CN111050886B - 控制低盐度注入水的盐度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成系统，包括：脱盐装置，其包括用于生产反渗透(RO)渗透物共混流的RO阵列和用于生产纳滤(NF)渗透物共混流的NF阵列；共混系统；控制单元；注入系统，其用于穿透储层的含油层的一个或多个注入井；和生产设施，其用于分离从穿透储层的含油层的一个或多个生产井生产的流体并将采出水(PW)流输送到共混系统，其中共混系统将RO渗透物和NF渗透物共混流与PW流共混，以生产共混低盐度水流，其中控制单元动态地改变共混系统的操作，以调节RO渗透物共混流和NF渗透物共混流中至少一种的量，将共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内。

Description

控制低盐度注入水的盐度的方法
技术领域
本公开总体上涉及当可变量的采出水(和/或可变质量的采出水)作为共混低盐度注入水的共混流被处置时，在低盐度注水期间控制低盐度注入水的盐度。本公开还涉及当可变量的采出水(和/或可变质量的采出水)作为共混低盐度注入水的共混流被处置时，控制低盐度注入水流中一种或多种单一离子或单一离子类型的浓度。
背景技术
与低盐度注水相关联的一个问题是脱盐技术可能产生的水的盐度低于对于连续注入含油储层来说最佳的盐度。事实上，脱盐水可能损害储层的含油岩层，并可能例如通过引起地层中粘土的膨胀而抑制石油采收率（oil recovery）。因此，注入水存在最佳盐度，它提供了在降低地层损害风险的同时提高石油采收率的有益效果，并且最佳值可能随着地层不同而变化。典型地，在含油地层包括含有高含量膨胀粘土的岩石的情况下，当注入水的总溶解固体含量(TDS)在200至10,000ppm的范围内并且低盐度注入水中多价阳离子的浓度与储层的原生水中多价阳离子的浓度之比小于1(例如小于0.9)时，可以避免地层损害，同时仍然从地层中释放油。
与低盐度注水相关联的另一个问题是，低盐度注入水的硫酸盐水平通常应控制在小于100mg/L(优选地小于50mg/L，更优选地小于40mg/L)的值，以减轻储层酸化或结垢的风险。酸化是通过硫酸盐还原菌的增殖产生的，这些细菌在其代谢途径中使用硫酸盐，从而产生硫化氢。结垢是由含有硫酸盐的注入水与含有诸如钡阳离子的沉淀前体阳离子的原生水混合时矿物垢的沉积引起的。
另一个问题出现在近海，因为需要在低盐度注水期间处置越来越多的采出水。一般禁止将采出水排入水体(例如海洋)。此外，由于近海钻井的成本，通常没有专用的采出水处置井。因此，可能有必要通过与低盐度注入水共混来处置采出水(PW)。需要与低盐度注入水共混的PW的数量和质量可能在低盐度注水的整个寿命期间变化。
定义
在以下描述中，提到了以下术语：
“高盐度给水”是脱盐装置（desalination plant）的给水，通常是海水(SW)、河口水、含水层水或它们的混合物。
“反渗透(RO)过滤单元”包括压力容器，或者称为外壳，其包含一个或多个RO膜元件；优选地在1个和8个之间的RO膜元件，特别是在4个和8个之间的RO膜元件。
“纳滤(NF)过滤单元”包括压力容器，其包含一个或多个NF元件；优选地在1个和8个之间的膜元件，特别是在4个和8个之间的NF膜元件。
“脱盐装置的反渗透(RO)级”是并联连接在一起的一组RO过滤单元。类似地，“脱盐装置的纳滤(NF)级”是并联连接在一起的一组NF过滤单元。
“膜块”包括连接在一起的RO和NF过滤级，以提供浓缩物分级，并且通常共用公共阀门和管道。两个或更多个膜块中的膜块可以安装在滑道上。
“采出水(PW)”是指在生产设施中从石油和天然气中分离出来的水。采出水可以包括原生水、来自下层含水层的侵入含水层的水或任何先前注入的含水流体诸如海水(SW)。
“原生水”是储层的含油层的孔隙空间中存在的水。
“含水驱动流体”是在注入共混低盐度注入水的低孔隙体积(PV)段塞（slug）后可以注入到注入井的含水流体。
“油组（bank of oil）”是本领域技术人员熟知的术语，指的是储油岩层的一部分，在该部分中，由于应用了针对不动油的提高石油采收率工艺，含油饱和度增加。
“低盐度注水的主要阶段”是指在低盐度注入井的调试后的低盐度注水的阶段。
“低盐度注入井的调试”是指长达几天的时间段，在此期间，注入水的盐度可以逐渐降低或盐度可以逐步降低，直到注入井的成分落入低盐度注水的主要阶段的操作包络内。
“采出水(PW)共混流的质量”涉及总溶解固体含量和/或单一离子或单一离子类型的浓度和/或在PW中单一离子的比率或单一离子类型的比率。
“扫掠孔隙体积（swept pore volume）”是注入井和生产井之间被注入流体(低盐度注入水和任何含水驱动流体)扫掠的储油岩层的孔隙体积，在注入井和生产井之间的所有流动路径上取平均值。当注入井具有两个或更多个相关联的生产井时，术语“扫掠孔隙体积”是指注入井与其相关联的生产井之间被注入流体扫掠的储油岩层的孔隙体积。
“段塞”是注入储层的含油层的低孔隙体积的流体。针对低盐度注入水的段塞给出的孔隙体积的值基于储油岩层的扫掠孔隙体积。
“TDS含量”是含水流的总溶解固体含量，通常具有mg/L的单位。
具体实施方式
本发明涉及一种用于生产共混低盐度注入水的集成系统和方法，该共混低盐度注入水包括可变量的采出水或可变质量的采出水，同时对于低盐度注水的主要阶段，将共混低盐度注入水的成分保持在预定的操作包络内，这在最大化储层的提高石油采收率，同时最小化地层损害、储层的酸化或结垢的风险方面实现平衡。
