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(中海石油(中國)有限公司 天津分公司 渤海石油研究院， 天津 300452)

0 引 言

渤海油田稠油資源豐富，潛力巨大，亟需有效的技術手段提高運用程度。目前，南堡某稠油油田[1-2]已開展多元熱流體復合吞吐技術，通過便攜式多元熱流體發(fā)生器產(chǎn)生熱流體，單臺額定排量為5.37 t/h，重量小于20 t，占地面積約250 m2，熱流體出口溫度為240 ℃，熱效率可達到97%～99%。旅大某稠油油田采用蒸汽吞吐方式開發(fā)，選用立式蒸汽發(fā)生器，額定蒸發(fā)量為11.2 t/h，重量為25 t，相比于傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器，體積減小68%，重量減輕58%，可產(chǎn)生溫度為340 ℃、干度為0.8的蒸汽，熱效率可達90%[3]。

渤海某稠油油田先導試驗區(qū)計劃新建1座井口平臺，地面原油黏度為51 340 MPa·s，20 ℃時密度為1 005.2 kg/m3，屬于超重質(zhì)特稠油。為了加大稠油油田的開采力度，計劃采用蒸汽吞吐的開采方式指導該油田的高效開發(fā)，通過綜合研究，要求蒸汽吞吐時注汽速度為300 m3/d，鍋爐蒸汽出口溫度為370 ℃，壓力為21 MPa，干度為0.9。

1 影響注汽鍋爐應用的關鍵因素

1.1 燃料的影響

海上稠油油田開發(fā)注汽鍋爐通常采用油田自產(chǎn)伴生氣或原油作為燃料，對于有伴生氣的油田，應充分利用平臺自產(chǎn)伴生氣，減少原油的消耗，且燃燒前需要經(jīng)過脫水、脫油、脫硫、除塵和干燥等處理，運行時天然氣的供給應保證連續(xù)不斷。對于油田自產(chǎn)伴生氣不足的稠油油田，考慮燃用平臺自產(chǎn)原油[4]。通常不同鍋爐燃燒器要求燃料油黏度須達到一定指標，這樣在進機時才能更好地霧化燃燒。目前，注汽鍋爐使用的燃燒器有德國扎克、美國北美、英國威力、芬蘭奧林等品牌，北美燃燒器以燃油作為燃料時使用空氣霧化或蒸汽霧化?？諝忪F化時空氣經(jīng)壓縮調(diào)壓進入油槍將燃油霧化；蒸汽霧化時蒸汽經(jīng)一級壓力調(diào)節(jié)閥減壓至霧化分離器，汽水分離后再經(jīng)二級穩(wěn)壓進入油槍將燃油霧化。扎克燃燒器為轉杯式機械霧化，通過高速旋轉的金屬轉杯將高溫燃油霧化[5]。其次，不同的鍋爐廠家對燃料油酸值、灰分、機械雜質(zhì)和含水率也有一定要求，特別是含水率指標，一般要求燃料油含水率小于5%，這就對特稠油脫水工藝的設計流程提出了嚴格的要求。

1.2 配置型式和規(guī)模影響

注汽鍋爐的筒體布置型式分臥式和立式：臥式結構技術成熟、安全性高、工作可靠性好、油品適應性強，輻射段和對流段均采用往復蛇形管結構，同時爐管采用高強度耐熱合金管，并設置在線吹灰裝置；立式結構體積小、重量輕、啟動速度快，采用直流全盤管、底燃逆流換熱，適合于海上稠油油田開發(fā)。但是從旅大某稠油油田立式蒸汽發(fā)生器運行情況看，立式蒸汽發(fā)生器如果采用原油作為燃料油，該筒體布置型式積灰問題嚴重，需要頻繁手動(小于10 h吹灰1次)進行尾部和爐膛底部蒸汽吹灰，從而導致人工操作成本上升。

海上平臺注汽鍋爐主要有超臨界鍋爐、亞臨界鍋爐和超高壓鍋爐，不同的鍋爐級別對應不同的壓力等級，根據(jù)油田地層破裂壓力確定鍋爐級別，常用的額定蒸發(fā)量為11.2、14.2、15.0、23.0、30.0、50.0 t/h?？紤]到油田后期熱采井口數(shù)的調(diào)整，大排量的鍋爐易造成能源浪費，所以海上平臺注汽鍋爐的規(guī)模依據(jù)所需熱采井口數(shù)應盡量多臺并聯(lián)布置，以實現(xiàn)多井同注和單井作業(yè)。因此，對于海上稠油熱采平臺鍋爐，選用單臺額定蒸發(fā)量為15.0 t/h、23.0 t/h和30.0 t/h規(guī)模的注汽鍋爐較適宜[6]。

