КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМА И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПЛАСТОВОЙ ВОДЫ И МОРСКОЙ ВОДЫ ДЛЯ ПОВТОРНОЙ ЗАКАЧКИ В ПОДВОДНЫЙ НЕФТЯНОЙ ПЛАСТ
COMBINATION SYSTEM AND METHOD FOR PREPARING RESERVOIR WATER AND SEA WATER FOR REPEATED INJECTION INTO UNDERWATER OIL RESERVOIR

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001]
Настоящее изобретение относится к системам подготовки воды на морских нефтедобывающих комплексах. В частности, настоящее изобретение относится к системам подготовки пластовой воды и морской воды для добычи вторичными методами из нефтяных скважин.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0002]
4
4
4
4
-2
+2
+2
2+
Широко известно, что одним из технических решений, применяемых при добыче вторичными методами на морских нефтедобывающих комплексах, является закачка подготовленной морской воды. В этом контексте известно, что морская вода содержит значительное количество сульфат-ионов (SO), приблизительно 2800 мг/л. Когда морскую воду закачивают на месторождениях, на которых пластовая вода (связанная вода) содержит в растворе достаточное количество ионов бария (Ba), стронция (Sr) или кальция (Ca), контакт этих двух фронтов обычно вызывает выпадение в осадок сульфатов: сульфата бария (BaSO), сульфата стронция (SrSO) или сульфата кальция (CaSO). Эти соли очень плохо растворимы и вызывают повреждение пласта за счет закупоривания пор выпавшими в осадок солями. Они также могут осаждаться в эксплуатационных трубопроводах и оборудовании технологической установки.
[0003]
В зависимости от содержания бария и стронция в пластовой воде может потребоваться развертывание установки очистки от сульфатов с целью подготовки морской воды для закачки в пласт, как показано на фиг. 1. В установке очистки от сульфатов мембраны нанофильтрации (которые могут быть керамическими или полимерными) используют для удаления из морской воды сульфат-ионов. Поскольку морская вода содержит в своем составе твердые частицы, а также морскую флору и фауну, для повышения эффективности установки очистки от сульфатов на ее входе необходимо устанавливать фильтры. Фильтрацию осуществляют сначала фильтрами грубой очистки, а затем фильтрами патронного типа с потоком меньшего диаметра.
[0004]
В установке очистки от сульфатов вода проходит через нанофильтрационные мембраны, при этом ее часть, обычно 25%, приходится на сульфат-ионы, и ее отделяют для последующего сброса в море. Для достижения проектных технических требований к подготовленной воде в отношении сульфат-ионов, согласно схеме, представленной на фиг. 2, используют два расположенных параллельно комплекта мембран, за которыми последовательно расположен третий комплект.
[0005]
После подготовки воды в установке очистки от сульфатов, она приходит в соответствие с необходимыми техническими требованиями и может быть закачана в нефтяной пласт для добычи вторичными методами.
[0006]
Кроме того, известно также, что пластовую воду, поступающую на установку очистки, обрабатывают с целью удаления капель нефти. Традиционные технические решения для этого типа подготовки характеризуются конфигурацией, представленной в общем и упрощенном виде на фиг. 1.
[0007]
В частности, пластовая вода проходит процесс подготовки для разделения водной и нефтяной фаз, причем в состав этого процесса входит гравитационное разделение, гидроциклоны и флотирование, а затем воду направляют на сброс в море в соответствии с действующим природоохранным законодательством. Вода, не предназначенная для сброса, на некоторых платформах может быть направлена в резервуар, который называют «резервуаром некондиционных сточных вод», где на отделение нефтяной фазы отводится больше времени, а в некоторых случаях вода может быть переработана на очистном сооружении.