在一些实施例中，集成系统包括脱盐装置，脱盐装置包括用于生产反渗透(RO)渗透物共混流的RO阵列和用于生产纳滤(NF)渗透物共混流的NF阵列。集成系统还包括共混系统、控制单元和用于穿透储层的含油层的一个或多个注入井的注入系统。集成系统还包括生产设施，用于分离从穿透储层的含油层的一个或多个生产井生产的流体，并将采出水(PW)流输送到共混系统。共混系统将RO渗透物和NF渗透物共混流与PW流共混，以生产共混低盐度水流。控制单元将动态地改变共混系统的操作，以调节RO渗透物共混流和NF渗透物共混流中至少一种的量，从而将共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内。在一些实施例中，控制单元将从控制单元外部的源接收操作包络。在一些实施例中，为了改变共混系统的操作，控制单元将调节经由RO渗透物排放管线从共混系统排出的RO渗透物的量。在一些实施例中，为了改变共混系统的操作，控制单元将调节经由NF渗透物排放管线从共混系统排出的NF渗透物的量。在一些实施例中，操作包络指定了选自以下组的参数的上限和下限：总溶解固体(TDS)含量；离子强度；单一离子的浓度；单一离子类型的浓度；单一离子类型的比率；和单一离子的比率。
在一些实施例中，一种方法包括：使用脱盐装置的反渗透(RO)阵列生产RO渗透物共混流；使用脱盐装置的纳滤(NF)阵列生产NF渗透物共混流；分离从穿透储层的含油层的一个或多个生产井生产的流体，以生产采出水(PW)流；在共混系统中共混RO渗透物共混流、NF渗透物共混流和PW流，以生产共混低盐度水流；以及动态地调节共混系统的操作，以调节RO渗透物共混流和NF渗透物共混流的量，从而将共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内。在一些实施例中，共混包括在共混系统中将海水(SW)与RO渗透物共混流、NF渗透物共混流和PW流共混，以生产共混低盐度水流。在一些实施例中，动态地调节共混系统的操作包括调节共混系统中的阀。在一些实施例中，阀包括RO渗透物排放管线上的阀。在一些实施例中，阀包括NF渗透物排放管线上的阀。在一些实施例中，其中阀包括高盐度水旁路管线上的阀，该旁路管线绕过脱盐装置并将SW进料到共混系统。
在一些实施例中，集成系统包括：控制单元；多个阀，其由控制单元控制；多个流量和成分监视器，其用于分别向控制单元提供测量的流量数据和成分数据；和反渗透(RO)阵列，其用于生产RO渗透物共混流。集成系统附加地包括：纳滤(NF)阵列，其用于生产NF渗透物共混流；来自生产井的采出水(PW)流；和共混系统，其包括用于将RO渗透物共混流、NF渗透物共混流和PW流共混成共混低盐度水流的管线。控制单元将响应于测量的流量和成分数据来调节多个阀中的至少一个，以将共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内。在一些实施例中，流量数据和成分数据涉及共混低盐度水流。在一些实施例中，注入系统将经由注入井将共混低盐度水流输送到地层。在一些实施例中，操作包络指定了选自以下组的参数的上限和下限：总溶解固体(TDS)含量；离子强度；单一离子的浓度；单一离子类型的浓度；单一离子类型的比率；和单一离子的比率。在一些实施例中，多个阀包括RO渗透物排放管线上的第一阀，并且还包括NF渗透物排放管线上的第二阀。
通常，共混系统可以在将所得的组合RO渗透物和NF渗透物流与PW共混流共混之前共混RO渗透物和NF渗透物共混流。因此，共混系统可以具有一个共混点，在该点处RO渗透物和NF渗透物进料管线结合形成组合的RO渗透物和NF渗透物进料管线。
本发明的集成系统可以位于平台或浮式生产储存和卸载设施(FPSO)上，并且可以用于将共混低盐度注入水流注入海上储层的至少一个含油层中。替代地，本发明的集成系统的脱盐装置可以位于陆上，并且RO渗透物流和NF渗透物流可以被输送到位于平台或FPSO上的共混系统，用于与PW流共混。
集成系统的控制单元可以包括CPU(中央处理单元)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、HDD(硬盘驱动器)、I/F(接口)、计算机可执行代码(例如，软件和/或固件)等。
低盐度注水的主要阶段的共混低盐度注入水流的成分的边界值可以被输入到集成系统的控制单元中。这些边界值限定了共混低盐度注入水流的成分的操作包络。操作包络可以由TDS含量(盐度)、离子强度、单一离子(例如，硫酸根阴离子、硝酸根阴离子、钙阳离子、镁阳离子或钾阳离子)的浓度、单一离子类型(例如，一价阳离子、一价阴离子、多价阴离子、多价阳离子或二价阳离子)的浓度、单一离子类型的比率或单一离子的比率(例如钠吸附比率)中的一个或多个的边界值(上限和下限)来限定。
钠吸附比率(SAR)用于评估粘土在储油岩中的絮凝或分散的状态。通常，钠阳离子促进粘土颗粒的分散，而钙和镁阳离子促进它们的絮凝。用于计算钠吸附比率(SAR)的公式为：
Figure 327999DEST_PATH_IMAGE001
其中，共混低盐度注入水的钠、钙和镁阳离子浓度以毫当量/升表示。