1.3 取水方式影響

海上稠油熱采注汽鍋爐取水方式分為水源井和海水淡化。平臺水源井一方面可以用于油田的回注水工藝，另一方面可以供給鍋爐用水。水源井水是一個含有多種雜質(zhì)、溶解氣體和懸浮物的復雜多相體，含有的二氧化碳氣體、鈣、鎂、亞鐵離子可以引起鍋爐爐管腐蝕和結垢，因此要對采出水進行處理，主要包括采出水中油脂和懸浮物處理及總硬度的軟化工藝處理，整體工藝流程較為復雜，工程投資較高[7]。

海水資源豐富，但是海水水質(zhì)差，硬度、礦化度高，淡化處理過程復雜。海水淡化方法有反滲透海水淡化法和低溫多效蒸發(fā)法，二者處理工藝成熟、可靠。目前，稠油集輸及注蒸汽系統(tǒng)設計規(guī)范中要求的鍋爐用水水質(zhì)指標見表1。

表1 稠油油田注汽鍋爐用水水質(zhì)標準 mg/L

1.4 余熱利用影響

海上稠油油田注汽鍋爐的余熱利用包括排出廢氣余熱回收和鍋爐水的綜合利用。廢氣余熱回收系統(tǒng)可利用煙氣產(chǎn)生熱水或與熱媒進行能量交換供給平臺熱用戶，可以有效減少燃料消耗，增加熱效率。通常當鍋爐排煙溫度大于200 ℃時，鍋爐排煙煙氣焓值才有利用價值[8]。

當海上平臺斷電或緊急關斷時，為防止混輸海管中的原油凝管，需要用熱水進行原油置換?？梢钥紤]使用注汽鍋爐中除氧水箱中的熱水，熱水溫度一般為80～90 ℃，也可燃燒柴油重啟鍋爐，鍋爐在20%低負荷燃燒率下產(chǎn)生氣水混合物，經(jīng)閃蒸罐降壓后輸送到除氧水箱，除氧水箱在出水管處開旁路，持續(xù)對外輸送置換時所需熱水[9]。

2 注汽鍋爐選型關鍵因素適應性分析

通過上述對影響海上稠油油田注汽鍋爐選型主要因素的分析可知：注汽鍋爐的燃料選取、配置型式和規(guī)模、取水方式、余熱利用對鍋爐的方案選型有一定影響。本文以渤海某稠油油田先導試驗區(qū)前期研究項目為例，詳細分析影響渤海稠油油田注汽鍋爐選型的關鍵因素，展開適應性分析并提出解決方案。

2.1 燃料、脫水工藝和燃燒器選擇

渤海某稠油油田先導試驗區(qū)計劃開采6年，不產(chǎn)伴生氣，距離SZ36-1WHPA平臺2 km。方案1可以考慮從WHPA平臺引燃料氣作為鍋爐燃料，新建1條混輸海管線，工程投資0.4億元；方案2將平臺自產(chǎn)原油作為鍋爐燃料。注汽鍋爐耗油率為61 kg/t，耗汽率為64.6 m3/t，每年運行時間按照330天計算，計算得到注汽鍋爐燃油和燃氣經(jīng)濟方案對比[10]見表2，根據(jù)經(jīng)濟評價結果，推薦鍋爐燃料采用平臺自產(chǎn)原油。

表2 注汽鍋爐燃油和燃氣經(jīng)濟方案對比 億元

平臺采出原油含水率大于20%，需要對原油采用靜電聚結脫水工藝以達到含水率的要求。靜電聚結脫水工藝適合于高含水稠油，油水分離罐頂部外置氣包單獨除氣，內(nèi)部電場區(qū)域自下而上多層水平設置，適應不同含水量乳化液在不同電場區(qū)域的多級脫水，充分利用有限電場區(qū)間，達到多級稠油強化脫水效果，乳狀液的脫水率可達95%以上，且設備總體尺寸相比傳統(tǒng)的三級分離設備減少1/3～1/2。鍋爐燃燒器選用轉杯式機械霧化，運行時保證燃油爐前進口壓力不得低于0.4 MPa，進入燃燒器噴嘴時黏度需達到100賽氏黏度，這樣可以改善燃燒工況，達到理想的燃燒效果[5]。

