海上稠油熱采開發(fā)水源的選擇

竇培舉， 陳子婧， 楊澤軍， 高 鵬

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

海上稠油油田的開發(fā)，除了要面對(duì)稠油舉升和集輸?shù)碾y題，水源的選擇也是需要重點(diǎn)研究的問題。

本文主要對(duì)渤海L油田開發(fā)中水源選擇的研究進(jìn)行了闡述和總結(jié)，以期對(duì)海上稠油油田的開發(fā)的工程方案研究提供參考。

1 L油田開發(fā)的水源問題

L油田為超稠油油田(地面原油黏度為36 427～53 203 mPa·s)，一期開發(fā)采用蒸汽吞吐方式，采用注采一體化管柱技術(shù)，射流泵動(dòng)力液舉升采油；總井?dāng)?shù)為28口(26口生產(chǎn)井，2口水源井)；高峰年產(chǎn)油400 000 m3。項(xiàng)目依托附近已開發(fā)油田，含水原油通過海底管道混輸至依托平臺(tái)，經(jīng)過一系列處理后最終輸送至陸上終端。

在該項(xiàng)目中，一體化管柱射流泵的動(dòng)力液、稠油外輸?shù)膿剿约罢羝仩t給水都存在用水來源的選擇問題。海水、地層水以及生產(chǎn)水是可供選擇的水源。不同的水源會(huì)有不同的技術(shù)方案和成本費(fèi)用，因此需要進(jìn)行深入的研究。

水源選擇研究應(yīng)從多方面入手，如供應(yīng)量是否充足、穩(wěn)定，水質(zhì)是否易于滿足要求，系統(tǒng)是否簡(jiǎn)單，費(fèi)用是否經(jīng)濟(jì)等，還應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目的情況進(jìn)行綜合分析。

各種水源都有其特點(diǎn)：

(1) 作為水源的海水，通常取自海平面以下一定深度。礦化度較高，且含有溶解氧、細(xì)菌以及懸浮顆粒等物質(zhì)。海水供應(yīng)量充足，但較高的溶解氧和氯離子會(huì)帶來較強(qiáng)的腐蝕性，淺水海域的海水往往懸浮物含量較高，且易受天氣變化影響。海水溫度隨季節(jié)變化，有些海域的溫度變化幅度較大[1-2]。

(2) 地層水含有多種鹽分和雜質(zhì)，含氧很少或不含氧，一般礦化度要低于海水。地層水通常具有一定溫度可供利用，但需要打水源井，要有合適的含水地層，因此地層水的可采水量有限，并且存在含有油氣的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

(3) 生產(chǎn)水指的是采出液油水分離后的含油污水，水質(zhì)取決于采出液的性質(zhì)、成分以及油水分離的程度。生產(chǎn)水成分較為復(fù)雜，礦化度較高，溫度較高，溶解氧含量較低，含有腐生菌和硫酸鹽還原菌，油質(zhì)和有機(jī)物含量高，并含有一定的破乳劑成分[3]。對(duì)于稠油油田，由于油水分離難度大，生產(chǎn)水的水質(zhì)通常會(huì)更差。

渤海某油田區(qū)域的海水、地層水和生產(chǎn)水水質(zhì)如表1～表3所示。

表1 渤海某油田區(qū)域海水水質(zhì)

表2 渤海某油田地層水水質(zhì)

表3 海上某油田生產(chǎn)水水質(zhì)

2 射流泵動(dòng)力液選擇

動(dòng)力液應(yīng)滿足采油工藝及射流泵的需求。L油田一期開發(fā)項(xiàng)目中動(dòng)力液的要求如下： 單井流量約為116 m3/d(多井工況最大為3 120 m3/d)，壓力為20 MPa，溫度不低于60℃，除砂精度不低于40目(粒徑小于380 μm)。

一般有兩類液體可用作動(dòng)力液，即油和水[4]。從技術(shù)上來講，最理想的動(dòng)力液是稀油。當(dāng)不具備足夠稀油來源的情況下，用水作為動(dòng)力液就成為一種選擇。

動(dòng)力液的質(zhì)量，尤其是動(dòng)力液的固體雜質(zhì)含量，是影響泵的使用壽命和維修成本的重要因素[4]。為了保證整套系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命及高可靠性，還應(yīng)注意防止腐蝕、結(jié)垢等問題[5]。

在水溫、腐蝕性、配伍性方面，生產(chǎn)水和地層水明顯優(yōu)于海水。如采用水溫較低、腐蝕性較大的海水，在加熱升溫、防腐蝕選材方面將會(huì)大幅增加相關(guān)設(shè)備的投資費(fèi)用。

另外，如果動(dòng)力液不循環(huán)使用，系統(tǒng)中的水量會(huì)持續(xù)增加，無論是在本平臺(tái)處理，還是輸送到下游依托平臺(tái)處理，都會(huì)加大相應(yīng)的投資。

結(jié)合技術(shù)可行性以及經(jīng)濟(jì)性，最終動(dòng)力液選擇以生產(chǎn)水為主，適時(shí)補(bǔ)充地層水，并且采用動(dòng)力液循環(huán)的工藝流程。