操作包络内的成分是那些预计能在避免或最小化地层损害风险的同时实现来自储层的提高石油采收率(EOR)的成分。在储层存在酸化风险或结垢风险的情况下，操作包络内的成分优选地为那些也被预测减轻储层酸化或抑制结垢的成分。本领域技术人员将理解，并非所有储层都存在酸化风险或结垢风险。因此，当储层含有硫酸盐还原菌(SRB)的固有种群（indigenous population）时，酸化可能发生，其中硫酸盐还原菌通过氧化有机化合物同时将硫酸盐还原为硫化氢来获得能量。当含有诸如钡和锶阳离子的高水平沉淀前体阳离子的原生水与含有相对高含量硫酸根阴离子的注入水混合时，会发生结垢，导致不溶性硫酸盐(矿物垢)的沉淀。
每个参数的不同边界值可以被输入控制单元，从而为共混低盐度注入水的成分限定不同的操作包络，其中不同的操作包络平衡不同水平的提高石油采收率(EOR)和不同水平的地层损害、储层酸化或结垢风险。
为了将共混低盐度水的成分保持在用于低盐度注水的主要阶段的共混低盐度注入水的成分的预定义或预定的操作包络内，与采出水(PW)共混的NF渗透物流和/或RO渗透物流的量可以响应于共混低盐度注入水流中待处置的PW的量的变化(增加或减少)或采出水的质量的变化(TDS含量、一个或多个单一离子的浓度、一个或多个单一离子类型的浓度、单一离子的比率或单一离子类型的比率的增加或减少)而实时调节。
在本发明的集成系统的共混系统中，可用于与PW共混以形成共混低盐度注入水流的NF渗透物流或RO渗透物的量可以分别经由各自设置有“溢流阀”的NF渗透物或RO渗透物“排放管线”通过从共混系统例如向水体(海洋)中排放变化量的NF渗透物流或RO渗透物流来快速调节(实时)。溢流阀是可调节的阀(例如节流阀)，其可以被设置到各种位置(在完全关闭和完全打开位置之间)，以调节从共混系统排放的NF渗透物或RO渗透物的量。
如果过量的NF渗透物或过量的RO渗透物的排放持续一段长时间，例如几小时或几天，那么控制单元可以通过使阵列中的一个或多个NF单元或RO阵列中的RO单元离线来调节脱盐装置，从而分别降低NF渗透物或RO渗透物的生产能力。如果过量的NF渗透物或RO渗透物的排放持续数周或数月，可选地，脱盐装置的一个或多个NF单元的NF元件可以被RO元件替代，或者一个或多个RO单元的RO元件可以被NF元件替代，以增加由该装置生产的RO渗透物或NF渗透物的量。
众所周知，二价阳离子可能有利于稳定粘土。可选地，脱盐装置可以具有用于高盐度水的旁路管线，该高盐度水用作装置的RO阵列和NF阵列的进料，因为该高盐度进料水(例如海水(SW))通常包含高水平的二价阳离子。该旁路管线用于向共混系统输送高盐度水共混流(例如，SW共混流)。因此，共混系统可选地具有SW进料管线。用于高盐度进料水的旁路管线可以设置有可调节的阀(例如节流阀)，该阀可以设置在完全关闭位置和完全打开位置之间的各种位置，从而提供可变量的高盐度水(例如SW)，用于与RO渗透物流、NF渗透物流和PW流共混，以形成共混低盐度注入水。然而，如果需要，任何过量的高盐度水也可以经由设置有可调节阀(例如节流阀)的高盐度水排放管线从共混系统排放到海洋中。在可选的SW旁路管线(或设置有可调节阀的SW排放管线)上使用可调节阀还允许快速调节(实时)共混低盐度注入水流的成分。
因此，控制单元可以响应于PW共混流的量或质量的变化来改变共混低盐度注入水流中包含的任何高盐度水(例如SW)的量，以将共混低盐度水流的成分保持在预定的(预选的)操作包络内。本领域技术人员将理解SW含有高水平的硫酸根阴离子。因此，当RO渗透物流、NF渗透物流和PW流与SW共混时，必须严格管理任何酸化或结垢风险。
储层的酸化风险或结垢风险可以通过向控制单元输入典型地100mg/L、优选地50mg/L并且特别地40mg/L的共混低盐度注入水的硫酸盐浓度的上限(边界值)来管理。
集成系统的共混系统可以可选地包括罐(用于储存包含一种或多种粘土稳定添加剂的水溶液或分散体的浓缩物)和用于输送浓缩物的进料管线。浓缩物进料管线可以设置有可调节阀(例如节流阀)，该阀可以设置在完全关闭位置和完全打开位置之间的各种位置，从而提供用于与RO渗透物、NF渗透物、PW和可选的SW流共混的可变量的浓缩物，以将共混低盐度注入窗口的成分保持在操作包络内，该操作包络进一步由粘土稳定添加剂的浓度的边界值(上限和下限)限定。替代地，浓缩物罐可以设置有计量泵和流量计，计量泵提供用于共混的精确量的浓缩物，流量计可以用于调节浓缩物的流量。因此，控制单元可以实时监测浓缩物进料管线中浓缩物流的流量，并且可以使用可调节阀对浓缩物的流量进行快速调节，从而改变共混注入水流中一种或多种粘土稳定添加剂的浓度。因此，控制单元还可以响应于PW共混流的量或质量的变化来改变共混系统的操作，以调节共混低盐度注入水流中的粘土稳定浓缩物的量，从而将该成分保持在由粘土稳定添加剂的边界值进一步限定的操作包络内。
粘土稳定添加剂可以是无机盐，例如含有二价阳离子的盐或钾盐。优选地，含有二价阳离子的盐可以是钙盐或镁盐，例如氯化钙、溴化钙、硝酸钙、氯化镁、溴化镁或硝酸镁。优选地，含有二价阳离子的盐是氯化钙或硝酸钙。优选地，钾盐选自氯化钾、溴化钾和硝酸钾。硝酸钙或硝酸钾也可能具有提供酸化控制的优势，因为硝酸根阴离子可促进硝酸盐还原菌的生长，这些细菌可能在营养和可同化有机碳方面超过SRB。
控制单元可以响应于PW的量和/或质量的变化，自动调节共混系统的操作，并因此自动调节共混低盐度注入水流中包括的RO渗透物流、NF渗透物流(以及任何可选的高盐度水共混流，例如SW或任何可选的粘土稳定剂浓缩物流)的量，从而将注入水的成分保持在限定共混低盐度注入水的操作包络的输入边界值内。因此，可以实时监测PW流的流量和成分。类似地，可以实时监测共混低盐度注入水的流量和成分，以确定控制单元对共混系统的操作所做的改变对于将共混低盐度注入水的成分保持在操作包络内是否有效。如果没有，控制单元可以对共混系统的操作做出进一步改变。因此，控制单元具有反馈回路，用于控制共混低盐度水流的共混。
