海上稠油热采锅炉补给水系统水源选择的思考.pdf

第2 3卷 第1 8期2 0 2 3年 9月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 8S e p.,2 0 2 3海上稠油热采锅炉补给水系统水源选择的思考宫景雯,窦培举,杨泽军,高 鹏(中海油研究总院有限责任公司,北京1 0 0 0 2 8)摘要:渤海L油田为一座已投产的超稠油热采开发井口平台,锅炉水处理系统由于水源不合格出现运行问题。根据平台的运行情况,详细分析水源水质产生问题的原因;结合该平台锅炉水处理系统的前期水源选择背景、运行过程中各处理单元参数和实际运行出现的问题进行分析,对海水和水源井水两种水源进行技术、投资、占地、风险性等方面的对比,给出水源推荐方案,为更加科学地在海上稠油热采项目中选择锅炉补给水水源提供技术支持。关键词:海上;热采;水源;海水中图分类号:T E 5 4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 8-0 1 6 3-0 5收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 1作者简介:宫景雯(1 9 8 7),女,安徽定远人,中海油研究总院有限公司,工程师,硕士,研究方向为海上油气田水处理方案设计;窦培举(1 9 7 2),男,中海 油研 究 总院 有 限 公 司,高 级 工 程 师,研 究 方 向 为 海 洋 工 程 技 术、设 计 及 管 理;杨 泽 军(1 9 8 6),男,中海油研究总院有限公司,高级工程师,硕士,研究方向为海洋工程技术、设计;高鹏(1 9 8 7),男,中海油研究总院有限公司,高级工程师,研究方向为海洋工程技术、设计及管理。渤海拥有丰富的稠油资源,近年来中海油在渤海开展了稠油热采技术的研究,其中旅大2 1-2油田的投产标志着海洋石油规模化稠油热采开发的实施1。稠油热采技术需配套相应的锅炉水处理系统、注气锅炉系统等。锅炉水处理系统能否稳定达标的产出锅炉补给水直接决定了热采技术的可靠性,而由于锅炉补给水需求量较大,如何经济合理地选择水源是设计锅炉水处理系统的首要问题。肖杰等2研究了海上常用热采水源淡水、地热水、生产污水、海水4类的水质情况。姜维东等3针对以海水作为热采水源的旅大2 1-2油田锅炉水处理系统介绍了优化方法和应用。窦培举等4从技术可靠性、初始投资等方面综合分析了生产污水、海水和不含油的水源井水作为锅炉补给水源的可行性,认为海水和不含油的地层水均可作为海上热采平台锅炉水水源。结合渤海已正式投产的第一座规模化超稠油热采L油田,分析其在锅炉水处理系统运行过程中由于水源选用遇到的问题,为以后海上油田的锅炉水水源选择提供新的思路。1 L油田锅炉水处理系统概况及水源选择介绍L油田位于渤海辽东湾海域,所在海域水深3 2m,为超稠油油田,采用蒸汽吞吐方式,总井数为2 8口(2 6口生产井、2口水源井)。该油田在前期选择水源时鉴于项目的水源井水用户较多(海管掺水、动力液用水),锅炉水处理系统若采用水源井水无须额外打井,且从水源探井所在层位的数据分析认为水源井水不含油、矿化度和浊度均低于海水,作为锅炉水系统的水源在经济性上更有优势,因此选 择 水 源 井 水 作 为 热 采 水 源,系 统 产 水 规 模为6 0t/h。探井所得水源井水的设计水质如表1所示,水质中并无F e离子、油脂等指标。采用的锅炉水处理系统处理流程为水源井水先经除砂后、经过自清洗过滤器去除大颗粒物质、在冷却器中调节水温至2 53 5,再经过无机超滤膜将悬浮物降至0.2NTU以下,再经过反渗透和离子交换将可溶解性固体降至1 0 0 0m g/L,硬度降至0,最后经过除氧器将含氧量降至2 5p p b以后增压进入锅炉,处理流程如图1所示。为了避免对水源井水质认识得不够深入而引发处理流程的问题,该流程在占地和重量上同时考虑了未来更改为海水水源的措施,海水设计水质为渤海实测水质(表2)。