稠油热采井产出水注汽锅炉资源化利用试验＊

2020-06-12王学忠

油气田地面工程 2020年6期

王学忠

中石化新疆新春石油开发有限责任公司

石油是我国重要的能源资源之一，在石油产业发展过程中，面临着油田采出水处理问题。随着主力油田进入中后期开发，采出水处理量逐年增加，富余采出水的出路已成为制约油田发展的难题。准噶尔盆地西缘春风油田已探明储量以低品位的薄浅层超稠油为主，采取水平井、降黏剂、氮气辅助蒸汽吞吐实现了规模开发[1-2]。开发过程中一方面需要大量清水[3]，经过加热变成蒸汽后注入到地层，为稠油开采提供能量；另一方面，随着生产井井数不断增加，每天产水量也不断增加，如何处理大量产出水也成为生产一大难题[4-5]，有必要开展油田采出水注汽锅炉资源化利用技术研究。基于绿色发展、效益开发、热采锅炉清水需求量大、联合站采出水负荷高、节约地下水资源等方面的考虑，建立了机械压缩蒸发处理站，采用“预处理+机械压缩蒸发器（MVC）多效蒸发+深度处理”[6-7]的工艺，很好地解决了这一技术难题。

1 需求分析

中石化新疆新春石油开发有限责任公司立足于春风油田超稠油水平井、氮气及降黏剂辅助蒸汽吞吐技术[8]，建成稠油生产基地。

春风油田主要含油层系为新近系沙湾组，构造平缓，地层倾角1°～2°。油层埋藏470～700 m，岩性为棕褐色富含油细砂岩，孔隙度大于33%，渗透率大于1 000 mD，含油饱和度大于65%；油层温度25～35 ℃，储集层有效厚度为2～5 m，地下原油黏度为20 000～90 000 mPa·s，油层压力为2～6 MPa。春风稠油成因在于春风油田沙湾组原油经受过强烈的生物降解作用，加之埋藏浅、油藏温度低，油层原油黏度很高，原始油藏条件下呈不能流动的天然沥青状，60 ℃条件下稠油转变成可流动的牛顿流体。另外，春风稠油中沥青质相对分子质量大、极性强，原油中碳元素和氢元素含量之和超过95%，杂原子含量较低，加热时烃类裂解需要的能量较低，胶质与沥青质之和低于20%，较容易降黏，适合热采。

2010年以来，春风油田已开发动用7个稠油区块，动用石油地质储量4 600×104t，有稠油热采井800 口，每天注汽7 500 t，日产油3 100 t，日产水9 000 m3左右。地质储量采出程度15%，无论继续开展蒸汽吞吐，还是采取蒸汽驱提高采收率，潜力都很大[9]，具备高质量可持续发展的资源基础。春风油田地处准噶尔盆地西缘干旱少水的戈壁荒漠，面临注汽清水短缺、油田产出水无出路的双重压力，油田产出水资源化利用刻不容缓。春风油田建有联合站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、输油管网齐全。主要采用固定锅炉、固定管网注汽输油，建成注汽及水源井管网、集输管网共计700 km。1座流化床注汽锅炉每小时生产优质蒸汽130 t，注汽干度99%。与传统注汽锅炉相比，注汽能力明显提高，而且更加环保，注汽干度提高30 个百分点，吨汽成本下降50个百分点。

2 核心技术原理

2.1 技术路线

近年来，含油水量随着油田持续开发逐年递增，普通水驱油藏产出水重复利用难题基本解决[10]。春风油田既是耗水大户又是产水大户，由于蒸汽锅炉对处理后的水质要求非常高，稠油热采井产出水重复利用难关始终难以攻克，主要是热采井产出水高温、高矿化度、高硬度，资源化利用难度很大。常用脱盐除硬工艺包括：离子交换法、双膜法以及蒸馏法。离子交换法仅适用于矿化度低于4 000 mg/L，总硬度低于300 mg/L 的水处理，可用于终端除硬。对于高盐、高硬水，双膜法产水率低，需深度预处理，高温污水需要预先降温处理。蒸发技术是通过加热的原理来减少水分，改变溶液中盐浓度，从而使油田采出水处理的体积减小。经过充分调研，考虑到生产实际，引进以色列净化海水的先进技术[11]，在春风油田建设热采井产出水机械压缩蒸发处理站，采用“预处理+MVC 多效蒸发+深度处理”工艺。

