受控的用于提高烃类采收率的采出水脱盐处理的制作方法

当前的本公开涉及用于采出水脱盐的方法、系统和技术，其用于提高烃类(油和/或气)采收率。更特别地，当前的本公开涉及提供注入水，通过对采出水进行脱盐处理，用于以低盐度提高烃类采收率和/或以化学方法提高烃类采收率。

背景技术：

在油气产业中，从地层中抽提出来的水被称为“采出水”。在某些情况下，每生产一桶原油会产生大约三到十桶采出水。采出水通常含有高含量的溶解固体，其由采出水中的总溶解固体(tds)量(例如，高于2,000mg/l)来表示，并含有烃类成分(例如，游离的或溶解的油、油脂、有机酸，以及btex化合物[苯、甲苯、乙苯和二甲苯])。油气产业中产生的采出水通常被安排用作深井灌注，这会伴随着对环境的影响。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种处理从地层抽提出的采出水的方法，该方法包括:(a)提供采出水，其中采出水含有溶解固体以及镁、钙和钠离子；(b)使用电驱动膜分离装置对采出水进行脱盐处理，其中分离装置包括交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜，其限定了交替的产物室和浓缩室的相对面，其中脱盐处理包括：(i)使采出水流经产物室；(ii)使第二水流经浓缩室；以及(iii)当采出水和第二水流经产物室和浓缩室时，分别施加跨过阳离子和阴离子交换膜的电势；和(c)生产，通过对采出水进行脱盐，产物水具有在300mg/l和8,000mg/l之间的总溶解固体量、钙离子和镁离子的总浓度低于100mg/l，以及钠吸附比为20至90。

该方法可进一步包括通过将包含产物水的注入水注入地层来回收烃类。

该方法可进一步包括在对采出水进行脱盐处理之前，对采出水进行预处理以降低其中悬浮固体、油脂和油中的任一种或多种的浓度，其中在预处理之前采出水中的总溶解固体量和在预处理之后采出水中的总溶解固体量在彼此的20％之内。

电驱动膜分离装置可以包括电渗析装置、反向电渗析装置以及电去离子装置中的至少一种。

电驱动膜分离装置的阳离子交换膜中的至少一者可以具有对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子至少为1.0的渗透性。

阳离子交换膜中的至少一者对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子的渗透性可以在1.05和10.0之间。

采出水可以含有多价的硫酸根离子和一价氯离子，而且电驱动膜分离装置的阴离子交换膜中的至少一者可以具有对于多价的硫酸根离子相对于一价氯离子至少为1.5的渗透性。

阴离子和阳离子交换膜中的至少一种可以包含交联共聚物，其中交联共聚物包含占交联共聚物总单体至少20重量％的交联单体。

交联共聚物可以包含丙烯酸类交联共聚物，其中丙烯酸类交联共聚物的单体包含丙烯酸酯类单体、甲基丙烯酸酯类单体、丙烯酰胺类单体和甲基丙烯酰胺类单体中的至少一种。

该方法可进一步包括向第二水中投入酸，使得第二水的ph在3和8之间。

采出水可以含有有机碳，而且其中产物水可以具有至少10mg/l的总有机碳含量。

采出水的总有机碳含量和产物水的总有机碳含量可以在彼此的20％之内。

有机碳可包括聚合物添加剂。

该方法可进一步包括向产物水中加入聚合物添加剂，其包括合成聚丙烯酰胺、部分水解的聚丙烯酰胺、黄原胶、羟乙基纤维素、瓜尔胶和羧甲基纤维素钠中的至少一种。

该方法可进一步包含：(a)倒转电势的极性，从初始的极性变为相反的极性；而且然后(b)倒转电势的极性，从相反的极性变为初始的极性，其中采出水和第二水流经的室在极性倒转立即之前、期间以及立即之后保持不变。

钠吸附比可以被确定为其中[na]、[ca]、[mg]分别是na⁺、ca²⁺和mg²⁺在产物水中以mol/m³计的浓度。

根据另一方面，还提供了用于处理从地层抽提出的采出水的系统，该系统包括：(a)用于生产产物水的电驱动膜分离装置，该分离装置包括交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜，其限定了交替的产物室和浓缩室的相对面；(b)阀门、管道和泵，其被构造及定位以控制采出水和第二水分别流经产物室和浓缩室；(c)电压源，其被电耦合以施加跨过交换膜的电势；(d)至少一个传感器，其被构造及定位以测量从分离装置流出的产物水中的总溶解固体量以及钠、镁和钙离子浓度中的至少一种；以及(e)至少一个控制器，其与至少一个传感器、电压源以及阀门得以通讯连接，该至少一个控制器被配置为：(i)使采出水和第二水分别流经产物室和浓缩室；(ii)当采出水和第二水分别流经产物室和浓缩室时，施加跨过阳离子和阴离子交换膜的电势；以及(iii)通过对采出水进行脱盐处理，生产产物水，产物水具有在300mg/l和8,000mg/l之间的总溶解固体量，低于100mg/l的钙离子和镁离子的总浓度，以及20至90的钠吸附比。

