國產(chǎn)注汽鍋爐用于多佛油田開發(fā)的適應(yīng)性分析

賀吉濤，吳偉棟，李 靖，侯林杰

(中油(新疆)石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

稠油是21世紀(jì)重要的石油資源，占世界石油剩余可采儲量的53%。我國石油剩余可采儲量中，稠油占40%，目前主要分布在遼河油田和新疆油田。稠油開采方式主要是熱采，通過注蒸汽來降低稠油粘度，進(jìn)而提高稠油的產(chǎn)量和最終采收率，其主要設(shè)備-油田注汽鍋爐得到迅速的發(fā)展。國內(nèi)的注汽鍋爐技術(shù)經(jīng)歷了引進(jìn)使用、自主生產(chǎn)、新設(shè)備研發(fā)等階段，目前生產(chǎn)的濕蒸汽注汽鍋爐、高干度注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐等產(chǎn)品在油田應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并具備了對外出口的能力。為了保障國家能源安全，中石油、中石化、中海油均在加拿大收購有稠油油田，中石油的稠油油田主要為麥肯河與多佛油田。由于國外注汽鍋爐價格普遍很高，每蒸噸的售價可達(dá)到國產(chǎn)注汽鍋爐的4～5倍，不利于降低工程投資。隨著國內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，有望通過注汽鍋爐的國產(chǎn)化降低海外稠油開發(fā)注汽系統(tǒng)的投資。

李春濤等將過熱蒸汽應(yīng)用于肯基亞克油田鹽上稠油油藏開發(fā)，增產(chǎn)效果明顯[1]。孫國成等對過熱鍋爐的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場運(yùn)行情況做了分析，并將新疆風(fēng)城油田中的兩臺過熱鍋爐性能通過數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，過熱注汽鍋爐適用于新疆油田[2]。高新華等根據(jù)過熱注汽鍋爐與常規(guī)注汽鍋爐在新疆油田的使用情況，對兩種注汽鍋爐單位能耗及開發(fā)效果進(jìn)行比對分析[3]。劉佳針對現(xiàn)今稠油開發(fā)的技術(shù)要求，提出過熱注汽鍋爐在稠油開采中的需要并對過熱注汽鍋爐效果進(jìn)行驗(yàn)證[4]。顧錦彤等從研究注汽鍋爐的結(jié)垢機(jī)理入手,提出了污水硬度深度去除技術(shù)、高含硅稠油污水回用鍋爐技術(shù)和干度在線監(jiān)測及控制技術(shù)三大有效的阻垢防垢技術(shù)，確保油田注汽鍋爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行[5]。郭彬等以單管實(shí)驗(yàn)為研究方法，研究過熱蒸汽對驅(qū)油效果的影響， 并從多個方面對驅(qū)油機(jī)理進(jìn)行分析[6]。周英等對濕蒸汽注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐、超(超)臨界注汽鍋爐和燃煤注汽鍋爐的結(jié)構(gòu)和水處理工藝進(jìn)行了分析，得出以上鍋爐在油田的適用情況[7]。Cleaver Brooks鍋爐集團(tuán)生產(chǎn)的強(qiáng)制循環(huán)汽包注汽鍋爐，結(jié)構(gòu)緊湊，可生產(chǎn)99.9%的高干度蒸汽，在加拿大稠油開發(fā)中得以應(yīng)用[8]。IST公司提出了一種使用優(yōu)化爐管后的直流注汽鍋爐，蒸汽干度可以提升至90%[9]。B&W公司提出了一種使用多循環(huán)技術(shù)的汽包注汽鍋爐，鍋爐給水礦化度可以提升至1 000 mg/L[10]。吳偉棟等提出了一種可回用凈化采出水的模塊化燃?xì)馄⑵仩t，鍋爐噸位一般在75～220 t/h，使用創(chuàng)新的分段蒸發(fā)技術(shù)，可以在給水礦化度控制在2 000 mg/L的條件下生產(chǎn)過熱蒸汽[11]。

1 燃?xì)庾⑵仩t在國內(nèi)油田的應(yīng)用情況

遼河油田與新疆油田是我國稠油的主要產(chǎn)區(qū)，兩個油田的稠油產(chǎn)量占國內(nèi)稠油總產(chǎn)量的90%左右。兩個油田結(jié)合自身的地域特點(diǎn)，形成了工藝流程先進(jìn)、布局合理、運(yùn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益好的稠油開采技術(shù)，代表了國內(nèi)的稠油開發(fā)水平。