通过改变经由RO渗透物或NR渗透物排放管线从共混系统排放到例如水体(例如海洋)中的RO渗透物或NF渗透物的量来控制可用于实时共混的RO渗透物和NF渗透物的量，为共混低盐度注入水流提供了对操作包络内的TDS含量和/或一种或多种单一离子的浓度的鲁棒（robust）控制，该控制对PW的量或质量的变化做出快速响应。因此，与试图改变脱盐装置的RO阵列和NF阵列的进料水的流量相比响应更快(由于在从RO阵列和NF阵列通往共混低盐度注入水流的共混点的进料管线中的死体积)。
此外，当高盐度水(例如，SW)或粘土稳定浓缩物可用作共混流时，响应于PW的量或质量的变化，控制高盐度水旁路管线上的可调节(可变)阀(例如，节流阀)或输送来自浓缩物罐的粘土稳定剂浓缩物的浓缩物进料管线上的可调节阀(例如，节流阀)的开度，以将共混低盐度注入水的成分保持在预定的操作包络内。
因此，可以看出，控制单元可以通过调节RO渗透物排放管线上的阀的开度、NF溢流阀上的阀的开度、可选的高盐度水旁路管线上的阀的开度和可选的粘土稳定浓缩物进料管线上的阀的开度中的一个或多个来实时改变共混系统的操作。
通常，PW流需要重新被注入储层，因为法规禁止将采出水排入水体(例如海洋)。至少在低盐度注水的早期阶段，在没有专用PW处置井的情况下，可能需要将PW混入共混低盐度注入流中。因此，可能没有能力调节共混低盐度注入水流中的PW的量。然而，随着低盐度注水的进行和共混低盐度注入水的低PV段塞(参见下文)已经注入至少一个注入井，至少一部分PW可以用作共混低盐度注入水的注入低孔隙体积段塞的驱动流体。本领域技术人员将理解，随着在低盐度注水的寿命期间钻探和调试更多的低盐度注入井，将从储层中生产更大量的PW，使得作为驱动流体的PW的处置可能不一定消除通过与低盐度注入水的段塞共混来处置PW的需求。在可变量的PW可以通过注入到采出水处置井中或者作为含水驱动流体(或者作为含水驱动流体的组分)来处置的情况下，控制单元可以调节包含在共混低盐度注入水流中的PW的量，以将共混低盐度注入水的成分保持在预定义的(预定的)操作包络内。因此，控制单元可以可选地发送指令，以增加将通过注入采出水处置井来处置的PW的量，或者使用增加量的PW作为含水驱动流体。
各种传感器可以包括在本发明的集成系统中，特别是共混系统中。这些传感器可以用于确定共混低盐度注入水流的TDS和/或离子成分。例如，共混低盐度注入水流的TDS可以根据其电导率来确定，而单一离子的浓度或单一离子类型的浓度可以使用玻璃传感器来确定，该玻璃传感器具有对特定单一离子或特定单一离子类型可渗透的膜。类似地，传感器可以存在于RO和NF渗透物进料管线、任何组合RO/NF渗透物进料管线、PW进料管线和可选的高盐度水旁路管线上，以获得与RO渗透物流、NF渗透物流、PW流和/或可选的高盐度水流(以及任何组合RO/NF渗透物流)的TDS和离子成分相关的数据。还可以提供流量传感器，用于确定各种共混流(RO渗透物流、NF渗透物流、任何组合RO/NF渗透物流、PW流、可选的高盐度进料水流和可选的粘土稳定浓缩物流)的流量，并用于确定RO渗透物排放管线中RO渗透物和NF排放管线中的NF渗透物的流量。
因此，共混系统可以具有：
(a)离子浓度传感器，其用于测量RO渗透物、NF渗透物、任何组合RO/NF渗透物流、PW流和可选的高盐度水(例如SW)旁路流、可选的粘土稳定浓缩物流和共混注入水流中的盐度或溶解固体的总浓度(Ct)、单一离子的浓度(Ci)或单一离子类型的浓度。特别地，共混系统可以具有离子浓度传感器，用于测量RO渗透物、NF渗透物、任何组合RO/NF渗透物、PW和可选的SW流的TDS浓度、氯阴离子浓度、溴阴离子浓度、钙阳离子浓度、镁阳离子浓度、钾阳离子浓度、硝酸根阴离子浓度和硫酸根阴离子浓度中的至少一种。
(b)流量传感器，其用于测量以下一种或多种的流量：RO渗透物共混流、RO渗透物排放流、NF渗透物共混流、NF渗透物排放流、任何组合RO/NF渗透物共混流、PW流、可选的高盐度水(例如SW)旁路流、可选的粘土稳定浓缩物流和共混低盐度注入水流。
离子浓度传感器、流量传感器和本文描述的任何其他传感器可以通过任何合适的通信技术与控制单元通信，例如直接电连接或无线电连接(例如，Wi-Fi、蓝牙)。
可选地，由于在低盐度注水期间地层损害的风险，井下压力或井口压力的最大允许增加(或注入泵下游的注入水流的流量的最大允许减少)可以被输入到控制单元中(超过该最大允许增加，注入能力会有不可接受的减少)。井下压力或井口压力的增加和注入泵下游的流量的减少表明地层损害导致注入能力的损失。
可选地，可以实时监测邻近储层的含油层的注入井中的井下压力或井口压力(或储层的注入系统的注入泵下游的共混低盐度注入水的流量)。注入井中的压力可以用井下测量装置来监测，例如通过例如光纤遥测线链接到控制单元的压力传感器。
