟化去除水的"硬度"，主要是指從水中去除或改變鈣離子和鎂離 子。這些釣離子和鎂離子與碳酸根、硫酸根、油和脂肪結合生成浴缸浮渣、 盤子上的斑點、使被單發(fā)灰等。此外，已經發(fā)現(xiàn)未軟化的水造成工業(yè)水加 熱器和商用鍋爐積垢，由于熱傳遞減弱導致實質上的能量損失較早出現(xiàn)， 以及為去除積垢而較早停工。已知有幾種用于實現(xiàn)水軟化的方法。
已知的軟化水的最佳方法是"離子交換"。離子交換必然伴有引入水
中的鈉與4丐、鎂、鐵和其他二價礦物離子的交換，使它們從水中轉移出來 并進入樹脂。當樹脂被這些"硬"離子接近飽和時，最常見的是將樹脂利 用氯化鈉溶液來再生，產生含有3-25%的鈉、鉤和鎂鹽的必須-波丟棄的流 出液。流出液的確切濃度取決于工藝才喿作，并且特別地，取決于包4舌在流 出液中的漂洗水的量(如果有的話)。不太常用地，將礦物酸如硫酸或鹽 酸用于水的軟化，并且它們也生成流出液。相反地，"反相"水軟化包括 離子交換，其中將4丐和鎂引入水中以分離鈉。
近來，膜系統(tǒng)已經成為商業(yè)上可行的。這些如電透析和反滲透的系統(tǒng) 包括膜的應用，同樣產生含鹽的流出液。對于要求嚴格的應用，如電子業(yè)， 且特別是用于計算機芯片的制造，潔凈水的第一產物可以通過雙床或混合 床離子交換處理來進一步純化。這種"拋光處理"也產生包含被除去的鹽 的流出液。這些水純化工藝都產生潔凈水流出液和丟棄起來昂貴且困難的 廢水流出液。
對于本申請的目的而言，"廢水，，被定義為含有足夠的鹽以至于由于 成本或污染的水平，而不可利用的任何水。通常，含有以重量計為大約 0.15。/。或更多的Na、 K、 Ca、 Mg、 Fe、 Cl、 S04和CO的鹽或其組合的廢 水被認為是不可利用的，并且必須被丟棄。
水分離處理被認為是對油和氣鉆探特別有用的，于是接下來的描述特 別強調油和氣的鉆探。然而，本發(fā)明的水分離處理在各種鉆探工業(yè)中都具 有廣泛的應用，包括用于水、二氧化碳、氮氣、天然氣和油井的鉆探。
在其他廢水中平常不被發(fā)現(xiàn)的污染物在產自油井和氣井的水中很普 遍。最常見地，油井和氣井的廢水含有比其他來源的廢水更大量的金屬。 大量使用水，如水驅法以及為提高油和/或氣的采收使用配制的溶液，對于 如鉀和鎂的這些陽離子和如碳酸氬根、碳酸根和硫酸根的這些陰離子有進 一步的限制，這些陽離子和陰離子可以組合而形成固體，阻礙油和/或氣的采收，特別是在300。F或更高的溫度下。
對再循環(huán)的挑戰(zhàn)使得來自the Department of Petroleum Engineering, Taxas A&M的報告指出帕米亞盆地(帕米亞盆地)每天過量產生3億9 千萬加侖的水，僅有1%凈皮再利用，而其余的350,000,000加侖每天^f吏用再 注入井來進行處理。如果可以/人這些水中回收有用的水產物和礦物，則將 是非常有益的。
盡管存在上述挑戰(zhàn)，來自廢水純化的產物，包括產自油井和氣井自身 的廢水，在采油工業(yè)中具有廣泛的應用。還已經發(fā)現(xiàn)，在產生油和天然氣 的更深地層處，通常有足夠的來自產生的水、油、和/或天然氣的可利用的 熱，與將廢水當作廢物處理相比，可以本質上改進再循環(huán)的效率和經濟性。
