新型海上稠油熱采鍋爐給水處理工藝的分析及研究

王海燕， 王春升， 鄭曉鵬， 張 明， 尚 超， 王國(guó)棟

(中海油研究總院，北京 100028)

新型海上稠油熱采鍋爐給水處理工藝的分析及研究

王海燕， 王春升， 鄭曉鵬， 張 明， 尚 超， 王國(guó)棟

(中海油研究總院，北京 100028)

提出了一種新型的采用機(jī)械壓汽蒸餾(MVC)技術(shù)處理海上稠油熱采鍋爐給水的工藝系統(tǒng)。針對(duì)新型工藝的出水水質(zhì)、能耗、維護(hù)費(fèi)用、占地面積等因素進(jìn)行相應(yīng)的分析，并與反滲透工藝作對(duì)比。分析結(jié)果顯示，新型工藝對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求更寬松，出水總?cè)芙夤腆w(TDS)可達(dá)到5mg/L以下，相同條件下占地面積也較反滲透工藝降低20%以上，運(yùn)行費(fèi)用低，但MVC裝置本身投資及能耗較大，亟待進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究。經(jīng)分析，MVC技術(shù)可應(yīng)用于海上生產(chǎn)水回用熱采鍋爐工藝。綜合研究表明，MVC技術(shù)應(yīng)用于海上稠油熱采鍋爐給水處理系統(tǒng)具有其可行性，且在該領(lǐng)域前景廣闊。

海上稠油熱采；熱采鍋爐給水處理；機(jī)械壓汽蒸餾(MVC)；反滲透；生產(chǎn)水回用熱采鍋爐

0 引 言

我國(guó)海上稠油資源豐富，按照稠油熱采標(biāo)準(zhǔn)初步篩選，符合熱采條件的地質(zhì)儲(chǔ)量高達(dá)9.8×108m3，其中地層原油黏度大于450mPa·s，不得不進(jìn)行熱采開(kāi)發(fā)的地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)到6.9×108m3[1]。我國(guó)海上稠油熱采仍處于試驗(yàn)階段，世界范圍內(nèi)也無(wú)成熟的規(guī)模化稠油熱采經(jīng)驗(yàn)。海上稠油熱采技術(shù)的難點(diǎn)之一就是稠油熱采配套工程設(shè)備多、占地面積大[2—3]，海上無(wú)法借鑒陸上的成熟經(jīng)驗(yàn)，其中熱采鍋爐給水處理工藝是重要制約點(diǎn)之一。

熱采鍋爐對(duì)給水的水質(zhì)要求較高，要嚴(yán)格控制Ca2+和Mg2+等易結(jié)垢離子含量、油脂含量、二氧化硅含量及總礦化度等指標(biāo)。海水為海上最易獲取的水源，要達(dá)到熱采鍋爐進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)，需對(duì)海水進(jìn)行除鹽、軟化、除氧等處理工序。有的海上平臺(tái)有水源井，水源井水的水質(zhì)優(yōu)于海水，但一般也需要進(jìn)行除鹽和軟化處理。針對(duì)海水和水源井水，海上熱采試驗(yàn)?zāi)壳安捎昧朔礉B透(RO)技術(shù)進(jìn)行熱采鍋爐的給水處理。反滲透技術(shù)是通過(guò)反滲透膜和高壓泵使水從鹽水側(cè)向純水側(cè)流動(dòng)。反滲透膜容易被污染和發(fā)生污堵，因此對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求較高，不同類型的反滲透膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求不同，但污染指數(shù)(SDI)需至少小于5[4]，預(yù)處理流程較為復(fù)雜，由于反滲透膜的污堵問(wèn)題，在海上熱采試驗(yàn)中，其應(yīng)用效果并不理想。