3 稠油外輸摻水的選擇

L油田一期產(chǎn)液預(yù)測(cè)的含水率為20.1%～79.4%，生產(chǎn)初期的含水率較低。

稠油在較大的溫度范圍內(nèi)都呈現(xiàn)牛頓流體的特性，即使在較高的溫度下仍具有很高的黏度。雖然單純采用加熱輸送在技術(shù)上可行，但絕非經(jīng)濟(jì)的方法[6]。

結(jié)合原油的相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析及外輸專題研究，L油田一期開發(fā)項(xiàng)目確定的外輸原則是外輸含水率不低于60%，外輸溫度不低于60℃。最終確定了海管輸送摻水方案： 當(dāng)初始生產(chǎn)液量低于1 600 m3/d時(shí)，摻水量按最低800 m3/d考慮；當(dāng)日產(chǎn)液量高于2 000 m3/d時(shí)，摻水量按1 200 m3/d考慮；生產(chǎn)后期摻水量降至800 m3/d，外輸溫度為60℃。

如果采用海水作為摻水水源，一是較低的水溫需要較大的加熱負(fù)荷，二是長(zhǎng)期大量具有較大腐蝕性的海水會(huì)給海底管道以及下游依托平臺(tái)的設(shè)備帶來防腐蝕的巨大壓力。因此，海管外輸摻水最終選擇摻地層水。

另外，該項(xiàng)目管道輸送原油的凝點(diǎn)為25℃，高于環(huán)境溫度(3.7～22℃)，且低溫條件下原油黏度非常大。當(dāng)管道停輸后，管內(nèi)流體黏度會(huì)隨著停輸時(shí)間的增加迅速增大，導(dǎo)致再啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)壓力非常高。因此，計(jì)劃停輸和應(yīng)急停輸工況下均需要進(jìn)行海管置換。

計(jì)劃置換和應(yīng)急置換均采用“地層水+置換泵”的流程，另考慮“海水+置換泵”作為應(yīng)急置換的備用流程[6]。

由于原油黏度非常大，且凝點(diǎn)高于環(huán)境溫度，因此當(dāng)管道初始投產(chǎn)或停輸再啟動(dòng)時(shí)，需對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱水源采用具有一定溫度的地層水[6]。

4 蒸汽鍋爐給水水源選擇

熱采核心設(shè)備蒸汽鍋爐是在高溫高壓條件下工作的，如果鍋爐給水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，會(huì)造成鍋爐內(nèi)部嚴(yán)重的結(jié)垢和腐蝕，不僅影響鍋爐的正常運(yùn)行，還會(huì)帶來安全上的隱患。因此，熱采鍋爐對(duì)給水的水質(zhì)要求較高，要嚴(yán)格控制Ca2+和Mg2+等易結(jié)垢離子含量、油脂含量、二氧化硅含量及總礦化度等指標(biāo)[7]。具體指標(biāo)取決于蒸汽要求及鍋爐的型號(hào)，除了參考相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)與鍋爐制造商進(jìn)行溝通確認(rèn)。

對(duì)于蒸汽干度不大于80%的情況，可參照《稠油注汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SY/T 0027)中相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于蒸汽干度大于80%的情況，供水水質(zhì)則需要綜合多方面要求進(jìn)行確定。如果按照《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T 12145—2016)高標(biāo)準(zhǔn)要求，會(huì)導(dǎo)致高昂的投入，帶來過度設(shè)計(jì)的問題，并且不利于整個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)。

L油田一期開發(fā)項(xiàng)目選擇的鍋爐方案： 2臺(tái)30 t/h的臥式過熱蒸汽鍋爐；蒸汽壓力為17.8 MPa；蒸汽溫度為355℃；蒸汽干度為85%濕飽和蒸汽/過熱蒸汽(20℃)；運(yùn)行方式為： 前3個(gè)注氣周期中以16～17.5 MPa壓力運(yùn)行時(shí)，以濕飽和蒸汽的方式運(yùn)行，蒸汽干度為85%；第4～8個(gè)注汽周期壓力降低至16 MPa以內(nèi)時(shí)，以過熱鍋爐方式運(yùn)行。

L油田一期開發(fā)項(xiàng)目鍋爐給水的水質(zhì)要求如表3所示。

表4 蒸汽鍋爐給水水質(zhì)要求(L油田Ⅰ期)

針對(duì)以上要求，確定了鍋爐給水處理的基本流程： 預(yù)處理(超濾)—脫鹽(反滲透)—軟化(離子交換)—脫氧(熱力)。

4.1 生產(chǎn)水分析

對(duì)于海上平臺(tái)，常規(guī)油田采出的生產(chǎn)水常用的流程為“斜板除油—?dú)飧∵x—核桃殼過濾—雙介質(zhì)過濾”，含油污水經(jīng)過處理后，最好能達(dá)到水中含油8 mg/L，含懸浮物3 mg/L的水平。對(duì)于稠油來說，油水分離的難度更大。

