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， 王國棟

(中海油研究總院，北京 100028)

提出了一種新型的采用機械壓汽蒸餾(MVC)技術處理海上稠油熱采鍋爐給水的工藝系統。針對新型工藝的出水水質、能耗、維護費用、占地面積等因素進行相應的分析，并與反滲透工藝作對比。分析結果顯示，新型工藝對進水水質要求更寬松，出水總溶解固體(TDS)可達到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，運行費用低，但MVC裝置本身投資及能耗較大，亟待進行國產化研究。經分析，MVC技術可應用于海上生產水回用熱采鍋爐工藝。綜合研究表明，MVC技術應用于海上稠油熱采鍋爐給水處理系統具有其可行性，且在該領域前景廣闊。

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

0 引 言

我國海上稠油資源豐富，按照稠油熱采標準初步篩選，符合熱采條件的地質儲量高達9.8×108m3，其中地層原油黏度大于450mPa·s，不得不進行熱采開發的地質儲量達到6.9×108m3[1]。我國海上稠油熱采仍處于試驗階段，世界范圍內也無成熟的規模化稠油熱采經驗。海上稠油熱采技術的難點之一就是稠油熱采配套工程設備多、占地面積大[2—3]，海上無法借鑒陸上的成熟經驗，其中熱采鍋爐給水處理工藝是重要制約點之一。

熱采鍋爐對給水的水質要求較高，要嚴格控制Ca2+和Mg2+等易結垢離子含量、油脂含量、二氧化硅含量及總礦化度等指標。海水為海上最易獲取的水源，要達到熱采鍋爐進水水質指標，需對海水進行除鹽、軟化、除氧等處理工序。有的海上平臺有水源井，水源井水的水質優于海水，但一般也需要進行除鹽和軟化處理。針對海水和水源井水，海上熱采試驗目前采用了反滲透(RO)技術進行熱采鍋爐的給水處理。反滲透技術是通過反滲透膜和高壓泵使水從鹽水側向純水側流動。反滲透膜容易被污染和發生污堵，因此對進水水質要求較高，不同類型的反滲透膜對進水水質要求不同，但污染指數(SDI)需至少小于5[4]，預處理流程較為復雜，由于反滲透膜的污堵問題，在海上熱采試驗中，其應用效果并不理想。

反滲透膜對水中油脂含量要求高，因此，反滲透工藝難以應用到生產水回用熱采鍋爐的工藝中，導致海上熱采平臺在環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械壓汽蒸餾(MVC)技術對海上熱采鍋爐水源進行處理。本文將其與反滲透工藝進行對比，并評估其應用在生產水回用熱采鍋爐方面的可行性。

1 MVC技術概述

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

臥式MVC內部結構及流程如圖1所示，圖中的蒸發器分為兩效，右邊為第一效，左邊為第二效。海水經換熱器預熱后進入不凝氣去除系統進行脫氣，然后進入蒸發器第一效頂部，并將海水噴散到蒸發器內的傳熱管束表面，由于傳熱管束內為溫度較高的蒸汽，海水在傳熱管束外的液膜蒸發，變為蒸汽進入下一效的傳熱管束內，在第一效中沒有蒸發的海水輸送到蒸發器第二效的頂部，噴散到蒸發器第二效的傳熱管束外，海水進一步蒸發變為蒸汽，傳熱管束內的蒸汽則凝結為淡水排出，仍未蒸發的海水即濃鹽水通過管道排出。蒸發器末端裝有壓縮機，未凝結的蒸汽通過壓縮機增壓后回到蒸發器第一效中，進入傳熱管束內，與第一效海水換熱，蒸汽凝結變為淡水后排出，蒸發器中的不凝氣通過不凝氣去除系統及真空泵排出。通過海水的蒸發和二次蒸汽的冷凝，熱量得以重復利用，機械壓汽蒸餾設備不斷地產生淡水。

圖1 機械壓汽蒸餾蒸發器內部結構及流程圖Fig.1 Structure and flow chart of MVC evaporator

MVC技術對進口水質要求寬松，出水水質好，出水總溶解固體(TDS)可達到5mg/L以下，且結構緊湊，除啟動階段，正常運行只需電能驅動，非常適合應用于海上平臺。

2 MVC技術與反滲透技術的對比分析

反滲透技術是目前海上稠油熱采鍋爐給水所用的水處理技術。針對MVC技術與反滲透技術在各方面的差別進行對比，如表1所示。

表1 MVC與反滲透技術對比分析表Table 1 Comparison between MVC and RO

注： 表中數據基于國際上一些權威公司的技術方案介紹及部分已建成投運工程的運行參數。

由表1可知，采用MVC技術對進口水質要求低，可靠性高，產水水質高，占地面積小，適合海上應用，但設備成本及能耗大；反滲透技術對進口水質要求高，難以適應水質變化，設備可靠性差，產水水質差，占地面積相對大，但設備成本及能耗小。

旅大16-1油田為一海上稠油油田，需采用蒸汽吞吐熱采，無水源井，需采用海水作為熱采鍋爐給水水源，下面針對此油田對兩種技術進行對比分析。根據石油天然氣行業規范《稠油集輸及注蒸汽系統設計規范》(SY/T 0027—2007)，熱采鍋爐給水的水質標準如表2所示，此標準針對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，海上熱采目前無成形的規范，可參考陸上規范。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。根據油藏注汽需要，所需淡水量為20t/h。針對反滲透技術與MVC技術在此油田應用的方案進行對比。具體對比如表4所示。