[0008]
Однако это оборудование для подготовки пластовой воды обладает меньшей эффективностью при удалении твердых частиц и капель нефти размерами менее 5,0 мкм. Такие условия ограничивают общую эффективность подготовки и, следовательно, получения выходящего потока с характеристиками, пригодными для пластов с большими ограничениями с точки зрения содержания взвешенных твердых частиц, нефти и смазочных материалов. Поэтому после подготовки пластовая вода предназначена для сброса в море и не предназначена для повторной закачки, поскольку она содержит взвешенные твердые частицы, нефть и смазочные материалы.
[0009]
Таким образом, в настоящее время на морских объектах нефтедобычи пластовую воду после подготовки направляют только на сброс. Низкая эффективность традиционных очистных сооружений для пластовой воды, используемых для получения содержания твердых частиц и нефти в соответствии с требованиями к повторной закачке в пласты с большими ограничениями, помимо прочих факторов, является одной из причин неосуществимости повторной закачки. Соответственно, в современных проектах добычи вторичными методами этой альтернативой по-прежнему пренебрегают.
[0010]
Следует отметить, что разработка системы подготовки, которая позволяет закачивать пластовую воду повторно, является очень интересным вариантом для нефтедобывающего сектора, главным образом, в силу тенденции к ужесточению природоохранного законодательства, а также перехода к повышению культуры производства в этой сфере деятельности.
[0011]
В этом смысле технология разделения микро/ультрафильтрационными мембранами (керамическими мембранами) оказалась интересным вариантом для этой задачи, поскольку при использовании в подготовке пластовой воды она дает в результате воду с низким содержанием нефти и твердых частиц.
[0012]
Как известно из уровня техники, в процессе разделения микро/ультрафильтрационными мембранами вода проходит через мембраны, при этом часть подаваемого объема накапливает неотфильтрованную нефть и повторно возвращается в систему.
[0013]
В статье «Ceramic Ultra-and Nanofiltration Membranes for Oilfield Produced Water Treatment», Ashaghi, K. Shams et al., представлен обзор использования микро/ультрафильтрационных керамических мембран для подготовки пластовой воды (удаления твердых частиц и частиц нефти). В этой научной статье представлено несколько технических решений с использованием микро/ультрафильтрационных керамических мембран, и их описание включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0014]
В статье «Evaluation of membranes for the treatment of water from the oil extraction process», Weschenfelder, Silvio E. et al., один из авторов настоящего изобретения описывает исследование по оценке производительности мембран для подготовки пластовой воды путем длительных испытаний реального стока, учитывая изменения потока фильтрата и характеристик полученного стока. Результаты показывают, что путем использования мембран с размером пор 0,1 мм возможно получить отфильтрованный поток с содержанием твердых частиц менее 1 мг/л и содержанием нефти и смазочных материалов в диапазоне от 1 до 3 мг/л. Кроме того, в этом документе описано, что при помощи процесса химической регенерации возможно на 95% восстановить первоначальную проницаемость микро/ультрафильтрационной керамической мембраны. Содержание этого документа также включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0015]
При нынешнем подходе, если будет решено применить процесс разделения микро/ультрафильтрационными мембранами в дополнение к традиционной подготовке пластовой воды, например, с целью повторной закачки, на очистном сооружении потребуется дополнительная система, что описано в приведенных выше документах известного уровня техники. Это влечет за собой более значительные расходы по развертыванию, эксплуатации и техническому обслуживанию, повышает сложность эксплуатации, а также увеличивает общую массу и  необходимую площадь платформы.
[0016]
Таким образом, исходя из известного уровня техники, очевидно, что на сегодняшний день отсутствует система подготовки пластовой воды, позволяющая осуществлять повторную закачку без дополнительной системы подготовки.
[0017]
Как более подробно подробнее описано ниже, настоящее изобретение направлено на практическое, эффективное и экономичное решение описанных выше проблем известного уровня техники.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0018]
Основной целью настоящего изобретения является предоставление комбинированных системы и способа подготовки морской воды и пластовой воды, которые позволят осуществлять повторную закачку пластовой воды без необходимости в использовании дополнительной системы подготовки на платформе.
