蒸发法处理SAGD采出废水工艺及设备研究进展*

2014-05-29李玉国张彦博金萍萍左海强刘国荣

化工机械 2014年1期

李玉国陈超苏艳张彦博金萍萍左海强刘国荣

(1.东营市环境监测站；2.中国石油大学(华东)化学工程学院；3.中国石油工程建设公司；4.中国石油天然气集团公司锦西石化分公司维修车间)

蒸汽辅助重力泄油(Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)采出水具有出水量大、盐含量高、硬度大和余热能丰富的特点。传统的化学软化+离子交换资源化工艺以及膜分离资源化技术无法充分利用其余热，并且不适用于含盐较高的SAGD采出废水。蒸发法处理稠油污水技术源于海水淡化工艺，是稠油污水资源化的有效途径，包括多效蒸发法(MEE)、机械蒸汽压缩法(MVC)和热力蒸汽压缩法(TVC)。其中MEE和TVC技术均需要特定蒸汽作为热源或压源。

1 SAGD工艺简介

SAGD是国际开发超稠油的一项前沿技术，其原理是向注汽井中注入高干度蒸汽，蒸汽向上超覆在地层中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及侧面扩展，与油层中的原油发生热交换。被加热的原油降低粘度和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流动，从水平生产井中采出。目前，利用SAGD技术开发超稠油的方式，已成为国际上超稠油开发的一项成熟技术，是一种提高稠油采收率的有效方法。自在我国辽河油田开展先导试验以来，对该技术的研究和应用已经取得了很大进步[1]。

2 SAGD采出废水特点

SAGD与蒸汽吞吐、蒸汽驱相比，其必须向井底连续不断地注入蒸汽，也就造成了污水量较多的现象。SAGD采出液温度一般为140～180℃，通过与锅炉给水进行换热再脱水后，其温度仍然在90℃左右，其中蕴含着巨大可利用的低品位热能。不但如此，采出水还有硬度大、含盐量高的特点[2]。如何根据采出水水质、水量，充分利用其余热能量是实现SAGD工艺高效开发、节能降耗的关键，也是油田可持续开发的关键。

3 SAGD采出废水资源化处理工艺

经调研，国内部分油田现有的稠油污水处理工艺列于表1，可以看出，主要还是以处理后外排或回注为主。虽然外排和回注的处理工艺简单、成本比较低，但是与污水资源化相比，还是存在如下不足：未能充分利用采出水含有的热能；未能降低锅炉给水成本；回灌水可能造成地层压力上升及水层污染等问题。

表1 国内部分油田稠油污水处理现状

稠油污水资源化的研究很多，以膜法为主。周京都等通过两级精细过滤工艺，出水水质已经达到《稠油油田采出水用于蒸汽发生器给水处理设计指标》(SY/T 0097-2000)的要求，可以用作注汽锅炉给水[3]。潘振江等通过微滤+超滤的双膜法处理污水，水质指标达到了注汽锅炉进水水质标准[4]。Marcel M等开展了巴西Petrobars油田采出水的反渗透试验，试验表明水质完全满足灌溉、锅炉补给水等水质要求[5]。郭省学进行了超滤-反渗透处理稠油废水用于热采锅炉给水的研究，试验结果表明反渗透产水各项指标均优于高压注汽锅炉进水指标[6]。

尽管膜法有成本低、系统相对灵活和能耗小的优点，但是膜污染和膜清洗制约了膜法的推广发展[7,8]，并且有研究表明膜法脱盐更适用于处理矿化物较低的稠油污水[9]。针对含盐量不高、总硬度较高的稠油污水，一般仍旧采用工业常用的化学软化+离子交换等工艺除硬后回用注汽锅炉[10]。

表2列出了国内外部分油田污水资源化处理方法的情况(污水资源化用途均为作为注汽锅炉补给水)。

表2 国内外部分稠油油田污水资源化工艺分布

由表2可以看出，国内油田的污水处理工艺依旧以化学软化+离子交换为主，国外油田以机械压缩蒸发脱盐工艺处理油田污水为主。

针对含盐量较高的污水，化学软化+离子交换工艺已经不太适用，蒸发脱盐技术就成了其代替工艺。污水蒸发脱盐工艺借鉴于海水淡化工艺。海水淡化工艺有膜法和热法。其中热法是利用热能使海水蒸发，再通过水蒸汽的冷凝得到淡水。热法主要包括多效蒸发(Multiple Effect Evaporation，MEE)及蒸汽压缩(Vapor Compression，VC)等。该类脱盐工艺的特点是对污水水质预处理要求宽松，产水率稳定，不受含盐量影响[11]。其中的MEE和VC技术已经成功应用到污水处理的工业中。