由表1和表2可知,海水的悬浮物、可溶解性固体等相较于水源井水均较高,这些指标会增加水源预处理的难度和成本,但海水的优点也较明显,如对海水水质认识较深入,易于取得;水源井水一般需要具备打水源井的条件,由此会产生一笔打井的费用,且在油田周围打的水源井,尽管位于不同的层位,但也难以做到水中绝对不含油。361图1 锅炉水处理系统流程表1 水源井水设计水质水温地层水离子含量/(m gL-1)阳离子阴离子N a+K+M g2+C a2+C L-S O42-HC O3-C O32-总矿化度p H水型悬浮物悬浮物/(m gL-1)粒度中值/m3 75 0 22 9 4.66 5 7.61 1 59 0 3.857 5 2.29 1.34 3 4.701 02 4 9.17C a C l21 62.1 2表2 海水设计水质水质可溶性固体/(m gL-1)总硬度(C a C O3)/(m gL-1)总碱度水温/离子m g/L总铜N a+M g2+C a2+C l-S O42-S i O2含油/(m gL-1)p H溶解氧/(m gL-1)悬浮物悬浮物/(m gL-1)粒度中值/m海水3 23 0 23 3 93.0 8-1.82 8.1 0.2 4 88 5 9 1 2 4 53 7 6 1 86 6 426 9 6 0.2 40.27.911 11 7 95.4 4 82 L油田的锅炉水系统水源水质和处理运行现状分析2.1 实际的水源水质L油田于2 0 2 2年3月第一口实际水源井产水后,锅炉水处理系统开始正式运行,同时开展了第一口热采井注热工作,第二口水源井于同年7月产水。注热期间,锅炉水系统产水规模为1 6m3/h,产水溶 解 氧2 5g/L、总 硬 度0、可 溶 性 固 体10 0 0m g/L,可满足平台所需锅炉供水标准。系统运行期间技术人员对水源井水进行多次现场取样监测以及运送至陆地实验室检测,根据运行的问题,重 点 关 注 了 化 学 需 氧 量(c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d,C O D)、总铁和含油量这3项水质指标,得到水源水质如图3、图4和表3所示。排除钻井前期钻井液污染水源井的因素,实际水源井水质相比设计水质仍有较大差别,主要体现在水源中含有 高 达6 m g/L的F e离 子、5 m g/L的 油 和3 0 0m g/L的C O D。油脂对膜系统的 影响比较明确,海水 淡 化 预 处 理 膜 系 统 需 要 油 脂 含 量 低 于1m g/L5,且 反 渗 透 膜 要 求 进 水 浊 度 低 于1N TU6。这几项指标在系统前期设计阶段并未引起足够的重视,但会对处理装置(主要表现为反渗透膜)产生极大危害,主要表现为:水质中铁离子离开地层遇到大气后易形成氢氧化铁胶体、阻塞膜孔;C O D和油脂反映了水源的受污染程度,水质中较高的C O D和油脂会堵塞膜孔,增大压差,加速膜表现的污染速度从而影响其使用寿命,这类污染通常是不可逆的,无法通过化学清洗完全恢复膜通量。为查明水源中C O D较高的原因,操作方对水源进行了气质联用仪物质定性分析,分析结果如图5所示,其中污染物以可溶性有机物为主。图3 C O D连续监测数据461 科技和产业 第2 3卷 第1 8期 图4 总铁连续监测数据表3 实验室检测水质监测单位1#水源井2#水源井F e/C O D/F e/C O D/(m gL-1)(m gL-1)(m gL-1)(m gL-1)实验室12.13 11.0未检测实验室24.61 5 45.39 6含油约25m g/L表4 水源物质定性分析物质名称分子式分子量C A S匹配度3-庚酮C 7 H 1 4 O1 1 4.10 0 0 1 0 6-3 5-49 12-乙基-己醛C 8 H 1 6 O1 2 8.1 20 0 0 1 2 3-0 5-79 32-乙基-1-己醇C 8 H 1 8 O1 3 0.1 40 0 0 1 0 4-7 6-78 62.2 锅炉水系统运行状况现场实际运行出现的问题和化验数据基本吻合,反渗透前的无机超滤膜自投产后一直运行稳定,在其产水管线即时取样为澄清透明状,浊度均在0.2NTU以下,满足超滤出水要求。