蒸發(fā)法處理SAGD采出廢水工藝及設(shè)備研究進展*

李玉國 陳 超 蘇 艷 張彥博 金萍萍 左海強 劉國榮

(1.東營市環(huán)境監(jiān)測站；2.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院；3.中國石油工程建設(shè)公司；4.中國石油天然氣集團公司錦西石化分公司維修車間)

蒸汽輔助重力泄油(Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)采出水具有出水量大、鹽含量高、硬度大和余熱能豐富的特點。傳統(tǒng)的化學(xué)軟化+離子交換資源化工藝以及膜分離資源化技術(shù)無法充分利用其余熱，并且不適用于含鹽較高的SAGD采出廢水。蒸發(fā)法處理稠油污水技術(shù)源于海水淡化工藝，是稠油污水資源化的有效途徑，包括多效蒸發(fā)法(MEE)、機械蒸汽壓縮法(MVC)和熱力蒸汽壓縮法(TVC)。其中MEE和TVC技術(shù)均需要特定蒸汽作為熱源或壓源。

1 SAGD工藝簡介

SAGD是國際開發(fā)超稠油的一項前沿技術(shù)，其原理是向注汽井中注入高干度蒸汽，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側(cè)面擴展，與油層中的原油發(fā)生熱交換。被加熱的原油降低粘度和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流動，從水平生產(chǎn)井中采出。目前，利用SAGD技術(shù)開發(fā)超稠油的方式，已成為國際上超稠油開發(fā)的一項成熟技術(shù)，是一種提高稠油采收率的有效方法。自在我國遼河油田開展先導(dǎo)試驗以來，對該技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了很大進步[1]。

2 SAGD采出廢水特點

SAGD與蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)相比，其必須向井底連續(xù)不斷地注入蒸汽，也就造成了污水量較多的現(xiàn)象。SAGD采出液溫度一般為140～180℃，通過與鍋爐給水進行換熱再脫水后，其溫度仍然在90℃左右，其中蘊含著巨大可利用的低品位熱能。不但如此，采出水還有硬度大、含鹽量高的特點[2]。如何根據(jù)采出水水質(zhì)、水量，充分利用其余熱能量是實現(xiàn)SAGD工藝高效開發(fā)、節(jié)能降耗的關(guān)鍵，也是油田可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵。

3 SAGD采出廢水資源化處理工藝

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)部分油田現(xiàn)有的稠油污水處理工藝列于表1，可以看出，主要還是以處理后外排或回注為主。雖然外排和回注的處理工藝簡單、成本比較低，但是與污水資源化相比，還是存在如下不足：未能充分利用采出水含有的熱能；未能降低鍋爐給水成本；回灌水可能造成地層壓力上升及水層污染等問題。

表1 國內(nèi)部分油田稠油污水處理現(xiàn)狀

稠油污水資源化的研究很多，以膜法為主。周京都等通過兩級精細(xì)過濾工藝，出水水質(zhì)已經(jīng)達到《稠油油田采出水用于蒸汽發(fā)生器給水處理設(shè)計指標(biāo)》(SY/T 0097-2000)的要求，可以用作注汽鍋爐給水[3]。潘振江等通過微濾+超濾的雙膜法處理污水，水質(zhì)指標(biāo)達到了注汽鍋爐進水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[4]。Marcel M等開展了巴西Petrobars油田采出水的反滲透試驗，試驗表明水質(zhì)完全滿足灌溉、鍋爐補給水等水質(zhì)要求[5]。郭省學(xué)進行了超濾-反滲透處理稠油廢水用于熱采鍋爐給水的研究，試驗結(jié)果表明反滲透產(chǎn)水各項指標(biāo)均優(yōu)于高壓注汽鍋爐進水指標(biāo)[6]。

盡管膜法有成本低、系統(tǒng)相對靈活和能耗小的優(yōu)點，但是膜污染和膜清洗制約了膜法的推廣發(fā)展[7,8]，并且有研究表明膜法脫鹽更適用于處理礦化物較低的稠油污水[9]。針對含鹽量不高、總硬度較高的稠油污水，一般仍舊采用工業(yè)常用的化學(xué)軟化+離子交換等工藝除硬后回用注汽鍋爐[10]。

