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CN112960717A - 一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统 - Google Patents

一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，包括依次接通的油井产出液收集储存装置、蒸汽发生装置和多效蒸发装置，且多效蒸发装置的每一效均由一个蒸发器和一个分离器组成；每一效所述蒸发装置的蒸发器管程出口均接通同一效的分离器，用于分离蒸汽；所述分离器还接通下一效蒸发装置的蒸发器壳程，用于提供工作蒸汽；每一效所述蒸发装置的蒸发器管程进口均接通中水水源；最后一效所述蒸发装置的分离器接通有冷凝装置。本发明利用产出液的余热完成中水净化，并将其中蓄含的余热部分回收到注汽锅炉的给水，同时减少了油田中水的排放，具有一定的节能和环保效果。

Description

一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统
技术领域
本发明涉及油田节能环保技术领域，具体为一种低成本的水资源再利用术。
背景技术
随着油田对稠油和超稠油资源的开采利用，各种新型热采技术不断被使用，例如，可以使用饱和干蒸汽或过热蒸汽进行井下油层加热，从而可以获得更高的原油采出率。但是，随着热采温度的提高，所产生的油井产出液温度也会随之提高，可达170℃甚至更高，这种产出液中通常含有一定比例的原油，其余则为过热水。由于一旦使其压力降低到常压，其中的水就会发生闪蒸，使其输送具有一定的困难，不但提高了对沿途输送管线和设备的密封性和耐压要求，而且管理不当时还会造成设备的气蚀损坏。同时，该产出液中还蓄含了大量的热能，如果不加以利用，则完全散失到环境中，造成能量的浪费。
油田产出液经过分离工艺处理后，原油被从其中分离，但剩余的水中仍含有一定量的SiO2、Ca、Mg、Cl等离子，并含有少量原油，被称为油田中水。目前，公知的技术有：1、直接将中水注回地下，来防止大面积排放造成的污染。其缺点是为了给注汽锅炉供水，同时还要不断从地下抽取新的洁净地下水资源，不但水的上、下输送会消耗大量的电能，而且，会造成了地下水资源的逐渐污染。2、建立水处理厂，靠气浮、加药、过滤的方法进行污水处理，将处理后的水回用到锅炉，这种方法可以实现水资源的循环使用。但由于油田中水中含有一定量的有机物，温度又经常超过80～90℃，采用一般膜过滤技术处理时，会造成膜过快失效，使处理成本大幅度增加。3、采用蒸发法净化，目前已有靠蒸汽压缩机使蒸汽被反复加热作为蒸发热源(Mechanical Vapor Compression，MVC法)，使中水被蒸馏净化的研究，该方法要消耗大量的电能来驱动蒸汽压缩机，而且，所需要的设备也造价很高，目前，尚基本没有在实际生产中使用。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，利用油井产出液的余热作为加热热源，靠专门设计的余热锅炉等换热蒸发设备产生出工作蒸汽，靠此工作蒸汽，利用多效蒸馏工艺完成油田中水的蒸馏净化，并重新用于锅炉供水。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，包括依次接通的油井产出液收集储存装置、蒸汽发生装置和多效蒸发装置，且多效蒸发装置的每一效均由一个蒸发器和一个分离器组成；
每一效所述蒸发装置的蒸发器管程出口均接通同一效的分离器，用于分离蒸汽；所述分离器还接通下一效蒸发装置的蒸发器壳程，用于提供工作蒸汽；每一效所述蒸发装置的蒸发器管程进口均接通中水水源；
最后一效所述蒸发装置的分离器接通有冷凝装置。
本发明还提供一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化系统的操作方法，将温度为170～180℃的高温产出液接入蒸汽发生装置，经过换热后使工作蒸汽的温度控制在110～120℃，并通入多效蒸发装置；