但是水样在大气中静置1 0m i n后,水样颜色变为微黄,有明显絮状物产生,检测浊度逐渐增加,大于1NTU。且发现在超滤后的产水罐处水样颜色为微黄,有明显沉淀产生,检测浊度达到5NTU以上。反渗透膜的运行情况不容乐观,保安过滤器滤芯更换周期降到不足1天。在进水温度2 7、恒定压力运行的条件下,反渗透膜的产水量呈现迅速下降的趋势,由初始2 6.7m3/h下降到1 2.5m3/h,累计运行了不足3天,进水与浓水压差达到1 0%,需要在线化学清洗。反渗透膜累积运行1个月以后,在线化学清洗已无法恢复其脱盐性能,产水电导率达到80 0 0s/c m左右,反渗透膜膜间流道和膜表面充满红褐色污染物,现场对其拆卸并进行了换膜处理。技术人员对膜表面污染物进行了取样分析,化验数据如表5所示。可以看出膜表面污染物主要为F e2O3。表5 反渗透膜表面污染物分析元素质量百分比/%S i O20.8 3 1C a O2.9 3F e2O39 4.1S r O0.5 9 7Y2O30.3 4 8B a O0.2 3 73 L油田应对水源的措施3.1 维持水源井水使用现状为了最大程度减少水源问题给平台注热生产造成的影响,现场采取了一系列应对措施。首先针对铁离子对反渗透膜的污堵和损坏,在反渗透前水源井水流经的设备及管线上严格隔绝空气,超滤产水罐加氮气保护;同时调整反渗透添加的药剂,投加抑制剂,调整还原剂、阻垢剂、p H调节剂用量,将反渗透进水p H值降低至6,这两项措施可防止铁离子氧化形成胶体,延长反渗透膜使用寿命。同时水源中含油量最高达到5m g/L,也会加速膜的污染。现流程中作为反渗透膜预处理措施的无机超滤膜常用于油田采出水的精细处理,可去除较低粒径和含量的油和悬浮物。周立坤等7认为无机超滤膜作为油田采出水的最后一级处理单元,可将进水含油量4 5m g/L去除至5m g/L左右。这是目前海上应用的最高效最精细的除油单元,但仍不具备将含油量从5m g/L去除至1m g/L的能力。C O D也有同样的问题,需要由最高1 5 4m g/L降至1 0m g/L以下,陆上常规的处理方法有强氧化、活性炭吸附等工艺,由于占地庞大在海上极少应用,考虑到油脂和C O D对整个处理流程的影响相比F e离子的影响更缓慢,综合评价后没有对这两项指标增加多余的处理措施。561 宫景雯等:海上稠油热采锅炉补给水系统水源选择的思考 现场采取以上应对措施抑制F e离子氧化后,反渗透进水浊度得到了一定改善。保安滤芯的更换周期由不足1天延长到7天左右,反渗透产水电导率为8 0 0s/c m,脱盐率为9 4%(正常为9 7%)左右,虽能满足下游使用要求但仍未达到原设计脱盐率。C O D、含油量的超标,对反渗透膜仍然会造成不可逆的氧化损坏和通量损失,而且调整反渗透进水的p H值也不是反渗透最优运行条件,虽然膜污染得到缓解,但膜性能衰减(脱盐率下降),以上两项都会缩短反渗透膜的使用寿命,经评估后认为更换周期会由设计的2年降低至0.5年,平台还因此额外增加了一笔的药剂操作费,膜的折减费用和药剂操作费用约为2 8 0万元/年,全生命周期约为23 8 4万元。后期若水源井水质继续恶化,该措施可能失效。所以锅炉水系统存在的隐患并没有完全解决。3.2 更换热采水源为海水的改造海水淡化技术比较成熟8,利用反渗透结合软化技术可满足注气锅炉用水条件。该油田前期设计时在占地和重量等方面已考虑了后期水源转换为海水的可能性,因此具备修改水源的条件。修改后的流程如图6所示。由于海水的反渗透产水率要低于水源井水,因此需要增加自清洗滤器、无机超滤及反渗透的处理规模。另外还需对该系统是否适用于海水做进一步评估,关键点在于热力除氧器的材 质 和 部 分 管 材 选 取。原 热 力 除 氧 器 采 用3 1 6L,反渗透前管材是钢骨架复合管,反渗透后是3 1 6L。若水源中的氯离子含量由水源井的57 5 2m g/L升高至海水的1 86 6 4m g/L,即使经过反渗透处理后,按照去除率9 7%计算,进入热力除氧器的水中剩余的氯离子含量仍然高达3 6 6m g/L,在操作温度1 0 5、含氧量1m g/L的条件,原热力除氧器的3 1 6L材质存在点蚀风险9,需要更换材质为钛碳复合材料。