3.1多效蒸发脱盐技术(MEE)

1999年，蒸发法开始应用于油田污水深度处理。最开始将蒸发法引入SAGD工艺时，主要与离子交换系统相结合来处理油田污水。此装置的成功运行，证明了利用蒸发法深度处理油田污水是可行的，并且具有较高的可靠性[12]。加拿大是率先应用蒸发工艺处理稠油采出水的。

2002年，加拿大阿尔伯达油田用蒸发法作为传统离子交换工艺的替代，深度处理SAGD污水。并将得到的污水用于直流蒸汽锅炉上，可以极大地改善系统运行的稳定性。

2004年，在Joslyn油砂层的第二期项目中，Deer Creek能源公司进一步发展了油田污水蒸发处理工艺，该装置采用油田污水蒸发系统接常规汽包锅炉的工艺流程，如图1所示[13]。装置运行一段时间以后，生产结果表明，蒸发法得到的产品水完全满足汽包锅炉对给水水质的更高要求，同时锅炉排污量少(1%～3% )，能量利用率高。因此应用该工艺流程处理油田污水，其设备造价更经济，生产效率更高，能耗更低[14]。

图1 油田污水蒸发系统接常规汽包锅炉的工艺流程

2006年，蔡钊荣采用低温多效蒸发技术，设计了胜利油田超稠油污水深度处理先到试验。试验工艺流程分两部分：净化部分和淡化部分，净化部分费用气浮-过滤工艺，主要用于去除超稠油中的油分和悬浮物，这与传统工艺相同，并且已经相当成熟。淡化部分采用多效蒸发工艺，只要用于降低污水硬度。经调研得知，试验装置处理能力3～5m3/h，造水比3.5，成水率60%～80%。处理后水的矿化度、总硬度以及油含量等指标完全能够满足注汽锅炉用水要求。由于周围没有可利用的废热蒸汽，试验采用自制蒸汽的方式，制水成本昂贵。其流程如图2所示。

图2 胜利油田低温多效蒸发流程

2009年，郑贤助等对双效蒸发器处理过的高浓度含盐化工废水进行了小规模的实验，结果表明，采用双效蒸发器处理该废水效果明显，二次蒸汽重复利用，降低处理成本，平均蒸发吨水的蒸汽耗量约0.75t。废水中COD的去除率可以达到95%以上，采用两次蒸发分步结晶工艺，可以实现废水中不同盐类的全部回收[15]。

虽然多效蒸发工艺在工业中得到了一些应用，但是因为其需要温度较高的蒸汽作为热源来加热污水，这就限制了多效蒸发工艺在蒸汽资源缺乏地区的应用和推广。

3.2机械压缩蒸发工艺(MVC)

调研得知国外油田稠油污水资源化处理工程以采用MVC工艺为主(图3)，该工艺利用涡轮发动机增压原理，将蒸发过程产生的(二次)蒸汽由压缩机压缩增压升温，形成过热蒸汽，再作为热源供污水蒸发使用。系统启动后仅需要消耗电能。其主要工艺特点是全部利用机械压缩机将电能转化为热能；系统启动后，基本不需要外部蒸汽的补给，系统独立性强。

