稠油熱采井產(chǎn)出水注汽鍋爐資源化利用試驗＊

王學(xué)忠

中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司

石油是我國重要的能源資源之一，在石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，面臨著油田采出水處理問題。隨著主力油田進(jìn)入中后期開發(fā)，采出水處理量逐年增加，富余采出水的出路已成為制約油田發(fā)展的難題。準(zhǔn)噶爾盆地西緣春風(fēng)油田已探明儲量以低品位的薄淺層超稠油為主，采取水平井、降黏劑、氮氣輔助蒸汽吞吐實現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)[1-2]。開發(fā)過程中一方面需要大量清水[3]，經(jīng)過加熱變成蒸汽后注入到地層，為稠油開采提供能量；另一方面，隨著生產(chǎn)井井?dāng)?shù)不斷增加，每天產(chǎn)水量也不斷增加，如何處理大量產(chǎn)出水也成為生產(chǎn)一大難題[4-5]，有必要開展油田采出水注汽鍋爐資源化利用技術(shù)研究。基于綠色發(fā)展、效益開發(fā)、熱采鍋爐清水需求量大、聯(lián)合站采出水負(fù)荷高、節(jié)約地下水資源等方面的考慮，建立了機(jī)械壓縮蒸發(fā)處理站，采用“預(yù)處理+機(jī)械壓縮蒸發(fā)器（MVC）多效蒸發(fā)+深度處理”[6-7]的工藝，很好地解決了這一技術(shù)難題。

1 需求分析

中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司立足于春風(fēng)油田超稠油水平井、氮氣及降黏劑輔助蒸汽吞吐技術(shù)[8]，建成稠油生產(chǎn)基地。

春風(fēng)油田主要含油層系為新近系沙灣組，構(gòu)造平緩，地層傾角1°～2°。油層埋藏470～700 m，巖性為棕褐色富含油細(xì)砂巖，孔隙度大于33%，滲透率大于1 000 mD，含油飽和度大于65%；油層溫度25～35 ℃，儲集層有效厚度為2～5 m，地下原油黏度為20 000～90 000 mPa·s，油層壓力為2～6 MPa。春風(fēng)稠油成因在于春風(fēng)油田沙灣組原油經(jīng)受過強(qiáng)烈的生物降解作用，加之埋藏淺、油藏溫度低，油層原油黏度很高，原始油藏條件下呈不能流動的天然瀝青狀，60 ℃條件下稠油轉(zhuǎn)變成可流動的牛頓流體。另外，春風(fēng)稠油中瀝青質(zhì)相對分子質(zhì)量大、極性強(qiáng)，原油中碳元素和氫元素含量之和超過95%，雜原子含量較低，加熱時烴類裂解需要的能量較低，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)之和低于20%，較容易降黏，適合熱采。

2010年以來，春風(fēng)油田已開發(fā)動用7個稠油區(qū)塊，動用石油地質(zhì)儲量4 600×104t，有稠油熱采井800 口，每天注汽7 500 t，日產(chǎn)油3 100 t，日產(chǎn)水9 000 m3左右。地質(zhì)儲量采出程度15%，無論繼續(xù)開展蒸汽吞吐，還是采取蒸汽驅(qū)提高采收率，潛力都很大[9]，具備高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的資源基礎(chǔ)。春風(fēng)油田地處準(zhǔn)噶爾盆地西緣干旱少水的戈壁荒漠，面臨注汽清水短缺、油田產(chǎn)出水無出路的雙重壓力，油田產(chǎn)出水資源化利用刻不容緩。春風(fēng)油田建有聯(lián)合站2 座，燃煤注汽站6 座（其中2 座130 t流化床燃煤注汽站），地面注汽、輸油管網(wǎng)齊全。主要采用固定鍋爐、固定管網(wǎng)注汽輸油，建成注汽及水源井管網(wǎng)、集輸管網(wǎng)共計700 km。1座流化床注汽鍋爐每小時生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蒸汽130 t，注汽干度99%。與傳統(tǒng)注汽鍋爐相比，注汽能力明顯提高，而且更加環(huán)保，注汽干度提高30 個百分點，噸汽成本下降50個百分點。

2 核心技術(shù)原理

2.1 技術(shù)路線

近年來，含油水量隨著油田持續(xù)開發(fā)逐年遞增，普通水驅(qū)油藏產(chǎn)出水重復(fù)利用難題基本解決[10]。春風(fēng)油田既是耗水大戶又是產(chǎn)水大戶，由于蒸汽鍋爐對處理后的水質(zhì)要求非常高，稠油熱采井產(chǎn)出水重復(fù)利用難關(guān)始終難以攻克，主要是熱采井產(chǎn)出水高溫、高礦化度、高硬度，資源化利用難度很大。常用脫鹽除硬工藝包括：離子交換法、雙膜法以及蒸餾法。離子交換法僅適用于礦化度低于4 000 mg/L，總硬度低于300 mg/L 的水處理，可用于終端除硬。對于高鹽、高硬水，雙膜法產(chǎn)水率低，需深度預(yù)處理，高溫污水需要預(yù)先降溫處理。蒸發(fā)技術(shù)是通過加熱的原理來減少水分，改變?nèi)芤褐宣}濃度，從而使油田采出水處理的體積減小。經(jīng)過充分調(diào)研，考慮到生產(chǎn)實際，引進(jìn)以色列凈化海水的先進(jìn)技術(shù)[11]，在春風(fēng)油田建設(shè)熱采井產(chǎn)出水機(jī)械壓縮蒸發(fā)處理站，采用“預(yù)處理+MVC 多效蒸發(fā)+深度處理”工藝。

