Spatial variability of produced-water quality and alternative-source water analysis applied to the Permian Basin, USA

Abstract

Interest in both environmental impact and potential beneficial uses of produced water (PW) has increased with growth in unconventional oil and gas production, especially in semi-arid regions, e.g. the Permian Basin, the most productive tight-oil region in the USA. Characterization of PW compositional variability is needed to evaluate environmental impact, treatment, and reuse potential. Geochemical variability of PW from Guadalupian (Middle Permian) to Ordovician formations was statistically and geostatistically evaluated in the western half of the Permian Basin (Delaware Basin, Central Basin Platform, and Northwest Shelf) using the US Geological Survey’s Produced Waters Geochemical Database and the New Mexico Water and Infrastructure Data System. Mean total dissolved solids (TDS) of PW increased with depth in the Delaware Basin and Central Basin Platform to the Delaware and Wolfcamp formations (Guadalupian age). Mean TDS decreased with further increases in depth. In contrast, the mean salinity of PW was significantly higher within the shallow, younger formations (largest mean TDS in the Artesia Formation); TDS decreased with depth below Guadalupian age formations in the Northwest Shelf. Kriged contour maps of TDS and major ions illustrated spatial variability across the three geo-structural regions as a function of depth. The occurrence of meteoric waters in upper and deeper formations across the three regions was significant, and was attributed to Laramide Orogeny and Basin and Range extension uplifting and tilting effects and recent water flooding. These results quantify PW composition variability, and suggest that upon treatment, PW would support some uses such as onsite reuse and mining.

Résumé

L’intérêt pour l’impact environnemental et les utilisations bénéfiques potentielles de l’eau de production (EP) a augmenté avec la croissance de la production de pétrole et de gaz non conventionnels, en particulier dans les régions semi-arides, par exemple le bassin permien, la région de pétrole la plus productive aux États-Unis d’Amérique. La caractérisation de la variabilité de la composition de l’EP est nécessaire pour évaluer l’impact environnement, le traitement, et le potentiel de réutilisation. La variabilité géochimique de l’EP des formations du Guadalupien (Permien moyen) à l’Ordovicien a été évaluée à l’aide de la statistique et géostatistique dans la moitié occidentale du bassin permien (Bassin de Delaware, Plateforme de centre du bassin, et plateau nord-ouest) en utilisant la base de données géochimiques des eaux de production du service géologique des Etats-Unis d’Amérique et du système de données sur l’eau et infrastructure du Nouveau Mexique. La valeur moyenne des solides dissous totaux (TDS) de l’EP augmente avec la profondeur dans le bassin du Delaware et la plateforme du bassin central jusqu’aux formations du Delaware et du Wolfcamp (âge Guadalupien). La valeur moyenne de TDS diminue avec d’autres augmentations de la profondeur. En revanche, la salinité moyenne de l’EP est significativement plus élevée dans les formations peu profondes et plus jeunes (la plus grande valeur moyenne de TDS dans la formation d’Artesia); la valeur de TDS diminue avec la profondeur au-delà des formations d’âge guadalupien dans le plateau du Nord-Ouest. Les cartes de contours des TDS et ions majeurs issus du krigeage illustrent la variabilité spatiale entre les trois régions géostructurales en fonction de la profondeur. L’existence d’eaux météoriques dans les formations supérieures et plus profondes dans les trois régions est significative, et est attribué aux effets de l’orogène de Laramide et de surrection et de basculements du bassin et de la chaîne de montagnes, et des récentes inondations. Ces résultats quantifient la variabilité de la composition des EP et suggèrent qu’après traitement, les EP permettraient certaines utilisations comme la réutilisation sur place et pour l’exploitation minière.