该系统可以进一步包括定位于分离装置上游的预处理单元，其被设置用于预处理采出水，以在使用分离装置进行脱盐处理之前降低其中的悬浮固体、油脂和油中任一种或多种的浓度，其中预处理单元被设置使得在预处理之前采出水中的总溶解固体量和在预处理之后采出水中的总溶解固体量在彼此的20％之内。

电驱动膜分离装置可以包括电渗析装置、反向电渗析装置以及电去离子装置中的至少一种。

电驱动膜分离装置的阳离子交换膜中的至少一者可以具有对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子至少为1.0的渗透性。

阳离子交换膜中的至少一者对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子的渗透性可以在1.05和10.0之间。

采出水可以含有多价的硫酸根离子和一价的氯离子，而且其中电驱动膜分离装置的阴离子交换膜中的至少一者可以具有对于多价的硫酸根离子相对于一价的氯离子至少为1.5的渗透性。

阴离子和阳离子交换膜中的至少一种可以包括交联共聚物，其中交联共聚物中包含占交联共聚物总单体至少20重量％的交联单体。

交联共聚物可以包含丙烯酸类交联共聚物，丙烯酸类交联共聚物的单体中包含丙烯酸酯类单体、甲基丙烯酸酯类单体、丙烯酰胺类单体和甲基丙烯酰胺类单体中的至少一种。

该系统可以进一步包括ph控制和加酸装置，该装置被配置及定位以在补给水中添加酸，使得补给水的ph在3和8之间。

至少一个控制器可以进一步被配置为：(a)倒转电势的极性，从初始的极性变为相反的极性；而且然后(b)倒转电势的极性，从相反的极性变为初始的极性，其中产出水和第二水流经的室在极性倒转立即之前、期间以及立即之后保持不变。

钠吸附比可以被确定为其中[na]、[ca]、[mg]分别是na⁺、ca²⁺和mg²⁺在产物水中以mol/m³计的浓度。

至少一个传感器可以进一步被配置及定位以测量总有机碳含量，而且至少一个控制器可以被设置为生产总有机碳含量至少为10mg/l的产物水。

本概述并不必去描述所有方面的整个范围。另一方面，通过如下特定实施例的说明，各个特征和优点对于本领域技术人员来说都将是显而易见的。

附图说明

在附图中，列举了一个或多个具体实施例：

图1是根据一个具体实施例的系统的方框图，该系统包括电驱动膜分离装置以产生注入水，该注入水已经设定了通过对采出水进行脱盐处理后所得离子成分的组成。

图2举例说明了用作图1中电驱动膜分离装置的电渗析叠层。

图3描绘了使用图2所描述类型的电渗析叠层所生产的注入水中总溶解固体(tds)量、钠吸附比(sar)以及钙离子和镁离子的总浓度的曲线，与另一个具体实施例相一致。

具体实施方式

油层注水长期以来被用于提高烃类采收率。在油层注水过程中，低盐度的水无论是单独地或者与化学添加剂相结合，被注入地层中。该注入物取代了或者“驱除”了烃类，通过地层进入烃类生产井。很多油气产业从业者相信注入低盐度的地层注入水降低了岩石的油润湿性能，这有助于驱除烃类。某些聚合物添加剂也可以被加到注入水中，以用于驱除烃类。当使用这些聚合物添加剂时，油层注水(“聚合物驱油溶液”)中的盐离子遮蔽了沿着聚合物链的电荷并诱导聚合物驱油溶液中的聚合物链形成坍缩构象而降低了溶液粘度。因此降低聚合物驱油溶液中的盐度将诱导聚合物链形成延展构象而提高溶液的粘度。这降低了使用昂贵的聚合物增粘剂来达到高目标粘度的需要，而高目标粘度有助于提高烃类采收率。

从烃类(油和/或气)采收过程中生成的采出水含有显著性水平(例如，>400mg/l)的有机碳，其由采出水的总有机碳(toc)含量来表示，而且烃类成分例如游离的或溶解的油、有机酸、btex化合物(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)。依赖于反渗透(ro)或纳米过滤(nf)的常规水处理方法不能成功地用于处理采出水，除非采出水先经过强有力的预处理而去除那些烃类成分和有机碳。其中的一个原因是烃类成分和有机碳汇集在反渗透膜或纳米过滤膜上，并且在高压下导致上述膜失去了渗透性和脱盐能力。另外，纳米过滤和反渗透过程主要在于降低被处理水的tds含量，而不是离子组成。最常见的，这样的方法包括了将多个纳米过滤和反渗透处理模块经装配而串联地和/或平行地连接。使用一个或多个上述模块处理的脱盐水随后经必要的混合或调整后用作注入水。