反滲透膜對(duì)水中油脂含量要求高，因此，反滲透工藝難以應(yīng)用到生產(chǎn)水回用熱采鍋爐的工藝中，導(dǎo)致海上熱采平臺(tái)在環(huán)保和資源回收方面存在缺陷。本文提出的新型海上稠油熱采鍋爐給水處理工藝是采用機(jī)械壓汽蒸餾(MVC)技術(shù)對(duì)海上熱采鍋爐水源進(jìn)行處理。本文將其與反滲透工藝進(jìn)行對(duì)比，并評(píng)估其應(yīng)用在生產(chǎn)水回用熱采鍋爐方面的可行性。

1 MVC技術(shù)概述

MVC技術(shù)多用于海水淡化，屬熱法海水淡化工藝的一種，主要需要采用MVC蒸發(fā)器。MVC蒸發(fā)器包括臥式和立式兩種。立管式蒸發(fā)器中液膜多在蒸發(fā)器豎管內(nèi)流動(dòng)，蒸發(fā)器體積大，裝置處理能力大；臥管式蒸發(fā)器中液膜多位于管外，通過(guò)噴淋形成，蒸發(fā)器體積小，裝置處理能力小。立式MVC尺寸大無(wú)法應(yīng)用在海上，且目前海上稠油熱采注汽量分散，單個(gè)平臺(tái)需求量小，臥式MVC蒸發(fā)器明顯更適合在海上應(yīng)用。因此本文不做特殊說(shuō)明時(shí)提到的MVC技術(shù)均指臥式MVC蒸發(fā)器。

臥式MVC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流程如圖1所示，圖中的蒸發(fā)器分為兩效，右邊為第一效，左邊為第二效。海水經(jīng)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入不凝氣去除系統(tǒng)進(jìn)行脫氣，然后進(jìn)入蒸發(fā)器第一效頂部，并將海水噴散到蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱管束表面，由于傳熱管束內(nèi)為溫度較高的蒸汽，海水在傳熱管束外的液膜蒸發(fā)，變?yōu)檎羝M(jìn)入下一效的傳熱管束內(nèi)，在第一效中沒(méi)有蒸發(fā)的海水輸送到蒸發(fā)器第二效的頂部，噴散到蒸發(fā)器第二效的傳熱管束外，海水進(jìn)一步蒸發(fā)變?yōu)檎羝瑐鳠峁苁鴥?nèi)的蒸汽則凝結(jié)為淡水排出，仍未蒸發(fā)的海水即濃鹽水通過(guò)管道排出。蒸發(fā)器末端裝有壓縮機(jī)，未凝結(jié)的蒸汽通過(guò)壓縮機(jī)增壓后回到蒸發(fā)器第一效中，進(jìn)入傳熱管束內(nèi)，與第一效海水換熱，蒸汽凝結(jié)變?yōu)榈笈懦觯舭l(fā)器中的不凝氣通過(guò)不凝氣去除系統(tǒng)及真空泵排出。通過(guò)海水的蒸發(fā)和二次蒸汽的冷凝，熱量得以重復(fù)利用，機(jī)械壓汽蒸餾設(shè)備不斷地產(chǎn)生淡水。

圖1 機(jī)械壓汽蒸餾蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流程圖Fig.1 Structure and flow chart of MVC evaporator

MVC技術(shù)對(duì)進(jìn)口水質(zhì)要求寬松，出水水質(zhì)好，出水總?cè)芙夤腆w(TDS)可達(dá)到5mg/L以下，且結(jié)構(gòu)緊湊，除啟動(dòng)階段，正常運(yùn)行只需電能驅(qū)動(dòng)，非常適合應(yīng)用于海上平臺(tái)。

2 MVC技術(shù)與反滲透技術(shù)的對(duì)比分析

反滲透技術(shù)是目前海上稠油熱采鍋爐給水所用的水處理技術(shù)。針對(duì)MVC技術(shù)與反滲透技術(shù)在各方面的差別進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 MVC與反滲透技術(shù)對(duì)比分析表Table 1 Comparison between MVC and RO