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

*當堿度大于3倍二氧化硅含量時，在不存在結垢離子的情況下，二氧化硅的含量為150mg/L。

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

比較項反滲透技術MVC技術占地面積2個橇，每個9m×3m×25m，其中一個橇用于預處理設備1個橇，85m×5m×65m，包含輔助配套設備處理水質采用一級反滲透系統，TDS可降至500mg/L以下，滿足熱采鍋爐進水TDS要求TDS可降至5mg/L以下，滿足熱采鍋爐進水TDS要求耗電量/kW80170設備投資300萬人民幣左右，國產廠家可供貨465萬元人民幣，需進口維護費用7萬人民幣/年?4萬人民幣/年?

注： 表中數據基于國內外淡化技術權威設備廠商提供的數據。

*根據設備配件年更換率估算費用。

由表4可知，相對反滲透技術，MVC技術可減少占地面積20%以上，其出水水質更好，TDS可降到5mg/L以下，有利于進一步進行除硬以及熱采鍋爐的運行維護。如采用反滲透技術，二級反滲透系統也只能將TDS降到40mg/L以下，進一步除鹽在工業上還需采用電脫鹽及離子交換技術。另外，不像反滲透技術需要換膜，MVC技術的維護費用也較低。但其缺點在于，設備耗電量大，并且需要進口，初始投資較高。可見，MVC技術在應用效果、日常維護、占地面積方面均有優勢，但設備本身依賴進口，如能實現設備國產化，降低設備投資將極大地有利于該技術的應用。

3 MVC技術應用于生產水回用海上熱采鍋爐的技術分析

基于環保和水資源再利用的考慮，我國陸上稠油油田熱采鍋爐給水一般采用處理后的生產水，采用“常規物化處理+深度處理”的流程對其廢水處理后用于熱采鍋爐[5]。常規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，同時進一步去除水中的油類和懸浮物。總的生產水處理流程非常復雜，例如，遼河油田的生產水回用鍋爐的工藝流程為： 稠油廢水→隔油和調節池→儲油罐→氣浮池→除硅→粗濾→動態膜超濾→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→核桃殼過濾器→清水罐→深度處理站；深度處理站的工藝流程為： 來水→氣浮除油機→廢水澄清池→廢水緩沖罐→壓力過濾機→一級弱酸離子交換機→二級弱酸離子交換機→緩沖罐→注汽站[7]。

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

如前所述，MVC技術對于進口水質要求較低，即使是有高含油和高含懸浮物的污水進入，也只會在短期內影響系統效率，不會影響系統的正常工作，這是反滲透技術無法比擬的[8]。MVC技術在國外生產水回用熱采鍋爐方面早有應用，例如，從1998年到2013年，GE公司已為14個SAGD油砂項目提供MVC蒸發器，其中，為加拿大Alberta油田提供了1080m3/h的MVC蒸發器處理SAGD產生的廢水，使其回用到直流鍋爐。近年來，勝利油田、遼河油田、新疆油田均針對MVC技術應用到稠油熱采進行了研究和現場試驗[9]，試驗結果顯示，MVC技術除鹽、除硬效果好，缺點是投資成本高[2]。由于陸上油田對設備占地限制大，且往往需集中供蒸汽，對設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，并不適合海上應用。臥式MVC裝置占地面積小，設備處理能力可以滿足單個平臺的注汽需求，且MVC裝置具有可靠性高、人員維護要求低等優點，在海上平臺有作為飲用淡水制備裝置的案例，適合海上平臺應用。針對海上熱采平臺的生產水回用鍋爐工藝進行流程設計(見圖3)，其中除硬設備在水質好的情況下可取消。

圖3 MVC裝置處理生產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MVC技術可實現海上生產水回用熱采鍋爐，實現了水資源的再利用、保護海洋環境。經過分析，其他水處理技術或是在占地面積上有缺陷，或是對進水水質要求高，MVC技術是目前最為可行的海上生產水回用熱采鍋爐技術，應用前景大。

4 結 語

針對MVC技術在海上熱采鍋爐給水方面的應用進行分析和研究，得到以下結論：

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

(2) 與反滲透技術相比，MVC技術同樣條件下可節省占地面積20%以上，出口TDS含量可降到5mg/L以下，對進口水質要求低，日常維護費用低，設備效果優勢明顯，但其設備需要進口，初始投資高，耗電量大，有必要開展設備國產化研究。

(3) 經過分析，MVC技術對進口水質要求低，可應用于海上生產水回用熱采鍋爐工藝，是實現此工藝最可行的技術方案，使得水資源得以再利用，有利于環境保護。

綜上，MVC技術應用于海上稠油熱采鍋爐給水處理有其優勢，應用前景廣闊。

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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

國家科技重大專項(2016ZX05025-004)

王海燕(1990—)，女，碩士，工程師，主要從事海上平臺水處理方面的研究。

TE54；TK223.5+1

A

2095-7297(2017)05-0255-05