除了具有低盐度之外，用于提高烃类采收率的注入水可以有利地含有设定离子组成。如本申请所用，提及的离子“组成”包括提及的离子浓度和/或比率，例如单价与多价阳离子之间的比率。含有高浓度多价离子的注入水(例如，总共多于200mg/l)使得岩石具有亲油性，阻止了烃类采收率的提高。这可能是因为多价离子例如ca²⁺和mg²⁺，通过形成有机-金属配合物使其像带负电荷的油滴与岩石之间的电桥。烃类因此吸附在容易亲油的岩石表面并且远离了被阻止的地层。此外，聚合物驱油溶液的粘度对于多价阳离子远比对于单价阳离子要敏感。多价阳离子可能导致聚合物添加剂在暴露于地下高温时沉淀或降解。但是，在注入水中多价阳离子的浓度不能降至低于最小阈值：如果注入水只含有单价阳离子，岩石中的黏土颗粒在遇到注入水时可能膨胀或从孔壁上被剥离，这导致黏土的抗絮凝作用而且在水驱过程中地层不稳定。另外的，注入水中的单价阳离子在破坏带电荷的油滴与岩石之间已经形成的有机-金属配合物时所起的作用并不像多价阳离子那样有效。因此，对于达到设定离子成分的目的来说，通过对采出水进行脱盐而制造注入水是有益的。在脱盐过程中于采出水中保留至少一部分有机碳是进一步有益的，以便于在注入水中能够减少使用昂贵的聚合物增粘剂。

本申请所描述的实施例涉及对采出水进行脱盐处理的电化学膜方法。电化学膜方法在存在烃类成分的情况下对采出水脱盐，以生产具有设定离子组成的电化学脱盐的产物水。电化学脱盐的产物水可以在提高烃类采收率的方法中用作注入水。

在一些实施方式中，本申请所述电化学膜方法包括使用电驱动膜分离装置，其对具有高水平的溶解固体(tds)含量的采出水进行脱盐，其中“高水平”是指tds含量高于2,000mg/l，并含有由toc量表示的有机碳。更特别地，电驱动膜分离装置在受控过程中对采出水进行脱盐以提供具有设定离子组成的注入水，而且更特别地，具有设定的单价和多价离子浓度，以便达到设定的单价阳离子与多价阳离子之间的比率。

图1图解说明了系统100的方框图，其包括电驱动膜分离装置110以用于将采出水脱盐来产生具有设定离子组成的注入水。该系统100与油气藏101一起运作，油气藏101中的烃-水混合物被采收。注入水用于提高烃类采收率。该系统100包括：

i.烃/水分离单元102，与油气藏101在流体上连结，其从烃-水混合中分离至少一部分烃类以生产烃类产品和采出水；

ii.预处理单元104，定位在装置110的上游，并且预处理采出水以从其中去除至少部分悬浮固体、油脂和油来生产预处理过的采出水；

iii.电驱动膜分离装置110，其对预处理过的采出水脱盐，从而从中去除至少部分盐离子种类，从而生产电化学脱盐的产物水，产物水具有300mg/l和8,000mg/l之间的tds含量、低于100mg/l的钙、镁离子总浓度、在20至90之间的钠吸附比(sar)和至少10mg/l的toc量；而且

iv.一个或多个传感器121和一个或多个控制器，进一步细节如下述所示，用以促进该系统100的受控脱盐过程。

该系统100通过对采出水进行脱盐而生产产物水。产物水可用作注入水，通过将其注入油气藏101以提高烃类采收率。

在描述的实施例中，sar值由式(i)所决定：

其中[na]、[ca]、[mg]分别是na⁺、ca²⁺和mg²⁺在电化学脱盐的产物水中以mol/m³计的浓度。

在一些实施方式中，使用该系统100以生产注入水的方法包括从钻入地层的生产井中采收烃类(油和/或气)，在这种情况下，油气藏101可以包括陆上的或离岸的烃类油气藏。

在一些实施方式中，使用该系统100的方法包括从烃类生产井中泵吸出烃-水混合物至分离器102，在分离器102中烃类产物与水相分离。在从烃类产品中初始分离后，水可以在抛光分离器(未被描述)中经进一步处理以去除另外的烃类和固体。在烃类分离后所得到的水在某些具体实施例中被称为采出水。

在一些实施方式中，使用该系统100的方法包括使用预处理单元104以促进采出水通过电驱动膜分离装置110进行脱盐。为了经济地预处理采出水并减少预处理单元104的印迹，预处理操作可以简单地包括去除至少部分悬浮固体、油脂和油。预处理也可以包括一个或多个介质过滤、微滤、超滤、凝聚、絮凝、气体浮选、澄清和沉降过程。预处理单元104可被设置为在经过预处理单元104之前和之后的采出水中的tds量没有实质性改变。举例来说，在预处理过程之前采出水中的tds量和在预处理过程之后采出水中的总溶解固体量在一个实施例中在彼此的10％之内，而且在另一个实施例中在彼此的20％以内。

在一些实施方式中，经预处理的采出水通过从预处理单元104导出的管道111直接流入电驱动膜分离装置110。从经预处理的采出水中接受了脱盐离子种类的第二水通过另一条管道113流入电驱动膜分离装置110，并且从电驱动膜分离装置110流出时由于接受了从经预处理的采出水中的离子变成了浓缩盐水，更多细节如下述所示。流经另一条管道113的第二水可以包含经预处理的采出水；另外地或者作为备选地，其可以包含盐水，特别是当该方法与离岸烃类采收一起施行的时候。

该装置110的结构和操作的实施例与下述图2相关而讨论了更多细节。图2所示的该装置110的实施例是包含至少一个阳离子交换膜的电渗析叠层，其中的阳离子交换膜具有对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子至少为1的渗透性。该装置110通过输出管道112输出电化学脱盐的产物水，并通过另一条输出管道114输出浓缩盐水。在一些实施方式中，浓缩盐水通过再循环管道115再循环到输入管道113中以进一步浓缩并减少浓缩盐水的体积。浓缩盐水可以被释放、出于其他目的再利用，或者进一步处理以减少、以及在特定的某些实施例中达到零液体排放。

