申请日2012.12.06
公开(公告)日2014.11.26
IPC分类号E21B7/12; E21B21/08
摘要
一种用于处理水的方法，所述方法包括：将第一量水吸到多个处理装置中，处理所述第一量水，输出来自所述多个处理装置中的每一个的已处理水水流，将来自所述多个处理装置中的每一个的已处理水水流分成渗透水流和废弃浓缩物流，监测每股渗透水流;基于预定水特征允许值控制所述多个处理装置的至少一个的操作，所述预定水特征允许值基于所述渗透水流的不同质量落入预定浓度范围内;基于识别到的特征和所述预定水特征允许值将所述多个处理装置中的至少两个的渗透水流结合，以及输出产物水流和至少一股废弃浓缩物流。
权利要求书
1.一种用于处理水的方法，所述方法包括：
将第一量水吸入到多个处理装置中;
处理所述第一量水，其中所述处理包括：
将所述第一量水的至少一部分泵送通过所述多个处理装置; 输出来自所述多个处理装置中的每一个的已处理水水流;
将来自所述多个处理装置中的每一个的已处理水水流分离成渗透水 流和废弃浓缩物流;
监测每股渗透水流，其中，所述监测包括识别所述渗透水流的不同 特征;
基于预定水特征允许值控制所述多个处理装置的至少一个的操作， 所述预定水特征允许值基于所述渗透水流的不同质量落入预定浓度范围 内;
基于识别到的特征和所述预定水特征允许值将所述多个处理装置中 的至少两个的渗透水流结合;以及
输出产物水流和至少一股废弃浓缩物流。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
将第二量水吸入到混合管线中，所述混合管线旁通过或绕开所述多 个处理装置;
基于所述识别到的特征和所述预定水特征允许值将来自所述混合管 线的第二量水与所述渗透水流混合以形成产物水流。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
将来自所述混合管线的一定量的第二量水选择性地释放和混合到所 述渗透水流。
4.如权利要求2所述的方法，还包括：
将三股或更多渗透水流混合成混合渗透水流。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
控制泵送通过所述多个处理装置的水量。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
将三股或更多渗透水流混合成混合渗透水流。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定水特征允许值具有 30000mg/L的上限浓度和1000mg/L的下限浓度。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
改变所述产物水流的混合和形成以处于所述预定水特征允许值之 内。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述渗透水流在被供给通过所 述处理装置之后具有处于大约2mg/L至大约4000mg/L的范围之内的盐分 或盐度。
10.如权利要求1所述的方法，其中，通过膜压力容器的至少一个 膜元件已经至少将硫酸根离子从所述渗透水流中移除。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：
将多个膜元件串联地设置在膜压力容器中，
其中，所述多个膜元件包括不同类型的膜元件。
12.如权利要求1所述的方法，还包括：
将第三量水吸入到滑流管线中，
选择性地处理所述第三量水以取得预定水特征;
监测所述第三量水的预定水特征和所述第三量水的温度中的至少一 个;以及
将来自所述滑流管线的第三量水与所述第一量水、所述第二量水、 所述渗透水流和所述产物水流中的至少一个选择性地混合。
13.如权利要求2所述的方法，还包括：
在将所述第二量水吸入通过所述混合管线之前和在将所述第一量 水吸入通过所述多个处理装置之前，过滤吸入水以去除任何大污染物; 以及
在将所述第二量水吸入通过所述混合管线之前和在将所述第一量 水吸入通过所述多个处理装置之前，过滤吸入水以去除大分子，