Resumen

El interés tanto en el impacto ambiental como en los posibles usos beneficiosos del agua de producción (PW) ha aumentado con el crecimiento de la producción no convencional de petróleo y gas, especialmente en las regiones semiáridas, por ejemplo, la cuenca del Pérmico, la región más productiva de los EE.UU. en la que hay escasez de petróleo. La caracterización de la variabilidad de la composición del PW es necesaria para evaluar el impacto ambiental, el tratamiento y el potencial de reutilización. La variabilidad geoquímica del PW desde las formaciones Guadalupianas (Pérmico Medio) a las formaciones Ordovícicas fue evaluada estadística y geoestadísticamente en la mitad occidental de la Cuenca Pérmica (Delaware Basin, Central Basin Platform, and Northwest Shelf) utilizando la Base de Datos Geoquímicos de Aguas Producidas del Servicio Geológico de los Estados Unidos (US Geological Survey’s Produced Waters Geochemical Database) y el Sistema de Datos de Agua e Infraestructura de Nuevo México (New Mexico Water and Infrastructure Data System). El valor medio de sólidos disueltos totales (TDS) de PW aumentó con la profundidad en la Delaware Basin y en la Central Basin Platform hasta las formaciones Delaware y Wolfcamp (edad Guadalupiana). El valor medio de TDS disminuyó con aumentos adicionales en profundidad. En contraste, la salinidad media de PW fue significativamente mayor en las formaciones más jóvenes y poco profundas (el mayor valor medio de TDS en la Formación Artesia); la TDS disminuyó con la profundidad por debajo de las formaciones de edad Guadalupiana en la Northwest Shelf. Los mapas de contorno krigeados de TDS y de los principales iones ilustraban la variabilidad espacial a través de las tres regiones geoestructurales en función de la profundidad. La ocurrencia de aguas meteóricas en formaciones superiores y más profundas a través de las tres regiones fue significativa, y se atribuyó a la orogenia Laramide y a los efectos de elevación e inclinación de la extensión de la cuenca y la cordillera, así como a las recientes inundaciones. Estos resultados cuantifican la variabilidad de la composición del PW y sugieren que, tras el tratamiento, el PW apoyaría algunos usos, como la reutilización in situ y en la minería.

摘要

随着非常规油气产量的增长, 人们对油田采出水的环境影响和潜在有益用途的兴趣也随之增加了, 特别是在半干旱地区, 例如美国最高产致密油区的二叠纪盆地。为了评估油田采出水的环境影响、处理和再利用的潜力, 需要对其成分的变化情况进行表征。利用美国地质调查局的油田采出水地球化学数据库和新墨西哥的水和基础设施数据系统, 在二叠纪盆地西半部(特拉华盆地、中部盆地台地和西北大陆架)对瓜达卢比(中二叠纪)至奥陶系地层油田采出水的地球化学变化特征进行了统计和地统计学评估。从特拉华盆地和中部盆地台地到特拉华和沃尔夫坎普地层(瓜达卢比时代), 油田采出水的平均总溶解固体(TDS)随深度增加而增加。随着深度的进一步增加, 平均TDS降低。相反, 在较浅, 较年轻的地层中, 油田采出水的平均盐度明显较高(Artesia地层中的最大平均TDS); 架瓜达卢比时代地层以下的TDS随深度的增加而降低。TDS和主要离子的Kriged等高线图可以说明三个地质结构区域随深度的空间变化特征。在这三个区域的上层和深层地层中, 大气降水贡献较大, 这是由于Laramide造山作用、盆地和山脉伸展抬升和倾斜作用以及近期的洪水作用。这些结果量化了油田采出水的组成变化, 并表明经处理后, 油田采出水将可以用于某用途, 如现场的再利用和采矿等。

Resumo

O interesse no impacto ambiental e nos potenciais usos benéficos da água produzida (AP) aumentou com o crescimento da produção não convencional de petróleo e gás, especialmente em regiões semiáridas, p. e. na Bacia do Permiano, a região de petróleo mais produtiva dos EUA. A caracterização da variabilidade composicional de AP é necessária para avaliar o impacto ambiental, o tratamento e o potencial de reutilização. A variabilidade geoquímica de AP das Formações Guadalupiano (Médio Permiano) para Ordoviciano foi avaliada estatisticamente e geoestaticamente na metade ocidental da Bacia do Permiano (Bacia de Delaware, Plataforma Central da Plataforma e Plataforma Noroeste) usando o Banco de Dados Geoquímicos de Águas Produzidas do Serviço Geológico dos EU e o Novo Sistema de dados de água e infraestrutura do México. A média de sólidos dissolvidos totais (SDT) de AP aumentou com a profundidade na Bacia de Delaware e na Plataforma Central da Bacia até as Formações Delaware e Wolfcamp (idade de Guadalupiano). O SDT médio diminuiu com novos aumentos de profundidade. Por outro lado, a salinidade média da AP foi significativamente maior nas formações rasas e mais jovens (maior SDT médio na Formação Artesia); SDT diminuiu com profundidade abaixo da idade das Formações Guadalupiana na Plataforma Noroeste. Os mapas de contorno krigados do SDT e dos íons principais ilustraram a variabilidade espacial nas três regiões geoestruturais em função da profundidade. A ocorrência de águas meteóricas nas formações superiores e mais profundas nas três regiões foi significativa, e foi atribuída à Orogenia de Laramide e aos efeitos de elevação e inclinação da extensão da bacia e da faixa e inundações recentes de água. Esses resultados quantificam a variabilidade da composição da AP e sugerem que, após o tratamento, a AP apoiaria alguns usos, como reuso local e mineração.