电驱动膜分离装置110对采出水脱盐以生产注入水，注入水用于提高烃类采收率。注入水包括电化学脱盐的采出水，其具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子的总浓度、在20至90之间的sar值、以及至少为10mg/l的toc量。

在一些实施方式中，经预处理的采出水包含显著的toc含量，举例来说，在一些具体实施例中的toc高于至少10mg/l，并且在另一些实施方式中的toc高于至少100mg/l。toc并不是由电驱膜分离装置110而显著减少的；举例来说，在一些实施方式中经预处理的采出水和经电处理的产物水的toc在彼此的20％以内，并且在另一些具体实施例中在彼此的10％以内。当该系统100与聚合物驱油法联用时，toc可以包括聚合物添加剂，而且可能因此有助于回收toc，以及回收的电化学脱盐的产物水用作注入水。

在一些实施方式中，装置110生产具有设定的单价阳离子相对于多价阳离子比率的电化学脱盐的产物水用作注入水。电化学脱盐的产物水中的单价阳离子相对于多价阳离子比率的特征值可被表示为可换算的钠百分比或sar，典型地由式(i)所决定。

在一些实施方式中，使用装置110生产钙离子和镁离子的总浓度低于100mg/l并且sar值在20至90之间的电化学脱盐的产物水用作注入水。并不受限于特定的机制，电化学脱盐的产物水可以促进多成分离子交换，以破坏地层水与烃以及岩石之中的一种或两者的相互作用，从而从含有部分地层的黏土表面释放出烃类。

在一些实施方式中，任一个或多个电化学脱盐的产物水的sar值、电化学脱盐的产物水的钙和镁离子总浓度、toc量以及电化学脱盐的产物水的tds量作为质量或适用性的指示，而在提高烃类采收率时用作注入水。在一些具体实施例中，电化学脱盐的产物水具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及至少为10mg/l的toc量。

电驱动膜分离装置110在受控的脱盐过程中利用电场(图1中未展示)来产生驱动一种或更多盐离子种类从采出水迁移至浓缩盐水的原动力。在一些实施方式中，该装置110选择性地按照设定的组成(例如，该装置110对一种或多种特定类型的离子脱除和/或脱除至特定的浓度)从采出水中脱除盐离子，这与其他非选择性的脱盐方法形成对比。从电驱动膜分离装置110中得到的最终的电化学脱盐的产物水具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及至少为10mg/l的toc量。在一些特定的实施例中，该装置110提供了电化学脱盐的产物水，其可以用作注入水以提高烃类采收率而不需进一步添加或混合优选的离子种类，这与常规的ro和nf脱盐方法形成对比，这些方法中经过各种方式处理的水流必须通过混合以调整到满足注入水的要求。

在一些实施方式中，电驱动膜分离装置110可以仅仅从采出水中脱除部分盐离子种类，但是在电化学脱盐的产物水中保留非离子的和弱电离的有机分子例如烃类和toc。在通过电驱动膜分离装置110脱盐之前和之后的采出水中的toc量没有实质性改变；举例来说，在一些实施方式中，经预处理的采出水和经电处理的产物水的toc量在彼此的20％以内，并且在另一些具体实施例中，在彼此的10％以内。在聚合物驱油法中，toc可以包括聚合物添加剂，这会有助于当回收的电化学脱盐的产物水用作注入水以用于提高烃类采收率时，一起回收聚合物添加剂。在一些实施方式中，电驱动膜分离装置110和它的操作被设计为在脱盐过程中保持聚合物添加剂的性能，举例来说，使用低液压剪切机和低剪切泵将采出水被传输至电驱动膜分离装置110，以防止聚合物添加剂由于液压剪切力而降解。

在一些实施方式中，具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及至少为10mg/l的toc量的的电化学脱盐的产物水可以通过加入额外的聚合物添加剂例如合成聚丙烯酰胺、部分水解的聚丙烯酰胺、黄原胶、羟乙基纤维素、瓜尔胶和羧甲基纤维素钠而配制出来用作注入水。聚合物添加剂在电化学脱盐的产物水的溶解可能要用至少24小时以使得那些聚合物添加剂完全水化。在电化学脱盐的产物水中溶解的聚合物链是延展构象，而且聚合物驱油溶液能够达到用于提高烃类采收率的目标粘度，其中总的聚合物浓度低于1.0g/l。

