稠油熱采井產出水注汽鍋爐資源化利用試驗＊

王學忠

中石化新疆新春石油開發有限責任公司

石油是我國重要的能源資源之一，在石油產業發展過程中，面臨著油田采出水處理問題。隨著主力油田進入中后期開發，采出水處理量逐年增加，富余采出水的出路已成為制約油田發展的難題。準噶爾盆地西緣春風油田已探明儲量以低品位的薄淺層超稠油為主，采取水平井、降黏劑、氮氣輔助蒸汽吞吐實現了規模開發[1-2]。開發過程中一方面需要大量清水[3]，經過加熱變成蒸汽后注入到地層，為稠油開采提供能量；另一方面，隨著生產井井數不斷增加，每天產水量也不斷增加，如何處理大量產出水也成為生產一大難題[4-5]，有必要開展油田采出水注汽鍋爐資源化利用技術研究。基于綠色發展、效益開發、熱采鍋爐清水需求量大、聯合站采出水負荷高、節約地下水資源等方面的考慮，建立了機械壓縮蒸發處理站，采用“預處理+機械壓縮蒸發器（MVC）多效蒸發+深度處理”[6-7]的工藝，很好地解決了這一技術難題。

1 需求分析

中石化新疆新春石油開發有限責任公司立足于春風油田超稠油水平井、氮氣及降黏劑輔助蒸汽吞吐技術[8]，建成稠油生產基地。

春風油田主要含油層系為新近系沙灣組，構造平緩，地層傾角1°～2°。油層埋藏470～700 m，巖性為棕褐色富含油細砂巖，孔隙度大于33%，滲透率大于1 000 mD，含油飽和度大于65%；油層溫度25～35 ℃，儲集層有效厚度為2～5 m，地下原油黏度為20 000～90 000 mPa·s，油層壓力為2～6 MPa。春風稠油成因在于春風油田沙灣組原油經受過強烈的生物降解作用，加之埋藏淺、油藏溫度低，油層原油黏度很高，原始油藏條件下呈不能流動的天然瀝青狀，60 ℃條件下稠油轉變成可流動的牛頓流體。另外，春風稠油中瀝青質相對分子質量大、極性強，原油中碳元素和氫元素含量之和超過95%，雜原子含量較低，加熱時烴類裂解需要的能量較低，膠質與瀝青質之和低于20%，較容易降黏，適合熱采。

2010年以來，春風油田已開發動用7個稠油區塊，動用石油地質儲量4 600×104t，有稠油熱采井800 口，每天注汽7 500 t，日產油3 100 t，日產水9 000 m3左右。地質儲量采出程度15%，無論繼續開展蒸汽吞吐，還是采取蒸汽驅提高采收率，潛力都很大[9]，具備高質量可持續發展的資源基礎。春風油田地處準噶爾盆地西緣干旱少水的戈壁荒漠，面臨注汽清水短缺、油田產出水無出路的雙重壓力，油田產出水資源化利用刻不容緩。春風油田建有聯合站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、輸油管網齊全。主要采用固定鍋爐、固定管網注汽輸油，建成注汽及水源井管網、集輸管網共計700 km。1座流化床注汽鍋爐每小時生產優質蒸汽130 t，注汽干度99%。與傳統注汽鍋爐相比，注汽能力明顯提高，而且更加環保，注汽干度提高30 個百分點，噸汽成本下降50個百分點。

2 核心技術原理

2.1 技術路線

近年來，含油水量隨著油田持續開發逐年遞增，普通水驅油藏產出水重復利用難題基本解決[10]。春風油田既是耗水大戶又是產水大戶，由于蒸汽鍋爐對處理后的水質要求非常高，稠油熱采井產出水重復利用難關始終難以攻克，主要是熱采井產出水高溫、高礦化度、高硬度，資源化利用難度很大。常用脫鹽除硬工藝包括：離子交換法、雙膜法以及蒸餾法。離子交換法僅適用于礦化度低于4 000 mg/L，總硬度低于300 mg/L 的水處理，可用于終端除硬。對于高鹽、高硬水，雙膜法產水率低，需深度預處理，高溫污水需要預先降溫處理。蒸發技術是通過加熱的原理來減少水分，改變溶液中鹽濃度，從而使油田采出水處理的體積減小。經過充分調研，考慮到生產實際，引進以色列凈化海水的先進技術[11]，在春風油田建設熱采井產出水機械壓縮蒸發處理站，采用“預處理+MVC 多效蒸發+深度處理”工藝。