注： 表中數(shù)據(jù)基于國(guó)際上一些權(quán)威公司的技術(shù)方案介紹及部分已建成投運(yùn)工程的運(yùn)行參數(shù)。

由表1可知，采用MVC技術(shù)對(duì)進(jìn)口水質(zhì)要求低，可靠性高，產(chǎn)水水質(zhì)高，占地面積小，適合海上應(yīng)用，但設(shè)備成本及能耗大；反滲透技術(shù)對(duì)進(jìn)口水質(zhì)要求高，難以適應(yīng)水質(zhì)變化，設(shè)備可靠性差，產(chǎn)水水質(zhì)差，占地面積相對(duì)大，但設(shè)備成本及能耗小。

旅大16-1油田為一海上稠油油田，需采用蒸汽吞吐熱采，無(wú)水源井，需采用海水作為熱采鍋爐給水水源，下面針對(duì)此油田對(duì)兩種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)石油天然氣行業(yè)規(guī)范《稠油集輸及注蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SY/T 0027—2007)，熱采鍋爐給水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，此標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)蒸汽壓力小于或等于21MPa的陸上稠油油田飽和蒸汽注汽系統(tǒng)，海上熱采目前無(wú)成形的規(guī)范，可參考陸上規(guī)范。旅大16-1油田周邊海域海水情況如表3所示，流程框圖如圖2所示。根據(jù)油藏注汽需要，所需淡水量為20t/h。針對(duì)反滲透技術(shù)與MVC技術(shù)在此油田應(yīng)用的方案進(jìn)行對(duì)比。具體對(duì)比如表4所示。

表2 熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標(biāo)(SY/T 0027—2007)Table 2 Feed water quality demand of boiler used in thermal recovery (SY/T 0027—2007)

*當(dāng)堿度大于3倍二氧化硅含量時(shí)，在不存在結(jié)垢離子的情況下，二氧化硅的含量為150mg/L。

表3 旅大16-1油田周邊海水水質(zhì)情況Table 3 Sea water quality of LD16-1 Oilfield

比較項(xiàng)反滲透技術(shù)MVC技術(shù)占地面積2個(gè)橇，每個(gè)9m×3m×25m，其中一個(gè)橇用于預(yù)處理設(shè)備1個(gè)橇，85m×5m×65m，包含輔助配套設(shè)備處理水質(zhì)采用一級(jí)反滲透系統(tǒng)，TDS可降至500mg/L以下，滿足熱采鍋爐進(jìn)水TDS要求TDS可降至5mg/L以下，滿足熱采鍋爐進(jìn)水TDS要求耗電量/kW80170設(shè)備投資300萬(wàn)人民幣左右，國(guó)產(chǎn)廠家可供貨465萬(wàn)元人民幣，需進(jìn)口維護(hù)費(fèi)用7萬(wàn)人民幣/年?4萬(wàn)人民幣/年?

注： 表中數(shù)據(jù)基于國(guó)內(nèi)外淡化技術(shù)權(quán)威設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)。

*根據(jù)設(shè)備配件年更換率估算費(fèi)用。

由表4可知，相對(duì)反滲透技術(shù)，MVC技術(shù)可減少占地面積20%以上，其出水水質(zhì)更好，TDS可降到5mg/L以下，有利于進(jìn)一步進(jìn)行除硬以及熱采鍋爐的運(yùn)行維護(hù)。如采用反滲透技術(shù)，二級(jí)反滲透系統(tǒng)也只能將TDS降到40mg/L以下，進(jìn)一步除鹽在工業(yè)上還需采用電脫鹽及離子交換技術(shù)。另外，不像反滲透技術(shù)需要換膜，MVC技術(shù)的維護(hù)費(fèi)用也較低。但其缺點(diǎn)在于，設(shè)備耗電量大，并且需要進(jìn)口，初始投資較高。可見(jiàn)，MVC技術(shù)在應(yīng)用效果、日常維護(hù)、占地面積方面均有優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備本身依賴進(jìn)口，如能實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，降低設(shè)備投資將極大地有利于該技術(shù)的應(yīng)用。