表2列出了國內(nèi)外部分油田污水資源化處理方法的情況(污水資源化用途均為作為注汽鍋爐補給水)。

表2 國內(nèi)外部分稠油油田污水資源化工藝分布

由表2可以看出，國內(nèi)油田的污水處理工藝依舊以化學(xué)軟化+離子交換為主，國外油田以機械壓縮蒸發(fā)脫鹽工藝處理油田污水為主。

針對含鹽量較高的污水，化學(xué)軟化+離子交換工藝已經(jīng)不太適用，蒸發(fā)脫鹽技術(shù)就成了其代替工藝。污水蒸發(fā)脫鹽工藝借鑒于海水淡化工藝。海水淡化工藝有膜法和熱法。其中熱法是利用熱能使海水蒸發(fā)，再通過水蒸汽的冷凝得到淡水。熱法主要包括多效蒸發(fā)(Multiple Effect Evaporation，MEE)及蒸汽壓縮(Vapor Compression，VC)等。該類脫鹽工藝的特點是對污水水質(zhì)預(yù)處理要求寬松，產(chǎn)水率穩(wěn)定，不受含鹽量影響[11]。其中的MEE和VC技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到污水處理的工業(yè)中。

3.1多效蒸發(fā)脫鹽技術(shù)(MEE)

1999年，蒸發(fā)法開始應(yīng)用于油田污水深度處理。最開始將蒸發(fā)法引入SAGD工藝時，主要與離子交換系統(tǒng)相結(jié)合來處理油田污水。此裝置的成功運行，證明了利用蒸發(fā)法深度處理油田污水是可行的，并且具有較高的可靠性[12]。加拿大是率先應(yīng)用蒸發(fā)工藝處理稠油采出水的。

2002年，加拿大阿爾伯達油田用蒸發(fā)法作為傳統(tǒng)離子交換工藝的替代，深度處理SAGD污水。并將得到的污水用于直流蒸汽鍋爐上，可以極大地改善系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2004年，在Joslyn油砂層的第二期項目中，Deer Creek能源公司進一步發(fā)展了油田污水蒸發(fā)處理工藝，該裝置采用油田污水蒸發(fā)系統(tǒng)接常規(guī)汽包鍋爐的工藝流程，如圖1所示[13]。裝置運行一段時間以后，生產(chǎn)結(jié)果表明，蒸發(fā)法得到的產(chǎn)品水完全滿足汽包鍋爐對給水水質(zhì)的更高要求，同時鍋爐排污量少(1%～3% )，能量利用率高。因此應(yīng)用該工藝流程處理油田污水，其設(shè)備造價更經(jīng)濟，生產(chǎn)效率更高，能耗更低[14]。

圖1 油田污水蒸發(fā)系統(tǒng)接常規(guī)汽包鍋爐的工藝流程

2006年，蔡釗榮采用低溫多效蒸發(fā)技術(shù)，設(shè)計了勝利油田超稠油污水深度處理先到試驗。試驗工藝流程分兩部分：凈化部分和淡化部分，凈化部分費用氣浮-過濾工藝，主要用于去除超稠油中的油分和懸浮物，這與傳統(tǒng)工藝相同，并且已經(jīng)相當(dāng)成熟。淡化部分采用多效蒸發(fā)工藝，只要用于降低污水硬度。經(jīng)調(diào)研得知，試驗裝置處理能力3～5m3/h，造水比3.5，成水率60%～80%。處理后水的礦化度、總硬度以及油含量等指標(biāo)完全能夠滿足注汽鍋爐用水要求。由于周圍沒有可利用的廢熱蒸汽，試驗采用自制蒸汽的方式，制水成本昂貴。其流程如圖2所示。

圖2 勝利油田低溫多效蒸發(fā)流程

2009年，鄭賢助等對雙效蒸發(fā)器處理過的高濃度含鹽化工廢水進行了小規(guī)模的實驗，結(jié)果表明，采用雙效蒸發(fā)器處理該廢水效果明顯，二次蒸汽重復(fù)利用，降低處理成本，平均蒸發(fā)噸水的蒸汽耗量約0.75t。廢水中COD的去除率可以達到95%以上，采用兩次蒸發(fā)分步結(jié)晶工藝，可以實現(xiàn)廢水中不同鹽類的全部回收[15]。

