蒸發法處理SAGD采出廢水工藝及設備研究進展*

李玉國 陳 超 蘇 艷 張彥博 金萍萍 左海強 劉國榮

(1.東營市環境監測站；2.中國石油大學(華東)化學工程學院；3.中國石油工程建設公司；4.中國石油天然氣集團公司錦西石化分公司維修車間)

蒸汽輔助重力泄油(Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)采出水具有出水量大、鹽含量高、硬度大和余熱能豐富的特點。傳統的化學軟化+離子交換資源化工藝以及膜分離資源化技術無法充分利用其余熱，并且不適用于含鹽較高的SAGD采出廢水。蒸發法處理稠油污水技術源于海水淡化工藝，是稠油污水資源化的有效途徑，包括多效蒸發法(MEE)、機械蒸汽壓縮法(MVC)和熱力蒸汽壓縮法(TVC)。其中MEE和TVC技術均需要特定蒸汽作為熱源或壓源。

1 SAGD工藝簡介

SAGD是國際開發超稠油的一項前沿技術，其原理是向注汽井中注入高干度蒸汽，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側面擴展，與油層中的原油發生熱交換。被加熱的原油降低粘度和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流動，從水平生產井中采出。目前，利用SAGD技術開發超稠油的方式，已成為國際上超稠油開發的一項成熟技術，是一種提高稠油采收率的有效方法。自在我國遼河油田開展先導試驗以來，對該技術的研究和應用已經取得了很大進步[1]。

2 SAGD采出廢水特點

SAGD與蒸汽吞吐、蒸汽驅相比，其必須向井底連續不斷地注入蒸汽，也就造成了污水量較多的現象。SAGD采出液溫度一般為140～180℃，通過與鍋爐給水進行換熱再脫水后，其溫度仍然在90℃左右，其中蘊含著巨大可利用的低品位熱能。不但如此，采出水還有硬度大、含鹽量高的特點[2]。如何根據采出水水質、水量，充分利用其余熱能量是實現SAGD工藝高效開發、節能降耗的關鍵，也是油田可持續開發的關鍵。

3 SAGD采出廢水資源化處理工藝

經調研，國內部分油田現有的稠油污水處理工藝列于表1，可以看出，主要還是以處理后外排或回注為主。雖然外排和回注的處理工藝簡單、成本比較低，但是與污水資源化相比，還是存在如下不足：未能充分利用采出水含有的熱能；未能降低鍋爐給水成本；回灌水可能造成地層壓力上升及水層污染等問題。

表1 國內部分油田稠油污水處理現狀

稠油污水資源化的研究很多，以膜法為主。周京都等通過兩級精細過濾工藝，出水水質已經達到《稠油油田采出水用于蒸汽發生器給水處理設計指標》(SY/T 0097-2000)的要求，可以用作注汽鍋爐給水[3]。潘振江等通過微濾+超濾的雙膜法處理污水，水質指標達到了注汽鍋爐進水水質標準[4]。Marcel M等開展了巴西Petrobars油田采出水的反滲透試驗，試驗表明水質完全滿足灌溉、鍋爐補給水等水質要求[5]。郭省學進行了超濾-反滲透處理稠油廢水用于熱采鍋爐給水的研究，試驗結果表明反滲透產水各項指標均優于高壓注汽鍋爐進水指標[6]。

盡管膜法有成本低、系統相對靈活和能耗小的優點，但是膜污染和膜清洗制約了膜法的推廣發展[7,8]，并且有研究表明膜法脫鹽更適用于處理礦化物較低的稠油污水[9]。針對含鹽量不高、總硬度較高的稠油污水，一般仍舊采用工業常用的化學軟化+離子交換等工藝除硬后回用注汽鍋爐[10]。

表2列出了國內外部分油田污水資源化處理方法的情況(污水資源化用途均為作為注汽鍋爐補給水)。

表2 國內外部分稠油油田污水資源化工藝分布

由表2可以看出，國內油田的污水處理工藝依舊以化學軟化+離子交換為主，國外油田以機械壓縮蒸發脫鹽工藝處理油田污水為主。

針對含鹽量較高的污水，化學軟化+離子交換工藝已經不太適用，蒸發脫鹽技術就成了其代替工藝。污水蒸發脫鹽工藝借鑒于海水淡化工藝。海水淡化工藝有膜法和熱法。其中熱法是利用熱能使海水蒸發，再通過水蒸汽的冷凝得到淡水。熱法主要包括多效蒸發(Multiple Effect Evaporation，MEE)及蒸汽壓縮(Vapor Compression，VC)等。該類脫鹽工藝的特點是對污水水質預處理要求寬松，產水率穩定，不受含鹽量影響[11]。其中的MEE和VC技術已經成功應用到污水處理的工業中。