反渗透后的管材也无法满足海水工况,需要更换为双相钢。修改水源后带来的系统重量、占地和费用的变化如表6所示。图6 海水水源锅炉水处理系统流程表6 两种水源系统对比设备单元水源井水方案占地/m2海水方案/m2占地增加/m2净重增加/t设备费用增加/(万元年-1)操作费用增加/(万元年)(药剂)备注自清洗滤器撬1 3.31 6.83.56 53 1增加一台过滤器超滤撬7 9.29 31 63 5 02 8增加一组膜组件反渗透撬4 04 852 1 01 3增加一组膜组件化学药剂撬3 8.54 256 7增加絮凝剂热力除氧撬6 09 001 2 0更换材质合计2 3 12 8 9.85 8.85 5.78 1 27 2 以上改造初步估计需要工期约为1个月,为避免影响平台生产,需协调平台注热计划,可选取打井或大修等停止注热期间进行改造。3.3 两种措施的对比以上两种方法从理论上均可解决目前L油田遇到的水源问题。从投资上进行综合比较如表7所示,可知更换水源在总投资上存在优势,为彻底解决水源问题,建议择机更换水源。表7 两种措施投资对比投资费用更换水源为海水维持水源现状差值设备费用/万元8 1 2增加全生命操作费用/万元5 1 823 8 4合计/万元13 3 023 8 410 5 44 结论锅炉水处理系统在海上热采虽已有成功应用661 科技和产业 第2 3卷 第1 8期 案例,但发展时间相对较短且经验少,各方面有较大的优化空间,水源选取作为系统的首要问题,选取是否合适直接决定了系统设计的成败。1)在对地层充分认识和有数据支撑的前提下,海水和水源井水均可作为热采水源。合格的水源井水可比同等条件下的海水水源减少设备投资和运维费用,主要体现在膜数量较少及对管材要求较低等方面。2)水源井水取自地下,可能受到钻井工况或者其他地层的污染,存在一定的未知性,且由地下提升至地面的过程中也存在被污染的可能性,对于规模化的热采平台,抗风险能力低,出现问题后改造工 作 量 巨 大,更 推 荐 采 用 水 质 较 为 恒 定 的海水。3)渤海海域作为内海较易受到污染,不同区域水质也可能存在一定差别,因此在前期设计若选择海水水源时,需充分调研以加深对海水水质的认识。参考文献1 冀光峰,梁建斌,把全龙,等.稠油热采平台注气锅炉水处理工艺技术研发及应用J.天津科技,2 0 2 1(1 0):4 8-5 0.2 肖杰,历超,王鹏.海上油田热采的海水淡化处理装置设计应用J.自动化应用,2 0 2 0(4):1 4 6-1 5 0.3 姜维东,阎洪涛,徐文江,等.海上稠油热采锅炉给水系统优化方法研究与应用J.工业水处理,2 0 2 1(7):1 4 0-1 4 3.4 窦培举,陈子婧,杨泽军,等.海上稠油热采开发水源的选择J.海洋工程装备与技术,2 0 2 0(7):1 8 0-1 8 4.5 G B/T 3 1 3 2 72 0 1 4海水淡化预处理膜系统设计规范S.北京:中国质检出版社,2 0 1 4.6 G B/T 5 0 6 1 92 0 1 0火力发电厂海水淡化工程设计规范S.北京:中国计划出版社,2 0 1 0.7 周立坤,滕厚开,葛庆峰,等.海上低渗油田采出液回注绿色工艺技术开发J.工业水处理,2 0 2 1(2):1 0 8-1 1 1.8 吴永宁,周英.海上稠油热采注汽锅炉的选择建议J.辽宁化工,2 0 1 6(4 5):2 2 3-2 2 5.9 I S O2 1 5 4 72 0 1 0(E)P e t r o l e u m,p e t r o c h e m i c a l a n dn a t u-r a l g a s i n d u s t r i e s-m a t e r i a l ss e l e c t i o na n dc o r r o s i o nc o n t r o lf o ro i la n dg a sp r o d u c t i o ns y s t e m sS.S w i t z e r l a n