图3 MVC工艺示意图

MVC工艺完成除油后(油含量小于20mg/L)除悬浮物的采出水进入一个给水罐，在罐中调节pH值(如果需要零排放的话，需提高pH值，以保证二氧化硅不析出)。给水通过换热器将温度升高到接近沸点，通过除氧器去掉水中非溶解的气体，进入蒸发器的集水池，与浓缩液混合，通过泵升压，进入蒸发器顶部的换热管束，每根管束都有一个单独的布流器，以确保含盐水(污水)能平稳均匀地沿内壁往下流，小部分的污水蒸发，其余的流进蒸发器底部的集水池，再通过泵升压再循环。蒸汽与含盐水(污水)沿内壁往下流，进入蒸发器下部腔室后，蒸汽向上通过一个雾滴分隔器后，进入蒸汽压缩机。蒸汽压缩后升温，提高潜热。压缩后的蒸汽进入蒸发器顶端的换热管束的外壁端，将热量传给内壁端的往下流的含盐水(污水)，保持小部分的污水不断蒸发。蒸汽放热后凝结成蒸馏水，通过泵后，进入换热器，将其热量传给来水。将小部分一定比例的浓缩盐水(污水)连续排出蒸发器，以控制浓缩盐水的密度。直流锅炉的排污水可以直接引到蒸发器的进水，而不会影响到出水水质。蒸发器的排污水可以排到废弃的深井，或通过结晶器将其变成固体物质，实现污水零排放。

与常规采出水处理系统比，蒸发系统需要的部件更少，操作更简单。因此国内外油田也加强了该工艺的研究。MVC法较早的应用于阿尔伯特油田。其发展流程如下： 1999～2002年期间，阿尔伯特的JACOS(Japan Canada Oil Sands)油田率先应用压缩蒸发工艺处理了SAGD直流锅炉从汽水分离器分离出来的浓缩盐水，实现了零排污。其扩大后处理量为849m3/d，与结晶器配套，一直运行到现在，验证了压缩蒸发工艺的可靠性和可行性。2003～2005年期间，Kuwait Oil工程与Tengizchevroil工程以及2005年投产的Suncor Firebag二期工程同时运用压缩蒸发工艺处理了SAGD采出废水，直接回用作直流锅炉给水，最大处理量达到了15 000m3/d 。2006年至今已经有14个在建和投产的加拿大阿尔伯特SAGD商业工程采用压缩蒸发工艺处理和回用SAGD采出废水，更多的新开发工程也在设计上选用了压缩蒸发工艺。表3给出了机械压缩蒸发处理的水质与ASME汽包锅炉给水水质指标[16]。

表3 MVC法处理水质与ASME汽包炉给水水质指标 mg·L-1

辽河油田是国内开展降膜蒸发法处理超稠油SAGD采出废水的先驱。2010年，谢加才等与辽河油田合作，进行了SAGD稠油开采余热回收系统的优化构建[17]，充分利用了注汽锅炉汽水分离器高温分离水、烟道气以及油井高温产出水的余热资源。在分析这些余热的质和量的基础上，建立了3个系统，均用到了MVC技术。

2010年孙绳昆借鉴加拿大机械压缩蒸发处理稠油采出水工艺，针对辽河油田超稠油SAGD工程蒸汽和采出水处理技术存在的问题及技术需求，首先进行了降膜蒸发处理超稠油SAGD采出废水的室内先导试验，阐述了主体工艺、主要涉及参数、出水水质以及结构情况等试验中存在的问题及改进措施[18]，流程如图4所示。

图4 降膜蒸发处理辽河油田超稠油污水流程

处理后水质部分指标还不能达到GB12145-1999的标准要求。同时，由于未采用蒸汽压缩技术，而是利用外部蒸汽开展的试验，因此无法进行经济、技术评价。另外，该油田设计了产水规模1 500m3/d机械压缩蒸发脱盐工程方案，通过国外引进蒸汽压缩工艺，国内配套方式运作，未实现该工艺的国产化。

2008年胜利油田委托美国RCC实验室进行MVC脱盐工艺处理胜利油田含聚稠油污水室内模拟试验。实验结果认为该工艺处理含聚稠油油田污水水质可达到资源化要求。2010年，胜利油田的李清方等建立了基于MVC的油田污水脱盐系统地工艺流程设计计算模型，系统地分析了降膜蒸发器传热温差、油田污水温度和蒸发温度的影响。结果表明：传热温差是影响系统装置规模和运行电耗的控制因素，减小传热温差可以明显降低压缩机电耗[19]。

2011年胜利油田引进了法国MVC成套脱盐试验设备，在春风油田排601开展了处理规模5m3/d高盐高硬污水MVC现场小试研究，通过试验，对进口先进设备关键工艺参数进行跟踪、分析，确定该工艺处理胜利油田高盐污水的最优能耗利用率、产水率及浓水循环比等，将对MVC技术国产化具有重要的参考价值。

3.3热力压缩蒸发工艺(TVC)