如果控制单元确定注入能力下降，则控制单元可以为共混注入水流的成分选择不同的操作包络，该包络被预测为具有较低的引起地层损害的风险(同时保持来自储层的含油层的可接受的EOR水平)，然后可以调节各种共混流的混合比率，使得注入水成分落入不同的操作包络内。控制单元继续实时监测井下压力或井口压力(或注入泵下游的流量)，以确定压力(或流量)是否响应于具有在优选操作窗口内的成分的共混低盐度注入水的注入而开始稳定。如果没有，控制单元可以进一步改变共混系统的操作，以调节共混低盐度注入水流的成分，使其落入另一个优选的操作包络内，该包络被预测为具有更低的引起地层损害的风险。这个过程是迭代的，可以重复多次。可选地，如果压力继续上升，控制单元可以决定降低注入水的流量或者停止将注入水注入到注入井中。然后，控制单元可以决定在重新开始低盐度注水之前几天的时间内，将粘土稳定成分注入储层的含油层内。
通常，将各种共混流的混合比和共混低盐度注入水流的成分之间的相关性输入控制单元(例如，各种共混流的混合比与共混低盐度注入水流的TDS、渗透强度、单一离子的浓度、单一离子类型的浓度、单一离子的比率和单一离子类型的比率中的一个或多个之间的相关性)。这些相关性可以基于这样的假设，即在脱盐装置操作期间，NF渗透物、RO渗透物和高盐度水(例如SW)共混流的成分保持基本恒定(在预定公差内)。相反，如上所述，PW流的成分可以在低盐度注水的寿命期间变化。各种共混流的混合比取决于提供给共混系统的混合(共混)点以形成共混低盐度注入水流的各种共混流的流量。
还可以将NF溢流阀的开度、RO溢流阀的开度、可选高盐度水旁路管线上的可调节阀的开度和可选粘土稳定浓缩物进料管线上的可调节阀的开度与NF渗透物、RO渗透物、可选高盐度水和可选粘土稳定浓缩物共混流的流量之间的相关性输入控制单元。因此，控制单元可以通过改变一个或多个上述可调节阀的开度来控制共混比，从而控制共混低盐度注入水流的成分，以实现在预定义(预选或预定)的操作包络内的共混低盐度注入水的成分。结果，可以实时调节供应到混合点的各种共混流的流量，从而确保共混低盐度水的成分在预定的操作包络内。
通常，在低盐度注水的主要阶段期间，注入水的TDS的边界值可以在200至10,000mg/L的范围内，优选地在500至10,000mg/L的范围内。一般来讲，较低的TDS范围提供较高的EOR，而较高的TDS范围减轻地层损害的风险，尤其是在包含具有高水平可膨胀粘土的岩石的储层中。TDS的替代边界值可以在例如500至5,000mg/L、500至3,000mg/L、1,000至2,000mg/L、2000至5000mg/L或3000至7000mg/L的范围内(取决于地层损害的风险)。控制单元可以将共混低盐度注入水的成分控制在TDS的边界值的选定范围内。
通常，控制单元将共混低盐度注入水的硫酸根阴离子浓度控制在小于100mg/L的值，优选地小于50mg/L，最优选地小于40mg/L。
通常，控制单元将共混注入水的总多价阳离子浓度控制在1至250mg/L的范围内，优选地3至150mg/L，特别是50至150mg/L，条件是共混低盐度注入水的多价阳离子含量与原生水的多价阳离子含量的比率小于1。
通常，控制单元将共混低盐度注入水的钙阳离子浓度控制在1至200mg/L的范围内，优选地5至150mg/L，特别是50至150mg/L，条件是共混低盐度注入水的钙阳离子含量与原生水的钙阳离子含量的比率小于1。
通常，控制单元将共混低盐度注入水的镁阳离子浓度控制在2至400mg/L的范围内，优选地10至300mg/L，特别是100至300mg/L，条件是共混低盐度注入水的镁阳离子含量与原生水的镁阳离子含量的比率小于1。
通常，控制单元将共混低盐度注入水的钾阳离子浓度控制在10至2000mg/L的范围内，特别是250至1000mg/L，条件是共混低盐度注入水的TDS保持在预定操作包络的边界值内。
TDS的边界值和单一离子的浓度以及任何粘土稳定添加剂的浓度根据储层的低盐度EOR响应和储层的含油层的岩石的成分而变化，特别是根据已知与地层损害相关的可膨胀和可迁移粘土和矿物的水平而变化。
边界值可以通过分析从储层的含油层中提取的岩石样本来确定。储层岩石的样本可以是例如岩屑或侧壁岩心。替代地，可以使用井下测井设备通过地球物理测井来分析注入井周围的储层岩石。岩石分析可包括但不限于识别粘土的存在(和数量)和识别粘土的类型(及其数量)。量化粘土的分析方法可包括地球物理测井、X光衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外闪烁点计数或筛分析。在本发明的一些进一步的实施例中，岩层的分析可以包括确定在约2重量%至约20重量%的范围内的粘土的量。岩石的分析还可以包括确定岩石的粘土部分的矿物含量，特别是蒙脱石型(例如蒙脱石)、叶蜡石型、高岭石型、伊利石型、绿泥石型和海绿石型的粘土，这可以通过X光衍射(XRD)或扫描电子显微镜(SEM)分析来确定。注水的主要阶段的最佳盐度可以通过所发生的地层损害与对一系列具有不同粘土含量和粘土成分的岩石样本的注入水的不同盐度边界值以及与将要进行低盐度注水的储层的岩石成分最匹配的岩石样本的盐度的选择边界值(即使用历史数据)的相关性来确定。替代地，可以对取自已经钻出注入井的储层区域的岩石样本进行实验，使用共混低盐度注入水的盐度和单一离子成分的不同边界值来确定注水的主要阶段的注入水的盐度和成分的最佳包络。
通常，由于脱盐装置的能力有限，或者需要在低盐度注水的寿命期间处置越来越多的采出水，共混低盐度注入水的注入能力是有限的。因此，低盐度注水可以被设计成将共混低盐度注入水的低孔隙体积(PV)段塞从第一注入井注入储层的含油层中，其量为至少0.3孔隙体积，优选地至少0.4孔隙体积，因为具有这些最小孔隙体积的段塞倾向于保持它们在地层中的完整性。为了限制从注入井注入储层的水量，优选的是，共混低盐度注入水的孔隙体积小于1，更优选地小于或等于0.9PV，最优选地小于或等于0.7PV，特别地小于或等于0.6PV，例如小于或等于0.5PV。