d:.I n-t e r n a t i o n a lO r g a n i z a t i o nf o rS t a n d a r d i z a t i o n,2 0 1 0.C o n s i d e r a t i o no nS o u r c eS e l e c t i o no fO f f s h o r eH e a v yO i lT h e r m a lR e c o v e r yB o i l e rF e e dW a t e rS y s t e mG ONGJ i n g w e n,D OUP e i j u,YANGZ e j u n,GAOP e n g(C N O O CR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.L t d.,B e i j i n g1 0 0 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:LO i l f i e l d i s aw e l l h e a dp l a t f o r mf o r h e a v yo i l t h e r m a l r e c o v e r yd e v e l o p m e n t i nB o h a i S e a.A f t e r t h ep l a t f o r ms t a r t e d s t e a mi n j e c t i o n,p r o b l e m sa p p e a r e d i nt h eb o i l e r f e e dw a t e r t r e a t m e n t s y s t e md u e t ou n q u a l i f i e dw a t e r s o u r c e.B a s e do n t h e a c t u a l s i t u a t i o n,t h ew a t e r q u a l i t yo ft h es o u r c e i nd e t a i l t h eb a c k g r o u n do fw a t e rs o u r c es e l e c t i o ni nt h ee a r l ys t a g ew a sa n a l y z e d,t h ep a r a m e t e r so fe a c ht r e a t m e n tu n i t i nt h ep r o c e s sa n dt h ep r o b l e m s i na c t u a l s i t u a t i o n,s e a w a t e ra n da q u i f e rw a t e ra r ec o m p a r e df r o mt e c h n i c a l i t y,i n v e s t m e n t,f l o o ra r e aa n dr i s k,t h er e c o mm e n d e dw a t e r s o u r c es e l e c t i o ns c h e m e i so f f e r e d,a n ds u p p o r t f o r s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ew a t e r s o u r c e f o ro t h e ro f f s h o r eh e a v yo i l f i e l ds c i e n t i f i c a l l y i sp u t f o r w a r d.K e y w o r d s:o f f s h o r e;e r m a l r e c o v e r y;w a t e r s o u r c e;s e a w a t e r761 宫景雯等:海上稠油热采锅炉补给水系统水源选择的思考