海洋平臺鍋爐水處理工藝研究及應(yīng)用

唐 敏，武志坤，羅 彭，鞠朋朋，周曉艷，張?zhí)K飛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

當(dāng)前，全球很多國家均將稠油開發(fā)作為重點(diǎn)發(fā)展方向，?？松梨?、雪佛龍、哈里伯頓、巴西國家石油等公司均在不同區(qū)塊進(jìn)行稠油勘探開發(fā)。我國海洋稠油資源較為豐富，越來越多的海底稠油、超稠油有待開發(fā)。以渤海油田為例，探明稠油地質(zhì)儲量占總探明儲量約55%，且熱采降粘增產(chǎn)效應(yīng)明顯，單井產(chǎn)量將是常規(guī)采油3倍～10倍以上，因此，海洋稠油開發(fā)具有較好的發(fā)展前景。

現(xiàn)階段，海上稠油熱采開發(fā)主要采用蒸汽吞吐的方式。在海上平臺，將合適的水源經(jīng)預(yù)處理、脫鹽軟化、脫氧等工藝后進(jìn)入注汽鍋爐產(chǎn)生高干度蒸汽，蒸汽注入地層采出原油，原油經(jīng)集輸系統(tǒng)后外輸，如圖1。

圖1 海上稠油熱采平臺工藝示意圖Fig.1 Process diagram of offshore heavy oil thermal recovery platform

2 水源選擇

與陸上油田相比，海洋平臺鍋爐水處理所能利用的水源有限，由于成本和平臺空間等因素限制，無法利用淡水、自來水等潔凈水源。就地取材的海水，無需動用鉆修井等設(shè)備，可節(jié)省較多的鉆修井費(fèi)用，但渤海海域海水懸浮物高、濁度大，需研發(fā)合適的預(yù)處理工藝。水源井水相對海水更為潔凈，預(yù)處理工藝相對簡單，但鉆井費(fèi)用較高、水源井泵耗能較大。因此，有必要對相應(yīng)水源進(jìn)行比選，以選擇合適的水源及相應(yīng)的水處理工藝。文章結(jié)合海洋平臺實(shí)際和水處理工藝，對兩種水源的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，如表1。

表1 水源比選Tab.1 Comparison and selection of water sources

經(jīng)綜合比較，海水作為水源雖然預(yù)處理工藝相對復(fù)雜，但可節(jié)約鉆井費(fèi)用，且能耗較低，綜合成本低于水源井水，為此選擇海水作為鍋爐水處理水源。

3 海水預(yù)處理工藝

預(yù)處理目的是將海水中的泥沙、懸浮物、膠體、微生物、有機(jī)物、溶解氣體等全部或部分去除，以滿足下游脫鹽軟化系統(tǒng)反滲透膜的進(jìn)水水質(zhì)要求。

由于渤海海域在惡劣天氣條件下海水渾濁，泥沙量較大，最高懸浮物含量高達(dá)178.8 mg/L,遠(yuǎn)高于水處理設(shè)備中各類超濾膜、反滲透膜對入口懸浮物的要求。為達(dá)到下游反滲透指標(biāo)要求，需結(jié)合海水水質(zhì)和海洋平臺實(shí)際綜合考慮預(yù)處理工藝方案。

經(jīng)研究比較已有各種高含懸預(yù)處理工藝，常見的有大罐重力沉降，或混凝沉降、沉清池等。上述工藝一方面沉降時(shí)間比較長，多在2 h以上，占地大、重量大，另外一方面，在沉降罐上游注入藥劑，會導(dǎo)致藥劑加注量增大，混凝沉降罐排放水中藥劑損失量較大。為此，該項(xiàng)目研發(fā)一種適合海洋平臺的預(yù)處理工藝。首先，針對所在海域海水懸浮物最高含量為178.8 mg/L，考慮直接沉降，以減少藥劑用量和藥劑排放量，為盡量減少占地面積和沉降罐重量，對沉降罐內(nèi)件進(jìn)行優(yōu)化，使其停留時(shí)間為30 min；其次，針對該海域天氣狀況良好期間，懸浮物降低的工況，為沉降罐設(shè)置旁通，當(dāng)懸浮物含量低于20 mg/L時(shí)，海水可直接進(jìn)入下游細(xì)濾器，另外，通過板式換熱器回收熱能，提高進(jìn)入反滲透海水溫度，從而提升反滲透產(chǎn)水率。

區(qū)別于常規(guī)的有機(jī)超濾膜預(yù)處理工藝，項(xiàng)目預(yù)處理工藝中選用了無機(jī)超濾膜工藝，沉降后的海水通過接觸過濾的方式處理后進(jìn)入無機(jī)超濾膜。傳統(tǒng)的有機(jī)膜超濾/微濾法預(yù)處理存在有機(jī)膜易老化、斷絲等難題，同時(shí)由于海水水質(zhì)較差，大多數(shù)有機(jī)膜使用壽命不足3 a。與上述兩種方法相比，無機(jī)陶瓷膜具有孔徑分布窄、孔隙率高、分離層薄、過濾阻力小等優(yōu)點(diǎn)，而且單位膜表面積處理量高、產(chǎn)水能力大，膜的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以在海水中長期穩(wěn)定運(yùn)行，更適用于海洋平臺海水淡化預(yù)處理。該工藝流程示意圖如圖2。

圖2 海水預(yù)處理工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of seawater pretreatment process

海水經(jīng)上述預(yù)處理工藝后，將懸浮物全部去除，濁度NTU小于0.2，可滿足反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求，確保脫鹽軟化系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 脫鹽軟化工藝