在将低孔隙体积的共混低盐度注入水注入第一注入井之后，驱动水可以从注入井注入储层的含油层中，以确保共混低盐度注入水的段塞(以及因此释放的油组)被扫掠通过储层的含油层到达生产井。此外，可能需要注入驱动水来维持储层中的压力。通常，驱动水具有比含水驱替流体的段塞更大的PV。
优选地，驱动水是采出水或海水和采出水的混合物，具体取决于在生产设施中分离的采出水的量。由于对将采出水排入海洋的限制，将采出水用作驱动水是有利的。因此，在注入低盐度注入水的段塞后，第一注入井可以用作采出水处置井。然而，如上所述，由于随着低盐度注水的进行，在生产设施处从油气中分离出的PW的量越来越多，因此可能仍然有必要在注入一个或多个另外的低盐度注水井的共混低盐度注入水中的另外的段塞中处置一部分PW。这些注入井可以是以前用于SW注入的井，或者可以是在共混低盐度注入水的段塞注入第一低盐度注入井期间或之后投入使用的低盐度注入井。
现在将参照图1说明本发明。
图1示出了用于为储层生产低盐度注入水的集成系统，该储层具有被至少一个注入井20和至少一个生产井21穿透的含油层22。集成系统包括：脱盐装置，其包括用于处理进料水2(通常是海水)的膜块1；共混系统，其包括用于形成共混低盐度注入水的各种流动管线、用于粘土稳定浓缩物的可选的浓缩物罐50和泵25；以及控制单元52，其用于控制脱盐装置的操作和控制共混系统中低盐度注入水流的共混。集成系统还包括注入系统，该注入系统包括用于注入井20的一个或多个注入泵24和与生产井21的生产管线28流体连通的生产设施54。生产设施54还具有与共混系统流体连通的PW流动管线27。
膜块1具有进料泵3、RO阵列4和NF阵列5(每个阵列可以是单个或多级阵列)。RO阵列和NF阵列两者可以具有相同的进料水(例如，SW)，如图1所示。然而，也可以设想，来自第一RO级的RO浓缩物(在本领域中也称为“渗余物”)可以被分开以形成用于第二RO级和用于NF阵列的进料流。
RO阵列4包括多个RO单元。NF阵列5包括多个NF单元。通常，选择RO阵列的单元的数量和NF阵列的单元的数量，以匹配在低盐度注水的主要阶段期间共混低盐度注入水流的RO渗透物和NF渗透物的所需生产能力。脱盐装置还可以设置有用于进料水2(例如SW)的旁路管线6。
集成系统具有阀V1至V7和配置成提供下述流动路径的各种流动管线(导管)。阀V1至V7可以是节流阀，并且节流阀的开度可以由控制单元设置(即全开位置、全闭位置或各种中间位置)。因此，控制单元52可以通过控制进料泵3、阀V1至V5或其任意组合来控制通过膜块的流和压力(为了清楚起见，图1中省略了控制单元52、进料泵3和阀V1至V5之间的电连接；在一些实施例中，控制单元52和进料泵3以及阀V1至V5之间的通信可以包括无线通信，例如Wi-Fi或蓝牙)。
流量传感器Q1至Q11被提供用于确定集成系统的各种流动管线中的流量。流量数据可以经由电信号线路(图1中的虚线)或通过诸如Wi-Fi或蓝牙通信的无线通信，从流量传感器Q1-Q11发送到控制单元52。可选地，分别在RO浓缩物管线8和NF浓缩物管线7上的流量传感器Q1和Q2可以省略。
还提供了离子浓度传感器S1至S9以用于确定各种流动管线中溶解离子的总浓度(TDS)和/或单一离子或单一离子类型(例如多价阳离子或二价阳离子)的浓度。离子浓度数据也经由电信号线路(图1中示出的虚线)或通过诸如Wi-Fi或蓝牙通信的无线通信从离子浓度传感器S1-S9发送到控制单元52。可选地，分别在NF浓缩物管线7和RO浓缩物管线8上的传感器S4和S6可以省略。如果浓缩物罐中添加剂的浓度先前已经被测量并且随时间推移保持稳定(在这种情况下，可以将浓缩物中添加剂的测量浓度输入控制单元52)，则可选的粘土稳定剂浓缩物进料管线26上的传感器S6也可以被省略。还可以设想，当预计SW、RO渗透物和NF渗透物的成分随时间推移保持基本恒定时，分别在可选SW旁路管线6、RO渗透物进料管线9和NF渗透物进料管线13上的传感器S1、S2和S3可以被省略。
在图1的配置中，进料泵3将进料水2泵送到RO阵列4和NF阵列5至共混系统，在RO阵列4中，进料水被分离成RO渗透物(其流过RO渗透物进料管线9)和RO浓缩物(其流过RO浓缩物进料管线8)，在NF阵列5中，进料水被分离成NF渗透物(其流过NF渗透物进料管线13)和NF浓缩物(其流过NF浓缩物进料管线7)。可以调节RO阵列和NF阵列的进料水的压力(例如，使用RO进料的增压泵或NF进料的减压阀)，以匹配RO阵列4的RO单元和NF阵列5的NF单元的操作压力(NF单元通常在比RO单元低的压力下操作)。可选地，进料泵3通过旁路管线6将一部分进料水(例如SW)泵送到共混系统。阀V1和V2至少部分地打开，以提供分别来自共混系统的RO浓缩物和NF浓缩物的泄放。通常，RO浓缩物和NF浓缩物泄放流分别通过管线8和7排放到水体(例如海洋)。NF渗透物然后可以被注入RO渗透物中，以形成流过管线16的组合RO/NF渗透物流。可选地，组合RO/NF渗透物流也包括SW和/或粘土稳定浓缩物(分别经由进料管线6和/或26加入)。
