王麗榮，袁國清，李金林，劉建興，秦韜，付強(qiáng)偉，劉曉杰

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京　100085）

技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)

油田注水脫氧技術(shù)及工程應(yīng)用

王麗榮，袁國清，李金林，劉建興，秦韜，付強(qiáng)偉，劉曉杰

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京100085）

油田注水中含氧量過高易引起注水設(shè)備及管道的腐蝕，縮短注水系統(tǒng)設(shè)施使用壽命，油田注水須進(jìn)行脫氧處理。針對(duì)真空脫氧、熱力脫氧、膜脫氧等脫氧技術(shù)，介紹了其主要技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了真空脫氧、熱力脫氧技術(shù)在國內(nèi)外油田工程中的應(yīng)用情況及運(yùn)行過程中的注意事項(xiàng)。

油田注水；地表水；脫氧技術(shù)；真空脫氧；熱力脫氧；膜脫氧

油田注水時(shí)，水中含氧量過高會(huì)加重注水設(shè)備及管道的腐蝕，縮短其使用壽命，并造成好氧微生物在地層下繁殖，堵塞油路等一系列不良影響［1］。因此，必須對(duì)注水進(jìn)行脫氧處理。常用水脫氧技術(shù)包括真空脫氧、熱力脫氧、膜脫氧等。本文在分析各類常用水脫氧技術(shù)適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)等的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例總結(jié)真空脫氧、熱力脫氧在國內(nèi)外工程中的應(yīng)用情況、技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)行過程中的注意事項(xiàng)，為今后海外油田地面工程建設(shè)中地表水脫氧技術(shù)的合理選擇提供借鑒。

1　脫氧技術(shù)

常用水脫氧技術(shù)有真空脫氧、熱力脫氧、膜脫氧［2］。其脫氧原理和適用條件論述如下：

1.1真空脫氧

根據(jù)亨利定律，某種氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比，因此采用液面抽真空的方式減少液體表面分壓，使水中的溶解氧降低并析出［3］。真空脫氧具有技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低、日常維護(hù)簡單、無二次污染、節(jié)能環(huán)保、出水水質(zhì)穩(wěn)定、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)塔內(nèi)填料要求較高、設(shè)備占地面積大，一次投資高，且國內(nèi)設(shè)備缺少大規(guī)模真空脫氧業(yè)績。

真空脫氧主要適用大型油田，國內(nèi)缺少大型真空脫氧設(shè)備運(yùn)行的業(yè)績，國外大型油田常采用真空脫氧技術(shù)，單臺(tái)最大處理規(guī)?？蛇_(dá)1760m3/h，在配套使用脫氧劑情況下，出水中溶解氧的質(zhì)量濃度可達(dá)0.01mg/L。

1.2熱力脫氧

根據(jù)亨利定律和道爾頓定律，任何氣體在水中的溶解度與其在氣水界面上的分壓力及水溫有關(guān)，溫度越高，水蒸氣的分壓越高，而其它氣體的分壓則越低。在定壓條件下（一般表壓為0.020～0.025 MPa）將水加熱到沸點(diǎn)，使水中的溶解氧析出，并將析出的氧氣及時(shí)排除達(dá)到除氧目的。熱力脫氧具有運(yùn)行可靠，出水水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備簡單、操作簡便、節(jié)省藥劑等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)用水量大時(shí)，對(duì)熱負(fù)荷要求高，蒸汽或者熱源（導(dǎo)熱油）消耗量大，設(shè)計(jì)、安裝不便［4］。

熱力除氧適用于有穩(wěn)定熱源（蒸汽或者導(dǎo)熱油）及熱力工況穩(wěn)定的鍋爐、大中型的火力發(fā)電廠、區(qū)域供熱的熱電廠、負(fù)荷穩(wěn)定的化工、冶金、制藥等熱力系統(tǒng)。對(duì)于熱水鍋爐、低給水溫度的蒸汽鍋爐及其它要求低溫出樣的情況，不可采用熱力除氧［5］。

