某深水氣田乙二醇脫鹽系統影響因素分析與措施

王正勇 李文英 劉玉軍 張長智

1中海石油（中國）有限公司深圳分公司

2哈斯基石油中國有限公司

為了避免鹽污染問題的發生，某深水氣田在氣田中心平臺安裝了一套乙二醇再生系統，系統接收來自三相分離器的富乙二醇溶液，先將其脫二價鹽和脫水處理后，再將部分脫水后的含鹽貧乙二醇在脫鹽系統中進行脫鹽處理，使產出的貧乙二醇中含鹽濃度達到注入水下井口的要求，避免鹽和其他污染物的沉積而危害整個水下生產系統。

從采出水的分析報告（表1）中可以看出，Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+、Sr2+、Ac-、CO32-、Cl-等離子會隨地層水產出，其中二價金屬陽離子[1]如果不能在乙二醇再生單元之前進行有效脫除，它們將會在脫水和脫鹽單元內被濃縮或者沉積，有結垢的風險。此外，在高溫再生和回收的過程中乙二醇會降級成TEG、DEG和PEG等大分子產物，它們會聚集在脫鹽系統中，導致乙二醇溶液在閃蒸分離器中的黏度增加和腐蝕速率加快[2]。另外，在生產過程中，一些化學藥劑，如防腐劑、阻垢劑、甲醇、破乳劑、消泡劑和除氧劑等被添加到井口物流中，再加上一些海管內的腐蝕雜質，這些藥劑和雜質最終會遷移到脫鹽系統，給該系統的操作和維護帶來各種各樣的問題。因此評估以上因素對脫鹽系統的影響是非常有必要的。

表1 某深水氣田生產水組分Tab.1 Componentsoftheproductionwaterinadeepwatergasfield

1 乙二醇脫鹽系統

乙二醇脫鹽系統一般分為部分脫鹽系統和全脫鹽系統。生產水中的含鹽量決定從脫水單元來的貧乙二醇是采用全部還是部分脫鹽工藝，由于該氣田初期產出的鹽量相對較少，設計上采用質量分數為34%的部分脫鹽工藝[3]（圖1），可以始終保持注入水下井口的貧乙二醇的含鹽量低于30 000 mg/L。

來自脫水再生單元的含鹽貧乙二醇（質量分數為90%的MEG）進入閃蒸分離器，通過循環泵輸送至加熱器升溫至140℃，在真空泵產生的15～30 kPa壓力下，貧乙二醇閃蒸成蒸汽，蒸汽到達閃蒸分離器頂部的冷凝器進行冷凝后進入乙二醇回收罐[4]，然后利用泵輸送至冷卻器進行冷卻后再回注水下井口。

隨著閃蒸分離器內的乙二醇和水不斷蒸發，含鹽乙二醇開始變得過飽和，不斷地析出鹽結晶顆粒[5]。由于密度的差異，鹽顆粒在重力的作用下經過沉降槽后匯集到鹽罐，在此過程中實現了乙二醇與鹽的分離。乙二醇脫鹽系統工藝流程如圖2所示。

圖1 部分脫鹽工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of partial desalting process

閃蒸分離器和鹽罐之間由一條外徑406 mm、長約6 m的管線（沉降槽）相連接，從閃蒸分離器內析出的鹽結晶顆粒通過該管線進入到鹽罐。從沉降槽上部1/3的位置開始一直到鹽罐是飽和鹽水，而上部至閃蒸分離器是飽和鹽的貧乙二醇，由于飽和鹽水的密度大于飽和鹽的貧乙二醇溶液，在理想情況下，沉降槽上部應該有一個比較明顯的界面存在（圖3）。隨著閃蒸操作的進行，鹽結晶顆粒受重力的作用沉降[6]，穿透此界面進入到飽和鹽水中，鹽顆粒表面沾附的乙二醇被飽和鹽水清洗，互溶形成的混合溶液使這個界面變得模糊（圖4）。為了能夠判斷界面的位置，減少乙二醇在飽和鹽水中的損失，在沉降槽垂直方向裝有多個電導率傳感器指示界面的情況。如果出現界面判斷困難的情況，可以通過沉降槽中部的取樣口排放模糊界面處的溶液，建立新的界面。

