渤海稠油油田注汽鍋爐選型技術(shù)分析

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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(shù)手段提高運(yùn)用程度。目前，南堡某稠油油田[1-2]已開展多元熱流體復(fù)合吞吐技術(shù)，通過便攜式多元熱流體發(fā)生器產(chǎn)生熱流體，單臺(tái)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(dá)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(dá)90%[3]。

渤海某稠油油田先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)計(jì)劃新建1座井口平臺(tái)，地面原油黏度為51 340 MPa·s，20 ℃時(shí)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(jì)劃采用蒸汽吞吐的開采方式指導(dǎo)該油田的高效開發(fā)，通過綜合研究，要求蒸汽吞吐時(shí)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(yīng)用的關(guān)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(duì)于有伴生氣的油田，應(yīng)充分利用平臺(tái)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(yùn)行時(shí)天然氣的供給應(yīng)保證連續(xù)不斷。對(duì)于油田自產(chǎn)伴生氣不足的稠油油田，考慮燃用平臺(tái)自產(chǎn)原油[4]。通常不同鍋爐燃燒器要求燃料油黏度須達(dá)到一定指標(biāo)，這樣在進(jìn)機(jī)時(shí)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(shí)使用空氣霧化或蒸汽霧化?？諝忪F化時(shí)空氣經(jīng)壓縮調(diào)壓進(jìn)入油槍將燃油霧化；蒸汽霧化時(shí)蒸汽經(jīng)一級(jí)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(jí)穩(wěn)壓進(jìn)入油槍將燃油霧化。扎克燃燒器為轉(zhuǎn)杯式機(jī)械霧化，通過高速旋轉(zhuǎn)的金屬轉(zhuǎn)杯將高溫燃油霧化[5]。其次，不同的鍋爐廠家對(duì)燃料油酸值、灰分、機(jī)械雜質(zhì)和含水率也有一定要求，特別是含水率指標(biāo)，一般要求燃料油含水率小于5%，這就對(duì)特稠油脫水工藝的設(shè)計(jì)流程提出了嚴(yán)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(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、安全性高、工作可靠性好、油品適應(yīng)性強(qiáng)，輻射段和對(duì)流段均采用往復(fù)蛇形管結(jié)構(gòu)，同時(shí)爐管采用高強(qiáng)度耐熱合金管，并設(shè)置在線吹灰裝置；立式結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、啟動(dòng)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(yùn)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(yán)重，需要頻繁手動(dòng)(小于10 h吹灰1次)進(jìn)行尾部和爐膛底部蒸汽吹灰，從而導(dǎo)致人工操作成本上升。

海上平臺(tái)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(jí)別對(duì)應(yīng)不同的壓力等級(jí)，根據(jù)油田地層破裂壓力確定鍋爐級(jí)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(fèi)，所以海上平臺(tái)注汽鍋爐的規(guī)模依據(jù)所需熱采井口數(shù)應(yīng)盡量多臺(tái)并聯(lián)布置，以實(shí)現(xiàn)多井同注和單井作業(yè)。因此，對(duì)于海上稠油熱采平臺(tái)鍋爐，選用單臺(tái)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(tái)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(gè)含有多種雜質(zhì)、溶解氣體和懸浮物的復(fù)雜多相體，含有的二氧化碳?xì)怏w、鈣、鎂、亞鐵離子可以引起鍋爐爐管腐蝕和結(jié)垢，因此要對(duì)采出水進(jìn)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(fù)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(fù)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(shè)計(jì)規(guī)范中要求的鍋爐用水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 稠油油田注汽鍋爐用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 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(jìn)行能量交換供給平臺(tái)熱用戶，可以有效減少燃料消耗，增加熱效率。通常當(dāng)鍋爐排煙溫度大于200 ℃時(shí)，鍋爐排煙煙氣焓值才有利用價(jià)值[8]。

當(dāng)海上平臺(tái)斷電或緊急關(guān)斷時(shí)，為防止混輸海管中的原油凝管，需要用熱水進(jìn)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(fù)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(duì)外輸送置換時(shí)所需熱水[9]。

2 注汽鍋爐選型關(guān)鍵因素適應(yīng)性分析

通過上述對(duì)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(duì)鍋爐的方案選型有一定影響。本文以渤海某稠油油田先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)前期研究項(xiàng)目為例，詳細(xì)分析影響渤海稠油油田注汽鍋爐選型的關(guān)鍵因素，展開適應(yīng)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(dǎo)試驗(yàn)區(qū)計(jì)劃開采6年，不產(chǎn)伴生氣，距離SZ36-1WHPA平臺(tái)2 km。方案1可以考慮從WHPA平臺(tái)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(tái)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(yùn)行時(shí)間按照330天計(jì)算，計(jì)算得到注汽鍋爐燃油和燃?xì)饨?jīng)濟(jì)方案對(duì)比[10]見表2，根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果，推薦鍋爐燃料采用平臺(tái)自產(chǎn)原油。