1.3膜脫氧

膜脫氧是采用經(jīng)過疏水處理的中空纖維膜，膜絲上微小的細(xì)孔只有氣體分子才能夠通過，水流在一定壓力下從中空纖維膜的外側(cè)通過，中空纖維膜內(nèi)部在真空泵的作用下不斷抽走氣體形成負(fù)壓，使水中氣體不斷進(jìn)入中空纖維膜，達(dá)到去除水中氧氣的目的。經(jīng)膜脫氧后，水中溶解氧的質(zhì)量濃度可達(dá)0.01mg/L以下。膜脫氧設(shè)備體積小，質(zhì)量輕，運(yùn)行費(fèi)用低，耗電小，無需投加化學(xué)藥劑，在除氧的同時(shí)可以除去水中CO2等氣體，對(duì)環(huán)境無二次污染。

膜脫氧一般對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求較高，以聚丙烯中空纖維膜為例，要求進(jìn)口水溫不大于35℃，水中顆粒粒徑小于8～10 μm， 濁度小于5 NTU，TSS的質(zhì)量濃度小于5mg/L，pH值控制在1～10。膜脫氧在制藥、電力、食品與飲料、墨水與油墨等領(lǐng)域的鍋爐給水工程中廣泛應(yīng)用，但目前國內(nèi)在大型油田工程項(xiàng)目中的應(yīng)用相對(duì)匱乏。

2　工程應(yīng)用

2.1真空脫氧技術(shù)在伊拉克A油田應(yīng)用

伊拉克A油田原油產(chǎn)能為12萬桶/d，油田注水補(bǔ)充水主要取自附近的巴士拉運(yùn)河。原水經(jīng)除砂、混凝沉淀及過濾等處理后滿足真空脫氧系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求。真空脫氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為20 000 m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為20℃，設(shè)計(jì)進(jìn)水溶解氧的質(zhì)量濃度為8～10mg/L，出水溶解氧的質(zhì)量濃度小于0.5mg/L。

2.1.1工藝流程

真空脫氧系統(tǒng)的核心設(shè)備是真空脫氧塔、真空泵、噴射器及附屬系統(tǒng)。其真空脫氧工藝流程如圖1所示。

圖1　兩級(jí)真空脫氧工藝流程Fig.1　Process f1ow of two-stage vacuum deoxygenation

來水進(jìn)入兩級(jí)真空脫氧塔，經(jīng)脫氧處理后脫氧水從塔底經(jīng)塔底泵打入注水罐；塔頂排出的部分含氧水及空氣混合物經(jīng)真空泵分離器分離后，空氣排入大氣中，含氧水自流至回收水罐，回水經(jīng)回收水泵提升至真空脫氧塔繼續(xù)進(jìn)行脫氧處理；真空脫氧塔及回收水罐中的污水排入回收池。

2.1.2主要設(shè)備選型

（1）真空脫氧塔。真空脫氧塔3臺(tái)，單臺(tái)處理量為300 m3/h。塔填料采用2"的拉西環(huán)，淋水密度取51 m3/（m2·h）。

每臺(tái)真空脫氧塔包含兩級(jí)真空，一級(jí)真空位于脫氧塔上部，一級(jí)真空高度為5.4 m，其設(shè)計(jì)真空度為9.95 kPa（A），其真空主要依靠真空泵；二級(jí)真空位于脫氧塔下部，二級(jí)真空高度為5.1 m，其真空度為2.94 kPa（A），其真空主要依靠水射器。

（2）真空泵。真空泵采用水環(huán)真空泵，流量為1 620 m3/h，進(jìn)口壓力為9.95 kPa。

（3）水射器。水射器設(shè)計(jì)流量為740 m3/h，最大吸入能力為1 100 m3/h。

（4）加藥系統(tǒng)。設(shè)置3套加藥撬裝設(shè)備，分別投加緩蝕阻垢劑（50mg/L）、殺菌劑（100mg/L）、脫氧劑（50mg/L）。合理有效加入脫氧劑是影響真空脫氧效果的關(guān)鍵因素，在真空度達(dá)不到要求的情況下，可以通過加藥達(dá)到設(shè)計(jì)出水指標(biāo)。