1.1 燃?xì)庾⑵仩t在新疆油田的應(yīng)用

新疆油田目前主要在用的燃?xì)庾⑵仩t爐型包括濕蒸汽注汽鍋爐、高干度注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐等，均為直流鍋爐。表1為新疆油田主要的燃?xì)庾⑵仩t技術(shù)參數(shù)。

從80年代至今，濕蒸汽注汽鍋爐在新疆油田已使用數(shù)百臺，主要用于吞吐開發(fā)，鍋爐運(yùn)行狀況良好。近年來，隨著地質(zhì)開發(fā)對于蒸汽品質(zhì)要求的提高，新疆油田的新建產(chǎn)能基本已不再建設(shè)濕蒸汽注汽鍋爐。高干度注汽鍋爐是研發(fā)過熱注汽鍋爐的過渡爐型，由于該爐型需要使用除鹽水，水處理成本偏高，目前已不再新建。過熱注汽鍋爐自2008年試驗(yàn)成功后在新疆油田推廣，廣泛應(yīng)用于油田產(chǎn)能建設(shè)，在SAGD、吞吐、汽驅(qū)等開發(fā)中均有應(yīng)用，至今已建設(shè)150余臺。相同壓力條件下，過熱蒸汽的熱焓與比容大于濕蒸汽，所以注入過熱蒸汽可以有效提高井底蒸汽干度，蒸汽干度越高，注入油層中等量蒸汽的熱量越高，降粘作用、熱膨脹作用、解堵作用更好，驅(qū)油效率更高，有利于提高采油效果。因此，過熱注汽鍋爐是近年來新疆油田產(chǎn)能建設(shè)的主力爐型。

表1 新疆油田主要燃?xì)庾⑵仩t技術(shù)參數(shù)

1.2 燃?xì)庾⑵仩t在遼河油田的應(yīng)用

遼河油田目前主要在用的燃?xì)庾⑵仩t爐型包括濕蒸汽注汽鍋爐、高干度注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐、超臨界壓力注汽鍋爐等直流鍋爐。表2為遼河油田主要燃?xì)庾⑵仩t技術(shù)參數(shù)。

表2 遼河油田主要注汽鍋爐技術(shù)參數(shù)

濕蒸汽注汽鍋爐主要用于遼河油田的吞吐開發(fā)。遼河油田SAGD開發(fā)使用的注汽鍋爐主要有兩種：高干度蒸汽注汽鍋爐和過熱蒸汽注汽鍋爐。高干度注汽鍋爐的主要流程為：鍋爐給水由柱塞泵送入鍋爐，受熱汽化后，飽和濕蒸汽經(jīng)過汽水分離器，得到高干度飽和濕蒸汽與高溫汽水分離水，該方式與加拿大SAGD采用的直流鍋爐+汽水分離器的高干度蒸汽發(fā)生方式相似。對于過熱蒸汽注汽鍋爐，汽水分離器分離后的飽和濕蒸汽經(jīng)過鍋爐過熱段后與分離水摻混后通過管線注入井口。

1.3 運(yùn)行中的問題

(1)過熱注汽鍋爐導(dǎo)致管道結(jié)鹽

過熱注汽鍋爐是通過在濕蒸汽鍋爐的基礎(chǔ)上增加過熱段、汽水分離摻混系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽的發(fā)生。目前國內(nèi)外熱采注汽鍋爐的出口蒸汽溫度干度控制在80%以內(nèi)，原因是采用了只軟化除硬而不除鹽的水處理工藝，鍋爐運(yùn)行正常，但由于汽水分離器分離出的約20%的濃縮鹽水回?fù)降秸羝校瑢?dǎo)致后端注汽管道及井筒結(jié)鹽。目前通過定期降低注汽干度，利用飽和水進(jìn)行沖洗的方式保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

(2)柱塞泵耐溫不足

隨著SAGD開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，油田熱能平衡的問題逐漸凸顯，采出液余熱加熱鍋爐給水是主要的用熱方式。目前，過熱注汽鍋爐使用的是耐高溫柱塞泵，額定耐溫為150 ℃，實(shí)際運(yùn)行中由于盤根密封問題，給水溫度難以達(dá)到設(shè)計(jì)值，實(shí)際試驗(yàn)時可達(dá)到120 ℃左右，距額定耐溫150 ℃尚有差距。

