水注入（石油生産）

石油産業では、水攻法または水注入法とは、圧力を維持するため（空隙置換とも呼ばれる）、または油井に向かって油を押し流して生産量を増やすために、油層に水を注入することを意味します。水注入井は、既存の油層からの石油回収量を増やすために、陸上または沖合に設置されることがあります。

通常、貯留層内の石油の 30% しか抽出できませんが、水を注入すると回収率 (回収率と呼ばれます) が向上し、貯留層の生産率が長期間維持されます。

1865年までにペンシルベニア州ピットホールで水攻めが偶然に始まりました。1880年代にはペンシルベニア州で水攻めが一般的になりました。^[1]

大量の水源のほとんどは、注入に使用できます。次の水源は、石油の回収に使用されます。

産出水は、注入流体としてよく使用されます。これにより、不適合な流体による地層損傷の可能性は減りますが、注入フローラインや配管のスケールや腐食のリスクは残ります。また、産出水は炭化水素や固形物で汚染されているため、何らかの方法で処分する必要があり、海や川に廃棄するには、まず水流の浄化処理が必要です。ただし、産出水を再注入に適した状態にするために必要な処理には、同様にコストがかかる可能性があります。

生産される水の量は、生産量全体（水に加えて石油とガス）を補うのに十分ではないため、追加の「補給」水を供給する必要があります。異なる水源からの水を混合すると、スケール形成のリスクが高まります。

海水は、沖合の生産施設にとって最も便利な水源であり、陸上の現場で使用するために沿岸に汲み上げられることもあります。可能であれば、藻類の濃度を減らすために十分な深さに取水口が設けられますが、通常は濾過、脱酸素、殺生物剤による処理が必要です。

石油貯留層以外の水含有層から採取される帯水層水は、同じ構造内にあるため、純度と化学的適合性の利点があります。ただし、サウジアラビアのように帯水層が飲料水源である場合は、この方法は許可されません。

川の水は注入前にろ過と殺生物剤による処理が必要になります。

フィルターは水を浄化し、沈殿物、貝殻、砂、藻類、その他の生物学的物質などの不純物を取り除きます。一般的なろ過は 2マイクロメートルですが、貯水池の要件によって異なります。ろ過後、ろ液に残っている物質は、貯水池の細孔を塞がない程度に細かくなります。 砂フィルターは、一般的に使用されているろ過技術です。砂フィルターには、さまざまなサイズの砂粒の層があります。水は、最初の最も粗い砂の層を通過して、最も細かい層まで流れます。フィルターを洗浄するには、このプロセスを逆にします。水は、ろ過された後、脱酸素塔に送られます。砂フィルターはかさばり、重く、砂の粒子が多少溢れ出るため、水質を改善するために化学薬品が必要です。より洗練された方法は、自動セルフクリーニング式バックフラッシュスクリーンフィルター (吸引スキャン) を使用することです。

適切な水処理は非常に重要です。特に河川や海水の場合、取水水質は大きく変化する可能性があり（春の藻類の繁殖、嵐や海流による海底堆積物の巻き上げ）、水処理施設の性能に大きな影響を与える可能性があります。その結果、水質が悪化し、貯水池が生物によって詰まり、石油生産量が減少する可能性があります。 ^[2]

酸素は腐食や特定の細菌の増殖を促進するため、水から除去する必要があります。貯留層内で細菌が増殖すると、生産上の問題の原因となる硫化水素が発生し、岩石の細孔が塞がれる可能性があります。

脱酸素塔は、注入水をガス流と接触させます (ガスは油田で容易に入手できます)。ろ過された水は脱酸素塔を流れ、一連のトレイまたはパッキングに飛び散り、溶解した空気がガス流に移行します。

脱酸素塔のバックアップとしても使用される代替または補足的な方法は、亜硫酸水素ナトリウムや亜硫酸水素アンモニウム などの酸素除去剤を追加することです。

もう 1 つのオプションは、膜接触装置を使用することです。膜接触装置は、水を窒素などの不活性ガス流と接触させて、溶存酸素を除去します。膜接触装置は、軽量でコンパクトなため、より小型のシステム設計が可能になるという利点があります。