其中，所述大污染物包括沙子、岩石、植物、砂砾以及它们的组合 中的至少一个，以及
其中，所述大分子包括悬浮固体、胶体、巨大分子、细菌、油、颗 粒物质、蛋白质、高分子量溶解物以及它们的组合中的至少一个。
14.一种基于膜的水处理系统，所述水处理系统包括：
吸入第一量水的吸水系统;以及
多个处理装置，每个处理装置包括：
泵，膜压力容器，监测器和控制器;
其中，所述泵将所述第一量吸入水供给通过所述膜压力容器，
其中，所述膜压力容器包括至少一个膜元件且将所述第一量吸 入水分离成至少渗透水流和废弃浓缩物流，以及
其中，所述监测器用于识别每一股所述渗透水流的不同特征， 监测来自两个或更多处理装置的所述渗透水流的混合，以及基于识别到 的特征和预定水特征允许值监测来自所述两个或更多处理装置的混合渗 透水流。
15.如权利要求14所述的基于膜的水处理系统，还包括：
吸入第二量水的混合管线，
其中，所述混合管线旁通过或绕开所述多个处理装置;以及
其中，基于所述识别到的特征和所述预定水特征允许值使得所述第 二量吸入水与所述渗透水流中的至少一股混合以形成产物水流。
16.如权利要求15所述的基于膜的水处理系统，其中，一定量的第 二量吸入水被选择性地释放和混合到混合渗透水流中。
17.如权利要求15所述的基于膜的水处理系统，其中，三股或更多 渗透水流被混合成混合渗透水流。
18.如权利要求15所述的基于膜的水处理系统，其中，所述监测器 用于监测来自两个或更多处理装置的水和来自所述混合管线的水的混 合。
19.如权利要求15所述的基于膜的水处理系统，其中，所述混合管 线包括至少一个阀和至少一个流量计。
20.如权利要求14所述的基于膜的水处理系统，其中，所述控制器 用于控制泵送通过所述多个处理装置的水量。
21.如权利要求14所述的基于膜的水处理系统，还包括：
吸入第三量水的滑流管线，
其中，所述第三量水被选择性地处理以取得预定水特征;
其中，所述监测器用于监测或识别所述第三量水的预定水特征和所 述第三量水的温度中的至少一个;以及
其中，来自所述滑流管线的第三量水被选择性地与所述第一量水、 所述第二量水、所述渗透水流和所述产物水流中的至少一个混合。
22.如权利要求14所述的基于膜的水处理系统，其中，所述预定水 特征允许值具有30000mg/L的上限浓度和1000mg/L的下限浓度。
23.如权利要求14所述的基于膜的水处理 系统，其中，所述产物水 流被保持在所述预定水特征允许值之内。
24.如权利要求14所述的基于膜的水处理系统，其中，所述渗透水 流在被供给通过所述处理装置之后具有处于大约2mg/L至大约4000mg/L 的范围之内的盐分或盐度。
25.如权利要求14所述的基于膜的水处理系统，其中，通过膜压力 容器的至少一个膜元件已经至少将硫酸根离子从所述渗透水流中移除。
26.如权利要求15所述的基于膜的水处理系统，其中，在将所述第 二量水吸入通过所述混合管线之前和在将所述第一量水吸入通过所述多 个处理装置之前，从吸入的水中去除任何大污染物和大分子。
说明书
用于用在改进后的烃开采操作中的由基于膜的水处理生产恒质水的方法和控制装置
技术领域
本文中公开的实施方式总体上涉及用于用在改进后的烃开采操作中 的由基于膜的水处理生产恒质水的方法和控制装置。
背景技术
经由钻探到地下地层中的生产井而从地下含烃地层中开采或生产积 聚在其中的烃。当烃的生产变缓时，改进后的开采技术可用于从地层中 挤出烃。用于从地层中挤出烃的最简单方法之一是将流体直接注入到地 层中。通过使得烃移位或快速移动通过地层从而能够从生产井中生产烃， 这样能够提高产量。
如图1所示，用于从地层开采烃的现有技术系统由连接到井10的海 上钻台12组成，该井10完成于地下含烃地层14中。一般地，流体被直 接注入到地下含烃地层14(如向下的箭头所示)并且迫使烃经由生产井 穿过地层且到达油井10之外(如向上的箭头所示)，其中该生产井可能 是同一个油井或者不同的油井。一种开采操作使用水(例如，海水，采 出水)作为称作采油注水(waterflood)的注入流体。水在压力的作用 下经由注入井而被注入到地层中，迫使烃穿过地层而朝向生产井。