2 多佛北油田注汽系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 注汽參數(shù)

加拿大稠油油藏儲層大部分是疏松砂巖，埋藏一般較淺，大多使用稠油熱采。多佛北油田采用SAGD開發(fā)，井口注汽參數(shù)要求：注汽溫度270 ℃，注汽壓力5.5 MPa，井口注汽干度≥95%。

2.2 鍋爐供水水質(zhì)

1978年R.M.Butler博士提出SAGD概念與理論之后，SAGD經(jīng)過UTF現(xiàn)場試驗(yàn)、商業(yè)化應(yīng)用后，進(jìn)入現(xiàn)場規(guī)模實(shí)施。通過多年的發(fā)展，目前基本形成了兩種工藝路線，一是除油除懸浮物后的采出水采用蒸發(fā)除鹽；另一種是除油除懸浮物后的采出水采用石灰軟化+過濾+離子交換軟化。多佛北油田采用2種不同水處理工藝的水質(zhì)見表3。

表3 不同處理工藝的鍋爐給水水質(zhì)

2.3 鍋爐燃料

加拿大稠油熱采的鍋爐燃料主要為氣體燃料，燃料形式包括天然氣、伴生氣、裂解氣、摻混氣等，多佛北油田的燃料以摻混氣為主。

3 國產(chǎn)注汽鍋爐的技術(shù)適應(yīng)性分析

根據(jù)各類國產(chǎn)注汽鍋爐在國內(nèi)的應(yīng)用情況，結(jié)合多佛北稠油SAGD開發(fā)的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，22.5 t/h過熱注汽鍋爐、100 t/h高干度注汽鍋爐滿足注汽壓力、注汽干度的條件，具備在加拿大應(yīng)用的可能性，以下就這兩種爐型在技術(shù)方面的適應(yīng)性予以分析。

3.1 注汽鍋爐的布置與安裝

根據(jù)加拿大稠油SAGD開發(fā)的特點(diǎn)，注汽鍋爐一般建在中心處理站內(nèi)，注汽鍋爐負(fù)責(zé)項(xiàng)目內(nèi)所有井的注汽任務(wù)，蒸汽通過大口徑注汽管道輸送至各井場。由于系統(tǒng)負(fù)責(zé)的注汽量較大，以22.5 t/h為代表的小噸位國產(chǎn)燃?xì)庾⑵仩t安裝方便，但不適合集中建設(shè)，將鍋爐建設(shè)在各井場是相對可能的方式。該方式可以最大限度的減少大口徑高溫高壓注汽管道的建設(shè)，但隨之會帶來配套水、氣、排污管網(wǎng)以及電網(wǎng)的增加，投資反而會上升，同時會存在管理點(diǎn)增多、熱能平衡難度大、大氣污染物排放分散等問題。

100 t/h的高干度注汽鍋爐具備集中建設(shè)條件，但是其采用的直流鍋爐+汽水分離器生產(chǎn)高干度蒸汽的方法缺點(diǎn)在于：(1)25%左右的高溫高壓飽和水需要換熱降溫并閃蒸，存在能量品位的降低，且蒸汽長距離輸送后需配套較多的冷凝水疏水回收裝置才能滿足SAGD井口的蒸汽干度要求，管理相對復(fù)雜；(2)100 t/h的鍋爐實(shí)際只能生產(chǎn)75 t/h左右的高干度蒸汽，規(guī)模化注汽需要的鍋爐臺數(shù)較多；(3)由于當(dāng)?shù)匕惭b費(fèi)及建筑施工費(fèi)用十分高昂，所以注汽鍋爐一般為露天布置。該鍋爐需要繼續(xù)優(yōu)化提高模塊化程度及環(huán)境適應(yīng)能力，才能適應(yīng)加拿大注汽鍋爐模塊化組裝、露天布置的特點(diǎn)。

3.2 水質(zhì)適應(yīng)性

采用MVC+RLD(機(jī)械壓縮降膜蒸發(fā)+再循環(huán)結(jié)晶)的水處理方式時，由于給水礦化度極低，小于蒸汽的攜鹽能力，使用過熱注汽鍋爐預(yù)計(jì)可以正常運(yùn)行，后端管道與井筒也不會出現(xiàn)結(jié)鹽的情況；使用100 t/h的高干度注汽鍋爐可以正常運(yùn)行，且可以適當(dāng)提高運(yùn)行干度，但產(chǎn)汽品質(zhì)、系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性方面不及汽包鍋爐，所以該模式一般不會被采用。