[0019]
Для достижения описанной выше цели настоящее изобретение предоставляет комбинированную систему для подготовки пластовой воды и морской воды для повторной закачки в нефтяной пласт морского месторождения, содержащую: (i) по меньшей мере один вход для воды, которая подлежит подготовке; (ii) по меньшей мере два модуля подготовки воды путем микро/ультрафильтрации, причем каждый модуль содержит: (ii-а) по меньшей мере один комплект микро/ультрафильтрационных мембран, приспособленных для удаления нефти и твердых частиц из воды, подлежащей подготовке, или (ii-b) по меньшей мере один комплект нанофильтрационных мембран, приспособленных для удаления сульфат-ионов из воды, подлежащей подготовке; (iii) по меньшей мере один выход для подготовленной воды, при этом объем воды, подлежащей подготовке, направляют в модуль подготовки воды, содержащий микро/ультрафильтрационные мембраны, или в модуль подготовки воды, содержащий нанофильтрационные мембраны, в зависимости от качества воды с точки зрения содержания нефти и твердых частиц или содержания сульфат-ионов.
[0020]
Настоящее изобретение дополнительно предоставляет комбинированный способ подготовки пластовой воды и морской воды для повторной закачки в нефтяной пласт морского месторождения, по существу предусматривающий следующие стадии: (i) направление пластовой воды, подлежащей подготовке, к модулю подготовки воды, содержащему по меньшей мере один комплект микро/ультрафильтрационных мембран, приспособленных для удаления нефти и твердых частиц, или (ii) направление морской воды, подлежащей подготовке, к модулю подготовки воды, содержащему по меньшей мере один комплект нанофильтрационных мембран, приспособленных для удаления сульфат-ионов. При этом объем воды, подлежащей подготовке, направляют в модули подготовки воды, содержащие микро- или ультрафильтрационные мембраны, или в модуль подготовки воды, содержащий нанофильтрационные мембраны, в зависимости от качества воды с точки зрения содержания нефти и твердых частиц или содержания сульфат-ионов.
Краткое описание фигур
[0021]
Представленное ниже подробное раскрытие сделано со ссылкой на прилагаемые фигуры и соответствующие номера позиций, приведенные на них.
[0022]
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы подготовки морской воды и пластовой воды для закачки и сброса, соответственно, согласно предшествующему уровню техники.
[0023]
На фиг. 2 представлена принципиальная схема примера подготовки морской воды для закачки в нефтяной пласт через установку очистки от сульфатов согласно предшествующему уровню техники.
[0024]
На фиг. 3 представлена принципиальная схема модуля подготовки, содержащего нанофильтрационные или микро/ультрафильтрационные мембраны, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0025]
На фиг. 4 представлена принципиальная схема одной из комбинированных систем подготовки морской воды и пластовой воды для повторной закачки согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0026]
На фиг. 5 представлена принципиальная схема полной системы подготовки морской воды и пластовой воды для повторной закачки, содержащей комбинированную систему согласно настоящему изобретению.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[0027]
Из вышесказанного понятно, что дальнейшее описание будет отличаться от предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение не ограничено этим конкретным вариантом осуществления.
[0028]
На фиг. 4 представлена упрощенная принципиальная схема одной из комбинированных систем подготовки морской воды и пластовой воды для последующей повторной закачки согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На этой фигуре по существу предполагается два входа для воды, подлежащей подготовке, а именно: один вход 2 для пластовой воды с высоким содержанием нефти и твердых частиц, и один вход 4 для морской воды с высоким содержанием сульфат-ионов.
[0029]
Пластовую воду предпочтительно хранят по меньшей мере в одной емкости 10 прежде, чем ее направляют на сброс или подготовку при помощи комбинированной системы согласно настоящему изобретению.