雖然多效蒸發(fā)工藝在工業(yè)中得到了一些應(yīng)用，但是因為其需要溫度較高的蒸汽作為熱源來加熱污水，這就限制了多效蒸發(fā)工藝在蒸汽資源缺乏地區(qū)的應(yīng)用和推廣。

3.2機械壓縮蒸發(fā)工藝(MVC)

調(diào)研得知國外油田稠油污水資源化處理工程以采用MVC工藝為主(圖3)，該工藝?yán)脺u輪發(fā)動機增壓原理，將蒸發(fā)過程產(chǎn)生的(二次)蒸汽由壓縮機壓縮增壓升溫，形成過熱蒸汽，再作為熱源供污水蒸發(fā)使用。系統(tǒng)啟動后僅需要消耗電能。其主要工藝特點是全部利用機械壓縮機將電能轉(zhuǎn)化為熱能；系統(tǒng)啟動后，基本不需要外部蒸汽的補給，系統(tǒng)獨立性強。

圖3 MVC工藝示意圖

MVC工藝完成除油后(油含量小于20mg/L)除懸浮物的采出水進入一個給水罐，在罐中調(diào)節(jié)pH值(如果需要零排放的話，需提高pH值，以保證二氧化硅不析出)。給水通過換熱器將溫度升高到接近沸點，通過除氧器去掉水中非溶解的氣體，進入蒸發(fā)器的集水池，與濃縮液混合，通過泵升壓，進入蒸發(fā)器頂部的換熱管束，每根管束都有一個單獨的布流器，以確保含鹽水(污水)能平穩(wěn)均勻地沿內(nèi)壁往下流，小部分的污水蒸發(fā)，其余的流進蒸發(fā)器底部的集水池，再通過泵升壓再循環(huán)。蒸汽與含鹽水(污水)沿內(nèi)壁往下流，進入蒸發(fā)器下部腔室后，蒸汽向上通過一個霧滴分隔器后，進入蒸汽壓縮機。蒸汽壓縮后升溫，提高潛熱。壓縮后的蒸汽進入蒸發(fā)器頂端的換熱管束的外壁端，將熱量傳給內(nèi)壁端的往下流的含鹽水(污水)，保持小部分的污水不斷蒸發(fā)。蒸汽放熱后凝結(jié)成蒸餾水，通過泵后，進入換熱器，將其熱量傳給來水。將小部分一定比例的濃縮鹽水(污水)連續(xù)排出蒸發(fā)器，以控制濃縮鹽水的密度。直流鍋爐的排污水可以直接引到蒸發(fā)器的進水，而不會影響到出水水質(zhì)。蒸發(fā)器的排污水可以排到廢棄的深井，或通過結(jié)晶器將其變成固體物質(zhì)，實現(xiàn)污水零排放。

與常規(guī)采出水處理系統(tǒng)比，蒸發(fā)系統(tǒng)需要的部件更少，操作更簡單。因此國內(nèi)外油田也加強了該工藝的研究。MVC法較早的應(yīng)用于阿爾伯特油田。其發(fā)展流程如下： 1999～2002年期間，阿爾伯特的JACOS(Japan Canada Oil Sands)油田率先應(yīng)用壓縮蒸發(fā)工藝處理了SAGD直流鍋爐從汽水分離器分離出來的濃縮鹽水，實現(xiàn)了零排污。其擴大后處理量為849m3/d，與結(jié)晶器配套，一直運行到現(xiàn)在，驗證了壓縮蒸發(fā)工藝的可靠性和可行性。2003～2005年期間，Kuwait Oil工程與Tengizchevroil工程以及2005年投產(chǎn)的Suncor Firebag二期工程同時運用壓縮蒸發(fā)工藝處理了SAGD采出廢水，直接回用作直流鍋爐給水，最大處理量達到了15 000m3/d 。2006年至今已經(jīng)有14個在建和投產(chǎn)的加拿大阿爾伯特SAGD商業(yè)工程采用壓縮蒸發(fā)工藝處理和回用SAGD采出廢水，更多的新開發(fā)工程也在設(shè)計上選用了壓縮蒸發(fā)工藝。表3給出了機械壓縮蒸發(fā)處理的水質(zhì)與ASME汽包鍋爐給水水質(zhì)指標(biāo)[16]。