将多效蒸发装置的蒸发器接通加药装置，加药后防止中水里含有的无机盐类造成蒸发器结垢；
多效蒸发装置逐次蒸馏净化油田中水的同时，每一效的蒸发温度通过改变蒸发器管程的真空度来保证，使得各效之间形成一定的真空度梯度，各效温度差为5～10℃；
将冷凝装置接通最后一效蒸发装置的分离器，从而使其产生的蒸汽冷凝，以产生系统工作所需要的真空梯度，保证系统的连续工作；所述冷凝装置为水喷射式真空泵，用注汽锅炉25℃左右的来水作为冷源，直接吸收末效蒸汽的热量后再输入锅炉；或所述冷凝装置为空冷器，靠风冷使最后一效产生的蒸汽冷凝；
所述冷凝装置上设有水环式真空泵，抽吸冷凝系统中的不凝气体，以保证多效蒸发系统各效的真空度。
最后一效的分离器排出少量高度浓缩的污水，通过接通干燥装置对这些污水进行干化处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将蒸汽发生单元、多效蒸发单元和冷凝单元组成一个工作系统，利用油田高温产出液的余热作为加热热源，完成对油田中水的蒸馏净化，并将蒸馏水回用到锅炉，从而达到回收水资源的效果。
蒸汽发生单元可以采用余热锅炉或闪蒸罐，产生110-120℃的工作蒸汽作为后续多效蒸发单元的热源。后续的多效蒸发单元为4～6效，其中最末一效的蒸汽用锅炉低温来水或空冷器冷凝，产生出保证系统工作的真空梯度，从而实现余热回收效果。
本发明利用产出液的余热完成中水净化，并将其中蓄含的余热部分回收到注汽锅炉的给水，同时减少了油田中水的排放，具有一定的节能和环保效果。
附图说明
图1为本发明利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统的结构简图。
图2为本发明利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统的另一种实施例的结构简图。
1、油井产出液收集储存装置；2、蒸汽发生装置；3、多效蒸发装置；4、空冷器；5、水喷射式真空泵；6、干燥装置；7、加药装置；8、中水水源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，包括依次接通的油井产出液收集储存装置1、蒸汽发生装置2和多效蒸发装置3。由于目前高温产出液的温度仅为170～180℃，热量品质较低，为了保证获得足够多的工作蒸汽，所产生的蒸汽温度和压力都不能过高，一般要控制在110～120℃。
蒸汽发生装置2为余热锅炉。利用一个余热锅炉获得工作蒸汽，该余热锅炉可以是一个设计紧凑的管壳式、螺旋板式或板式蒸发器中的一种，热流介质是大量流过该设备的油井产出液，其入口温度在170℃左右，出口温度则降低到80～100℃，形成待处理的油田中水；冷流介质是从锅炉来水管线上导入的25℃左右的冷水，采用逆流换热方法，与高温产出液实现换热并蒸发。通过设计该换热单元的结构和工作参数，可以使冷流体在该余热锅炉中被加热产生温度在110℃以上的蒸汽，作为工作蒸汽使用。该方法的优点是工作蒸汽来自于洁净的锅炉来水，对于防止后续多效蒸发装置3结垢很有利。
多效蒸发装置3为4～6效相互接通的蒸发装置，且每一效的蒸发装置均由一个蒸发器和一个分离器组成；蒸发器为中央循环管式蒸发器、强制循环管式蒸发器或降膜式蒸发器中的一种。每个蒸发器和一个联体或独立的分离器构成多效蒸发的一效，为了保证该系统能够蒸馏净化足够多的油田中水，从而方便回收蒸馏水，其通常选择4～6效。多效蒸发系统中，每一效的蒸发温度通过改变真空度来保证，各效之间要形成一定的真空度梯度，各效温度差可为5～10℃。
工作蒸汽接通第一效蒸发器的壳程，与油田中水换热后变成蒸馏水被回收。中水水源8接通全部蒸发器的管程，而油田中水经过预处理后，在蒸发器管程中被蒸发，产生二次蒸汽，经分离器分离后作为下一效效蒸发器壳程的工作蒸汽，继续完成中水的蒸发，以此类推直至最后一效。每一效蒸发装置产生的蒸馏水，以及空冷器4产生的水还可以作为余热锅炉的冷流介质。