3.1多效蒸發脫鹽技術(MEE)

1999年，蒸發法開始應用于油田污水深度處理。最開始將蒸發法引入SAGD工藝時，主要與離子交換系統相結合來處理油田污水。此裝置的成功運行，證明了利用蒸發法深度處理油田污水是可行的，并且具有較高的可靠性[12]。加拿大是率先應用蒸發工藝處理稠油采出水的。

2002年，加拿大阿爾伯達油田用蒸發法作為傳統離子交換工藝的替代，深度處理SAGD污水。并將得到的污水用于直流蒸汽鍋爐上，可以極大地改善系統運行的穩定性。

2004年，在Joslyn油砂層的第二期項目中，Deer Creek能源公司進一步發展了油田污水蒸發處理工藝，該裝置采用油田污水蒸發系統接常規汽包鍋爐的工藝流程，如圖1所示[13]。裝置運行一段時間以后，生產結果表明，蒸發法得到的產品水完全滿足汽包鍋爐對給水水質的更高要求，同時鍋爐排污量少(1%～3% )，能量利用率高。因此應用該工藝流程處理油田污水，其設備造價更經濟，生產效率更高，能耗更低[14]。

圖1 油田污水蒸發系統接常規汽包鍋爐的工藝流程

2006年，蔡釗榮采用低溫多效蒸發技術，設計了勝利油田超稠油污水深度處理先到試驗。試驗工藝流程分兩部分：凈化部分和淡化部分，凈化部分費用氣浮-過濾工藝，主要用于去除超稠油中的油分和懸浮物，這與傳統工藝相同，并且已經相當成熟。淡化部分采用多效蒸發工藝，只要用于降低污水硬度。經調研得知，試驗裝置處理能力3～5m3/h，造水比3.5，成水率60%～80%。處理后水的礦化度、總硬度以及油含量等指標完全能夠滿足注汽鍋爐用水要求。由于周圍沒有可利用的廢熱蒸汽，試驗采用自制蒸汽的方式，制水成本昂貴。其流程如圖2所示。

圖2 勝利油田低溫多效蒸發流程

2009年，鄭賢助等對雙效蒸發器處理過的高濃度含鹽化工廢水進行了小規模的實驗，結果表明，采用雙效蒸發器處理該廢水效果明顯，二次蒸汽重復利用，降低處理成本，平均蒸發噸水的蒸汽耗量約0.75t。廢水中COD的去除率可以達到95%以上，采用兩次蒸發分步結晶工藝，可以實現廢水中不同鹽類的全部回收[15]。

雖然多效蒸發工藝在工業中得到了一些應用，但是因為其需要溫度較高的蒸汽作為熱源來加熱污水，這就限制了多效蒸發工藝在蒸汽資源缺乏地區的應用和推廣。

3.2機械壓縮蒸發工藝(MVC)

調研得知國外油田稠油污水資源化處理工程以采用MVC工藝為主(圖3)，該工藝利用渦輪發動機增壓原理，將蒸發過程產生的(二次)蒸汽由壓縮機壓縮增壓升溫，形成過熱蒸汽，再作為熱源供污水蒸發使用。系統啟動后僅需要消耗電能。其主要工藝特點是全部利用機械壓縮機將電能轉化為熱能；系統啟動后，基本不需要外部蒸汽的補給，系統獨立性強。

圖3 MVC工藝示意圖

MVC工藝完成除油后(油含量小于20mg/L)除懸浮物的采出水進入一個給水罐，在罐中調節pH值(如果需要零排放的話，需提高pH值，以保證二氧化硅不析出)。給水通過換熱器將溫度升高到接近沸點，通過除氧器去掉水中非溶解的氣體，進入蒸發器的集水池，與濃縮液混合，通過泵升壓，進入蒸發器頂部的換熱管束，每根管束都有一個單獨的布流器，以確保含鹽水(污水)能平穩均勻地沿內壁往下流，小部分的污水蒸發，其余的流進蒸發器底部的集水池，再通過泵升壓再循環。蒸汽與含鹽水(污水)沿內壁往下流，進入蒸發器下部腔室后，蒸汽向上通過一個霧滴分隔器后，進入蒸汽壓縮機。蒸汽壓縮后升溫，提高潛熱。壓縮后的蒸汽進入蒸發器頂端的換熱管束的外壁端，將熱量傳給內壁端的往下流的含鹽水(污水)，保持小部分的污水不斷蒸發。蒸汽放熱后凝結成蒸餾水，通過泵后，進入換熱器，將其熱量傳給來水。將小部分一定比例的濃縮鹽水(污水)連續排出蒸發器，以控制濃縮鹽水的密度。直流鍋爐的排污水可以直接引到蒸發器的進水，而不會影響到出水水質。蒸發器的排污水可以排到廢棄的深井，或通過結晶器將其變成固體物質，實現污水零排放。