热力压缩蒸发主要运用在海水淡化系统和部分污水处理中，表4列出了国内外部分使用TVC工艺处理污水的企业。但是TVC工艺尚无在稠油采出水处理方面中的应用记录。由于TVC工艺运行简单可靠，维护成本低，无运动部件，而受到人们的广泛关注。TVC工艺与MVC工艺相比，由于它用热力学完善度相对较低的热力压缩机(蒸汽引射器)代替了热力学完善度较高的机械压缩机，因此，除水泵外它不需要消耗电能，仅用蒸汽的热能驱动，可以直接利用生产中的富余余热，节省了电能，得到了人们的广泛关注[20～22]。

表4 国内外部分使用TVC工艺处理污水的企业

国内也有部分学者对海水淡化的TVC工艺进行了研究。张爽报道了多效蒸发(TVC-MED)系统的实际运行情况，并且指出了运行中系统存在的问题[23]。沈胜强等给出了多效蒸发(TVC-MEE)海水淡化装置热力过程数学模型，分析了TVC对MED海水淡化装置性能的影响[24]。李清方等针对油田污水污染物成分复杂、污染性强不适合膜法脱盐的特点和淡水消耗与余热资源共存的实际，提出用热力蒸汽压缩(TVC)蒸发技术对油田污水进行集中脱盐处理的技术方案[25，26]。建立了基于TVC的油田污水脱盐系统的工艺流程设计计算模型，系统分析了蒸发温度等主要运行参数的影响。这是唯一一篇使用TVC工艺处理稠油采出水的文章。其结果表明：系统造水比随蒸发温度的降低而增大，降低蒸发温度有助于减少主蒸汽消耗，但所付出的代价是总传热面积和污水泵流量的增大；TVC系统的热力学完善度相对较低，与多效蒸发系统联合使用是改善系统性能的基本途径之一。尽管如此，对于油田生产来说，当存在合适的余热资源时，简单的单效TVC系统仍不失为合理的技术方案。

4 结论

4.1随着稠油开采深度和广度的增加，SAGD作为先进的开采工艺，必将得到广泛应用，采出污水的资源化利用是降低污染、节约能耗的有效途径。

4.2SAGD采出废水成分比较复杂、含盐量高、硬度大、余热能丰富。传统的化学软化+离子交换工艺与膜分离法都有各自的局限性。蒸发法处理稠油污水借鉴于海水淡化工艺，不受含盐量的影响，并且其结构紧凑，操作简单，自动化程度高。

4.3多效蒸发脱盐法(MEE)已经成功运用到了处理SAGD采出废水中，出水水质可以用作锅炉给水，但是因为其需要额外的高温蒸汽来作为热源，这就限制了其在缺乏热源地区的应用推广。汽水分离器的分离水的压力大，温度高，如果利用闪蒸高温高压分离水的工艺得到合适的热源，MEE法必将成为SAGD工艺中的一个亮点。

4.4机械蒸发压缩工艺(MVC)是国外最常用的SAGD采出废水工艺，尤其在加拿大应用最为广泛，其优点明显，运行可靠，出水水质有保障。但是关键技术还未实现国产化。辽河油田和胜利油田正在进行试验，为MVC国产化提供了数据和技术支持，这也将成为SAGD采出废水的一个发展方向。

4.5热力蒸发压缩工艺(TVC)已在其他工业污水处理中得到了应用，其使用高压蒸汽引射器代替了MVC工艺中的蒸汽压缩机，节省了电能。但是由于其热力完善度较低，缺乏应用实例，在稠油污水处理方面还鲜有应用。随着各种工艺的适用，对TVC工艺的分析将进入技术人员的视线。如果有合适余热能(如注汽锅炉高温分离水闪蒸得到的蒸汽等)TVC工艺联合MEE或者MVC工艺，将不失为优秀的SAGD采出废水处理工艺。

4.6热法脱盐是能源密集型的技术,研究的方向将是其性能改进和设计方法的简化。需要考虑的方面主要有:开发应用替代能源、缓解和控制蒸发器结垢与环境污染、研发建造装置的替代材料、装置组件设计的改进、优化消耗品的使用。

4.7能源成本是脱盐装置运行成本的主要组成部分,这方面的研究的方向是降低能耗和使用廉价的可替代能源。

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