用在用于海上钻井的采油注水中的注入水典型地是海水和/或采出 水，因为海上的海水和/或采出水可低成本地获得。将采出水用作海上注 入水的另一动机是在处置海上采出水的一些位置中存在困难。在任何情 况下，海水和采出水一般地特征在于是含盐的，相对于淡水而言具有较 高的离子含量。例如，流体富含钠、氯化物、硫酸盐、镁、钾和钙，仅 举几例。存在于注入水中的一些离子能够有利于烃生产。例如，包括K+、 Na+、Cl–,Br–和OH–的阳离子和阴离子的特定组合能够使得在地层的不 同等级保持粘土稳定，其中该地层易受由膨胀或颗粒迁徙而造成的粘土 损坏的影响。
然而，已经发现存在于注入水中的特定离子，包含钙离子和/或硫酸 根离子，可对注入井和生产井造成有害影响，并且最终能够降低由生产 井所生产的烃产品的量或质量。具体地，硫酸根离子当与诸如钡和/或锶 等的金属阳离子接触时能够就地形成盐，这些反应在储油层中能够自然 地发生。硫酸钡盐和硫酸锶盐在室温储油层环境下是较不易溶解的并且 容易从溶剂中沉淀离析出来。随着注入水被引入到带有烃的表层，因为 生产井的温度降低，所以盐的溶解性进一步降低。生成的沉淀物在边远 储油层中，在烃生产井的井眼上和该井盐的下游(例如，出油管线、气/ 液分离器、输油管线等中)处集聚为一定量硫酸钡。该一定量硫酸钡降 低了储油层的可渗透性，降低了井眼的孔眼的直径，由此降低了烃生产 井的烃开采率。二价阳离子在使得敏感粘土稳定方面特别有效。
已经报道在注入水中的硫酸根离子的较高浓度促使储油层变酸。储 油层变酸是不期望的现象，由此储油层在开采到时开始是无过量腐蚀性 (酸性)物质的，但是在采油注水和伴随的从储油层中生产烃的过程中 变酸。酸性物质利用氢化硫气体或其他的含硫物质来污染储油层，在经 由烃生产井而从储油层中生产期望的烃流体的同时产生了一定量的氢化 硫气体，可以证明储油层变酸。氢化硫气体在烃生产井处和生产井的下 游造成了大量不期望的后果，包括对烃生产井冶金品和相关的生产设备 造成过度剥蚀和腐蚀、使所生产的烃流体的经济价值降低、对周围的环 境造成损坏、对现场工作人员的健康造成损害。
硫化氢被认为由厌氧硫酸还原细菌产生的。硫酸还原细菌经常是储 油层所固有的并且通常也存在于注入水中。硫酸根离子和有机碳是由硫 酸还原细菌所使用的主要供给反应物以就地产生硫化氢。注入水通常是 硫酸根离子的丰富来源，同时地层水是自然产生的低分子量脂肪酸形式 的有机碳的丰富来源。在出现硫酸根离子的情况下，硫酸还原细菌通过 代谢低分子量脂肪酸，因此将硫酸盐还原成硫化氢，由此使得储油层变 酸。或者可以说，储油层变酸是由将硫酸盐和有机碳转换成硫化氢和副 产品的硫酸还原细菌执行的反应。
在现有技术中已经采用了一些策略来治疗储油层变酸，但效果有限。 这些现有技术策略主要是单独地分别攻击硫酸还原细菌自身或者攻击硫 酸还原细菌的特定食物营养。例如，很多现有技术策略已经聚焦于杀灭 注入水或储油层中的硫酸还原细菌。用于杀灭硫酸还原细菌或限制它们 生长的传统方法可包括紫外光、抗微生物剂以及诸如丙烯醛和硝酸盐的 化学物质。用于治疗储油层变酸的其他现有技术策略已经聚焦于限定硫 酸还原细菌对硫酸盐或有机碳的可获得性。
最近，用于治疗储油层变酸的策略包括使用薄膜以降低注入水中硫 酸根离子的浓度。例如，美国专利No.4,723,603示出了特定薄膜，该特 定薄膜能够有效地降低注入水中的硫酸根离子的浓度，由此防止形成一 定量的硫酸盐。如现有技术所启示的那样，纳米过滤(NF)膜通常比反 渗透(RO)膜更加优选，因为纳米过滤膜与反渗透膜相比通常允许氯化 钠更大量通过。结果，纳米过滤膜有利地能够在比反渗透膜更加低压和 操作成本更低的条件下操作。此外，纳米过滤膜也将生产的注入水的离 子强度保持在较高水平，这样期望地降低了粘土不稳定性的风险和相应 地降低了水通过地下地层的多孔基层而渗透损失的风险。
然而，在通过使用盐分或盐度比自然海水低的注入水提高了开采率 但是还需要足够的离子强度以防止粘土变得不稳定的情况下，除了与存 在于注入水中的硫酸根离子相关的问题之外，也已经发现注入水的盐分 或盐度在采油注水期间对烃开采可能具有重大影响。根据地层的类型， 具有较高盐分或盐度的注入水可导致储水层的可湿性从而变得更加亲 油。这是因为海水中的诸如Ca+2和Mg+2的多化合价的阳离子被认为起到 了带负电荷油和典型地位于地层的多孔壁中的带负电荷粘土材料之间的 桥梁作用。油与粘土颗粒发生反应以形成有机金属复合物，该有机金属 复合物导致粘土表面异常地憎水和亲油。随着储油层岩石的亲油性增大， 烃会被吸附在岩石的表面，由此从地层中流出的油比水少，这导致了正 生产的烃产量降低。