高圧、高流量の水注入ポンプは、脱酸素塔とブースティングポンプの近くに設置されています。これらのポンプは、ろ過された水を貯留層の底に充填し、ピストンのように油を油井に向かって押し出します。注入の結果はすぐには得られず、時間がかかります。

このセクションでは、上記のプラント要素の構成と動作条件について概説します。これらの例は、以前のAmoco North West Hutton 設備と北海の Buzzard 設備です。

水注入システムには2つの設計ケースがあった^[3]

• ケースA – 1日あたり10万バレルの水（BWPD）（662 m ³ /時）の注入、注入ポンプは3,000 psi（207 bar）の排出圧力で並列に作動
• ケース B – 60,000/65,000 BWPD (397/431 m ³ /時)、ポンプは直列/並列、吐出圧力は 3,000 psi (207 bar) 、 30,000/35,000 BWPD (198/232 m ³ /時)、吐出圧力は 5,000 psi (345 bar)

2台の海水ポンプは、1,590 m3 /時、30.5 psi（2.1 barg）の水を海水フィルターに排出しました^。これらは、6つのデュアルメディア（ガーネットとアンスラサイト）フィルターベッドで構成されていました。通常の流れは下向きでした。水と空気の逆洗流は上向きで、フラッシュ水は船外に排出されました。^[3]逆洗は、フィルターベッド全体の高い差圧によって開始されました。

ろ過された水は脱気装置の上部に送られました。これは高さ 12.6 m、直径 4.0 m の垂直容器で、内部は充填床で構成されています。空気は燃料ガスの上昇によって水から取り除かれ、ガス/空気は容器の上部からフレアに送られました。酸素除去剤が脱気容器に注入され、残留酸素が除去されました。脱気された水は脱気ポンプによって容器の底から引き出され、90 psig (6.2 barg) で稼働している冷水ヘッダーに移されました。

プロセスクーラーとユーティリティクーラーには冷水ヘッダーから水が供給され、クーラーからの温水は脱ガスドラムに送られ、そこで空気やガスが除去されました。脱ガスドラムから水は注入フィルターに送られました。^[3]

水は、1 つの稼働用フィルターと 1 つのスタンバイ/バックウォッシュ用フィルターである水注入フィルターで濾過されました。フィルターから水は水注入ポンプに送られました。

^{3 台の水注入ポンプはそれぞれ 221 m 3} / 時の容量で、差圧は 2068.5 メートル (209 bar) でした。ポンプは 3,000 psi マニホールドと坑口に水を排出しました。1 台の水注入ブースター ポンプ (221 m ³ / 時、差圧 1,379 m (139 bar)) は水注入ポンプの排出水を吸い込み、5,000 psi (345 bar) マニホールドと坑口に水を排出しました。

注水井戸は8つあり、各井戸の容量は15,000 BWPD（99.4 m3 /時）でした^。 [ ^3]

北海のバザード油田では、別の構成と技術が使用されています。^[4]海水リフトポンプは、12 bargで4,000 m ³ /時の海水粗ろ過パッケージに送ります。ろ過後の水は、冷却媒体プレート交換器で冷却媒体を冷却するために使用されます。現在6 barg、20°Cの海水2322.7 m ³ /時が微細フィルターに送られ、次に硫酸塩除去膜に送られ、逆浸透によって水から硫酸イオンが除去されます。 ^[4]

脱硫水は脱気塔の上部に流れ、脱気塔の真空ユニットによって部分真空（0.3 bara）で稼働します。脱気装置の内部は3つの充填床で構成されています。脱気水は、脱気装置の底部から移送ポンプによって取り出され、3.6 bargで1632 m ³ /時で脱ガスサージドラムに送られます。^[4]サージドラムから水は水注入ポンプに移送され、最大250,000 BWPDで最大11の注水井に水が供給されます。^[5]

生産水も最大350,000BWPDの割合で貯水池に注入される。^[6]

この表は、主に北海のいくつかの沖合施設における注水井戸の数を示しています。^[7]

• 「石油の新たな兆し」ポピュラーメカニクス、1933年3月号、石油回収のための水注入の発明に関する記事
• 水注入
• 水攻法の性能予測計算