循環加熱器用于加熱閃蒸分離器內的貧乙二醇，采用螺旋式加熱器，其特點是自沖洗、熱通量大、高流速，并控制乙二醇的進出口溫差在10℃以內，減少了乙二醇與熱表面的接觸時間、熱降解和結垢的風險[7]；通過增加進入加熱器的流量以獲得足夠的熱量用于閃蒸貧乙二醇，一般控制循環量和貧乙二醇的進料比為50∶1。

圖2 乙二醇脫鹽系統工藝流程Fig.2 Process flow of ethylene glycol desalting system

圖3 乙二醇與飽和鹽水的界面Fig 3 Interface between ethylene glycol and saturated salt water

圖4 鹽結晶顆粒穿過界面Fig.4 Salt particles pass through the interface

鹽罐的功能是收集從閃蒸分離器經重力分離出來的鹽，其中鹽顆粒濃度的控制是利用籃式離心機進行分批脫除。鹽罐的鹽水隨著離心機中固體鹽的產出而不斷損失，損失的鹽水利用脫水單元回流罐的生產水補充，以維持沉降槽內飽和鹽乙二醇和飽和鹽水界面的穩定。

鹽溶解罐的功能是接收來自離心機的固體鹽餅，利用生產水對鹽餅進行溶解，然后用泵送至中心平臺水處理單元。

2 影響因素分析

脫鹽系統乙二醇再生裝置是最容易出現結垢、腐蝕、熱降解、乙二醇損失、鹽聚集和沉積的地方。為防止上述問題的出現，對影響乙二醇脫鹽裝置操作的因素做以下分析：

（1）二價金屬陽離子對脫鹽系統的影響[8]。富乙二醇中存在的 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+、Sr2+等二價陽離子如果不能在預處理單元中通過添加足量的氫氧化鈉和碳酸鈉予以清除，它們中的一部分將與貧乙二醇一起進入到脫鹽單元；當循環加熱器表面的溫度、壓力等結垢條件成立時，碳酸鐵、碳酸鈣和氫氧化鎂等將會沉淀在其表面并形成垢；可溶解二價鹽（如氯化鈣、氯化鎂）會在脫鹽系統的閃蒸分離器及加熱器的循環回路形成高黏度、類似于水泥狀的液態固體混合物，從而影響加熱器的換熱效果和縮短設備的使用周期。

（2）羧酸鹽聚集對脫鹽系統的影響。從表1可知羧酸鹽的質量濃度可能在950 mg/L，同樣富乙二醇中也會含有一定量的羧酸鹽，富乙二醇經過脫水處理后，羧酸鹽被濃縮在貧乙二醇中。對于部分脫鹽系統，有66%的貧乙二醇將旁通脫鹽系統，另外34%的含有羧酸鹽的貧乙二醇去閃蒸分離器脫鹽，由于羧酸鹽不易閃蒸，因此會累積在閃蒸分離器中，需要定期從回收裝置中排放高濃度羧酸鹽。

（3）防腐劑和阻垢劑對脫鹽系統的影響。在生產過程中防腐劑、阻垢劑等化學藥劑被添加到井口物流中，當防腐劑和其他有表面活性的化學藥劑累積在閃蒸分離器里時，有可能會產生發泡現象。此外，聚集的表面活性劑、各種類型的鹽和溶液的酸堿度也是影響起泡的因素。阻垢劑既可減輕氣井、管匯、海底管線等處垢的形成，也可阻礙二價金屬陽離子在預處理單元沉淀和一價鹽在閃蒸分離器中結晶析出。

（4）碳酸氫鈉對脫鹽系統的影響。從表1可以看出，HCO3-的含量僅次于Cl-，碳酸氫鈉可能會在脫水單元重沸器中的高溫下轉化成碳酸鈉，碳酸氫鈉將不會在脫鹽系統中回收，部分生成的碳酸鈉將會聚集在脫鹽裝置中被回收，這樣會導致閃蒸分離器出現高的pH值。如果閃蒸分離器中由于某種原因發生起泡，溶解的堿將會隨著泡沫進入到貧乙二醇中，可能會使貧乙二醇的堿度高于水下井口注入點允許的堿度，因此有必要中和一部分貧乙二醇中的堿性CO32-/HCO3-離子。此外，在高溫條件下，高含鹽的貧乙二醇可能會對脫鹽裝置材料造成一定的危害。