[0030]
Предпочтительно, собранная для подготовки и последующей закачки морская вода проходит через последовательность фильтров, при этом в первом фильтре предусмотрены фильтрующие элементы с более крупной сеткой, а в последующих фильтрах предусмотрены фильтрующие элементы с более мелкой сеткой. Предпочтительно, первый фильтр 12 удерживает частицы размером до 500 мкм, второй фильтр 14 удерживает частицы размером до 25 мкм, и третий фильтр 16 удерживает до 5 мкм.
[0031]
Предпочтительно, соответствующим образом собранные пластовая вода и морская вода перед входом в каждый из модулей 20 подготовки воды поступают по меньшей мере в один манифольд 18, состоящий из множества регулирующих водяных клапанов.
[0032]
Каждый модуль 20 подготовки воды содержит по меньшей мере один комплект микро/ультрафильтрационных мембран (керамических мембран), приспособленных для удаления нефти и твердых частиц из пластовой воды, или по меньшей мере один комплект нанофильтрационных мембран (керамических или полимерных мембран), приспособленных для удаления сульфат-ионов из морской воды. Таким образом, по меньшей мере один манифольд 18 направляет через свои регулирующие клапаны пластовую воду в модули, содержащие микро/ультрафильтрационные мембраны, и отобранную морскую воду в модули, содержащие нанофильтрационные мембраны. Предпочтительно, по меньшей мере один манифольд разделен на два манифольда, при этом один манифольд регулирует вход для пластовой воды в модулях, содержащих микро/ультрафильтрационные мембраны, а другой манифольд регулирует поступление морской воды в модули, содержащие нанофильтрационные мембраны.
[0033]
Предпочтительно, по меньшей мере один манифольд 18 гидравлически связан с двумя входными каналами для воды, подлежащей подготовке, а именно: одним входным каналом 2 для пластовой воды и одним входным каналом 4 для морской воды. Отдельно каждый из этих входных каналов разделен на несколько параллельных вторичных каналов, по одному вторичному каналу для каждого модуля подготовки. Перед входом в каждый модуль 20 подготовки вторичные каналы для пластовой воды и морской воды подают воду в единый входной канал для каждого модуля, причем этот канал расположен ниже по потоку от каждого из регулирующих клапанов.
[0034]
Регулирующие клапаны располагают выше по потоку от каждого из модулей 20 подготовки, так что каждый из клапанов регулирует поступление от каждого из вторичных каналов одного типа воды, подлежащей подготовке, а именно, пластовой воды или морской воды.
[0035]
Предпочтительно, пластовая вода не смешивается с морской воды до поступления в модули 20 подготовки. Иными словами, если регулирующий клапан на входе пластовой воды открыт, то регулирующий клапан на входе морской воды должен быть предпочтительно закрыт.
[0036]
Предпочтительно, каждый модуль 20 подготовки содержит только один тип мембраны, а именно, нанофильтрационные или микро/ультрафильтрационные мембраны. Таким образом, предпочтительно, если конкретный модуль 20 подготовки содержит только нанофильтрационные мембраны, в него будет направляться только морская вода при закрытом регулирующем клапане пластовой воды. Аналогично, пластовую воду будут направлять в модуль 20 подготовки, содержащий только микро/ультрафильтрационные мембраны.
[0037]
Каждый модуль 20 подготовки рассчитан на возможность смены нанофильтрационных мембран на микро/ультрафильтрационные мембраны. Другими словами, в зависимости от потребности в обработке каждого типа воды, в каждом модуле нанофильтрационные мембраны могут быть заменены на микро/ультрафильтрационные мембраны (и наоборот).
[0038]
Например, следует ожидать, что вскоре после внедрения комбинированной системы согласно настоящему изобретению будет существовать только потребность в подготовке морской воды при помощи нанофильтрационных мембран, поскольку пластовой воды еще не будет. Следовательно, практически все модули 20 подготовки могут быть оборудованы только нанофильтрационными мембранами. По мере образования пластовой воды потребность в обработке морской воды снижается. В этом случае нанофильтрационные мембраны модулей 20 подготовки заменяют на микро/ультрафильтрационные мембраны.