此外，在具有油和氣資源的很多偏遠地區(qū)，通過使材料運輸?shù)姐@井位 置或者生產區(qū)域的能耗和時間消耗，以及與廢水處理且不損害生態(tài)環(huán)境有 關的成本最小化，給當?shù)氐脑傺h(huán)帶來額外的價值。根據(jù)地理狀況再循環(huán) 的一個例子是使用位于中心的鉆井區(qū)和鉆井平臺，其中即使在其他井正在 鉆探的時候，第一鉆井可能正在產生廢水。除了來自生產井的廢水以外， 還有來自對當?shù)赜宣}味的水或海水純化產生的廢水，純化是為了飲用及最 終應用，除了有危險的廢物，多數(shù)甚至全部這些含鹽的廢水都被循環(huán)利用 而不是纟皮丟棄進行廢物處理。
參照附圖10-14，用通常的術語描述，本發(fā)明的實施方案包括收集含 有以重量計為0.15%或更多的Na、 Ca、 K、 Mg、 Fe、 Cl、 S04、 C02的鹽 ^^其組合的初始被污染的水。對廢水進行分離處理，其中流出液中鹽的量 不變，但將一價氯化物鹽從多價氯化物鹽中分離出來。優(yōu)選地在檢測有害 物質之后，將廢水分離以生成兩種流出液。
當初始被污染的水具有相對低的鈉含量時，將該水用于飲用用途是可 能的。當被污染的水具有過高的鈉含量或總鹽含量時，這在產自于采油的 廢水中很常見，第一流出液通常具有如0.15%或高得多的含鹽量，這對于 用作7改用水而言是不可接受的。然而，已發(fā)現(xiàn)這種處在其初始液體狀態(tài)， 或進一步被濃縮至甚至基本上是固體鹽狀態(tài)的第一流出液，可以用于石油 工業(yè)中的各種應用。
產自油井和氣井中的水通常具有高含量的鈉、鈣和鎂的氯化物鹽和較 少量的鉀鹽和硫酸鹽。氯化物鹽在油井和氣井的鉆探中具有廣泛的用途， 而碳酸根和硫酸根陰離子可以與釣和/或鎂形成難以處理的沉淀物。在測試并除去了危險物質及其他有害物質之后，選擇一種或多種分離方法優(yōu)選地 將作為鹽水或固體的鈉和鉀的氯化物從4丐和鎂的氯化物或其他多價鹽中 分離出來。
本發(fā)明人已經發(fā)現(xiàn)混合的鈣和鎂的氯化物適合用作鉆井液中的增重 劑。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)在利用石灰通過沉淀去除鎂之后，氯化鈣在被用于加 速水泥的硬化時是有效的。本發(fā)明人還已發(fā)現(xiàn)混合的鈉和鉀的氯化物適合 用作鉆井液中的增重劑。
此外，當有鉆通含鹽地層的可能性時，鈉和/或鉀的氯化物可以:故用于 飽和鉆井液中的水，以避免從地層中溶解鹽并且由此保持對孔直徑的控 制。
當需要鹽飽和的水泥在套管穿過含有鈉鹽和鉀鹽的地層處粘合套管 時，產自分離處理的混合的鈉-鉀溶液可以用于混合水泥中。在操作中，通 過利用來自分離處理的鈉-鉀氯化物制備的鹽飽和水泥來完成密封。計算將 井套管與鉆孔壁之間的環(huán)面完全填滿所需的鹽飽和水泥的體積，并且通常