由于鍋爐需要產(chǎn)生高干度蒸汽，其進(jìn)水指標(biāo)如表2所示。

表2 鍋爐進(jìn)水水質(zhì)要求Tab.2 Requirements for water quality of boiler inlet

表2水質(zhì)要求中，需將水中的硬度及鹽類基本全部去除，以使電導(dǎo)率小于0.10 μS/cm。為了達(dá)到此高純水的指標(biāo)要求，采用了水處理工藝，如圖3。

圖3 脫鹽軟化工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of desalting and softening process

該工藝中三級反滲透用于去除海水中的大部分鈣、鎂離子及鹽類，每級反滲透的除鹽率約為97%，入口含鹽量32 000 mg/L的海水經(jīng)過三級反滲透后電導(dǎo)率小于20 μS/cm，滿足EDI(連續(xù)電除鹽)入口電導(dǎo)率的要求。在該工藝中，通過能量回收裝置，將排海的高壓流體壓力能轉(zhuǎn)換為電能給反滲透增壓泵的電機(jī)供電，從而避免能源浪費(fèi)。按照一級反滲透高壓泵揚(yáng)程約500 m，排量20 m3/h計(jì)算，通過能量回收，每年節(jié)省的電能約為22.5萬kW·h。

該工藝中通過EDI來進(jìn)一步降低水中電導(dǎo)率，通常，在陸上油田或電廠，多采用混床(或樹脂交換)來實(shí)現(xiàn)高純水的處理指標(biāo)，對于此項(xiàng)目，通過綜合比較(表3)，最終選用更適合海洋平臺的EDI設(shè)備。一方面節(jié)省空間，另一方面考慮蒸汽吞吐通常后期轉(zhuǎn)入注汽開采或者SAGD開采，此時(shí)鍋爐出口水質(zhì)要求達(dá)到過熱，因此，采用EDI產(chǎn)出的高純水給鍋爐，可避免將來稠油開采向注汽或SAGD等方式轉(zhuǎn)變時(shí)，水系統(tǒng)的改造更換。

表3 EDI與混床比較Tab.3 Comparison between EDI and mixed bed

連續(xù)電除鹽利用混合離子交換樹脂吸附給水中的陰/陽離子，同時(shí)這些被吸附的離子又在直流電壓作用下，分別透過陰/陽離子交換膜而被去除，此過程離子交換樹脂不需要用酸和堿再生，這一新技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離子交換裝置。EDI模塊由淡水室、濃水室和極水室組成。淡水室內(nèi)填充混合離子交換樹脂，給水中的離子由該室去除；淡水室和濃水室之間裝有陰/陽離子交換膜，淡水室中陰/陽離子在兩端電極作用下不斷通過陰/陽離子交換膜進(jìn)入濃水室；H2O在直流電能的作用下分解成H+和OH-，使淡水室中混合離子交換樹脂時(shí)刻處于再生狀態(tài)，因而一直保持有交換容量，而濃水室中含陰/陽離子的濃水不斷地排走。因此，EDI在通電狀態(tài)下，可以不斷地制造純水，其內(nèi)填的樹脂無需使用工業(yè)酸、堿進(jìn)行再生。

5 深度除氧工藝

根據(jù)表2鍋爐進(jìn)水水質(zhì)要求，需要將進(jìn)口含氧超過1 000 μg/L的海水氧含量降低至7 μg/L以下，常規(guī)除氧工藝通常采用大氣式熱力除氧器(操作壓力20 kPa,操作溫度104 ℃)。經(jīng)研究，大氣式熱力除氧裝置可實(shí)現(xiàn)出口含氧量小于15 μg/L，壓力式熱力除氧可實(shí)現(xiàn)出口含氧量小于7 μg/L，為此，項(xiàng)目創(chuàng)新選用壓力式熱力除氧(0.58 MPa,158 ℃)工藝。同時(shí)，為熱力除氧設(shè)置預(yù)熱器，熱力除氧的熱水與進(jìn)熱力除氧的涼水換熱，這樣一方面降低進(jìn)鍋爐水溫度，避免為鍋爐泵增設(shè)冷卻器，相應(yīng)減少對海水等系統(tǒng)的影響，換熱后的水進(jìn)入鍋爐還可避免鍋爐泵汽蝕，減少對總體布置的影響；另一方面將提高進(jìn)熱力除氧器水溫，減少熱力除氧熱源耗量，即高溫高壓蒸汽耗量約2 t/h。其流程示意如圖4。

圖4 深度除氧工藝示意圖Fig.4 Schematic diagram of deep deaeration process

6 結(jié)論

海洋平臺稠油熱采開發(fā)需綜合考慮平臺空間重量限制，水源選擇上應(yīng)做到盡可能就地取材，降低工程投資，同時(shí)還應(yīng)兼顧稠油熱采開發(fā)的不同階段，如蒸汽驅(qū)等。

文章通過對可利用的水源進(jìn)行分析比較，選擇更節(jié)省工程投資的海水作為鍋爐水源，并以此研究相應(yīng)海水預(yù)處理工藝，在預(yù)處理工藝中創(chuàng)新采用了緊湊沉降加無機(jī)超濾工藝，該工藝可將渤海海域海水中懸浮物全部去除。通過三級反滲透加EDI工藝制取電導(dǎo)率小于0.1 μS/cm的高純水，創(chuàng)新采用壓力式熱力除氧，以將海水中氧含量降低至7 μg/L以下，從而確保鍋爐產(chǎn)生高干度蒸汽，大大減輕鍋爐腐蝕。

目前，該鍋爐水處理工藝已在旅大某稠油熱采平臺得到應(yīng)用，運(yùn)行良好，其成功實(shí)踐對我國海上稠油熱采開發(fā)的不斷推進(jìn)和應(yīng)用具有重要借鑒意義。