（5）塔底泵。塔底泵用于將脫氧塔內(nèi)合格水提升至注水罐，采用變頻控制。為有效保持脫氧塔內(nèi)液位恒定，設(shè)計(jì)采用塔內(nèi)液位與塔底泵聯(lián)鎖控制。

2.1.3實(shí)際運(yùn)行效果

該真空脫氧系統(tǒng)于 2013年 7月正式投產(chǎn)，2014年1月份運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可看出，加藥后運(yùn)行的脫氧塔的出水含氧量能達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求。

表1　2014年1月現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.1　On-site operation data on January，2014

2.1.4存在問題及解決措施

（1）由于噴射器進(jìn)口管線較長，摩阻增加，使得二級(jí)真空度不足，在加藥的情況下出塔溶解氧的質(zhì)量濃度最低達(dá)到0.15mg/L，與國外部分油田注水指標(biāo)的0.02～0.05mg/L相差較大。需調(diào)整噴射器安裝管線。

（2）進(jìn)入塔內(nèi)的泡沫穩(wěn)定，氣體包裹在大量氣泡中難以脫除，氧在流經(jīng)真空塔后，重新溶入水中，在真空塔進(jìn)水口位置加入有機(jī)硅等消泡劑，消除泡沫的影響。

2.2熱力脫氧在伊拉克H油田應(yīng)用

伊拉克H油田原油產(chǎn)能為40萬桶/d。為滿足油田電脫鹽裝置洗鹽用水含氧指標(biāo)的要求，采用導(dǎo)熱油作為熱媒產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行熱力脫氧。來水經(jīng)過初期沉淀，混凝過濾后進(jìn)入熱力脫氧系統(tǒng)。脫氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為1 890 m3/d，預(yù)熱后進(jìn)脫氧塔的水溫為55～80℃，設(shè)計(jì)進(jìn)水溶解氧的質(zhì)量濃度為6.4mg/ L；出水溶解氧的質(zhì)量濃度小于0.05mg/L；導(dǎo)熱油類型：T55型導(dǎo)熱油。

2.2.1工藝流程

熱力脫氧系統(tǒng)的核心設(shè)備是熱力脫氧塔，BKU型釜式重沸器包括填料塔、盤管等附屬系統(tǒng)。其脫氧工藝流程如圖2所示。

處理后的河水經(jīng)換熱器預(yù)熱到55～80℃，然后進(jìn)入熱力脫氧塔，在105℃、1.2個(gè)大氣壓（絕對(duì)壓力）下脫氧，脫氧之后的熱水，直接泵送到油氣區(qū)電脫鹽裝置內(nèi)用于洗鹽。

2.2.2主要設(shè)備選型

選用BKU型釜式重沸器［6］，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為5.8 MW，液負(fù)荷為21.53～45.21 m3/（m2·h）。填料塔直徑為1 500 mm；理論塔板層數(shù)為4層，單層塔板計(jì)算高度為450 mm，填料層選取高度為2 000 mm。填料為Dg38鮑爾環(huán)，填料塔壓降為140.6～226.0 Pa，盤管束數(shù)為4束。

圖2　熱力脫氧工藝流程Fig.2　Process of therma1 deoxygenation

2.2.3實(shí)際運(yùn)行效果

現(xiàn)場(chǎng)初步運(yùn)行結(jié)果表明，導(dǎo)熱油作為熱媒進(jìn)行熱力除氧可行，可達(dá)到除氧效果。但目前電脫鹽設(shè)備初期需水量較少，除氧塔在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，頂部工作壓力略低于0.02 MPa，實(shí)際運(yùn)行水溫略低于設(shè)計(jì)水溫。最終運(yùn)行效果待后期進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2.4存在問題及解決措施