在沒有砂子和沙礫的情況下，混合15-30%額外體積的水泥。然后，將全 部水泥泵入井套管的頂部。在該點處，大量的鹽飽和水泥已經穿過套管并 且已在環(huán)面中從底部升上來。此后，將直徑大于套管內直徑的橡膠塞插到 套管的頂部，并且將閥和配件安裝于套管的頂部。在足夠的壓力下將水泵 入橡膠塞的上部，以驅使橡膠塞靠近套管的底部。水泥繼續(xù)從套管的底部 流出并向上流至鉆孔和套管間的環(huán)面。再次計算水的體積使得塞不一皮迫使 從套管的底部出來，從而在套管中留下足夠的水泥，從而在套管帽移開以 及鉆井或完井重新開始的時候阻擋地層壓力。隨著鹽飽和水泥在環(huán)面中向 上移動，其驅使"鉆井泥漿"在其前方并在水平地面處的環(huán)面頂部被擠出。 水泥自身的體積使其有足夠的量在表面處跟隨鉆井泥漿流出，作為水泥流 通完成的證據(jù)。水泥能夠固化并將在套管中任何過量的水泥鉆出。
產自分離廢水的水的第一產物在石油工業(yè)中具有其它用途。例如，已 發(fā)現(xiàn)富含鈉和/或鉀的流出液可用于注入油井地層以保持流體壓力。將水注 入油井地層以保持流體壓力也被稱為"水驅法"，并且被稱為第二采收工 藝。該長期的實踐已經普遍使用在組成上具有微小改變的(如果存在的話) 產自油井和氣井的水。已發(fā)現(xiàn)產自油井和氣井的水以及其他也用于"水驅 法"的廢水的作用可以在本質上被改進。為此，收集廢水并進行測試以確 定其是否基本上不含危險物質。然后，通過傳統(tǒng)方法處理廢水，將廢水分離成含有鈉鹽和鉀鹽(如果存在的話)且基本上不含釣和鎂的第一流出液。 第二流出液含有非常少量的鈉鹽，但含有原始廢水中基本上全部的鈣和 鎂。當產自油井的水主要含有氯化物鹽時，而使用其他來源且特別是來自 脫鹽作用的膜濃縮物的廢水能夠堵塞地層和減少石油采收，因為這些廢水 非常經常地含有足夠的硫酸根離子，其與原始地層水中的4丐結合形成漿狀
沉淀。在基本上去除所有鈣和鎂之后，現(xiàn)在的"分離的水"比原始的"硬，， 廢水具有改進的潤濕力。
當具有少量硫酸根離子的第一流出液用于"水驅法"時，其也可以同 時有效地去除地層中的4丐和鎂。這已被發(fā)現(xiàn)對于油的三次采收有很大幫 助，通常被稱為"強化的采油"。通常有成本效益的水驅法結束之后，殘
留在適當位置的油量占地層原油量的45%到65%，從地層中采收更多的油 是理想的。
一種類型的三次采收使用"化學驅油"，其中注入含有一種或多種表 面活性劑的流體以去除地層的孔和表面的油，通常形成乳液。注入流體的 氯化鈉含量通常保持在0.9%以上，用以僅用氯化鈉就實現(xiàn)最低表面張力。 可選擇性地，富含氯化鈉的鹽水的作用是作為為強化采油而添加的化學物 的基礎，化學物如表面活性劑和/或聚合物。在又一個優(yōu)選的實施方案中， 在注入油井地層中之前，通過電解來處理大約0.01%-25%的氯化鈉，將部 分氯化鈉轉化為次氯酸鈉。次氯酸鈉具有更大的潤濕力，用以被引入并穿 過多孔含油地層。更大的潤濕力減少了泵入地層所需的能量，從而需要較 少的能量。此外，次氯酸鈉本身是一種表面活性劑，且降低了用于經濟地 提高采油所需的更高成本的表面活性劑的量。
以上描述了產自廢水分離處理的第 一流出液在石油工業(yè)中的各種用 途。然而，也已發(fā)現(xiàn)具有低鈉鹽和鉀鹽含量以及高4丐和鎂含量的來自分離 處理的廢水，包括產自油井和氣井的水也可以用于石油工業(yè)。通常，主要 含有氯化鈣和氯化鎂的第二流出液的鹽含量以重量計為1%或更高。另夕卜， 該含鹽的鹽水可以通過蒸發(fā)來進一步濃縮。