2.2 配置型式和規(guī)模確定

通過對國內(nèi)注汽鍋爐廠家調(diào)研，結合各供貨廠家提供的情況，技術成熟且有相關海油供貨業(yè)績的注汽鍋爐技術參數(shù)統(tǒng)計結果見表3和表4。注汽鍋爐燃料選用平臺自產(chǎn)原油，由表3可知：立式蒸汽鍋爐比臥式蒸汽鍋爐熱效率低，且煙氣出口溫度較高，這就加劇了鍋爐盤管積灰，所以推薦采用臥式注汽鍋爐。

從經(jīng)濟角度考慮，在兩方案占地面積相差不大情況下，2×15 t/h注汽鍋爐方案最優(yōu)，雖然前期設備投資費用稍高，但整體開發(fā)周期熱采操作費低，可以節(jié)省工期費用；從技術角度考慮，2×15 t/h注汽鍋爐方案裝備靈活，在吞吐前期注入速度過低情況下可以實現(xiàn)1用1備。

表3 臥式和立式注汽鍋爐相關參數(shù)對比

表4 不同排量臥式鍋爐經(jīng)濟方案對比

2.3 取水方式確定

海上稠油油田需要一種占地面積小、費用合理、安全平穩(wěn)的熱采鍋爐取水方式。從經(jīng)濟方面考慮，水源井投資大，且須先保證回注水量的要求后剩余的井水才考慮鍋爐用水。海水淡化技術成熟，海水預處理中利用超濾裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂濾，并結合反滲透膜處理法得到的海水水質(zhì)可以達到注汽鍋爐用水的要求。海水淡化處理工藝流程如圖1所示。海水水箱中的水經(jīng)過超濾保安過濾器過濾掉懸浮物等雜質(zhì)，進入超濾裝置截留水中細菌、膠體、油脂和有機大分子等，接著由反滲透增壓泵輸送到反滲透保安過濾器中進一步過濾并添加阻垢劑，再由反滲透高壓泵輸送到海水反滲透裝置除去海水中的鹽類、小分子酸、醛等有機物，最后在淡水水箱得到注汽鍋爐用水。

圖1 海水淡化處理工藝流程圖

2.4 余熱利用方式確定

15 t/h注汽鍋爐耗油率為813 kg/h，如果考慮用煙氣加熱水，假設排煙溫度為160 ℃，為避免腐蝕經(jīng)過余熱回收器后排煙溫度應大于110 ℃，則鍋爐排煙煙氣回收的熱量為744 585.23 kg/h，相當于節(jié)約燃油20.68 kg/h，因此煙氣余熱的回收節(jié)能率僅為2.4%。顯然煙氣中的顯熱較低，回收效果也較差，且鍋爐燃料采用平臺自產(chǎn)原油，吹灰次數(shù)頻繁，這些都影響鍋爐煙氣余熱回收利用的效果，所以不推薦采用這種熱量回收方式。同時，稠油油田需要12 t、85 ℃的熱水用于混輸海管的置換，15 t/h注汽鍋爐除氧水箱容積為3.5 m3，每臺15 t/h鍋爐需補熱水2.5 t，假設冷水溫度為10 ℃，鍋爐在低負荷燃燒下并經(jīng)閃蒸罐到85 ℃吸熱量為218 kW，折算需要柴油約22 kg，2臺15 t/h注汽鍋爐共需要44 kg柴油，補水時間15～25 min。

3 結 論

注氣鍋爐作為渤海稠油油田開采的重要設備，由于其所處的特殊環(huán)境，在設備選型時應考慮以下幾點：

(1) 在渤海稠油油田開發(fā)中，為減少運行費用，注汽鍋爐的燃料應首選平臺自產(chǎn)伴生氣，其次是自產(chǎn)原油。平臺緊急關停后重新啟動鍋爐，可以采用柴油作為燃料油。

(2) 渤海稠油油田注汽鍋爐燃料如果是天然氣，宜采用多臺并聯(lián)布置的立式鍋爐；注汽鍋爐燃料如果是平臺自產(chǎn)原油，宜采用多臺并聯(lián)布置的臥式鍋爐。

(3) 渤海稠油油田注汽鍋爐取水方式多采用海水淡化，并根據(jù)鍋爐特點和平臺處理工藝流程進行排煙煙氣和鍋爐水的余熱綜合利用。

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