與常規采出水處理系統比，蒸發系統需要的部件更少，操作更簡單。因此國內外油田也加強了該工藝的研究。MVC法較早的應用于阿爾伯特油田。其發展流程如下： 1999～2002年期間，阿爾伯特的JACOS(Japan Canada Oil Sands)油田率先應用壓縮蒸發工藝處理了SAGD直流鍋爐從汽水分離器分離出來的濃縮鹽水，實現了零排污。其擴大后處理量為849m3/d，與結晶器配套，一直運行到現在，驗證了壓縮蒸發工藝的可靠性和可行性。2003～2005年期間，Kuwait Oil工程與Tengizchevroil工程以及2005年投產的Suncor Firebag二期工程同時運用壓縮蒸發工藝處理了SAGD采出廢水，直接回用作直流鍋爐給水，最大處理量達到了15 000m3/d 。2006年至今已經有14個在建和投產的加拿大阿爾伯特SAGD商業工程采用壓縮蒸發工藝處理和回用SAGD采出廢水，更多的新開發工程也在設計上選用了壓縮蒸發工藝。表3給出了機械壓縮蒸發處理的水質與ASME汽包鍋爐給水水質指標[16]。

表3 MVC法處理水質與ASME汽包爐給水水質指標 mg·L-1

遼河油田是國內開展降膜蒸發法處理超稠油SAGD采出廢水的先驅。2010年，謝加才等與遼河油田合作，進行了SAGD稠油開采余熱回收系統的優化構建[17]，充分利用了注汽鍋爐汽水分離器高溫分離水、煙道氣以及油井高溫產出水的余熱資源。在分析這些余熱的質和量的基礎上，建立了3個系統，均用到了MVC技術。

2010年孫繩昆借鑒加拿大機械壓縮蒸發處理稠油采出水工藝，針對遼河油田超稠油SAGD工程蒸汽和采出水處理技術存在的問題及技術需求，首先進行了降膜蒸發處理超稠油SAGD采出廢水的室內先導試驗，闡述了主體工藝、主要涉及參數、出水水質以及結構情況等試驗中存在的問題及改進措施[18]，流程如圖4所示。

圖4 降膜蒸發處理遼河油田超稠油污水流程

處理后水質部分指標還不能達到GB12145-1999的標準要求。同時，由于未采用蒸汽壓縮技術，而是利用外部蒸汽開展的試驗，因此無法進行經濟、技術評價。另外，該油田設計了產水規模1 500m3/d機械壓縮蒸發脫鹽工程方案，通過國外引進蒸汽壓縮工藝，國內配套方式運作，未實現該工藝的國產化。

2008年勝利油田委托美國RCC實驗室進行MVC脫鹽工藝處理勝利油田含聚稠油污水室內模擬試驗。實驗結果認為該工藝處理含聚稠油油田污水水質可達到資源化要求。2010年，勝利油田的李清方等建立了基于MVC的油田污水脫鹽系統地工藝流程設計計算模型，系統地分析了降膜蒸發器傳熱溫差、油田污水溫度和蒸發溫度的影響。結果表明：傳熱溫差是影響系統裝置規模和運行電耗的控制因素，減小傳熱溫差可以明顯降低壓縮機電耗[19]。

2011年勝利油田引進了法國MVC成套脫鹽試驗設備，在春風油田排601開展了處理規模5m3/d高鹽高硬污水MVC現場小試研究，通過試驗，對進口先進設備關鍵工藝參數進行跟蹤、分析，確定該工藝處理勝利油田高鹽污水的最優能耗利用率、產水率及濃水循環比等，將對MVC技術國產化具有重要的參考價值。

3.3熱力壓縮蒸發工藝(TVC)