參照圖1-5,第二產物可以為液體，或如果受到充分的蒸發(fā)，則基本 上為固體鹽產物，并且與沒經處理的^^皮污染的水相比具有高鉤和鎂含量。 然而，該含有鉤和/或鎂的第二產物對于作為增重劑而加到鉆井泥漿中是非 常有用的。當鎂的含量高于需要時，鎂可以作為氧化鎂被沉淀，優(yōu)選地通 過加入石灰，形成比氯化鎂分子量大的額外的氯化鈣。收集氯化鎂并用于處理廢水以將其澄清，并且降低重金屬的含量(如果存在的話)。
現(xiàn)今，油田的操作產生的基本不需要的廢水通常含有以重量計為
0.15。/?；蚋嗟腘a、 Ca、 K、 Mg、 Fe、 Cl、 S04、 C02的鹽或其組合物。 以前，不得不以高成本來處理這種廢水。這種高成本將通過提高油價的方 式來使消費者承擔。現(xiàn)在，可以對廢水進行"原位"水分離，用于原鉆井 油田中。通常，油田廢水的鹽含量遠遠大于0.15%,這形成了水分離的流 出液以及以前不能使用的再生鹽水。確實，根據(jù)預期，從油田工地收集的 廢水的水分離通常將產生含有以重量計為大于0.15%的鹽，并且含有更高 含量的鈉和鉀的第一流出液，以及通常含有以重量計為大于3.0%的鹽和具 有高鈣和鎂含量的第二再生鹽溶液。然而，上述的這些產物仍然具有作為 石油工業(yè)中的增重劑、水泥添加劑和溢流水的用處。
產自油井和氣井的廢水的用途已經被大概地描述了。然而，產自油井
和氣井的廢水含有包括各種鹽和金屬的很多種廢產物。該多樣性的一個例
子是產自美國大平原(Great Plains )地區(qū)的煤床曱烷井的水。如美國地質
調查局(Geological Survey)所報道的，僅在福特聯(lián)盟(Fort Union)煤床
中，來自煤床曱烷井的堿水中溶解的總固體(TDS)量在270-2400mg./l
之間變化。第二個例子為均來自產自北墨西哥地區(qū)三個分開的生產區(qū)之一
的三個天然氣井的水。氣體生產率下降，將產自油井和氣井的水重新注入
生產地層以保持或提高將產物移至表面的地層壓力是常見的。 一個評價這
些井的重新注入的報道指出"...該研究主要關注的是在井孔中以及生產 f§" &士 ■ 《陽乂大f《口、 '》夫士 " t、考xff* *泰士s ie>盡、;s牽；共； 豐乂>虔A
析和計算積垢指數(shù)以確定可行性。來自 一 個井中的水的溫度被報道為
275°F,并具有30,597mg/l的鹽度和pH8.9的堿度，以及1039mg/l碳酸氳 根堿度，高的積垢因子。測量來自最高鹽度井的水具有282°F， 69,534mg/l TDS， pH7.6, 66mg/l碳酸氬根堿度，以及較低的積垢因子，但仍然會積 垢。
降低用于重新注入的水的積垢潛力的傳統(tǒng)實踐已經使用了石灰-蘇打 處理中的一種或兩種，和/或加入許多專有的抗密封化學物中的一種。明顯 地，這些實踐在北墨西哥地區(qū)被認為是不可行的。進行計算機模擬來發(fā)現(xiàn) 混合廢水是否會使得注入鹽水具有可接受的結垢指數(shù)，但沒有找到會避免 不可接受的結垢的混合比率。盡管對再注入法的關注下降，同時對產生的 水進行處理而用于再注入是不經濟的，但是鉆探和操作其他井時使用的有價值的水，鹽水與鹽可以在這些產品缺乏的地區(qū)加以回收利用。