表2 注汽鍋爐燃油和燃?xì)饨?jīng)濟(jì)方案對(duì)比 億元

平臺(tái)采出原油含水率大于20%，需要對(duì)原油采用靜電聚結(jié)脫水工藝以達(dá)到含水率的要求。靜電聚結(jié)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(dú)除氣，內(nèi)部電場區(qū)域自下而上多層水平設(shè)置，適應(yīng)不同含水量乳化液在不同電場區(qū)域的多級(jí)脫水，充分利用有限電場區(qū)間，達(dá)到多級(jí)稠油強(qiáng)化脫水效果，乳狀液的脫水率可達(dá)95%以上，且設(shè)備總體尺寸相比傳統(tǒng)的三級(jí)分離設(shè)備減少1/3～1/2。鍋爐燃燒器選用轉(zhuǎn)杯式機(jī)械霧化，運(yùn)行時(shí)保證燃油爐前進(jìn)口壓力不得低于0.4 MPa，進(jìn)入燃燒器噴嘴時(shí)黏度需達(dá)到100賽氏黏度，這樣可以改善燃燒工況，達(dá)到理想的燃燒效果[5]。

2.2 配置型式和規(guī)模確定

通過對(duì)國內(nèi)注汽鍋爐廠家調(diào)研，結(jié)合各供貨廠家提供的情況，技術(shù)成熟且有相關(guān)海油供貨業(yè)績的注汽鍋爐技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3和表4。注汽鍋爐燃料選用平臺(tái)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(jì)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(shè)備投資費(fèi)用稍高，但整體開發(fā)周期熱采操作費(fèi)低，可以節(jié)省工期費(fèi)用；從技術(shù)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(shí)現(xiàn)1用1備。

表3 臥式和立式注汽鍋爐相關(guān)參數(shù)對(duì)比

表4 不同排量臥式鍋爐經(jīng)濟(jì)方案對(duì)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(fèi)用合理、安全平穩(wěn)的熱采鍋爐取水方式。從經(jīng)濟(jì)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(shù)成熟，海水預(yù)處理中利用超濾裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂濾，并結(jié)合反滲透膜處理法得到的海水水質(zhì)可以達(dá)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(jìn)入超濾裝置截留水中細(xì)菌、膠體、油脂和有機(jī)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(jìn)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(jī)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(shè)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(yīng)大于110 ℃，則鍋爐排煙煙氣回收的熱量為744 585.23 kg/h，相當(dāng)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(tái)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(shí)，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(tái)15 t/h鍋爐需補(bǔ)熱水2.5 t，假設(shè)冷水溫度為10 ℃，鍋爐在低負(fù)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(tái)15 t/h注汽鍋爐共需要44 kg柴油，補(bǔ)水時(shí)間15～25 min。

3 結(jié) 論

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

(1) 在渤海稠油油田開發(fā)中，為減少運(yùn)行費(fèi)用，注汽鍋爐的燃料應(yīng)首選平臺(tái)自產(chǎn)伴生氣，其次是自產(chǎn)原油。平臺(tái)緊急關(guān)停后重新啟動(dòng)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(tái)并聯(lián)布置的立式鍋爐；注汽鍋爐燃料如果是平臺(tái)自產(chǎn)原油，宜采用多臺(tái)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(diǎn)和平臺(tái)處理工藝流程進(jìn)行排煙煙氣和鍋爐水的余熱綜合利用。

[ 1 ] SUN Y T, ZHAO L C, LIN Tao, et al. Case Study: Thermal Enhance Bohai Offshore Heavy Oil Recovery by Costimulation of Steam and Gases[C] // SPE Heavy Oil Conference, 2013.

[ 2 ] 唐曉旭, 馬躍, 孫永濤. 海上稠油多元熱流體吞吐工藝研究及現(xiàn)場試驗(yàn)[J]. 中國海上油氣, 2011, 23(03): 185-188.

[ 3 ] WANG S T, LI Y P, MA K Q, et al .Evaluation of the First Cyclic Steam Pilot in Offshore Oilfield of China[C]// SPE Enhanced Oil Recovery Conference, 2015.

[ 4 ] 徐海波, 洪毅, 王文祥, 等. 海上油田新型主發(fā)電站技術(shù)分析[J]. 中國海上油氣, 2016, 28(02): 151-155.

[ 5 ] 王培, 王思平, 王宏偉. 超稠油轉(zhuǎn)杯霧化燃燒器在注汽鍋爐的應(yīng)用[J]. 煤汽與熱力, 2009, 29(12): 24-26.

[ 6 ] 吳永寧, 周英. 海上稠油熱采注汽鍋爐的選擇建議[J]. 遼寧化工, 2016, 45(02): 223-224.

[ 7 ] 王海峰, 任福建, 劉莉. 稠油污水回用于熱采鍋爐中試研究[J]. 工業(yè)用水與廢水, 2013, 44(01): 13-15.

[ 8 ] 李東明, 王志國, 張義詳. 注汽鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)研究[J]. 工業(yè)鍋爐, 2002 (03): 13-15.

[ 9 ] 馮逸仙. 海水淡化的技術(shù)方向及經(jīng)濟(jì)性[J]. 水處理技術(shù), 2010, 36(09): 1-4.

[10] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì). 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》第2冊: 海洋石油工程機(jī)械與設(shè)備設(shè)計(jì)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.