在一些实施方式中，而且关于图1的上述讨论中，电驱动膜分离装置110在一个或多个控制器120控制下操作，控制器120与一个或多个传感器121通讯连接以监测电化学脱盐的产物水的脱盐参数。一个或多个传感器121被配置及定位以提供水质量和电驱动膜分离装置110工作参数的指示；举例来说，一个或多个传感器121可以将从分离装置中离开的产物水的tds量、toc量以及钠、镁和钙离子的浓度中的一种或多种报告给一个或多个控制器120，直接或者间接地由sar来表示。一个或多个传感器121向一个或多个控制器120提供反馈来调整电驱动膜分离装置110操作的一个或多个参数，以及来调节分离装置的至少一个操作参数典型地到至少一个所需条件，从而来提供经脱盐的产物水具有的一个或多个特性。举例来说，一个或多个控制器120能够调节用于电驱动膜分离装置110的电流、电压或者它们两者、其应用的电场，来控制离子的脱除和经脱盐的产物水的离子浓度。其他参数也可以被调整，其包括例如，压力、温度、ph、流速和通过该装置110的离子电流密度；一个或多个传感器121因此可以测量任一或更多的那些参数。一个或多个控制器120可以以连续方式或者批处理方式通过控制合适的阀门、管道和泵(未展示)来操纵该装置110。采出水按照需要可以通过该装置110再循环很多次，以便达到所需的设定离子成分。一个或多个控制器120可以包括任一或更多个集成电路(ic)，其包括通过单片集成电路(mic)、特定用途集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)和可编程逻辑控制器(plc)而实现。

在一些实施方式中，受控的脱盐方法依赖于包括至少一种阳离子交换膜的电驱动膜分离装置110，阳离子交换膜具有对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子至少为1.0的渗透性，优选在1.05和10.0之间。膜的渗透性定义为多价的钙、镁离子通过膜的运输速率与一价钠离子通过膜的运输速率之间的比率，而且允许该装置110按照受控的方法对采出水进行脱盐，目标在于去除特定的离子种类而保留其他的种类。示例的电驱动膜分离装置110包括电渗析(ed)装置和反向电渗析(edr)装置和电去电离作用(edi)装置以及这些电驱动膜分离装置两个或更多以串联和/或并联方式连接的结合。一个ed、edr或edi装置可以包括交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜，其中的至少一个阳离子交换膜具有对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子至少为1.0的渗透性、优选在1.05和10.0之间。ed、edr或edi装置可以是堆形、螺旋形、圆柱形或者其他任意适合的形状。

阳离子交换膜的渗透性定义为多价的钙、镁离子和一价钠离子之间通过膜的特定的运输量之比。ca²⁺和mg²⁺相对于na⁺的渗透性由式(ii)所决定：

其中cca、cmg、和cna是ca²⁺、mg²⁺和na⁺在要脱盐的溶液中的初始摩尔浓度，而δcca、δcmg、δcna分别是在预定脱盐百分比的溶液中脱盐之前和之后待脱盐的溶液中ca²⁺、mg²⁺和na⁺的摩尔浓度的改变量(举例来说，大约脱除20-50％的tds量以得到含有0.1mol/lnacl、0.02mol/lmgcl2和0.02mol/lcacl2的溶液)。阳离子交换膜的渗透性即对于多价的钙、镁离子相对于一价钠离子，可以根据下述方法来决定：通过按顺序安排来设置四隔室的电渗析小室，从小室的一侧到另一侧：银-氯化银电极、阳极隔室、第一阴离子交换膜、稀释室、测试的选择性阳离子交换膜、浓缩室、第二阴离子交换膜、阴极室和银-氯化银电极。电渗析小室具有10.0cm²的有效载流膜面积。阳极隔室和阴极隔室均流入0.2mol/lnacl溶液；稀释隔室流入4升含有0.1mol/lnacl、0.02mol/lmgcl2和0.02mol/lcacl2的溶液；而且浓缩隔室流入4升0.1mol/lnacl的溶液。电渗析评价在20℃下和电流密度为2a/dm²时进行1小时。在电渗析评价之前和之后测量流入稀释隔室的溶液的ca²⁺、mg²⁺和na⁺的浓度。ca²⁺和mg²⁺相对于na⁺的渗透性由式(ii)决定，其中cca、cmg、和cna是流入稀释隔室的溶液在电渗析之前的初始摩尔浓度即ca²⁺(0.02mol/l)、mg²⁺(0.02mol/l)和na⁺(0.1mol/l)；而且δcca、δcmg、δcna分别是ca²⁺、mg²⁺和na⁺在流入稀释隔室的溶液中在电渗析之前和之后的摩尔浓度改变量。适合的阳离子交换膜包括ionflux^tmcem，其来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)。

在一些实施方式中，电驱动膜分离装置110可以使用阴离子交换膜，其具有对于多价的硫酸根离子相对于一价氯离子至少为1.5的渗透性促进了多价硫酸根离子的脱除，其中对于硫酸根离子相对于氯离子的渗透性由式(iii)决定：

其中cso4和ccl是so4^2-和cl^-在要脱盐的溶液中的初始摩尔浓度，而δcso4和δccl分别是so4^2-和cl^-在预先确定脱盐百分比之内在要脱盐的溶液中脱盐之前和之后其摩尔浓度的改变量(举例来说，大约脱除20-50％的tds量以得到含有0.1mol/lnacl和0.02mol/lna2so4的溶液)。阴离子交换膜对于多价的硫酸根离子相对于一价氯离子的渗透性可以根据下述方法来决定：通过按顺序安排来设置四隔室的电渗析小室，从小室的一侧到另一侧：银-氯化银电极、阴极隔室、第一阳离子交换膜、稀释隔室、测试的选择性的阴离子交换膜、浓缩隔室、第二阳离子交换膜、阳极隔室和银-氯化银电极。电渗析小室具有10.0cm²的有效载流膜面积。阳极隔室和阴极隔室均流入0.2mol/lnacl溶液；稀释隔室流入4升含有0.1mol/lnacl和0.02mol/lna2so4的溶液；而且浓缩隔室流入4升0.1mol/lnacl的溶液。电渗析评价在20℃下和电流密度为2a/dm²时进行1小时。在电渗析评价之前和之后测量流入稀释隔室的溶液的so4^2-和cl^-浓度。硫酸根离子相对于氯离子的渗透性由式(iii)决定，其中cso4和ccl是流入稀释隔室的溶液在电渗析之前的初始摩尔浓度so4^2-(0.02mol/l)和cl^-(0.1mol/l)；δcso4和δccl是分别是so4^2-和cl^-在流入稀释隔室的溶液中在电渗析之前和之后的摩尔浓度改变量。适合的阴离子交换膜包括ionflux^tmaem，其来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)。