（1）由于此熱力脫氧塔類似于管殼式換熱器，高硬度水易在換熱器盤管上產(chǎn)生結(jié)垢問題。宜對(duì)水源水進(jìn)行軟化處理或采用添加阻垢劑、電磁除垢等水質(zhì)穩(wěn)定措施［7］。

（2）脫氧后的熱水為飽和水，操作運(yùn)行不當(dāng)可能造成塔底泵產(chǎn)生氣蝕。為防止泵產(chǎn)生氣蝕，應(yīng)經(jīng)過核算慎重決定塔器的安裝高度，同時(shí)塔底部釜低液位的設(shè)置需保證導(dǎo)熱油加熱盤管全部浸沒水中。

（3）為防止出現(xiàn)蒸汽過熱導(dǎo)致除氧指標(biāo)無法達(dá)到要求，熱力除氧塔預(yù)留了除氧劑加藥接口，以保證最終的除氧效果。

3　結(jié)語

（1）真空脫氧、熱力脫氧和膜脫氧是常用的水脫氧技術(shù)。地表水為水源的脫氧工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)不同油田的工況及設(shè)計(jì)條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇脫氧技術(shù)方案。

（2）真空脫氧技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，脫氧效果較好。在用水量較大且水溫要求不高時(shí)，宜采用真空脫氧；合理投加脫氧劑，提高脫氧效果；噴射器的安裝位置對(duì)真空度產(chǎn)生重要影響，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，經(jīng)理論計(jì)算后確定。

（3）對(duì)用水溫度較高且有穩(wěn)定熱源供應(yīng)時(shí)，宜采用熱力脫氧技術(shù)。為防止塔底泵產(chǎn)生氣蝕，塔器的安裝高度應(yīng)經(jīng)核算后確定。

［1］油氣田開發(fā)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法：SY/T5329—2012［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2012.

［2］張翼.除氧方法的發(fā)展與比較［J］.化工設(shè)計(jì)，1998，（3）：35-37.

［3］王剛軍，牛文穎.油氣田注水中幾種脫氧工藝技術(shù)比較［J］.遼寧化工，2015，44（5）：548-551.

［4］李維平，雷玉祥，李希之.地表水脫氧工藝技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.中國給水排水，2010，26（10）：45-48.

［5］安麗，王宏.熱力除氧器的比較與分析［J］.廣東化工，2012，39（17）：113-114.

［6］閆瑞陽.熱力除氧器的典型型式與應(yīng)用［J］.科技信息，2012，（1）：253-253.

［7］王歡，肖潔，張震，等.熱力除氧器淺析［J］.石油化工設(shè)備，2011，40（S1）：41-43.

Technology of oilfield flooding dioxygenation and its engineering application

WANG Li-rong，YUAN Guo-qing，LI Jin-1in，LIU Jian-xing，QIN Tao，F(xiàn)U Qiang-wei，LIU Xiao-jie
（China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Beijing Company，Beijing 100085，China）

As high oxygen content in oi1fie1d f1ooding may corrode water injection faci1ities and pipe1ines and shorten their service 1ife，to dioxygenate oi1fie1d f1ooding was necessary.The main technica1 princip1es，app1icab1e conditions and advantages and disadvantages of vacuum deoxidation，therma1 deoxygenation and membrane deoxygenation were introduced.Meanwhi1e，combined with engineering examp1es，the app1ication situations of vacuum deoxidation and therma1 deoxygenation techniques in domestic and foreign oi1fie1d projects as we11 as the announcements during the operation were summarized.

oi1fie1d f1ooding；surface water；deoxygenation techno1ogy；vacuum deoxygenation；therma1 deoxygenation；membrane deoxygenation

X703.1；X741

A

1009-2455（2016）03-0039-03

王麗榮（1982-），女，寧夏銀川人，工程師，本科（雙學(xué)位），主要從事油田污水處理、注水及排水、消防設(shè)計(jì)與技術(shù)研究，（電話）010-82778210（電子信箱）wang1irong@cpebj.com。

2016-03-10（修回稿）