从生产井21生产的流体通过生产管线28被传送到生产设施54。产出流体在生产设施54中被分离成油流、气流和采出水(PW)共混流。PW共混流经由管线27流到共混系统，在管线27中被注入到流过管线16的组合RO/NF渗透物共混流中，以形成共混低盐度注入水流。共混低盐度注入水流然后通过注入管线18注入到注入井20。然而，设想NF渗透物、RO渗透物、PW、可选的SW和可选的粘土稳定浓缩物共混流可以以任何顺序组合，包括在单一共混点处。
如上所述，共混低盐度注入水的成分的边界值(例如，共混低盐度注入水中的TDS含量、一种或多种单一离子的浓度、单一离子类型的浓度、单一离子的浓度比、单一离子类型的浓度比或一种或多种粘土稳定添加剂的浓度的边界值)被输入到控制单元52中，从而限定操作包络(即第一操作包络)，其最大化来自储层的含油层22的EOR，同时减轻储层的地层损害、酸化或结垢的风险。
通常，共混低盐度注入水的不同成分(TDS、一种或多种单一离子的浓度、单一离子类型的浓度、单一离子的浓度比、单一离子类型的浓度比或一种或多种粘土稳定添加剂的浓度)与组合RO/NF渗透物流和PW流的不同共混比(或到共混点的组合RO/NF渗透物流和PW流的不同流量或共混低盐度注入水流中的RO/NF渗透物流和PW流的不同体积%)相关联。不同的成分还与PW流的不同成分以及组合RO/NF渗透物流的不同成分相关联(包括组合RO/NF渗透物流的成分，其包括SW和一种或多种粘土稳定添加剂)。这些相关性可以被输入到控制单元中，使得控制单元52可以控制共混系统的操作，以改变组合NF/RO渗透物流与PW流的共混比和/或与PW共混的组合NF/RO渗透物流的成分(或组合RO/NF渗透物流的流量或组合RO/NF渗透物流在共混低盐度注入水流中的体积百分比)，从而提供落入操作包络内的共混低盐度注入水的成分。
如上所述，PW的数量(流量)和/或质量(成分)可以随时间推移变化。控制单元52可以响应于PW的数量和/或质量的变化，实时发送指令来改变共混系统的操作，以改变与PW共混的组合NF/RO渗透物流的流量和/或成分，使得共混低盐度注入水流的成分保持在操作包络(例如，第一操作包络)内。例如，通过控制单元52发送指令来改变RO渗透物排放管线11上的节流阀V4的开度或NF渗透物排放管线10上的节流阀V3的开度，可以调节NF渗透物流和RO渗透物流的共混比(和因此组合RO/NF渗透物流的成分)和组合RO/NF渗透物流的流量(量)。
控制单元52还可以响应于PW的数量和/或质量的变化，实时改变共混系统的操作，以调节包含在组合RO/NF渗透物流中的可选的SW和/或粘土稳定浓缩物的流量(量)。因此，例如，控制单元52可以发送指令以分别改变可选的SW旁路管线6和可选的粘土稳定浓缩物进料管线26上的节流阀V5和/或V6的开度。
控制单元52可以分别使用PW流动管线27上的流量传感器Q10和传感器S8实时监测PW流的流量和成分，并且还可以分别使用流量传感器Q11和传感器S7实时监测组合RO/NF流的流量和成分，以确定对装置的操作所做的改变是否有效地将共混低盐度注入水的成分保持在操作包络内。如果没有，控制单元52可以对共混系统的操作做出进一步调节。因此，用于生产共混低盐度注入水流的图1的集成系统具有控制单元52，该控制单元52包括反馈回路，该反馈回路使得集成系统能够响应于PW的数量或质量的变化，连续调节共混低盐度注入水流的成分，以保持在操作包络内。
还设想替代边界值可以被输入到控制单元52中，其中替代边界值限定共混低盐度注入水的成分的替代操作包络(第二、第三等操作包络)，其可以进一步减轻地层损害、储层酸化或结垢的风险，同时保持来自储层的可接受EOR。
因此，除了响应于PW的数量和/或质量的变化而将共混注入水的成分保持在操作包络(例如，第一操作包络)内之外，控制单元52还可以监测压力传感器23，以监测注入井的含油层段（interval）22附近的压力的任何增加，或者可以监测位于注入系统的注入泵24下游的流量传感器Q9，以监测流量的任何减少(这两者都可以指示由地层损害引起的注入能力的不可接受的减少)。压力的最大允许增加值和/或流量的最大允许减少值可以被输入到控制单元52中(其中这些值与注入能力的可接受减少相关联)。如果邻近含油层段的井中的压力增加到接近或达到压力的最大允许增加的值，或者注入泵24下游的流量减少到接近或达到流量的最大允许减少的值，则控制单元52可以为共混低盐度注入水的成分选择预计降低地层损害的风险的替代的操作包络(例如第二、第三等操作包络中的一个)。例如，共混低盐度注入水的成分的替代操作包络可以由以下一个或多个限定：TDS的更高边界值；二价阳离子含量(特别是钙阳离子含量)的更高边界值；或者，一种或多种粘土稳定剂添加剂的更高边界值。然后，控制单元52可以控制共混系统的操作，以调节组合RO/NF流的成分和流量，使得共混注入水流具有落入替代操作包络内的成分。例如，这可以通过控制单元52发送指令来实现，以增加经由RO渗透物排放管线11排放的RO渗透物的量，通过增加组合RO/NF渗透物流中的SW的量来增加组合RO/NF渗透物流的二价阳离子含量，或者增加组合RO/NF流中的粘土稳定浓缩物的量(分别通过改变节流阀V4、V5或V6中的一个或多个的开度)。控制单元52可以监测共混系统的操作变化对组合RO/NF渗透物流的流量或成分的影响(分别使用流量传感器Q11和传感器S7)以及对混合注入水流的流量或成分的影响(分别使用流量传感器Q9和传感器S9)，以确定对装置的操作的调节是否已经导致共混注入水流的流量和成分落入替代操作包络内，并且如果需要，可以进一步调节共混系统的操作以实现替代操作包络内的成分。因此，图1的集成系统具有带有反馈回路的控制单元52，该反馈回路使得共混系统能够产生落入替代操作包络内的共混低盐度注入水流18。