2.2 預(yù)處理工藝

春風(fēng)油田熱采產(chǎn)出水含油、懸浮物、總硬度、礦化度等指標(biāo)均高于注汽鍋爐回用水質(zhì)要求。為此，預(yù)處理階段應(yīng)用了集藥劑混合、化學(xué)反應(yīng)、絮凝沉淀和過濾澄清功能于一體的高密度懸浮澄清器（除鹽工藝）（圖1）[12-15]。以春風(fēng)油田采出含油水作為原水，通過機(jī)械攪拌將混凝、反應(yīng)和沉淀置于一個罐中進(jìn)行綜合處理，懸浮狀態(tài)的活性污泥床層與加藥的原水在機(jī)械攪拌作用下增加了顆粒碰撞機(jī)會，提高了混凝效果。經(jīng)過分離的清水上升溢流出水，沉下的污泥部分沿回流縫再進(jìn)入第一反應(yīng)室進(jìn)行絮凝，部分則經(jīng)濃縮后定期排放。除硬率、除氟率超過97%，出水二氧化硅質(zhì)量濃度小于5 mg/L。

2.3 MVC多效蒸發(fā)和深度處理工藝

MVC（圖2）采用低溫多效水平管降膜蒸發(fā)。壓縮蒸餾利用壓縮機(jī)把蒸發(fā)過程所產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮，使之增壓和升溫，再作為加熱蒸汽使用，使自身冷凝為淡水，如此循環(huán)使得蒸汽潛熱被反復(fù)利用。根據(jù)壓縮能量來源不同將壓縮蒸餾分為機(jī)械壓縮[16]和熱力壓縮。其中機(jī)械壓縮不需要外部蒸汽補(bǔ)汽，僅靠機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。多效蒸發(fā)裝置將多個蒸發(fā)器單元串聯(lián)運行。第一效將蒸發(fā)過程產(chǎn)生的蒸汽由壓縮機(jī)壓縮增壓升溫形成過熱蒸汽，作為水蒸發(fā)的熱源，之后的每一效利用前一級產(chǎn)生的二次蒸汽為熱源進(jìn)行加熱[17]。

圖1 春風(fēng)油田產(chǎn)出水資源化利用礦場試驗流程Fig.1 Resource utilization pilot test of produced water in Chunfeng Oilfield

進(jìn)入MVC 之前入料水需經(jīng)脫氣后與裝置第一效的未蒸發(fā)的濃水混合后通過入料水噴淋系統(tǒng)將其均勻地噴灑在水平布置的換熱管束外表面，形成連續(xù)的薄膜狀水流。一部分水流在吸收了熱交換管內(nèi)蒸汽冷凝后釋放出來的潛熱后蒸發(fā)；另一部分未蒸發(fā)的水流，這時其濃度略有提高后又分成兩股水流，一股水流在本效體內(nèi)循環(huán)，另一股水流則用作下一效的入料工藝水。每一效汽化出來的蒸汽都要流過裝置內(nèi)的鹽霧分離器以防止水滴夾帶，通過最后一效汽化出來的蒸汽進(jìn)入裝置的機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)內(nèi)，經(jīng)壓縮升壓升溫后蒸汽被送入裝置第一效的熱交換管內(nèi)側(cè)。春風(fēng)油田熱采井產(chǎn)出水資源化利用的蒸發(fā)和深度處理階段，產(chǎn)出水經(jīng)MVC 多級循環(huán)蒸發(fā)、深度處理達(dá)到注汽鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品水全部回用于油田注汽開發(fā)。MVC 技術(shù)用低溫多效水平管降膜蒸發(fā)脫鹽，蒸發(fā)溫度為70 ℃，蒸發(fā)壓力為0.03 MPa，具有產(chǎn)水量大、脫鹽、除硬徹底的特點。

2.4 節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)

MVC 技術(shù)利用機(jī)械壓縮機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為熱能，具有運行穩(wěn)定、蒸發(fā)能耗低、運行成本低等特點。用于熱采井產(chǎn)出水處理時，利用熱采產(chǎn)出水本身熱量，節(jié)能高效。除了壓縮機(jī)之外，MVC 裝置的運轉(zhuǎn)部件很少，可有效地將設(shè)備的運行和維護(hù)費用降至最低。MVC 工藝主要消耗電能，新疆地區(qū)煤炭資源豐富，低廉的電價使得春風(fēng)油田采用MVC工藝更經(jīng)濟(jì)。

圖2 機(jī)械壓縮蒸發(fā)器(MVC)Fig.2 Mechanical vapor compression（MVC）

3 應(yīng)用

春風(fēng)油田產(chǎn)出水處理站已投產(chǎn)運行2年，日產(chǎn)清水5 000 m3，不僅解決了產(chǎn)出水處理難題，還實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用，能夠滿足注汽鍋爐用水的質(zhì)量要求（表1）。同時熱采井產(chǎn)出水余熱得到綜合利用，產(chǎn)品水溫度大于60 ℃，降低了后續(xù)注汽鍋爐的能耗。據(jù)了解，中國現(xiàn)有薄層低品位稠油資源7×108t，稠油熱采井產(chǎn)出水資源化利用技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。

表1 熱采井產(chǎn)出水資源化利用后產(chǎn)品水的水質(zhì)指標(biāo)

4 結(jié)束語

將低溫多效水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用到我國油田水處理工程領(lǐng)域，實現(xiàn)物理法深度脫鹽，達(dá)到了注汽鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)，解決了高礦化度高硬油田采出水難以回用的難題。

春風(fēng)油田稠油熱采井產(chǎn)出水處理站已投產(chǎn)運行2 年，降低了稠油開采的水資源消耗和回注水量，實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用，打破了稠油開發(fā)規(guī)模擴(kuò)大的瓶頸限制，推動了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。