熱力壓縮蒸發主要運用在海水淡化系統和部分污水處理中，表4列出了國內外部分使用TVC工藝處理污水的企業。但是TVC工藝尚無在稠油采出水處理方面中的應用記錄。由于TVC工藝運行簡單可靠，維護成本低，無運動部件，而受到人們的廣泛關注。TVC工藝與MVC工藝相比，由于它用熱力學完善度相對較低的熱力壓縮機(蒸汽引射器)代替了熱力學完善度較高的機械壓縮機，因此，除水泵外它不需要消耗電能，僅用蒸汽的熱能驅動，可以直接利用生產中的富余余熱，節省了電能，得到了人們的廣泛關注[20～22]。

表4 國內外部分使用TVC工藝處理污水的企業

國內也有部分學者對海水淡化的TVC工藝進行了研究。張爽報道了多效蒸發(TVC-MED)系統的實際運行情況，并且指出了運行中系統存在的問題[23]。沈勝強等給出了多效蒸發(TVC-MEE)海水淡化裝置熱力過程數學模型，分析了TVC對MED海水淡化裝置性能的影響[24]。李清方等針對油田污水污染物成分復雜、污染性強不適合膜法脫鹽的特點和淡水消耗與余熱資源共存的實際，提出用熱力蒸汽壓縮(TVC)蒸發技術對油田污水進行集中脫鹽處理的技術方案[25，26]。建立了基于TVC的油田污水脫鹽系統的工藝流程設計計算模型，系統分析了蒸發溫度等主要運行參數的影響。這是唯一一篇使用TVC工藝處理稠油采出水的文章。其結果表明：系統造水比隨蒸發溫度的降低而增大，降低蒸發溫度有助于減少主蒸汽消耗，但所付出的代價是總傳熱面積和污水泵流量的增大；TVC系統的熱力學完善度相對較低，與多效蒸發系統聯合使用是改善系統性能的基本途徑之一。盡管如此，對于油田生產來說，當存在合適的余熱資源時，簡單的單效TVC系統仍不失為合理的技術方案。

4 結論

4.1隨著稠油開采深度和廣度的增加，SAGD作為先進的開采工藝，必將得到廣泛應用，采出污水的資源化利用是降低污染、節約能耗的有效途徑。

4.2SAGD采出廢水成分比較復雜、含鹽量高、硬度大、余熱能豐富。傳統的化學軟化+離子交換工藝與膜分離法都有各自的局限性。蒸發法處理稠油污水借鑒于海水淡化工藝，不受含鹽量的影響，并且其結構緊湊，操作簡單，自動化程度高。

4.3多效蒸發脫鹽法(MEE)已經成功運用到了處理SAGD采出廢水中，出水水質可以用作鍋爐給水，但是因為其需要額外的高溫蒸汽來作為熱源，這就限制了其在缺乏熱源地區的應用推廣。汽水分離器的分離水的壓力大，溫度高，如果利用閃蒸高溫高壓分離水的工藝得到合適的熱源，MEE法必將成為SAGD工藝中的一個亮點。

4.4機械蒸發壓縮工藝(MVC)是國外最常用的SAGD采出廢水工藝，尤其在加拿大應用最為廣泛，其優點明顯，運行可靠，出水水質有保障。但是關鍵技術還未實現國產化。遼河油田和勝利油田正在進行試驗，為MVC國產化提供了數據和技術支持，這也將成為SAGD采出廢水的一個發展方向。

4.5熱力蒸發壓縮工藝(TVC)已在其他工業污水處理中得到了應用，其使用高壓蒸汽引射器代替了MVC工藝中的蒸汽壓縮機，節省了電能。但是由于其熱力完善度較低，缺乏應用實例，在稠油污水處理方面還鮮有應用。隨著各種工藝的適用，對TVC工藝的分析將進入技術人員的視線。如果有合適余熱能(如注汽鍋爐高溫分離水閃蒸得到的蒸汽等)TVC工藝聯合MEE或者MVC工藝，將不失為優秀的SAGD采出廢水處理工藝。

4.6熱法脫鹽是能源密集型的技術,研究的方向將是其性能改進和設計方法的簡化。需要考慮的方面主要有:開發應用替代能源、緩解和控制蒸發器結垢與環境污染、研發建造裝置的替代材料、裝置組件設計的改進、優化消耗品的使用。

4.7能源成本是脫鹽裝置運行成本的主要組成部分,這方面的研究的方向是降低能耗和使用廉價的可替代能源。

[1] 張方禮，張麗萍，鮑君剛，等.蒸汽輔助重力泄油技術在超稠油開發中的應用[J].特種油氣藏，2007，14(2)：70～72.