[0039]
На фиг. 3 представлена принципиальная схема, которая подробно иллюстрирует модуль 20 подготовки согласно настоящему изобретению. Как уже упоминалось, в зависимости от типа воды (пластовая или морская), которая будет проходить через конкретный модуль, модуль 20 подготовки может содержать нанофильтрационные мембраны или микро/ультрафильтрационные мембраны. Каждый модуль содержит, по меньшей мере, один комплект 20 микро/ультрафильтрационных или нанофильтрационных мембран. Предпочтительно, как и в установке очистки от сульфатов из уровня техники, в каждом модуле было предусмотрено два комплекта параллельных мембран 20a и 20b, за которыми следует третий комплект мембран 20c, расположенный последовательно.
[0040]
Предпочтительно, в случае, когда модуль 20 подготовки снабжен нанофильтрационными мембранами для удаления сульфат-ионов из морской воды, подлежащая подготовке вода проходит через первые два комплекта нанофильтрационных мембран, расположенных параллельно, в результате чего наибольшая часть объема подготовленной воды содержит сульфат-ионы в низкой концентрации, при этом ее подают на закачку в пласт.
[0041]
Остаток воды, проходящей через первые комплекты мембран, с высокой концентрацией сульфат-ионов направляют на третий комплект мембран 20c, который расположен последовательно по отношению к первым двум. Третий комплект осуществляет подготовку воды с более высокой концентрацией сульфат-ионов, при этом он также выдает большую часть с низкой концентрацией сульфат-ионов, которая будет смешана с водой, подготовленной первыми двумя комплектами мембран, и меньшую часть с очень высокой концентрацией сульфат-ионов, которую обычно сбрасывают в море.
[0042]
Воду с низкой концентрацией сульфат-ионов после комплектов нанофильтрационных мембран используют для закачки в пласт, при этом она может быть подвергнута дополнительным стадиям подготовки.
[0043]
В случае, когда модуль 20 подготовки снабжен микро/ультрафильтрационными мембранами для удаления нефти и твердых частиц, процедура очень похожа на вышеописанную. Предпочтительно, подлежащая подготовке вода проходит через первые два комплекта мембран 20a, 20b, расположенных параллельно, в результате чего наибольшая часть объема подготовленной воды содержит нефть и твердые частицы в низкой концентрации, при этом ее направляют для повторной закачки в пласт.
[0044]
Остаток воды, проходящей через первые комплекты мембран, с высокой концентрацией нефти и твердых частиц направляют на третий комплект мембран 20c, который расположен последовательно по отношению к первым двум. Третий комплект осуществляет подготовку воды с более высокой концентрацией нефти и твердых частиц, при этом он также выдает большую часть с низкой концентрацией нефти и твердых частиц, которая будет смешана с водой, подготовленной первыми двумя комплектами мембран. Воду с низкой концентрацией нефти и твердых частиц, поступающую после подготовки всеми тремя комплектами микро/ультрафильтрационных мембран, используют для повторной закачки в пласт.
[0045]
В зависимости от качества воды, подлежащей подготовке, каждый модуль 20 подготовки может содержать больше или меньше последовательных и/или параллельных комплектов мембран. Таким образом, следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено конфигурацией мембран, представленной на фиг. 3.
[0046]
Кроме того, в случае модуля 20 подготовки, который снабжен микро/ультрафильтрационными мембранами, меньшая часть объема воды с третьего комплекта мембран 20c, обладающая высокой концентрацией нефти и твердых частиц, может быть направлена на вход модуля 20 подготовки, как показано на фиг. 3.
