海上油田過熱蒸汽鍋爐水處理設(shè)備設(shè)計及應(yīng)用

孫玉豹，崔 剛，張衛(wèi)行，徐文江，蘇 毅

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；3.中國海洋石油有限公司開發(fā)生產(chǎn)部，北京 100010）

自2008年以來，渤海A 油田完成了近30 井次的多元熱流體吞吐試驗，油田日產(chǎn)油由熱采前的218 m3上升到最高641 m3，其中6 井區(qū)累計產(chǎn)油量59.67×104m3，采出程度達(dá)到22.5%（截止2020年3月），取得了明顯的增產(chǎn)效果[1]。為進(jìn)一步提高該油田6 井區(qū)采收率，借鑒陸地稠油油田熱采開發(fā)經(jīng)驗，因此選擇在南堡35-2 油田6 井區(qū)開展蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗，探索此類稠油油藏的高效開發(fā)技術(shù)，對整個渤海油田的穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)具有重要意義。

渤海A 油田6 井區(qū)注采井埋深900～1 100 m，井距200～400 m，井型均為水平井，井筒熱損失較大，為確保輸送至油層的蒸汽熱量及蒸汽腔擴(kuò)展，地面注熱裝備采用過熱蒸汽鍋爐，對水處理設(shè)備供水提出嚴(yán)格要求。且由于生產(chǎn)平臺甲板空間有限、吊車吊裝能力僅為10 t，因而在關(guān)鍵工藝流程設(shè)計上還要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備質(zhì)量及尺寸?；谝陨侠щy和挑戰(zhàn)，開展了海上油田過熱蒸汽鍋爐水處理設(shè)備設(shè)計及應(yīng)用。

1 水源選擇

海上油田可用水源一般為淡水、生產(chǎn)污水、地?zé)崴秃Ｋ甗2]，其中淡水資源有限，需要拖輪定期供給，運輸成本較高；生產(chǎn)污水含油量、懸浮物等指標(biāo)相對較高，后續(xù)水處理工藝復(fù)雜、處理成本較高；地?zé)崴c海水資源豐富，而地?zé)崴|(zhì)相對海水較好。綜上分析并結(jié)合渤海A 油田現(xiàn)場水源情況，優(yōu)先選用地?zé)崴鳛樗幚碓O(shè)備水源，地?zé)崴|(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 地?zé)崴|(zhì)指標(biāo)

2 水處理指標(biāo)要求

常規(guī)濕飽和蒸汽鍋爐主要通過濕飽和蒸汽中水相溶解并帶走垢相，但是對于過熱蒸汽鍋爐，輸出介質(zhì)為飽和蒸汽，若鍋爐入口水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子含量和溶解氧超標(biāo)（表2），在加熱過程中會造成蒸汽鍋爐爐管結(jié)垢、氧腐蝕，嚴(yán)重時可造成鍋爐爆管等重大事故。因此，對于過熱蒸汽鍋爐配套水處理設(shè)備供水指標(biāo)需滿足GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》要求。

表2 過熱蒸汽鍋爐水質(zhì)指標(biāo)

3 關(guān)鍵工藝流程設(shè)計

3.1 高效換熱流程設(shè)計

由于反滲透膜要求入口水溫控制在5～40 ℃，而海上平臺地?zé)崴疁囟纫话恪?0 ℃，因此，開展了稠油高效換熱工藝流程設(shè)計，見圖1。

圖1 高效換熱系統(tǒng)工藝流程圖

在地?zé)崴c水處理設(shè)備之間設(shè)計兩級板式換熱器，以代替常規(guī)冷卻塔，其中1 號板式換熱器熱交換介質(zhì)為地?zé)崴峤橘|(zhì)）與滲透水（冷介質(zhì)），2 號板式換熱器熱交換介質(zhì)為地?zé)崴峤橘|(zhì)）與海水（冷介質(zhì)）。地?zé)崴沙龅責(zé)崴?，首先?jīng)脫氣系統(tǒng)進(jìn)行脫氣，然后經(jīng)過1 號板式換熱器與滲透水換熱后溫度由80 ℃降至50 ℃左右，經(jīng)過2 號板式換熱器與海水換熱后溫度進(jìn)一步降至25 ℃左右，進(jìn)入反滲透水處理設(shè)備，制備出的滲透水經(jīng)1 號板式換熱器換熱后溫度升高至55～60 ℃。通過調(diào)整進(jìn)入2 號板式換熱器的海水排量，使地?zé)崴疁囟冗_(dá)到反滲透水處理設(shè)備最佳工作溫度。

與常規(guī)空氣冷卻塔換熱方式相比，高效換熱工藝流程不僅可以通過調(diào)整冷介質(zhì)來保障水處理設(shè)備進(jìn)水溫度穩(wěn)定，同時，可以進(jìn)一步提高過熱蒸汽鍋爐入口水溫，從而使地?zé)崴疅崃康玫匠浞掷?、降低鍋爐燃料消耗。按照25 ℃水的熱焓值為105.38 kJ/kg、60 ℃水的熱焓值為251.67 kJ/kg、原油燃燒熱值為42 000 kJ/kg、注汽速度300 t/d 測算，每天可節(jié)約原油消耗1 044.9 kg，按當(dāng)前原油價格70 美元/桶、匯率6.5 測算，每天節(jié)省燃料成本3 143 元。