廢水成分的這些變化需要使用各種純化水的方法以及可以根據(jù)針對 于地方條件的圖1-5所示的流程圖來進行選擇和實施。優(yōu)選地，通過對油、 懸浮固體、金屬以及更常見的鈉、鉀、鈣、鎂和鐵的氯化物、硫酸鹽、碳 酸鹽和碳酸氫鹽進行化學和/或機械分離而進行測試，用于選擇水純化處理 以及它們的使用順序，從而確定流程圖中的最佳點用來將污染物去除至用 于預期用途的安全水平。
例如，圖l說明了處理和使用產自油田的廢水的一種優(yōu)選方法，其說 明了用于分析當?shù)貜U水的條件以選擇本發(fā)明的最佳實施方式的本發(fā)明的 方法的一般例子。處理的第一步可以包括測試廢水中的油、危險物質和鹽 含量。根據(jù)這樣的分析結果，可以如圖1中所示的路徑之一去除污染物。 然而，在第一階段的分離中，主要是從多價陽離子鹽，主要是鈣和鎂中分 離單價陽離子鹽，主要是鈉和鉀。因此，鈣和鎂的氯化物被濃縮于小體積
溶液中。這使得通過加入高pH的氫氧化物形成沉淀來去除金屬，高pH 的氫氧化物優(yōu)選為石灰，其為氧化鈣或氫氧化釣，和/或氫氧化鈉或氫氧化 鉀。
熟知沉淀的氫氧化鎂絮狀物有助于共沉淀的金屬氫氧化物和其它顆 粒的沉淀。優(yōu)選使用石灰，因為其成本低于氫氧化鈉或氫氧化鉀，并且使 用石灰產生的氯化鈣的重量大于氯化鎂的重量減少。
已經注意到可以進行大范圍的分析和制造多種的再循環(huán)產物，圖l顯 示了一般的流程圖。通常這些處理比蒸發(fā)至大約15,000mg/lTDS在成本上 更具有竟爭力，但是當?shù)氐臈l件也是決定因素。
圖2說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施的另一個實施方案，其中廢水含有的成 分不同于圖1中處理的那些。在圖2中，來自帕米亞盆地(Permian Basin) 的鹽水被用作例子。在太陽池中蒸發(fā)后，單價鈉和鉀的氯化物結晶并且將 它們的含量優(yōu)選地降低至大約1%或更少，這里描述為第一流出液的回收 的氯化鈉總計大約62,500噸/年。這里描述為第二流出液的剩余的鹽水含 有濃度為37-39%的5,160鈣-鎂氯化物加上大約500噸的氯化鈉。該濃度 接近最高實際工作濃度，由于鈣和鎂的氯化物溶解度受溫度的影響，其中 甚至低于60。F的溫度的微小下降造成水合物的形成，并沉淀在泵、管、 閥和容器中。在運輸需要減輕重量的情況下，可以進行另外的蒸發(fā)以去除 基本上全部的氯化鈉以及生成含有高達80%氯化鈣的氯化鈣水合物。結晶的氯化鈉適用于普通天然蒸餾鹽的所有用途，包括鉆井液的增 重，制備用于鉆透含鹽地層的鹽飽和鹽水，以及制備用于安全地密封穿透 含鹽地層的套管的鹽飽和水泥。當該鹽被純化時，優(yōu)選地根據(jù)本發(fā)明人的
第5，300，123號美國專利，鈣和鎂含量低的經純化的鹽特別適用于轉化成 含有優(yōu)選濃度的次氯酸鈉，即大于0.1%且高達12-15%的次氯酸鈉，以降 低注入流體的表面張力，使得流體進入對于較高表面張力的液體的穿透而 言太小的地層通道，并且由地層表面釋放額外的油，以及降低泵送所需的 能量。鈣和鎂含量低的這種鹽在具有高達10,000卯m至低至10ppm硬度的 鈉分離水中有特別用途，并且適合用于在將表面活性劑和/或聚合物用于需 要氯化鈉的強化采油中之前，預沖洗地層中的4丐和鎂。