[2] 張洪馳.SAGD油井產出液熱能利用工藝技術研究[J] .中外能源，2011，16(3)：101～103.

[3] 周京都，楊玉芳，黨建新，等. 克淺10稠油采出水處理回用工程[J].給水排水，2010，36(10)：62～63.

[4] 潘振江，高雪莉，王鐸，等. 雙膜法深度處理油田采出水的現場試驗研究[J].水處理技術，2010，36(1)：86～90.

[5] Melo M，Schluter H， Ferreira J，et al. Advanced Performance Evaluation of a Reverse Osmosis Treatment for Oilfield Produced Water Aiming Reuse[J] .Desalination，2010，250(3):1016～1018.

[6] 郭省學. 生物接觸氧化/超濾/反滲透法處理稠油污水試驗研究[J].環境污染與防治，2009，31(11)：78～80.

[7] 劉濤，包木太，李希明，等. 油田污水處理工藝中COD的去處研究進展[J].化工進展，2009，28(11)：2035～2039.

[8] 劉建興，袁國清. 油田采出水處理技術現狀及發展趨勢[J].工業用水和廢水，2007，38(5)：20～24.

[9] 孫繩昆，郭野愚，郭文奇. 稠油油田采出水回用熱采鍋爐給水技術[J] .石油規劃設計，2006，17(4)：14～16.

[10] 絡偉，王愛軍，張志慶，等. 新疆油田稠油污水處理資源化利用技術[J].油氣田地面工程，2009，28(9)：62～63.

[11] 解利昕，李憑力，王世昌.海水淡化技術現狀及各種淡化方法評述[J].化工進展，2003，22(10)：1081.

[12] Heins W F，Mcneill R，Albion S. World’s First SAGD Facility Using Evaporators, Drum Boilers and Zero Discharge Crystallizers to Treat Produced Water[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2006，45(5)：30～36.

[13] Heirs W， Peterson D. Use of Evaporation for Heavy Oil Produced Water Treatment[J] .Water & Process Technologies，2005，21(10)：30～36.

[14] Heins B，謝曉，嚴登超.蒸發法處理稠油廢水回用于注汽鍋爐的新工藝[J].石油勘探與開發，2008，35(1):113～117.

[15] 鄭賢助，戴艷，謝敏.高濃度含鹽化工廢水蒸發脫鹽回收處理的試驗研究[J].污染防治技術，2009，22(4)：5～9.

[16] 馬強.加拿大SAGD開發地面工藝技術[J].國外油田工程，2010，26(7)：5～8.

[17] 謝加才，胡雨燕，陳德珍. SAGD稠油開采余熱回收系統的優化構建 [J].化工進展，2010，29(z1)：630～634.

[18] 孫繩昆.降膜蒸發法處理超稠油SAGD采出水試驗研究 [J].石油規劃設計，2010，21(1)：25～28.

[19] 李清方，劉中良，龐會中，等.基于機械蒸汽壓縮蒸發的油田污水脫鹽系統及分析[J].化工學報，2011，62(7)：1963～1969.

[20] Mudir W，Bousiffi M， Hengari S. Performance Evaluation of a Small Size TVC Desalination Plant[J].Desalination，2004，165(l)：269～279.

[21] Alasfour F N，Darwish M A，Bin Amer A O. Thermal analysis of ME-TVC+MEE desalination systems [J].Desalination，2005，174(1)：39～61.

[22] Kamali R K，Abbassi A，Sadough Vanini S A. A Simulation Model and Parametric Study of MED-TVC Process[J].Desalination，2009，235(1/2/3)：340～351.

[23] 張爽.TVC在低溫多效海水淡化裝置的應用分析 [J].甘肅科技，2009，25(24)：40～42.

[24] 沈勝強，孫甜悅，劉曉華，等.TVC在MED海水淡化裝置中的作用和性能分析[J].熱科學與技術，2010，9(2)：144～148.

[25] 李清方，劉中良，韓冰，等.基于熱力蒸汽壓縮蒸發的油田污水淡化系統及分析[J].化工學報，2012，63(6)：1860～1866.

[26] 徐建軍,袁櫻梓,黨博,等.基于直流電場提高油田采收率的應用研究[J].化工自動化及儀表,2011,38(3):314～317,331.