多效蒸发装置接通有冷凝装置。冷凝装置为空冷器4，空冷器4对最后一效蒸发器产生的蒸汽进行冷却，使之变成冷凝水，蒸汽冷凝后，由于体积减小，就自然会产生出负压，拉动前面各效产生出真空梯度，这样才能保证各效的蒸汽能连续蒸发。为了防止不凝气体对真空度的影响，在空冷器4上可以加装一个水环式真空泵，从而将混合在蒸汽中的不凝气体抽出，来维持一定的真空度。
多效蒸发装置3的最后一效的输出端接通干燥装置6。这些高度浓缩的污水，对环境具有污染性，需要进行无害化处理后才能排放。可以采用干燥装置继续加热，直至干燥成固体后掩埋。
每一效蒸发装置的蒸发器管程进口还接通加药装置7，防止中水里含有的无机盐类造成多效蒸发器结垢，需要在蒸发前对油田中水进行预先的水处理，通过加入NaOH可以防止油田中水中普遍含有的SiO2造成硅垢，同时，为了防止Ca、Mg离子造成结垢，可以对油田中水进行预先的絮凝处理。经过4～6效蒸发器的蒸发后，最后一效的剩余中水可以被浓缩20～40倍，在最后一效分离器上要设置连续排污管，连续排放相当于第一效来水量3％～5％的污水来保证蒸发器不会出现严重结垢。
本发明还提供另一种技术方案，与上述技术方案不同的是，冷凝装置为水喷射式真空泵5，其余的技术特征不变。
水喷射式真空泵5对最后一效的余热进行回收。用25℃左右的来水作为冷源，直接吸收末效蒸汽的热量后再输入锅炉，不但可以避免建设专用的晾水塔，还可以使部分蒸汽热能回收到注汽锅炉，从而达到节能效果。注汽锅炉为油田现场另一种常用的专用设备，专门用于产生注入地下的热采蒸汽。
请参阅图2，本发明还提供另一种技术方案，与上述技术方案不同的是，蒸汽发生装置为闪蒸罐，其余的技术特征不变。
获得工作蒸汽的方法是直接将高温产出液导入闪蒸罐，使其闪蒸获得含有少量轻质油的工作蒸汽，通过用定压元件控制闪蒸罐的压力，可以使闪蒸蒸汽的温度稳定在一定值。为了保证后续多效蒸发单元顺利工作，该工作蒸汽的温度应该保证在110℃以上。该方法的优点是设备简单，且体积小。
闪蒸后得到的蒸汽直接通入第一效蒸发器的壳程，而产生的污水作为油田中水接通至蒸发器的管程。
实施例
采用40t/h高温产出液作为工作热源的油田中水蒸发系统。该系统采用余热锅炉+多效蒸发流程完成油田中水的蒸馏净化。
该余热锅炉壳体最大高度为8500mm(带支座)，筒体最大直径为1400mm，用厚度为10mm的Q345R钢板焊接而成。内部换热管用62根长度为36米的304不锈钢管盘卷为多头螺旋管结构，管子外径为Φ25mm，壁厚2mm，换热面积总计为174.3m2。工作过程中，180℃的高温产出液流经壳程，由壳体上部流入，流量为40t/h，换热后温度降低为120.6℃，由壳体的底部流出。从锅炉来水中引入蒸发用水，将其先预热到80℃，流量为1.5t/h，流经管程后被蒸发为120℃的蒸汽，作为后续多效蒸发器的工作蒸汽，管程的来水口和蒸汽出口均设置在余热锅炉的顶部，锅炉的底部还设有定期排污口。
从余热锅炉底部排出的120.6℃的产出液仍可用于为来水预热升温，该换热器壳体高度为3500mm，直径为1000mm，用厚度为8mm的Q345R钢板焊接而成。内部换热管采用2根长度为126米的螺旋状304不锈钢管，管子外径为Φ25mm，壁厚2mm，换热面积总计为9.85m2。由锅炉来水管线引入的1.5t/h来水的初始温度为25℃，流经该换热器的管程后，被预热到80℃，直接输入到余热锅炉的来水管。而流入该换热器的40t/h流量、120.6℃的产出液由余热锅炉的底部管线引入，换热后温度降低至114.2℃，通过输出管线输送到后续的油水分离系统。
下表为多效系统需要蒸发的一种油田中水的各种离子浓度：
附表1一种油田中水的各种离子浓度mg/L
Figure BDA0003046332940000071
用上述的余热锅炉产生的1.5t/h工作蒸汽的供水是来源于锅炉水系统，被导入到后续的多效蒸发系统，完成油田中水的蒸馏净化。该多效蒸发系统是一个4效蒸发器，前2效采用降膜式蒸发器，而后2效则采用中央循环管式蒸发器，各效的蒸发量均按照1.5t./h设计，蒸发器的换热面积均为60～70m2。