在一些实施方式中，电驱动膜分离装置110包括由交联共聚物制造的阴离子交换膜和阳离子交换膜，其可容许采出水中的烃类。在一个实施例中，阴离子交换膜和阳离子交换膜中的交联单体占那些膜中总单体的至少20重量％，优选至少30重量％，更优选在占至少40重量％。

在一些实施方式中，电驱动膜分离装置110包括由丙烯酸类交联共聚物制造的阴离子交换膜和阳离子交换膜，其中丙烯酸类交联共聚物的单体选自丙烯酸类单体、甲基丙烯酸类单体、丙烯酰胺类单体和甲基丙烯酰胺类单体的至少一种。丙烯酸类交联共聚物与采出水相对于苯乙烯类交联共聚物更相容。在一个具体实施例中，在给电驱动膜分离装置110形成合适的阳离子交换膜的过程中，单体丙烯酰胺甲基丙烷磺酸(150g)和交联单体二甲基丙烯酸乙二醇酯(150g)在n,n-二甲基丙烯酰胺(120g)和三丁胺(30g)存在下混合成溶液。加入光引发剂(9.2g)irgacure2959并溶于溶液中。溶液随后涂覆在织物表面并在紫外辐射下硬化以制造阳离子交换膜。

在一些实施方式中，电驱动膜分离装置110包括由于其组成而具有防污性能的阴离子交换膜和/或阳离子交换膜。合适的膜包括通过聚多巴胺聚合物或聚乙二醇聚合物修饰的阳离子和阴离子交换膜表面。

在一些实施方式中，受控的脱盐方法依赖于一个或多个控制器120以减轻在采出水中的物质例如caso4、硅石、有机酸、油和油脂的结垢和积垢的可能性，举例来说，是通过对电渗析操作在正向极性操作模式和反转极性操作模式之间周期性地或按预定时间转换。

现在回到附图2，其中图示了一个在附图1中以电渗析叠层的形式应用的电驱动膜分离装置110的实施例。电渗析叠层包括位于叠层一端的第一电极205和位于叠层的相反一端的第二电极206，而且大多数离子交换膜设置在第一电极205和第二电极206之间。第一电极205和第二电极206与例如直流电源之类的电压源电耦合(未在附图2中描绘)。当电渗析叠层如图2所示处于正向极性操作模式时，第一电极205作为阴极而且第二电极206作为阳极。可替换地，当电渗析叠层处于反转极性操作模式(未展示)时第一电极205和第二电极206的极性可以反转。

两种类型的离子交换膜隔开了电渗析叠层的室：阳离子交换膜207(每个“cem207”)和阴离子交换膜208(每个“aem208”)。cems207是对阳离子可透的离子交换膜，其具有对于ca²⁺和mg²⁺相对于na⁺至少为1.0的渗透性优选在1.05和10.0之间，而对于阴离子实质上不透，以及在一些实施方式中和取决于操作条件，完全不透。aems208是对阴离子可透的离子交换膜，而对于阳离子实质上不透，以及在一些实施方式中和取决于操作条件，完全不透。在一些应用中，aems208可以是标准的阴离子交换膜，其对于单价和多价阴离子没有渗透性的偏好，都是可透的。在备选的应用中，aems208可以是具有对于多价硫酸根离子相对于氯离子至少为1.5的渗透性的阴离子交换膜。合适的cem207实例是ionflux^tmcem，其来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)。合适的aem208实例是ionflux^tmaem，其来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)。

如附图2所示，电渗析叠层包括第一和第二电解质室，每一个在附图2中均标为“e”(在下文中可交换地被称为“e-室”)，其边界由电极205、206中的一个和阳离子交换膜207限定。电解质溶液通过一对管道203、204而流入或流出e-室。样品的电解质可以包括硫酸、硫酸钠水溶液和硝酸钾水溶液。