表3 MVC法處理水質(zhì)與ASME汽包爐給水水質(zhì)指標(biāo) mg·L-1

遼河油田是國內(nèi)開展降膜蒸發(fā)法處理超稠油SAGD采出廢水的先驅(qū)。2010年，謝加才等與遼河油田合作，進行了SAGD稠油開采余熱回收系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建[17]，充分利用了注汽鍋爐汽水分離器高溫分離水、煙道氣以及油井高溫產(chǎn)出水的余熱資源。在分析這些余熱的質(zhì)和量的基礎(chǔ)上，建立了3個系統(tǒng)，均用到了MVC技術(shù)。

2010年孫繩昆借鑒加拿大機械壓縮蒸發(fā)處理稠油采出水工藝，針對遼河油田超稠油SAGD工程蒸汽和采出水處理技術(shù)存在的問題及技術(shù)需求，首先進行了降膜蒸發(fā)處理超稠油SAGD采出廢水的室內(nèi)先導(dǎo)試驗，闡述了主體工藝、主要涉及參數(shù)、出水水質(zhì)以及結(jié)構(gòu)情況等試驗中存在的問題及改進措施[18]，流程如圖4所示。

圖4 降膜蒸發(fā)處理遼河油田超稠油污水流程

處理后水質(zhì)部分指標(biāo)還不能達到GB12145-1999的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，由于未采用蒸汽壓縮技術(shù)，而是利用外部蒸汽開展的試驗，因此無法進行經(jīng)濟、技術(shù)評價。另外，該油田設(shè)計了產(chǎn)水規(guī)模1 500m3/d機械壓縮蒸發(fā)脫鹽工程方案，通過國外引進蒸汽壓縮工藝，國內(nèi)配套方式運作，未實現(xiàn)該工藝的國產(chǎn)化。

2008年勝利油田委托美國RCC實驗室進行MVC脫鹽工藝處理勝利油田含聚稠油污水室內(nèi)模擬試驗。實驗結(jié)果認(rèn)為該工藝處理含聚稠油油田污水水質(zhì)可達到資源化要求。2010年，勝利油田的李清方等建立了基于MVC的油田污水脫鹽系統(tǒng)地工藝流程設(shè)計計算模型，系統(tǒng)地分析了降膜蒸發(fā)器傳熱溫差、油田污水溫度和蒸發(fā)溫度的影響。結(jié)果表明：傳熱溫差是影響系統(tǒng)裝置規(guī)模和運行電耗的控制因素，減小傳熱溫差可以明顯降低壓縮機電耗[19]。

2011年勝利油田引進了法國MVC成套脫鹽試驗設(shè)備，在春風(fēng)油田排601開展了處理規(guī)模5m3/d高鹽高硬污水MVC現(xiàn)場小試研究，通過試驗，對進口先進設(shè)備關(guān)鍵工藝參數(shù)進行跟蹤、分析，確定該工藝處理勝利油田高鹽污水的最優(yōu)能耗利用率、產(chǎn)水率及濃水循環(huán)比等，將對MVC技術(shù)國產(chǎn)化具有重要的參考價值。

3.3熱力壓縮蒸發(fā)工藝(TVC)

熱力壓縮蒸發(fā)主要運用在海水淡化系統(tǒng)和部分污水處理中，表4列出了國內(nèi)外部分使用TVC工藝處理污水的企業(yè)。但是TVC工藝尚無在稠油采出水處理方面中的應(yīng)用記錄。由于TVC工藝運行簡單可靠，維護成本低，無運動部件，而受到人們的廣泛關(guān)注。TVC工藝與MVC工藝相比，由于它用熱力學(xué)完善度相對較低的熱力壓縮機(蒸汽引射器)代替了熱力學(xué)完善度較高的機械壓縮機，因此，除水泵外它不需要消耗電能，僅用蒸汽的熱能驅(qū)動，可以直接利用生產(chǎn)中的富余余熱，節(jié)省了電能，得到了人們的廣泛關(guān)注[20～22]。

表4 國內(nèi)外部分使用TVC工藝處理污水的企業(yè)