（5）氧氣對脫鹽系統的影響。乙二醇脫鹽采用真空閃蒸分離技術，若系統密閉不良極有可能導致氧氣進入到脫鹽系統的循環加熱回路中，造成乙二醇的氧化降解。此外，氧氣會導致輸送貧乙二醇的碳鋼海管腐蝕，因此，該系統應控制氧氣濃度要低于0.01 mg/L，可以通過加入除氧劑來消除氧氣對系統的影響。

（6）完井液對脫鹽系統的影響。該氣田在完井之前對地層進行了壓裂處理，使用的水基壓裂液中含有氯化鉀、氫氧化鈉、瓜膠、黏土穩定劑、消泡劑、表面活性劑、交聯劑、破膠劑和殺菌劑等藥劑，若壓裂液返排不徹底，壓裂液將會與地層流體一起產出。在投產的初期，水和鹽的產出量也會相應增加，必須加大貧乙二醇的注入量和乙二醇脫鹽系統的處理量，以防止水合物的形成和鹽的累積。此外，其他的化學藥劑也可能會累積在閃蒸分離器中，造成脫鹽系統循環回路中貧乙二醇溶液的黏度增加。如果沒有其他有效的方法除去完井液，那么只能定期排放沉積在閃蒸分離器循環回路中的完井液[9]。

（7）乙二醇的降解對脫鹽系統的影響。乙二醇既可以被氧化降解形成有機酸，也可以被單純地熱降解形成大分子的甘醇，如DEG、TEG和PEG。由于乙二醇的氧降解，氧氣的消耗量可能在0.01～0.04 mg/(L·s)，這取決于pH值和回收裝置的操作條件，如在閃蒸分離器的底部有空氣泄漏進來直接進入液體相，在回收裝置中乙二醇將會轉化成有機酸。乙二醇熱降解主要取決于換熱器換熱表層的溫度、生產的化學藥劑和鹽類，如碳酸鈉和氫氧化鈉都會影響乙二醇的降解速率。乙二醇熱降解產生大分子的甘醇對工藝沒有特別大的影響，但過量的降解將會導致脫鹽系統循環回路的乙二醇溶液黏度增加，最終影響循環加熱器的換熱效率。

（8）苯系物對乙二醇的影響。乙二醇從天然氣中吸收芳香族化合物，如苯、甲苯、乙苯、二甲苯等苯系物。苯系物連同其他有機化合物被認為是污染物，如己烷、環戊烷、庚烷、環己烷等統稱為揮發性有機化合物，監管機構限制排放這些化學物質進入自然環境。使用甘醇類天然氣脫水裝置的經驗表明，苯系物在MEG、DEG、TEG這三種甘醇中的溶解度屬MEG最小，使用乙二醇代替TEG和DEG可明顯地降低BTEX的排放[10]。

3 應對措施

（1）脫鹽系統采用耐腐蝕的不銹鋼材質的管線和設備。

（2）加入除氧劑防止乙二醇在脫鹽系統中發生氧化降解。

（3）在乙二醇循環回路上設計排放管線，定期排放高黏度、難閃蒸的廢液至傾入槽。

（4）在選定化學藥劑之前進行配伍性測試，盡量避免各種化學藥劑在不同條件下的相互作用而影響下游工藝功能。

（5）脫鹽系統的操作壓力為20 kPa，真空條件下可以保持低于150℃的操作溫度，遠低于乙二醇的熱降解溫度165℃；同時，采用螺旋式加熱器（圖5）減少了乙二醇的熱降解。

（6）該裝置中使用沉降槽、鹽罐和離心機組合技術不僅可以得到較干的鹽餅，減少了乙二醇的損失和BTEX的排放，而且保護了大氣和海洋環境。

圖5 螺旋式加熱器示意圖Fig.5 Schematic diagram of spiral exchanger

4 結束語

通過對乙二醇脫鹽裝置影響因素進行分析，提出了對乙二醇損失少、操作成本低、環境污染少并且安全可靠的解決措施。通過對乙二醇脫鹽系統采用耐腐蝕不銹鋼管材和螺旋式加熱器、加入除氧劑降解、提前進行藥劑配伍性測試、定期排放高黏度廢液等應對措施，不僅降低了乙二醇脫鹽系統結垢與腐蝕的風險，同時也減少了乙二醇的損耗，從而使脫鹽系統能夠長期穩定運行，此為乙二醇回收工藝的設計、調試和生產提供了一定的參考。