3 MVC技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)水回用海上熱采鍋爐的技術(shù)分析

基于環(huán)保和水資源再利用的考慮，我國(guó)陸上稠油油田熱采鍋爐給水一般采用處理后的生產(chǎn)水，采用“常規(guī)物化處理+深度處理”的流程對(duì)其廢水處理后用于熱采鍋爐[5]。常規(guī)的油田廢水物化處理主要去除廢水中絕大部分的油類和懸浮物，而深度處理往往著眼于除硅、除硬度、除氧，同時(shí)進(jìn)一步去除水中的油類和懸浮物。總的生產(chǎn)水處理流程非常復(fù)雜，例如，遼河油田的生產(chǎn)水回用鍋爐的工藝流程為： 稠油廢水→隔油和調(diào)節(jié)池→儲(chǔ)油罐→氣浮池→除硅→粗濾→動(dòng)態(tài)膜超濾→軟化→除氧→熱采鍋爐[6]。勝利油田稠油廢水處理后回用注汽鍋爐在工藝上分為兩段，其中預(yù)處理站的工藝流程為： 原水→一段沉降罐→粗粒化斜板沉降罐→廢水緩沖罐→斜板除油器→核桃殼過(guò)濾器→清水罐→深度處理站；深度處理站的工藝流程為： 來(lái)水→氣浮除油機(jī)→廢水澄清池→廢水緩沖罐→壓力過(guò)濾機(jī)→一級(jí)弱酸離子交換機(jī)→二級(jí)弱酸離子交換機(jī)→緩沖罐→注汽站[7]。

陸上生產(chǎn)水回用鍋爐工藝流程多采用大罐和水池，在海上實(shí)現(xiàn)成本高。海上平臺(tái)目前的生產(chǎn)水處理流程多采用三段式，即斜板除油器→氣浮選器→過(guò)濾器，達(dá)到除油和除懸浮物的作用，將生產(chǎn)水回用熱采鍋爐還需進(jìn)行類似陸上油田應(yīng)用的深度處理流程。由于海上油田生產(chǎn)水中TDS一般較高，需要進(jìn)行必要的除鹽處理，反滲透膜嚴(yán)格限制進(jìn)水水中含油量，一般要求不含油，這是海上生產(chǎn)水處理工藝難以達(dá)到的指標(biāo)，因此反滲透技術(shù)應(yīng)用到海上生產(chǎn)水回用鍋爐工藝上是難以實(shí)現(xiàn)的。

如前所述，MVC技術(shù)對(duì)于進(jìn)口水質(zhì)要求較低，即使是有高含油和高含懸浮物的污水進(jìn)入，也只會(huì)在短期內(nèi)影響系統(tǒng)效率，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，這是反滲透技術(shù)無(wú)法比擬的[8]。MVC技術(shù)在國(guó)外生產(chǎn)水回用熱采鍋爐方面早有應(yīng)用，例如，從1998年到2013年，GE公司已為14個(gè)SAGD油砂項(xiàng)目提供MVC蒸發(fā)器，其中，為加拿大Alberta油田提供了1080m3/h的MVC蒸發(fā)器處理SAGD產(chǎn)生的廢水，使其回用到直流鍋爐。近年來(lái)，勝利油田、遼河油田、新疆油田均針對(duì)MVC技術(shù)應(yīng)用到稠油熱采進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[9]，試驗(yàn)結(jié)果顯示，MVC技術(shù)除鹽、除硬效果好，缺點(diǎn)是投資成本高[2]。由于陸上油田對(duì)設(shè)備占地限制大，且往往需集中供蒸汽，對(duì)設(shè)備的處理能力要求大，因此，各陸上油田研究的均為立式MVC裝置，并不適合海上應(yīng)用。臥式MVC裝置占地面積小，設(shè)備處理能力可以滿足單個(gè)平臺(tái)的注汽需求，且MVC裝置具有可靠性高、人員維護(hù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，在海上平臺(tái)有作為飲用淡水制備裝置的案例，適合海上平臺(tái)應(yīng)用。針對(duì)海上熱采平臺(tái)的生產(chǎn)水回用鍋爐工藝進(jìn)行流程設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)，其中除硬設(shè)備在水質(zhì)好的情況下可取消。