這種水質(zhì)的生產(chǎn)水必須再進(jìn)行深度處理才能進(jìn)入鍋爐給水處理系統(tǒng)： 其一，水中的油和油脂類物質(zhì)對(duì)反滲透膜的影響較大，且難以去除，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行和壽命[8-9]；一般水中含油要達(dá)到不高于2 mg/L才能進(jìn)入鍋爐給水處理系統(tǒng)的預(yù)處理(超濾)，否則將對(duì)反滲透膜有嚴(yán)重影響；污水含油從8 mg/L降至不高于2 mg/L的處理難度和投入均較大。其二，稠油污水中通常二氧化硅(SiO2)含量較高，二氧化硅容易引起鍋爐、換熱器、反滲透膜等設(shè)備的接觸面而形成致密的硅垢，難以用普通的方法清洗，嚴(yán)重影響這些設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，而且稠油污水除硅的難度和投入也較大[10-12]。

因此，如采用生產(chǎn)水作為鍋爐給水的水源，會(huì)帶來處理流程長(zhǎng)、設(shè)備多、占地大、投入高的問題。這對(duì)于海上平臺(tái)來說明，顯不具有優(yōu)勢(shì)及可行性。但充分利用生產(chǎn)水，減少生產(chǎn)水的排放和回注，是一個(gè)意義重大的課題。

4.2 海水及地層水比較

對(duì)于采用海水還是地層水作為鍋爐給水水源，需要進(jìn)行深入的比較和篩選。海水或者地層水的處理流程是基本相同的，如圖1和圖2所示。

圖1 海水處理流程

圖2 地層水處理流程

由于水源水質(zhì)的差異，兩個(gè)流程的進(jìn)水量略有不同；對(duì)于去除大粒徑懸浮物的預(yù)處理，含砂量較大的海水采用反沖洗過濾器，優(yōu)于地層水采用的旋流除砂器，但價(jià)格略高；對(duì)于超濾，在初始投資、反洗頻率、膜內(nèi)件更換頻率、化學(xué)藥劑用量等方面存在差異，經(jīng)過綜合分析，無機(jī)膜較有機(jī)膜具有一定優(yōu)勢(shì)。

反滲透膜進(jìn)水溫度宜控制在20～30℃，低溫會(huì)造成膜通量顯著下降，高溫會(huì)造成膜的耐熱穩(wěn)定性下降[13]。因此采用海水需要考慮加熱，采用地層水則需要考慮冷卻。

兩種水源的流程在技術(shù)上均可行，主要比較經(jīng)濟(jì)性，從設(shè)備投資費(fèi)用、內(nèi)件更換費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、面積、重量等方面進(jìn)行對(duì)比： 海水與地層水方案設(shè)備尺寸、重量相差不大，但在系統(tǒng)總投入方面，地層水方案在經(jīng)濟(jì)性上有優(yōu)勢(shì)(由于水源井用戶較多，鍋爐水處理系統(tǒng)不增加水源井?dāng)?shù)量，因此不計(jì)入投資費(fèi)用)。

5 水源選擇的綜合分析

在一個(gè)項(xiàng)目中，射流泵動(dòng)力液、海管外輸摻水、鍋爐給水三個(gè)方面涉及水源的選擇，僅僅單方面進(jìn)行技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性的分析，可能無法實(shí)現(xiàn)整體的最佳，因此需要多方面統(tǒng)籌考慮。

綜合相關(guān)各方面的因素和要求，L油田Ⅰ期開發(fā)項(xiàng)目最終確定的水源選擇流程方案： 動(dòng)力液以生產(chǎn)水為主，地層水作為補(bǔ)充；海管外輸摻水、置換及預(yù)熱、鍋爐給水以地層水為主；海水僅作為特殊工況下鍋爐給水和海管置換的備用水源，如圖3所示。

圖3 水源選擇的流程示意圖(L油田Ⅰ期)

6 結(jié) 語(yǔ)

(1) 海上稠油熱采開發(fā)的水源選擇是比較重要和復(fù)雜的問題，直接關(guān)系到項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性，需要結(jié)合采油舉升、原油外輸、鍋爐給水等多方面要求，在技術(shù)可靠性、初始投資、運(yùn)行維護(hù)等方面，進(jìn)行深入的綜合分析。

(2) 在不具備稀油的條件下，射流泵動(dòng)力液采用生產(chǎn)水和地層水，優(yōu)于海水；原油外輸摻水采用地層水，優(yōu)于海水。

(3) 水中的油和油脂類物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響反滲透膜系統(tǒng)的正常運(yùn)行和壽命，因此鍋爐給水系統(tǒng)應(yīng)關(guān)注水源中油脂的含量。海水和不含油的地層水均可作為鍋爐給水系統(tǒng)的水源。

(4) 目前海上稠油熱采開發(fā)，難以采用生產(chǎn)水作為鍋爐給水的水源，但采用生產(chǎn)水具有資源充分利用、減少相關(guān)排放的重要意義，今后應(yīng)加大相關(guān)的研究。