可以设想，在有多个注入井的情况下，每个注入井可以有专用的注入水管线，并且本发明的集成系统可以用于生产具有专门为每个注入井定制的成分的共混注入水流。
在共混低盐度注入水的低孔隙体积段塞已经被注入到多个注入井中的至少一个中(例如注入井20中)的情况下，可以设想，用于注入井的专用注入管线可以用于注入PW(来自PW流动管线27)或SW和PW的共混物(来自旁路管线6和PW流动管线27)作为含水驱动流体，用于朝向生产井21驱动共混低盐度注入水的低孔隙体积段塞和因此释放的油组。因此，注入井20不再需要RO渗透物流和NF渗透物流，因此RO渗透物流和NF渗透物流可以被转向用于为一个或多个替代注入井生产一个或多个共混低盐度注入水流。

Claims (14)

1.一种用于产生低盐度水流的集成系统，所述集成系统包括：
脱盐装置，其包括配置成生产反渗透(RO)渗透物共混流的RO阵列和配置成生产纳滤(NF)渗透物共混流的NF阵列；
共混系统；
控制单元；
用于一个或多个注入井的注入系统，其中所述一个或多个注入井穿透储层的含油层；和
生产设施，其被配置成：分离从穿透所述储层的所述含油层的一个或多个生产井生产的流体，并将采出水(PW)流输送到所述共混系统，
其中，所述共混系统被配置成将所述RO渗透物和所述NF渗透物共混流与所述PW流共混以生产共混低盐度水流，
其中，所述控制单元被配置成：
动态地改变所述共混系统的操作，以调节所述RO渗透物共混流或所述NF渗透物共混流中至少一种的量，从而将所述共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内；和
动态地调节经由RO渗透物排放管线从所述共混系统排出的所述RO渗透物或经由NF渗透物排放管线从所述共混系统排出的所述NF渗透物中的至少一种的量。
2.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述控制单元被配置成从所述控制单元外部的源接收所述操作包络。
3.根据前述权利要求中任一项所述的集成系统，其中，所述操作包络指定了选自以下组的参数的上限和下限：总溶解固体(TDS)含量；离子强度；单一离子的浓度；单一离子类型的浓度；单一离子类型的比率；和单一离子的比率。
4.一种通过根据权利要求1所述的集成系统产生低盐度水流的方法，所述方法包括：
使用脱盐装置的反渗透(RO)阵列生产RO渗透物共混流；
使用脱盐装置的纳滤(NF)阵列生产NF渗透物共混流；
分离从穿透储层的含油层的一个或多个生产井生产的流体以生产采出水(PW)流；
在共混系统中将所述RO渗透物共混流、所述NF渗透物共混流和所述PW流共混以生产共混低盐度水流；
动态地调节所述共混系统的操作，以调节所述RO渗透物共混流和所述NF渗透物共混流的量，从而将所述共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内；和
动态地调节经由RO渗透物排放管线从所述共混系统排出的所述RO渗透物或经由NF渗透物排放管线从所述共混系统排出的所述NF渗透物中的至少一种的量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，共混包括在所述共混系统中将海水(SW)与所述RO渗透物共混流、所述NF渗透物共混流和所述PW流共混，以生产共混低盐度水流。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，动态地调节所述共混系统的操作包括调节所述共混系统中的阀。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阀包括所述RO渗透物排放管线上的阀。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阀包括在所述NF渗透物排放管线上的阀。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阀包括高盐度水旁路管线上的阀，所述高盐度水旁路管线绕过所述脱盐装置并将SW进料到所述共混系统。
10.根据权利要求1所述的集成系统，包括：
多个阀，其由所述控制单元控制；以及
多个流量和成分监视器，其被配置成分别向所述控制单元提供测量的流量数据和成分数据；
其中，所述控制单元被配置成：
响应于所述测量的流量和成分数据来调节所述多个阀中的至少一个，以将所述共混低盐度水流的成分保持在预定的操作包络内。
11.根据权利要求10所述的集成系统，其中，所述流量数据和成分数据涉及所述共混低盐度水流。
12.根据权利要求10或11所述的集成系统，还包括注入系统，所述注入系统被配置成经由注入井将所述共混低盐度水流输送到地层。
13.根据权利要求10所述的集成系统，其中，所述操作包络指定了选自以下组的参数的上限和下限：总溶解固体(TDS)含量；离子强度；单一离子的浓度；单一离子类型的浓度；单一离子类型的比率；和单一离子的比率。
14.根据权利要求10所述的集成系统，其中，所述多个阀包括RO渗透物排放管线上的第一阀，并且还包括NF渗透物排放管线上的第二阀。
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