圖3 MVC裝置處理生產(chǎn)水作為海上熱采鍋爐給水流程Fig.3 Flow chart of produced water recycling process for boiler used in offshore thermal recovery

通過(guò)MVC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)海上生產(chǎn)水回用熱采鍋爐，實(shí)現(xiàn)了水資源的再利用、保護(hù)海洋環(huán)境。經(jīng)過(guò)分析，其他水處理技術(shù)或是在占地面積上有缺陷，或是對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高，MVC技術(shù)是目前最為可行的海上生產(chǎn)水回用熱采鍋爐技術(shù)，應(yīng)用前景大。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)MVC技術(shù)在海上熱采鍋爐給水方面的應(yīng)用進(jìn)行分析和研究，得到以下結(jié)論：

(1) 臥式MVC裝置占地面積小，只需要電能，可實(shí)現(xiàn)除鹽功能，可以應(yīng)用在海上熱采平臺(tái)用于鍋爐給水處理。

(2) 與反滲透技術(shù)相比，MVC技術(shù)同樣條件下可節(jié)省占地面積20%以上，出口TDS含量可降到5mg/L以下，對(duì)進(jìn)口水質(zhì)要求低，日常維護(hù)費(fèi)用低，設(shè)備效果優(yōu)勢(shì)明顯，但其設(shè)備需要進(jìn)口，初始投資高，耗電量大，有必要開(kāi)展設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研究。

(3) 經(jīng)過(guò)分析，MVC技術(shù)對(duì)進(jìn)口水質(zhì)要求低，可應(yīng)用于海上生產(chǎn)水回用熱采鍋爐工藝，是實(shí)現(xiàn)此工藝最可行的技術(shù)方案，使得水資源得以再利用，有利于環(huán)境保護(hù)。

綜上，MVC技術(shù)應(yīng)用于海上稠油熱采鍋爐給水處理有其優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

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AnalysisandResearchofNewTechnologyonFeedWaterTreatmentProcessforBoilerUsedinOffshoreHeavyOilThermalRecovery

WANG Hai-yan, WANG Chun-sheng, ZHENG Xiao-peng,ZHANG Ming, SHANG Chao, WANG Guo-dong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

A new kind of technology called mechanical vapour compression (MVC) is proposed for the feed water treatment process for boiler used in offshore heavy oil thermal recovery. The characteristics of this new technology are analyzed, such as treated water quality, energy consumption, maintenance cost and area covered, also, the new technology is compared with reverse osmosis (RO) technology. From the analysis results, compared with RO technology, the new technology can tolerate feed water of worse quality, total dissolved solid (TDS) of its treated water is less than 5mg/L, and the area covered of new technology can reduce by more than 20% with less maintenance cost. However, the cost of MVC itself and energy consumption of this technology are high, and need to be localized. Through analysis, it is proved that MVC technology can be used in oilfield produced water recycling process for boiler used in offshore heavy oil thermal recovery. In conclusion, in the situation of offshore heavy oil thermal recovery， MVC can be used in feed water treatment process for boiler, and its application prospect is very broad.

offshore heavy oil thermal recovery; feed water for boiler used in thermal recovery; mechanical vapour compression (MVC); reverse osmosis； produced water recycling process for boiler used in thermal recovery

2017-03-21

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05025-004)

王海燕(1990—)，女，碩士，工程師，主要從事海上平臺(tái)水處理方面的研究。

TE54；TK223.5+1

A

2095-7297(2017)05-0255-05