圖3為說明產自例如在北墨西哥發(fā)現(xiàn)的那些天然氣井的水的處理和Y吏 用的流程圖。報道的氣產量為1.66MM立方英尺/天，生產的水為2646bbl/ 天(111,00加侖/天)。來自三個井的氣體以及生成水流出井口時的溫度凈皮 記錄為275。F、 282。F和282。F，這對在進入管道前降低氣體的溫度和濃縮 水都是有益的。在天然氣以及在井口或管線前生成的水中的潛熱是足夠 的，當生成水已被收集以維持工作儲備時，從這點上說，通過生成的氣和 水中的潛熱蒸發(fā)生成水足以蒸發(fā)大量的純化水，用于收集作為適用于飲用 或在缺水區(qū)域用于灌溉的冷凝水。該蒸發(fā)利用廢熱同時增加了日曬蒸發(fā)前 的鹽水中鹽的濃度。在蒸發(fā)槽中冷卻的鹽水還可以被用于冷卻氣-水混合 物?；厥盏穆然c和氯化釣鹽水將代替以巨大能量消耗從遠距離輸入的產 品，并且需要處理的廢物體積大大減小。
圖3說明了與圖11所示基本相似的方法。然而，圖3所示的方法提 供了有關使用蒸發(fā)從單價陽離子鹽中分離多價陽離子鹽的較大特異性。該 方法開發(fā)了在冷卻井口流體中的廢棄鹽水的同步且有益的用途，而同時使 用來自井口液體的熱用于槽或其他蒸發(fā)器中的蒸發(fā)。
圖4說明了為使用井口流體廢熱而使用本發(fā)明的水處理中的熱交換器 的另 一個實例。同時地，利用相繼熱交換對冷卻的井口流體進行脫水(去 除液體水)以再生吸收材料。優(yōu)選使用氯化鉤吸收水。對于275°F到282°F 之間的溫度，可以將乙二醇用作吸收劑。在圖4中，熱交換器在油井或氣 井的井口溫度更高的情況下，如220。F以上是特別有用，其可以用于蒸發(fā) 廢水以濃縮氯化鉤。然后部分冷卻的井口流體穿過圖4所示的第二熱交換 器(蒸發(fā)器)以進行第二階段的冷卻，伴隨蒸發(fā)的相應增加。圖4還說明了用于天然氣或其它石油產品脫水的氯化釣水合物或無水鹽的生產。雖然 沒有顯示在圖4中，可以將來自第一蒸發(fā)器的水蒸氣冷凝用于進一步的使 用。
圖5說明來自通過離子交換去離子化的流出液的處理和使用。電子和
醫(yī)藥領域生產商使用去離子化已經是熟知的并且迅速增多。通常，利用昂 貴的鹽酸和氫氧化鈉來進行再生。僅僅消耗了一部分這些材料，而剩余的 造成了處理上的問題。因此，通常的操作是，將這兩種材料混合以相互中
和。根據(jù)需要，加入額外的酸或氫氧化鈉以調節(jié)廢鹽溶液的pH，以使其 對于排放到下水道或鹽水管線是可接受的。這形成了通常含有與原始的鹽 酸和氫氧化鈉的一半一樣多的鹽酸和氫氧化鈉廢材料。同時，大量的鹽酸 被用于從油井設備上除去積垢以及用于生產地層，并且特別是當油井或氣 井已被關停一段時間。許多油井和氣井在后來的生產階段具有大量的生成 水，其具有高水/油或水/氣比率的形式。經常處理生成水的成本使得生產 無利可圖，并且能源價格低的時期造成許多井要被關停。
參照圖5中的產物B,對地層中的水的最通常的分析對于沉積為"積 垢"的鉤和/或鎂化合物的沉淀是有利的。當積垢沉積繼續(xù)時，隨著時間的 推移，地層、管道和泵設備喪失承載油和水的能力。關停井的重開啟常需 要除去積垢，而最常用的材料為溶解積垢的鹽酸溶液。但是許多地層含有 會膨脹并阻塞地層的粘土，除非將酸與防止粘土膨脹的材料混合，如磷酸 或過量的鈉鹽。來自用于通過去離子化去除陽離子的強酸型陽離子樹脂的 再生鹽水就是這樣一種溶液且通常僅需要在使用前用水稀釋。