对于附图2的叠层来说，交替出现的cems207和aems208通过限定交替出现的产物室的相对面而形成，每一个在附图2中均标为“p”(在下文中可交换地被称为“p-室”)，而且浓缩室，每一个在附图2中均标为“c”(在下文中可交换地被称为“c-室”)，位于第一电极205和第二电极206之间。在受控的脱盐操作过程中，在跨过电渗析叠层施加电势时，经预处理的采出水被引入电渗析叠层并通过管道111流经其产物室，而且接受并运走脱除的离子种类的第二水通过另一管道113流入电渗析叠层并流经它的浓缩室。作为脱盐的结果，流经p-室的经预处理的采出水中的一些种类的离子(举例来说，na⁺、cl^-、ca²⁺和so4^2-)通过流经c-室的溶液而被脱除和运走。随着使用具有对于多价钙和镁离子相对于单价钠离子至少为1.0优选在1.05和10.0之间的渗透性的阳离子交换膜，通过管道112流出p-室的最终水流成为了具设定离子成分的电化学脱盐的产物水，例如具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及至少为10mg/l的toc量，而且通过管道114流出c-室的溶液成为了浓缩盐水。设定离子成分的浓度和类型可以通过调整膜对于p-室中更不被优选的种类的渗透性和/或调整叠层的运行时间来决定。

在一些实施方式中，通过叠层处理的采出水含有结垢物质(举例来说，caso4和硅石)和/或积垢物质(举例来说，离子型表面活性剂、油或油脂)，其可以导致在膜207、208上结垢和/或积垢。在叠层的膜上的结垢或积垢可以通过对叠层的操作在正向极性操作模式和反转极性操作模式之间周期性地或按预定时间转换而减轻。

在一些实施方式中，对电渗析操作在正向极性操作模式和反转极性操作模式之间周期性地或按预定时间的转换包括反转施加于电渗析叠层的电势极性，而且还有液动切换，其包括将流入产物室和浓缩室的水流交换。通过膜的离子交换方向的改变以及水流交换有助于从膜表面“洗涤”结垢或积垢成分。极性反转和水流交换可能会在一些实施方式中同时出现；在另一些实施方式中，当叠层可能在极性反转和水流交换下操作时，实际的反转和水流交换不会同时出现。

在一些实施方式中，电渗析操作在正向极性操作模式和反转极性操作模式之间的转换包括只反转应用于电渗析叠层的电势极性而不交换流入产物室和浓缩室的水流。举例来说，在电渗析叠层按正向电流运作以对采出水在初始极性下进行一段规定时间(例如，10分钟)的脱盐以后，施用于电渗析叠层的电流极性发生短时间(例如，10秒)反转以反转极性，然后再反转回到初始的极性，使得叠层在正向模式下运行另一段设定时间(例如，10分钟)，等等。当极性反转时，流经产物室和浓缩室的水流并不转换；因此，采出水和第二水流经的叠层的室在极性反转立即之前、期间和之后保持不变。反转跨过叠层的极性而不交换流入产物室和浓缩室的水流可使得浓缩盐水不污染产物水，而有助于脱盐过程的经济性，污染在水流转换时出现，特别地当浓缩盐溶液中的盐浓度超过脱盐的产物水20倍时。

在一些实施方式中，叠层的膜207、208上的结垢或积垢可以在原地被包括硝酸、氢氯酸或其他无机酸的酸性溶液所清洁，以除去任何碳酸盐沉淀和有机污物。也可以使用碱性洗涤溶液，例如在酸洗之后，以除去有机污物。原地清洗(cip)流程可以使用洗涤溶液在高于浓缩盐水和采出水温度下施行。

在一些实施方式中，cip洗涤溶液使用的经预处理的采出水来配制：当采出水经预处理以形成cip溶液后加入清洁剂，这与常规的使用高品质水(例如，水来自城市公用事业或ro透过水)的cip流程形成对照。

在一些实施方式中，为了减轻来自采出水中的碳酸盐和或有机酸种类的结垢或积垢，ph控制和给酸装置(未在附图2中描述)可以与所述的浓缩的盐溶液水流进行流体连接以控制其ph值在一个确定的ph范围内，举例来说，ph从3到8，优选地从ph4到ph7，并且更优选地从ph5到ph6.5。适合的酸包括硝酸、盐酸和其他除硫酸外的无机酸。硫酸可能会在脱盐过程中引入硫酸根离子而其在注入水中并不需要。在电渗析时加酸到浓缩的盐溶液水流中以取代采出水的水流有助于在酸消耗和脱盐过程效率方面的经济地脱盐。

在一些实施方式中(未在附图2中描述)，为了成本效率的目的，使用控制子系统来控制和/或管制电渗析叠层的操作是有益的。如附图1所示，在一个具体实施例中，控制子系统包括一个或更多的控制器120，其与各种各样的传感器121和阀门(未描绘)通讯连接。在正向极性操作模式和反转极性操作模式之间的转换操作可以通过一个或更多的控制器120来控制。一个或更多的控制器120控制其转换发生的调整点。这可以由预排程序的条件而触发，该条件基于一个或更多个脱盐周期、叠层的电阻以及经脱盐的产物水的tds量；传感器121相应地可以测量当前脱盐时间、叠层的电阻、以及经脱盐的产物水的tds量中的一个或多个。经脱盐的产物水和浓缩盐水的流向也可以通过控制子系统来控制，以阻止浓缩的盐溶液对经脱盐的产物水构成污染，反之亦然。举例来说，在转换操作期间，这两种从电渗析叠层中流出的水流的混合被限制在少于浓缩盐水体积的10％。