2.2 预处理工艺

春风油田热采产出水含油、悬浮物、总硬度、矿化度等指标均高于注汽锅炉回用水质要求。为此，预处理阶段应用了集药剂混合、化学反应、絮凝沉淀和过滤澄清功能于一体的高密度悬浮澄清器（除盐工艺）（图1）[12-15]。以春风油田采出含油水作为原水，通过机械搅拌将混凝、反应和沉淀置于一个罐中进行综合处理，悬浮状态的活性污泥床层与加药的原水在机械搅拌作用下增加了颗粒碰撞机会，提高了混凝效果。经过分离的清水上升溢流出水，沉下的污泥部分沿回流缝再进入第一反应室进行絮凝，部分则经浓缩后定期排放。除硬率、除氟率超过97%，出水二氧化硅质量浓度小于5 mg/L。

2.3 MVC多效蒸发和深度处理工艺

MVC（图2）采用低温多效水平管降膜蒸发。压缩蒸馏利用压缩机把蒸发过程所产生的二次蒸汽压缩，使之增压和升温，再作为加热蒸汽使用，使自身冷凝为淡水，如此循环使得蒸汽潜热被反复利用。根据压缩能量来源不同将压缩蒸馏分为机械压缩[16]和热力压缩。其中机械压缩不需要外部蒸汽补汽，仅靠机械能转化为热能。多效蒸发装置将多个蒸发器单元串联运行。第一效将蒸发过程产生的蒸汽由压缩机压缩增压升温形成过热蒸汽，作为水蒸发的热源，之后的每一效利用前一级产生的二次蒸汽为热源进行加热[17]。

图1 春风油田产出水资源化利用矿场试验流程Fig.1 Resource utilization pilot test of produced water in Chunfeng Oilfield

进入MVC 之前入料水需经脱气后与装置第一效的未蒸发的浓水混合后通过入料水喷淋系统将其均匀地喷洒在水平布置的换热管束外表面，形成连续的薄膜状水流。一部分水流在吸收了热交换管内蒸汽冷凝后释放出来的潜热后蒸发；另一部分未蒸发的水流，这时其浓度略有提高后又分成两股水流，一股水流在本效体内循环，另一股水流则用作下一效的入料工艺水。每一效汽化出来的蒸汽都要流过装置内的盐雾分离器以防止水滴夹带，通过最后一效汽化出来的蒸汽进入装置的机械蒸汽压缩机内，经压缩升压升温后蒸汽被送入装置第一效的热交换管内侧。春风油田热采井产出水资源化利用的蒸发和深度处理阶段，产出水经MVC 多级循环蒸发、深度处理达到注汽锅炉用水标准，产品水全部回用于油田注汽开发。MVC 技术用低温多效水平管降膜蒸发脱盐，蒸发温度为70 ℃，蒸发压力为0.03 MPa，具有产水量大、脱盐、除硬彻底的特点。

2.4 节能环保经济

MVC 技术利用机械压缩机将电能转化为热能，具有运行稳定、蒸发能耗低、运行成本低等特点。用于热采井产出水处理时，利用热采产出水本身热量，节能高效。除了压缩机之外，MVC 装置的运转部件很少，可有效地将设备的运行和维护费用降至最低。MVC 工艺主要消耗电能，新疆地区煤炭资源丰富，低廉的电价使得春风油田采用MVC工艺更经济。

图2 机械压缩蒸发器(MVC)Fig.2 Mechanical vapor compression（MVC）

3 应用

春风油田产出水处理站已投产运行2年，日产清水5 000 m3，不仅解决了产出水处理难题，还实现了水资源的循环利用，能够满足注汽锅炉用水的质量要求（表1）。同时热采井产出水余热得到综合利用，产品水温度大于60 ℃，降低了后续注汽锅炉的能耗。据了解，中国现有薄层低品位稠油资源7×108t，稠油热采井产出水资源化利用技术应用前景广阔。