2.2 預處理工藝

春風油田熱采產出水含油、懸浮物、總硬度、礦化度等指標均高于注汽鍋爐回用水質要求。為此，預處理階段應用了集藥劑混合、化學反應、絮凝沉淀和過濾澄清功能于一體的高密度懸浮澄清器（除鹽工藝）（圖1）[12-15]。以春風油田采出含油水作為原水，通過機械攪拌將混凝、反應和沉淀置于一個罐中進行綜合處理，懸浮狀態的活性污泥床層與加藥的原水在機械攪拌作用下增加了顆粒碰撞機會，提高了混凝效果。經過分離的清水上升溢流出水，沉下的污泥部分沿回流縫再進入第一反應室進行絮凝，部分則經濃縮后定期排放。除硬率、除氟率超過97%，出水二氧化硅質量濃度小于5 mg/L。

2.3 MVC多效蒸發和深度處理工藝

MVC（圖2）采用低溫多效水平管降膜蒸發。壓縮蒸餾利用壓縮機把蒸發過程所產生的二次蒸汽壓縮，使之增壓和升溫，再作為加熱蒸汽使用，使自身冷凝為淡水，如此循環使得蒸汽潛熱被反復利用。根據壓縮能量來源不同將壓縮蒸餾分為機械壓縮[16]和熱力壓縮。其中機械壓縮不需要外部蒸汽補汽，僅靠機械能轉化為熱能。多效蒸發裝置將多個蒸發器單元串聯運行。第一效將蒸發過程產生的蒸汽由壓縮機壓縮增壓升溫形成過熱蒸汽，作為水蒸發的熱源，之后的每一效利用前一級產生的二次蒸汽為熱源進行加熱[17]。

圖1 春風油田產出水資源化利用礦場試驗流程Fig.1 Resource utilization pilot test of produced water in Chunfeng Oilfield

進入MVC 之前入料水需經脫氣后與裝置第一效的未蒸發的濃水混合后通過入料水噴淋系統將其均勻地噴灑在水平布置的換熱管束外表面，形成連續的薄膜狀水流。一部分水流在吸收了熱交換管內蒸汽冷凝后釋放出來的潛熱后蒸發；另一部分未蒸發的水流，這時其濃度略有提高后又分成兩股水流，一股水流在本效體內循環，另一股水流則用作下一效的入料工藝水。每一效汽化出來的蒸汽都要流過裝置內的鹽霧分離器以防止水滴夾帶，通過最后一效汽化出來的蒸汽進入裝置的機械蒸汽壓縮機內，經壓縮升壓升溫后蒸汽被送入裝置第一效的熱交換管內側。春風油田熱采井產出水資源化利用的蒸發和深度處理階段，產出水經MVC 多級循環蒸發、深度處理達到注汽鍋爐用水標準，產品水全部回用于油田注汽開發。MVC 技術用低溫多效水平管降膜蒸發脫鹽，蒸發溫度為70 ℃，蒸發壓力為0.03 MPa，具有產水量大、脫鹽、除硬徹底的特點。

2.4 節能環保經濟

MVC 技術利用機械壓縮機將電能轉化為熱能，具有運行穩定、蒸發能耗低、運行成本低等特點。用于熱采井產出水處理時，利用熱采產出水本身熱量，節能高效。除了壓縮機之外，MVC 裝置的運轉部件很少，可有效地將設備的運行和維護費用降至最低。MVC 工藝主要消耗電能，新疆地區煤炭資源豐富，低廉的電價使得春風油田采用MVC工藝更經濟。

圖2 機械壓縮蒸發器(MVC)Fig.2 Mechanical vapor compression（MVC）

3 應用

春風油田產出水處理站已投產運行2年，日產清水5 000 m3，不僅解決了產出水處理難題，還實現了水資源的循環利用，能夠滿足注汽鍋爐用水的質量要求（表1）。同時熱采井產出水余熱得到綜合利用，產品水溫度大于60 ℃，降低了后續注汽鍋爐的能耗。據了解，中國現有薄層低品位稠油資源7×108t，稠油熱采井產出水資源化利用技術應用前景廣闊。

表1 熱采井產出水資源化利用后產品水的水質指標

4 結束語

將低溫多效水平管降膜蒸發技術應用到我國油田水處理工程領域，實現物理法深度脫鹽，達到了注汽鍋爐用水標準，解決了高礦化度高硬油田采出水難以回用的難題。

春風油田稠油熱采井產出水處理站已投產運行2 年，降低了稠油開采的水資源消耗和回注水量，實現了水資源的循環利用，打破了稠油開發規模擴大的瓶頸限制，推動了行業技術進步和生態環境保護。