在上述具体实施例中，用作注入水的产物水具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及至少为10mg/l的toc量。但是，在不同的实施例中，产物水可能在任一或更多的这些参数上有所不同；举例来说，产物水可以具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及至少为10mg/l的toc量，或者它们的任意结合。在另一个实施例中，产物水可以具有在300mg/l和8,000mg/l之间的tds量、低于100mg/l的钙离子和镁离子总浓度、在20至90之间的sar值以及任意的toc量。

某些实施方式进一步被下述实施例所举例说明。但是要理解，这些实施例仅仅是出于说明性的目的，且在任何形式下都不会限制本申请的范围。

实施例

在一个实施例中，采出水首先经过微滤方式预处理，然后由包含相对于多价阳离子对单价阳离子具有渗透性的阳离子交换膜的ed装置来处理(方法i)以作为对照，或者由包含具有与本发明上述实施例描述一致的渗透性的阳离子交换膜的ed装置来处理(方法ii)。这两种ed装置都包括5个重复的小室，每个重复小室均设置为从该装置的一个电极到另一个电极、阴离子交换膜、产物室、阳离子交换膜以及浓缩室。来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)的ionflux^tmaem均用作这两种ed装置的阴离子交换膜。该方法i中的ed装置使用来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)的为0.2的ionflux^tm的单价选择性mcems作为阳离子交换膜，该方法ii中的ed装置使用来自苏特沃克技术有限公司(saltworkstechnologiesinc.)的为3.0的ionflux^tm作为阳离子交换膜。附图3显示了来自方法i和ii的采出水在各种脱盐程度下的tds、钙离子和镁离子总浓度，和sar值的结果。

表1显示了方法i和ii脱盐实例结果的下述特性使得经脱盐的产物水具有大约1000mg/l的tds量。在经过微滤预处理后，经预处理的采出水具有22510mg/l的tds、275mg/l的钙离子和镁离子总浓度，以及122的sar值，这显示出经预处理的采出水不适合用作注入水来提高烃类采收率。来自方法i的经电化学脱盐的采出水具有设定的1140mg/l的tds，但是钙、镁离子总浓度为227mg/l，而且sar值为2.7；钙、镁离子总浓度和sar值均显示出该经脱盐的采出水不适于用作注入水来提高烃类采收率。相比而言，来自方法ii的经电化学处理的产物水与本申请实施例的描述相一致，具有设定的1114mg/l的tds，钙、镁离子总浓度为7.7mg/l，而且sar值为38.6，显示出经电化学处理的产物水适于用作注入流体来提高烃类采收率。

表1：来自方法i和ii的用于采出水的电化学脱盐

上述实施例与方法、装置、系统的流程、顺序和方框图以及计算机程序产品相关。在这点上，所描绘流程、顺序和方框图图解说明了结构、功能性以及执行各种实施例的操作。例如，每一个流程的方框和方框图以及顺序图中的操作可以表现为模块、片段或一部分编码，其中含有一个或更多的用来执行规定动作的可执行指令。在一些可供选择的实施例中，在方框或操作中的动作可能造成在那些图表中的次序发生颠倒。举例来说，接连显示的两个方框或操作，可能在一些实施方式中，被充分地同时执行，或者方框或操作可能有时以倒序执行，这取决于所涉及的功能性。一些前述的特定的实施例在前文被提到，但是那些提到的实例并不是必要的仅有的实例。每一个流程的方框和方框图和顺序图中的操作以及那些方框和操作的结合，可以通过特殊用途的基于硬件的系统或者特定用途硬件和计算机指令的结合而执行，该特殊用途的基于硬件的系统执行特定的功能或动作。

本申请中使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而且不是限制其含义。相应地，如本申请所用的，不带具体数量的指称包括其复数形式，除非上下文中明确地指示了其他含义。可进一步理解为词语“包括”、“包含”，当用于本说明书时，限定为存在一个或多个规定的特征、整数、步骤、操作、元素和成分，但是并不排除存在或添加一个或多个其他的特征、整数、步骤、操作、元素、成分和集合。方向性术语例如“顶部”、“底部”、“向上”、“向下”、“竖直地”和“横向地”仅仅出于提供相关参考的目的而用于下述说明书中，而且并不打算对任何物品在使用时安置或装配于装置上或与环境相关的用途提出任何限制。此外，本说明书中应用的术语“连结”及其变型例如“连结的”、“连结”和“联结”意指包括间接的和直接的连接，除非另有所述。举例来说，如果第一装置与第二装置相连结，该连结可以是通过直接的连接或通过其他装置或连接而成的间接的连接。同样地，如果第一装置与第二装置通讯连结，通讯可以通过直接的连接或通过其他装置或连接而成的间接的连接。术语“和/或”和一系列选项连同使用时，意味着“一个或多个的”那一系列选项；举例来说，涉及“a，b，和/或c”意味着任一或更多的a、b和c。本申请中使用的所有范围包括该范围的端值，除非因上下文的需要而有其他解释。

可以预期的是，任何方面的任何部分或本说明书中实施例中讨论的任何部分能够实现，或者与本说明书中讨论的任意方面的任意部分或实施例相结合后能够实现。

一个或多个具体实施例仅仅出于例证方式而被描述。本说明书出于例证和描述的目的而提交，但并非是详尽的或仅限于所公开的形式。对于本领域技术人员来说，显然能够做出大量的变化和修改而仍然不偏离权利要求书中的范围。