通过降低地层中的整体盐分或盐度特别是降低多化合价阳离子的浓 度而降低电解质含量(即，降低离子强度)可降低阳离子的屏蔽电位。 这导致了粘土颗粒和油之间增加的静电排斥。一旦排斥力超过了由多化 合价阳离子桥所建立的粘合力，油颗粒能够从粘土表面释放出来，并且 粘土表面变得更加亲水。然而，如果电解质含量降低太多(即，地层流 体盐分或盐度太低)，粘土粒子可能从多孔壁上脱落(粘土反团聚作用)， 这将损坏地层。因此，虽然期望具有盐分或盐度较低的注入水，但是将 盐分或盐度水平保持在特定的范围内是很重要的。
然而，盐分或盐度较低的水在油井现场通常是很难得到的。盐分或 盐度较低的水通常例如通过使用膜分离技术(例如，反渗透)来降低盐 分或盐度较高的水的总体离子浓度。在已知的根据反渗透处理的海水脱 盐操作中，待脱盐的海水借助于半渗透膜而经受分离处理。此种膜被理 解为选择性膜，该选择性膜对水分子是高渗透的，但是对溶解在水中的 盐离子是低渗透的。
用在低盐注入水的制备中的膜分离技术使用反渗透(RO)膜元件。 用在低硫酸盐注入水和软水的制备中的膜分离技术使用特定的纳米渗透 (NF)膜元件。RO和NF处理使用液压以经由半渗透膜而从供给的水中 生产出盐分或盐度较低的水。根据膜类型、压强和水状态，一定量的盐 也穿过膜，但是产品水的总体盐分或盐度比原料水的盐分或盐度低。现 行的RO技术能够用于海水和微咸水的脱盐。用在RO处理中的膜一般地 由聚酰胺制成或者由纤维素源制成。
待处理的水通常使用过滤筒、介质过滤、微孔过滤或超过滤方法被 预处理，这些过滤方法是已知的用于基于固体/颗粒尺寸而将固体/颗粒 与水分离。然后使用高压泵将水供给到反渗透和/或纳米过滤容器。来自 于高压泵的所需压强是渗透压、温度、流量(即，通过膜的单位面积的 水的量)以及利用特定膜面积而待生产的供给水的体积的函数。产物水 (即，渗透物)借助于渗透管而从膜组件中排出。浓缩物管用于排出浓 缩的离子水。
典型地，传统系统只与生产水有关，该生产水的特定特征量比预定 水平高或者低。此系统只集中于污染物的最大允许限量，只要以及只有 特定特征量在设定的限度之上便进行处理。否则，水被认为是可以使用 的。最通常地，此种处理工厂将包括集中串联和/或并联连接的若干处理 装置。在此种系统中，水通过多数装置中的大多数或者多次经过特定的 装置，因为这样对于水的特定特征达到被认为可使用的量来说是必要的。
发明内容
在一个方面，这里公开的实施方式涉及一种用于处理海水或用来注 入的其他水源的方法，所述方法包括：将第一量水吸入到多个处理装置 中，处理所述第一量水，输出来自所述多个处理装置中的每一个的已处 理水水流，将来自所述多个处理装置中的每一个的已处理水水流分离成 渗透水流和废弃浓缩物流，监测每股渗透水流;基于预定水特征允许值 控制所述多个处理装置的至少一个的操作，所述预定水特征允许值基于 所述渗透水流的不同质量落入预定浓度范围内，基于识别到的特征和所 述预定水特征允许值将所述多个处理装置中的至少两个的渗透水流结 合，以及输出产物水流和至少一股废弃浓缩物流。处理所述第一量水包 括将所述第一量水的至少一部分泵送通过多个处理装置。监测每股所述 渗透水流包括识别所述渗透水流的不同特征。
根据另一方面，提供了一种基于膜的水处理系统，所述系统包括： 吸入第一量水的吸水系统;以及多个处理装置。每个处理装置包括：泵， 膜压力容器，监测器和控制器。所述泵将第一量吸入水供给通过所述膜 压力容器。所述膜压力容器包括至少一个膜元件且将所述第一量吸入水 分离成至少渗透水流和废弃浓缩物流。所述监测器用于识别所述渗透水 流中的每一股的不同特征，监测来自两个或更多处理装置的所述渗透水 流的混合，以及基于识别到的特征和预定水特征允许值监测来自两个或 更多处理装置的已混合渗透水流。
从以下说明和所附权利要求中，本发明的其他方面和优点将变得显 而易见。