國內(nèi)也有部分學(xué)者對海水淡化的TVC工藝進行了研究。張爽報道了多效蒸發(fā)(TVC-MED)系統(tǒng)的實際運行情況，并且指出了運行中系統(tǒng)存在的問題[23]。沈勝強等給出了多效蒸發(fā)(TVC-MEE)海水淡化裝置熱力過程數(shù)學(xué)模型，分析了TVC對MED海水淡化裝置性能的影響[24]。李清方等針對油田污水污染物成分復(fù)雜、污染性強不適合膜法脫鹽的特點和淡水消耗與余熱資源共存的實際，提出用熱力蒸汽壓縮(TVC)蒸發(fā)技術(shù)對油田污水進行集中脫鹽處理的技術(shù)方案[25，26]。建立了基于TVC的油田污水脫鹽系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計計算模型，系統(tǒng)分析了蒸發(fā)溫度等主要運行參數(shù)的影響。這是唯一一篇使用TVC工藝處理稠油采出水的文章。其結(jié)果表明：系統(tǒng)造水比隨蒸發(fā)溫度的降低而增大，降低蒸發(fā)溫度有助于減少主蒸汽消耗，但所付出的代價是總傳熱面積和污水泵流量的增大；TVC系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度相對較低，與多效蒸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)合使用是改善系統(tǒng)性能的基本途徑之一。盡管如此，對于油田生產(chǎn)來說，當(dāng)存在合適的余熱資源時，簡單的單效TVC系統(tǒng)仍不失為合理的技術(shù)方案。

4 結(jié)論

4.1隨著稠油開采深度和廣度的增加，SAGD作為先進的開采工藝，必將得到廣泛應(yīng)用，采出污水的資源化利用是降低污染、節(jié)約能耗的有效途徑。

4.2SAGD采出廢水成分比較復(fù)雜、含鹽量高、硬度大、余熱能豐富。傳統(tǒng)的化學(xué)軟化+離子交換工藝與膜分離法都有各自的局限性。蒸發(fā)法處理稠油污水借鑒于海水淡化工藝，不受含鹽量的影響，并且其結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，自動化程度高。

4.3多效蒸發(fā)脫鹽法(MEE)已經(jīng)成功運用到了處理SAGD采出廢水中，出水水質(zhì)可以用作鍋爐給水，但是因為其需要額外的高溫蒸汽來作為熱源，這就限制了其在缺乏熱源地區(qū)的應(yīng)用推廣。汽水分離器的分離水的壓力大，溫度高，如果利用閃蒸高溫高壓分離水的工藝得到合適的熱源，MEE法必將成為SAGD工藝中的一個亮點。

4.4機械蒸發(fā)壓縮工藝(MVC)是國外最常用的SAGD采出廢水工藝，尤其在加拿大應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點明顯，運行可靠，出水水質(zhì)有保障。但是關(guān)鍵技術(shù)還未實現(xiàn)國產(chǎn)化。遼河油田和勝利油田正在進行試驗，為MVC國產(chǎn)化提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，這也將成為SAGD采出廢水的一個發(fā)展方向。

4.5熱力蒸發(fā)壓縮工藝(TVC)已在其他工業(yè)污水處理中得到了應(yīng)用，其使用高壓蒸汽引射器代替了MVC工藝中的蒸汽壓縮機，節(jié)省了電能。但是由于其熱力完善度較低，缺乏應(yīng)用實例，在稠油污水處理方面還鮮有應(yīng)用。隨著各種工藝的適用，對TVC工藝的分析將進入技術(shù)人員的視線。如果有合適余熱能(如注汽鍋爐高溫分離水閃蒸得到的蒸汽等)TVC工藝聯(lián)合MEE或者MVC工藝，將不失為優(yōu)秀的SAGD采出廢水處理工藝。

4.6熱法脫鹽是能源密集型的技術(shù),研究的方向?qū)⑹瞧湫阅芨倪M和設(shè)計方法的簡化。需要考慮的方面主要有:開發(fā)應(yīng)用替代能源、緩解和控制蒸發(fā)器結(jié)垢與環(huán)境污染、研發(fā)建造裝置的替代材料、裝置組件設(shè)計的改進、優(yōu)化消耗品的使用。

4.7能源成本是脫鹽裝置運行成本的主要組成部分,這方面的研究的方向是降低能耗和使用廉價的可替代能源。

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