王學(xué)忠

中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司

石油是我國重要的能源資源之一，在石油產(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)，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(fā)展的難題。準噶爾盆地西緣春風(fēng)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(xiàn)了規(guī)模開發(fā)[1-2]。開發(fā)過程中一方面需要大量清水[3]，經(jīng)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(chǎn)井井數(shù)不斷增加，每天產(chǎn)水量也不斷增加，如何處理大量產(chǎn)出水也成為生產(chǎn)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(shù)研究?；诰G色發(fā)展、效益開發(fā)、熱采鍋爐清水需求量大、聯(lián)合站采出水負荷高、節(jié)約地下水資源等方面的考慮，建立了機械壓縮蒸發(fā)處理站，采用“預(yù)處理+機械壓縮蒸發(fā)器（MVC）多效蒸發(fā)+深度處理”[6-7]的工藝，很好地解決了這一技術(shù)難題。

1 需求分析

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

春風(fēng)油田主要含油層系為新近系沙灣組，構(gòu)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(fēng)稠油成因在于春風(fēng)油田沙灣組原油經(jīng)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(zhuǎn)變成可流動的牛頓流體。另外，春風(fēng)稠油中瀝青質(zhì)相對分子質(zhì)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(zhì)與瀝青質(zhì)之和低于20%，較容易降黏，適合熱采。

2010年以來，春風(fēng)油田已開發(fā)動用7個稠油區(qū)塊，動用石油地質(zhì)儲量4 600×104t，有稠油熱采井800 口，每天注汽7 500 t，日產(chǎn)油3 100 t，日產(chǎn)水9 000 m3左右。地質(zhì)儲量采出程度15%，無論繼續(xù)開展蒸汽吞吐，還是采取蒸汽驅(qū)提高采收率，潛力都很大[9]，具備高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的資源基礎(chǔ)。春風(fēng)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(chǎn)出水無出路的雙重壓力，油田產(chǎn)出水資源化利用刻不容緩。春風(fēng)油田建有聯(lián)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(wǎng)齊全。主要采用固定鍋爐、固定管網(wǎng)注汽輸油，建成注汽及水源井管網(wǎng)、集輸管網(wǎng)共計700 km。1座流化床注汽鍋爐每小時生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蒸汽130 t，注汽干度99%。與傳統(tǒng)注汽鍋爐相比，注汽能力明顯提高，而且更加環(huán)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(shù)原理

2.1 技術(shù)路線

近年來，含油水量隨著油田持續(xù)開發(fā)逐年遞增，普通水驅(qū)油藏產(chǎn)出水重復(fù)利用難題基本解決[10]。春風(fēng)油田既是耗水大戶又是產(chǎn)水大戶，由于蒸汽鍋爐對處理后的水質(zhì)要求非常高，稠油熱采井產(chǎn)出水重復(fù)利用難關(guān)始終難以攻克，主要是熱采井產(chǎn)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(chǎn)水率低，需深度預(yù)處理，高溫污水需要預(yù)先降溫處理。蒸發(fā)技術(shù)是通過加熱的原理來減少水分，改變?nèi)芤褐宣}濃度，從而使油田采出水處理的體積減小。經(jīng)過充分調(diào)研，考慮到生產(chǎn)實際，引進以色列凈化海水的先進技術(shù)[11]，在春風(fēng)油田建設(shè)熱采井產(chǎn)出水機械壓縮蒸發(fā)處理站，采用“預(yù)處理+MVC 多效蒸發(fā)+深度處理”工藝。

2.2 預(yù)處理工藝

春風(fēng)油田熱采產(chǎn)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(zhì)要求。為此，預(yù)處理階段應(yīng)用了集藥劑混合、化學(xué)反應(yīng)、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(fēng)油田采出含油水作為原水，通過機械攪拌將混凝、反應(yīng)和沉淀置于一個罐中進行綜合處理，懸浮狀態(tài)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(jīng)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(yīng)室進行絮凝，部分則經(jīng)濃縮后定期排放。除硬率、除氟率超過97%，出水二氧化硅質(zhì)量濃度小于5 mg/L。

2.3 MVC多效蒸發(fā)和深度處理工藝

MVC（圖2）采用低溫多效水平管降膜蒸發(fā)。壓縮蒸餾利用壓縮機把蒸發(fā)過程所產(chǎn)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(huán)使得蒸汽潛熱被反復(fù)利用。根據(jù)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(zhuǎn)化為熱能。多效蒸發(fā)裝置將多個蒸發(fā)器單元串聯(lián)運行。第一效將蒸發(fā)過程產(chǎn)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(fā)的熱源，之后的每一效利用前一級產(chǎn)生的二次蒸汽為熱源進行加熱[17]。

圖1 春風(fēng)油田產(chǎn)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(jīng)脫氣后與裝置第一效的未蒸發(fā)的濃水混合后通過入料水噴淋系統(tǒng)將其均勻地噴灑在水平布置的換熱管束外表面，形成連續(xù)的薄膜狀水流。一部分水流在吸收了熱交換管內(nèi)蒸汽冷凝后釋放出來的潛熱后蒸發(fā)；另一部分未蒸發(fā)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(nèi)循環(huán)，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(nèi)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(nèi)，經(jīng)壓縮升壓升溫后蒸汽被送入裝置第一效的熱交換管內(nèi)側(cè)。春風(fēng)油田熱采井產(chǎn)出水資源化利用的蒸發(fā)和深度處理階段，產(chǎn)出水經(jīng)MVC 多級循環(huán)蒸發(fā)、深度處理達到注汽鍋爐用水標準，產(chǎn)品水全部回用于油田注汽開發(fā)。MVC 技術(shù)用低溫多效水平管降膜蒸發(fā)脫鹽，蒸發(fā)溫度為70 ℃，蒸發(fā)壓力為0.03 MPa，具有產(chǎn)水量大、脫鹽、除硬徹底的特點。

2.4 節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟

MVC 技術(shù)利用機械壓縮機將電能轉(zhuǎn)化為熱能，具有運行穩(wěn)定、蒸發(fā)能耗低、運行成本低等特點。用于熱采井產(chǎn)出水處理時，利用熱采產(chǎn)出水本身熱量，節(jié)能高效。除了壓縮機之外，MVC 裝置的運轉(zhuǎn)部件很少，可有效地將設(shè)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(qū)煤炭資源豐富，低廉的電價使得春風(fēng)油田采用MVC工藝更經(jīng)濟。

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

3 應(yīng)用

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

表1 熱采井產(chǎn)出水資源化利用后產(chǎn)品水的水質(zhì)指標

4 結(jié)束語

將低溫多效水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用到我國油田水處理工程領(lǐng)域，實現(xiàn)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(fēng)油田稠油熱采井產(chǎn)出水處理站已投產(chǎn)運行2 年，降低了稠油開采的水資源消耗和回注水量，實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用，打破了稠油開發(fā)規(guī)模擴大的瓶頸限制，推動了行業(yè)技術(shù)進步和生態(tài)環(huán)境保護。