采用石灰軟化+過濾+離子交換軟化的處理方式時，由于給水礦化度接近2 000 mg/L，預(yù)計(jì)過熱注汽鍋爐可以正常運(yùn)行，但注汽管道與井筒會出現(xiàn)與國內(nèi)同樣的結(jié)鹽問題，屆時也需要定期降低干度進(jìn)行清洗；由于高干度注汽鍋爐的實(shí)際蒸汽發(fā)生設(shè)備為濕蒸汽直流鍋爐，給水礦化度可放寬至7 000 mg/L，預(yù)計(jì)可以適應(yīng)凈化采出水的水質(zhì)。

3.3 工藝適應(yīng)性

SAGD開發(fā)意味著大量的采出液熱能需要與鍋爐給水進(jìn)行換熱，目前加拿大常用的工藝需要鍋爐給水溫度換熱至150～160 ℃，國產(chǎn)22.5 t/h注汽鍋爐的柱塞泵耐溫與該要求尚有差距。因此，若直接使用該鍋爐作為規(guī)模化注汽的主力爐型，則意味著屆時會有大量的余熱不能與鍋爐給水換熱，需要考慮其他的熱能利用方式或空冷。因此，使用國產(chǎn)注汽鍋爐的思路包括：(1)取消22.5 t/h注汽鍋爐的柱塞泵，多臺鍋爐采用耐高溫離心泵集中高壓供水的模式，并對鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；(2)采用100 t/h高干度注汽鍋爐生產(chǎn)高干度蒸汽，采用耐高溫離心泵集中高壓供水。

3.4 環(huán)保適應(yīng)性

根據(jù)《Emission Guidelines for NOx》，加拿大阿爾伯達(dá)使用摻混氣的工業(yè)用直流鍋爐的NOx排放限值為40 g/GJ，控制目標(biāo)為15.8 g/GJ。國產(chǎn)注汽鍋爐普遍采用低氮燃燒器的方式控制NOx，性能較好的燃燒器接近排放限值，但未能達(dá)到控制目標(biāo)。若要達(dá)到控制目標(biāo)，需要考慮使用更先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù)，或增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，對鍋爐進(jìn)行升級。

4 結(jié)論

(1)22.5 t/h過熱注汽鍋爐根據(jù)國內(nèi)油田的開發(fā)模式與生產(chǎn)工藝特點(diǎn)研發(fā)，較好的適應(yīng)了國內(nèi)油田稠油產(chǎn)能滾動開發(fā)的需求。加拿大阿爾伯達(dá)省的稠油開發(fā)模式為整體開發(fā)，生產(chǎn)工藝也與國內(nèi)有一定的差異，通過分析，22.5 t/h過熱注汽鍋爐暫時還不具備在加拿大進(jìn)行規(guī)模化推廣的條件，但NOx控制水平升級后可以作為小規(guī)模試采的汽源。

(2)國產(chǎn)100 t/h高干度注汽鍋爐的高干度蒸汽發(fā)生方式源于加拿大，國產(chǎn)化具有價格優(yōu)勢。若要用于加拿大稠油開發(fā)，需要進(jìn)行鍋爐NOx控制技術(shù)、模塊化、環(huán)境適應(yīng)性等方面的升級。基于直流鍋爐在水質(zhì)適應(yīng)性方面的優(yōu)勢，該鍋爐升級后在采出水礦化度更高的油區(qū)更能體現(xiàn)優(yōu)勢。

(3)采用分段蒸發(fā)技術(shù)的燃?xì)馄^熱注汽鍋爐，采用模塊化安裝，通過煙氣再循環(huán)與低氮燃燒實(shí)現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放，給水水質(zhì)要求與多佛北油田凈化采出水水質(zhì)十分契合。該鍋爐既有國產(chǎn)鍋爐成本低的優(yōu)勢，又在技術(shù)上很好地適應(yīng)了多佛北油田稠油開發(fā)的要求，現(xiàn)場試驗(yàn)成功后可以在加拿大稠油開發(fā)推廣，有利于降低地面系統(tǒng)投資。