[0047]
Альтернативно, как показано на фиг. 5 (полная схема морской установки), вода с высокой концентрацией нефти и твердых частиц (нефтесодержащие сточные воды) может быть направлена в систему подготовки воды для отделения нефтяной фазы. Предпочтительно, воду с высокой концентрацией нефти и твердых частиц можно было направлять в некоторый отстойник, схематически показанный на фиг. 5 (отстойник 24). Таким отстойником может быть, например, резервуар некондиционных сточных вод, который обычно уже используют в очистных сооружениях для пластовой воды. Альтернативно, для осуществления этой стадии может быть предусмотрена дополнительная емкость помимо резервуара некондиционных сточных вод.
[0048]
Необязательно, для отбора воды с низким содержанием нефти предусматривают по меньшей мере один выход в нижней части отстойника 24, поскольку плотность нефти меньше плотности воды, и через некоторое время нефть будет собираться наверху. Вода, отобранная через выход для воды в нижней части отстойника 24 и имеющая относительно низкое или среднее содержание нефти, может быть сброшена, если это предусмотрено, либо направлена в комбинированную систему подготовки согласно настоящему изобретению, где она будет направлена в модули 20 подготовки, содержащие микро/ультрафильтрационные мембраны, для новой подготовки с целью удаления нефти и твердых частиц. Нефтесодержащий концентрат, остающийся в отстойнике 24 после удаления некоторого количества воды, предпочтительно направляют в систему 23 разделения нефти и воды для дальнейшего использования нефти. Это способствует сведению к минимуму сброса нефти в море и лучшему использованию нефти, присутствующей в пластовой воде в общем объеме скважинной продукции.
[0049]
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает возможность выполнения процедуры обратной промывки мембран, используемых в модулях подготовки, в частности, микро/ультрафильтрационных мембран. Такую процедуру можно выполнять, например, при помощи насосов (не показаны) или регулируемых по времени клапанов на линии подготовленной воды и на линии подачи каждого комплекта. Эта процедура позволяет периодически менять направление потока в мембране на обратное, что обеспечивает очистку и поддержание ее эффективности.
[0050]
Необязательно, выше или ниже по потоку от модулей 20 подготовки предусматривают по меньшей мере первый дегазатор 28 для дегазации морской воды, если требуется, до повторной закачки в пласт.
[0051]
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает комбинированный способ подготовки пластовой воды и морской воды для повторной закачки в пласт морского месторождения, по существу предусматривающий следующие стадии:
a) направление пластовой воды, подлежащей подготовке, в модули подготовки воды, содержащие по меньшей мере один комплект микро- или ультрафильтрационных мембран, приспособленных для удаления нефти и твердых частиц; или
b) направление морской воды, подлежащей подготовке, в модули подготовки воды, содержащие по меньшей мере один комплект нанофильтрационных мембран, приспособленных для удаления сульфат-ионов, причем объем воды, подлежащей подготовке, направляют в модули подготовки воды, содержащие микрофильтрационные или ультрафильтрационные мембраны, или в модули подготовки воды, содержащий нанофильтрационные мембраны, в зависимости от качества воды с точки зрения содержания нефти и твердых частиц или содержания сульфат-ионов.
[0052]
Следует также подчеркнуть, что все стадии подготовки, представленные в настоящем подробном раскрытии, применимы как к системе, так и к способу.
[0053]
Таким образом, исходя из вышеописанного, настоящее изобретение предоставляет систему и способ подготовки морской воды и пластовой воды, которые позволяют выполнять повторную закачку пластовой воды без необходимости в дополнительной системе подготовки на платформе. Кроме того, настоящее изобретение предоставляет дополнительные преимущества, такие как снижение сброса нефти в море за счет более эффективной подготовки пластовой воды и снижение затрат на монтаж, эксплуатацию и техническое обслуживание, связанных с дополнительной системой на морской установке.
[0054]
Возможны многочисленные вариации в отношении объема охраны настоящей заявки. Соответственно, следует дополнительно отметить, что настоящее изобретение не ограничено описанными выше конкретными наборами признаков/вариантами осуществления.