3.2 除硬除鹽流程設(shè)計

除硬除鹽方式主要有RO 反滲透法、電去離子法（EDI）、離子交換法[3-5]，電去離子法、離子交換法對入口水質(zhì)Ca2+/Mg2+、電導(dǎo)率等有嚴(yán)格要求，RO 反滲透法作為最基本的除硬方式可以優(yōu)先將地?zé)崴M(jìn)行除硬除鹽。

離子交換法就是把一定比例的陰、陽離子交換樹脂混合裝填于同一交換裝置中，RO 反滲透產(chǎn)水通過交換樹脂時發(fā)生離子交換，以達(dá)到進(jìn)一步去除RO 反滲透產(chǎn)水中Ca2+/Mg2+等離子的目的。由此可見，對于離子交換法而言，并不能完全去除水中Na+等離子。

電去離子法是在直流電場的作用下，通過隔板的水中電介質(zhì)離子發(fā)生定向移動，利用交換膜對離子的選擇透過作用來對水質(zhì)進(jìn)行提純的一種科學(xué)的水處理技術(shù)，電去離子法結(jié)合了離子交換和電滲析兩大工藝的特點，最大限度地去除水中所有離子，減少了制水不穩(wěn)定因素，同時簡化了操作流程、節(jié)約設(shè)備占地（表3）。

表3 除硬除鹽方法對比

3.3 除氧流程設(shè)計

蒸汽鍋爐給水含氧量超標(biāo)容易導(dǎo)致鍋爐爐管發(fā)生氧腐蝕，降低爐管強(qiáng)度，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致爆管事故。傳統(tǒng)除氧方式主要有熱力除氧、真空除氧、化學(xué)除氧[6-7]，熱力除氧方式應(yīng)用最為廣泛，其主要缺點為占地面積大、質(zhì)量大、能耗高，對于海上生產(chǎn)平臺而言，設(shè)備吊裝擺放存在一定困難。

膜除氧方式主要為中空纖維膜，EDI 產(chǎn)水在中空纖維膜絲外側(cè)流動，中空纖維膜絲內(nèi)側(cè)抽真空或者采用高純度氮氣吹掃，中空纖維膜絲表面上有很多微孔，EDI 產(chǎn)水中溶解的氧氣通過微孔不斷向中空纖維膜絲內(nèi)部移動，并被抽真空或者氮氣帶走，從而達(dá)到脫除水中溶解氧的目的。

膜除氧裝置高度集成、占地面積小，且處理過程不消耗蒸汽，設(shè)備尺寸僅為4 m×2.7 m×2.5 m，與常規(guī)熱力除氧方式相比（表4），設(shè)備占地面積降低72%。

表4 除氧方法對比

3.4 整體工藝流程

水處理系統(tǒng)以地?zé)崴疄樗?，采用“二級反滲透+膜除氧+EDI”深度水處理工藝，主要包括預(yù)處理系統(tǒng)（板式換熱器、袋式過濾器、超濾、精密過濾器）、反滲透脫鹽系統(tǒng)（一級RO 系統(tǒng)、二級RO 系統(tǒng)、EDI 系統(tǒng)）、除氧系統(tǒng)（脫氣膜、制氮機(jī)），整體工藝流程及關(guān)鍵節(jié)點水質(zhì)指標(biāo)見圖2、圖3。

圖2 水處理系統(tǒng)工藝流程圖

圖3 水處理系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點水質(zhì)指標(biāo)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

渤海A 油田蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗項目作為海上首個蒸汽驅(qū)項目，于2020年6月底進(jìn)入現(xiàn)場實施。蒸汽驅(qū)初期試注階段采取濕蒸汽注入，設(shè)計注汽速度280 m3/d、鍋爐出口蒸汽干度85%；2021年3月開始過熱蒸汽注入，截止2022年7月1日項目已累計注汽量10.6×104t，井組平均日注汽速度240～300 t，油壓9～9.7 MPa，過熱度20～30 ℃，水處理設(shè)備運行平穩(wěn)，關(guān)鍵供水技術(shù)指標(biāo)滿足GB/T 12145—2016 要求（表5），從而確保了過熱蒸汽鍋爐運轉(zhuǎn)正常且相對穩(wěn)定。

表5 水處理設(shè)備實際運行指標(biāo)

5 結(jié)論

針對海上作業(yè)環(huán)境及資源供給情況，深入開展了過熱蒸汽鍋爐配套水處理設(shè)備工藝流程設(shè)計，進(jìn)一步降低了蒸汽鍋爐燃料消耗、減少地面設(shè)備占地面積、滿足生產(chǎn)平臺吊裝作業(yè)。水處理設(shè)備投入運行后，關(guān)鍵供水技術(shù)指標(biāo)滿足GB/T 12145—2016 要求，截止2022年7月，渤海A 油田蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗已累計注汽量10.6×104t，鍋爐出口蒸汽過熱度20～30 ℃，過熱蒸汽鍋爐運行穩(wěn)定。