在系统工作过程中，工作蒸汽在前述的余热锅炉中产生，产汽量为1.5t/h，作为系统的工作蒸汽。这些蒸汽在一效蒸发器壳程中变成蒸馏水，并被回收。而油田中水经水化学预处理后。在一效蒸发器管程中被蒸发，产生1.5t/h二次蒸汽，作为二效蒸发器的工作蒸汽，继续完成中水的蒸发。4效蒸发器的设计工作温度分别为120℃、90℃、80℃和70℃，共可以完成5.775t/h油田中水的蒸馏净化，连同余热锅炉产生的1.5t/h蒸发量，所获得的蒸馏水产量为7.275t/h。系统的排污量为225kg/h，这部分被高度浓缩的污水需要进行无害化处理后排放。
该系统的末效蒸汽冷凝是靠水喷射式真空泵和空冷器共同完成的，还加装了水环式真空泵，以调整和保证各效的真空度。
由此油田中水所获得的蒸馏水的导电率在14～38μS/cm，但其中有机物的含量受原始水样影响很大，化学耗氧量COD的值在30～130mg/L范围内波动，完全能够满足油田注汽锅炉的给水指标。

Claims (6)

1.一种利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，其特征在于：包括依次接通的油井产出液收集储存装置(1)、蒸汽发生装置(2)和多效蒸发装置(3)，且多效蒸发装置(3)的每一效均由一个蒸发器和一个分离器组成；
每一效所述蒸发装置的蒸发器管程出口均接通同一效的分离器，用于分离蒸汽；所述分离器还接通下一效蒸发装置的蒸发器壳程，用于提供工作蒸汽；每一效所述蒸发装置的蒸发器管程进口均接通中水水源(8)；
最后一效所述蒸发装置的分离器接通有冷凝装置。
2.根据权利要求1所述的利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，其特征在于：所述多效蒸发装置(3)的效数为4～6效。
3.根据权利要求1所述的利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，其特征在于：所述冷凝装置为空冷器(4)，所述空冷器(4)的输入端接通最后一效所述蒸发装置的分离器，用于使最后一效产生的蒸汽冷凝；
或所述冷凝装置为水喷射式真空泵(5)，所述水喷射式真空泵(5)接通最后一效所述蒸发装置的分离器，用于将蒸汽热量回收到注汽锅炉；
所述冷凝装置上设有水环式真空泵，用于抽吸冷凝系统中的不凝气体。
4.根据权利要求1所述的利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，其特征在于：最后一效所述蒸发装置的分离器还接通有干燥装置(6)；
每一效所述蒸发装置的蒸发器管程进口还接通加药装置(7)。
5.根据权利要求1所述的利用油田油井产出液余热完成油田水蒸馏净化的系统，其特征在于：所述蒸汽发生装置(2)为余热锅炉；
或所述蒸汽发生装置(2)为闪蒸罐。
6.一种应用权利要求1所述的油田水蒸馏净化的系统的操作方法，其特征在于：将温度为170～180℃的高温产出液接入蒸汽发生装置(2)，经过换热后使工作蒸汽的温度控制在110～120℃，并通入多效蒸发装置(3)；
将多效蒸发装置(3)的蒸发器接通加药装置(7)，加药后防止中水里含有的无机盐类造成蒸发器结垢；
多效蒸发装置(3)逐次蒸馏净化油田中水的同时，每一效的蒸发温度通过改变蒸发器管程的真空度来保证，使得各效之间形成一定的真空度梯度，各效温度差为5～10℃；
将冷凝装置接通最后一效蒸发装置的分离器，从而使其产生的蒸汽冷凝，以产生系统工作所需要的真空梯度，保证系统的连续工作；所述冷凝装置为水喷射式真空泵(5)，用注汽锅炉25℃左右的来水作为冷源，直接吸收末效蒸汽的热量后再输入锅炉；或所述冷凝装置为空冷器(4)，靠风冷使最后一效产生的蒸汽冷凝；
所述冷凝装置上设有水环式真空泵，抽吸冷凝系统中的不凝气体，以保证多效蒸发系统各效的真空度；
最后一效的分离器排出少量高度浓缩的污水，通过接通干燥装置(6)对这些污水进行干化处理。
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