參照圖5中的產物C,用于在去離子化期間除去陰離子的強堿型樹脂 的再生鹽水最通常為氫氧化鈉，雖然其可以是如本發(fā)明人在于2006年7 月28日提交的第11/495,979號未決的美國專利系列申請所述的氫氧化鉀 或甚至是氫氧化鋁，該申請在此引入作為參考。在失去作用的再生鹽水中， 殘余的氫氧化物當用作增重劑加到水驅法時，能更好地穿過地層，和/或當 以通過乳化從地層表面提出原油的強度使用時，是非常有效的。軟化水的 適用性是非常重要的，因為在加利福尼亞州最單一的鹽的用途是用于軟化 水，用于蒸汽輔助的重油生產。這樣的"蒸汽輔助"用在高于145,000,000 桶/年的生產中，幾乎是加利福尼亞州岸上油產量的一半。使用用于強化 采油的表面活性劑和乳液也需要使用軟化水以使表面活性劑的使用最小 化。油價的增長使得蒸汽輔助的方法更經濟，并且廢鹽的回收進一步降低了增加的回收的成本。
已經如此詳細地公開了本發(fā)明，使得本領域技術人員能夠理解并實施 它，并且已經確定了其現(xiàn)今優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明人的權利要求如下。
權利要求
1.油井或氣井的鉆探和生產中的改進，其包括以下步驟的組合收集含有以重量計為0.15％或更多的Na、Ca、Mg、K、Cl、SO4或CO3的鹽或其組合的被污染的水，對所述被污染的水進行分離處理以生成基本上是固體的或液體的第一分離產物和基本上是固體的或液體的第二分離產物，以及將所述產物之一用于油井或氣井的鉆探和生產。
2. 油井或氣井的鉆探中的改進，其包括以下步驟的組合 收集含有以重量計為0.15%或更多的Na、 Ca、 Mg、 K、 Cl、 S04或C O 3的鹽或其組合的被污染的水，對所述被污染的水進行分離處理以生成基本上是固體的或液體的第 一分離產物和基本上是固體的或液體的第二分離產物，以及將所述產物之一作為增重劑加到鉆井液中。
3. 油或氣井的鉆探中的改進，其包括以下步驟的組合(a) 收集含有以重量計為0.15%或更多的Na、 Ca、 Mg、 K、 Cl、 S04 或C03的鹽或其組合的一皮污染的水；(b) 對所述被污染的水進行分離處理，以生成與收集的水相比氯化 鈉增加和氯化鎂和氯化鉤減少或其組合的基本上是固體的或液體的第一 分離產物，"*v、 /入與收集的水相比氯化鈉減少和氯化鎂和氯化鈣增加或其組合的基本 上是固體的或液體的第二分離產物，(c) 將所述的第一分離產物用于混合鹽飽和的水泥；以及(d) 將所述水泥用于鉆孔的套管。
4. 油井或氣井的生產中的改進，其包括以下步驟的組合(a)收集含有以重量計為0.15。/。或更多的Na、 Ca、 Mg、 K、 Cl、 S04 或C03的鹽或其組合的被污染的水；(b )對所述被污染的水進行分離處理以生成基本上是固體的或液體 的第一分離產物，所述的第一分離產物與收集的水相比氯化鈉增加和氯化 鎂和氯化釣減少或其組合 以及(C )將所述第 一廢產物注入到油井或氣井的地層中以改進生產。
全文摘要
對來自水純化的廢水的進一步處理產生了用于油井和氣井鉆探和生產中的產物。
文檔編號C02F5/00GK101610982SQ200780051664
公開日2009年12月23日 申請日期2007年12月17日 優(yōu)先權日2006年12月21日
發(fā)明者杰拉爾德·J·格羅特 申請人:杰拉爾德·J·格羅特