油田高压注汽盐析及预防研究

刘周恩　崔艳红

(1.北京神雾环境能源科技集团股份有限公司　北京 102200；2.北京北分瑞利分析仪器(集团)股份有限责任公司　北京 100015)



油田高压注汽盐析及预防研究

刘周恩1崔艳红2

(1.北京神雾环境能源科技集团股份有限公司北京 102200；2.北京北分瑞利分析仪器(集团)股份有限责任公司北京 100015)

摘要本文分析研究了油田注汽系统盐析现象及其成因和危害，并根据盐析成因探索了预防注汽盐析方法以减少甚至消除其危害。通过研究确定，采用高压旋流饱和蒸发与低压闪蒸和多效蒸集成技术是预防注汽系统盐析并减少甚至消除盐析及其造成的危害较为有效的方法。

关键词稠油开采注汽盐析集成蒸发除盐

0引言

随着开采不断深入，石油资源越来越少，尤其是易开采、油质好的石油资源日渐枯竭，而石油需求量却日渐增多，为满足石油需求，加之开采技术的进步，人们开始开采油质较差的稠油或超稠油等石油资源，比如在我国重要的石油资源基地新疆克拉玛依油田和东北辽河油田均有超稠油的开采，且开采量所占比重越来越大。然而超稠油开采难度较大，需注汽开采[1-3]，比如新疆克拉玛依油田所用SAGD超稠油开采技术。然而在注汽时，注汽携带的盐分易在注汽系统管网、设备或者注井内结晶析出，这会严重影响注汽系统，严重时导致注汽系统停产甚至造成生产事故，为确保生产运行正常，必须采取措施预防注汽系统的盐析[4-5]以降低或消除其造成的危害。为此，本文首先分析了注汽系统内盐析及其原因和造成的危害，然后根据盐析原因探索了解决盐析的方法措施。

1注汽系统盐析原因及危害

在超稠油开采注汽过程中，到达注井的注汽干度一般不应低于50%，有的甚至要求不低于70%[6]，为了保证注汽干度，尽量用过热蒸汽作注汽。目前所用过热蒸汽多由一种特制的两段式直流锅炉提供，其生产过程如图1所示[4-6]。首先将净化(除油除悬浮物)和软化(除钙镁等易结垢离子)后的稠油油田采出水[含盐量3 000～5 000 ppm，盐成分主要是氯化物盐(主要是氯化钠，少量氯化钾，极少量氯化钙和氯化镁)，还含有极少量硅盐和硫酸钙盐等]注入炉膛第一段受热蒸发成干度为80%左右的蒸汽，然后导出炉外并进入汽液分离器得到高干度蒸汽和高含盐水(含盐量在12 000～20 000 ppm)，分离出的高干度蒸汽再次进入炉膛第二段受热变成较高过热度蒸汽(一般过热80～100 ℃)，再与分离器分离出的高含盐水一起喷射入掺混器中，使高含盐水完全蒸发生成较低过热度蒸汽作为注汽通过注汽干管和注采两用单井管线及油管注入井底。

图1　采用掺混器的直流注汽锅炉工艺流程

采用该技术生产过热蒸汽时，高含盐水在掺混器内全部蒸发，盐分在掺混器内结晶析出形成固体盐，而其中的一部分会被注汽携带走。注汽在输送过程中温度不断降低，且存在分布不均匀现象，尤其是靠近管道或设备内壁的地方，其温度可能较低，这使部分注汽液化成液沫而附着在管道或设备内壁，液沫内盐分浓度会逐渐增加并在注汽一段时间后而结晶析并附着在内壁上形成晶核，大量盐分在晶核作用下在掺混器、注汽干线、单井管线、油管内析出并富集附着在管壁，从而产生了盐析现象。

从锅炉来水成分和盐析产生过程来看，盐析不是钙盐、镁盐等易沉淀盐受热结垢沉淀产生的，而是高溶性不易沉淀的氯化盐和极少量的溶解性极低的成絮状的硅盐、硫酸钙等盐分经锅炉来水减量化蒸发和输送过程中温度降低时局部液化富集结晶析出产生的。

注汽盐析给注汽系统造成了很大的危害，主要有：

(1)所用掺混器长约1～2 m、管径与注汽输送管道基本相同的管式掺混器，安装在锅炉蒸汽出口管和汽液分离器出口管连接处，掺混器内有盐析出并富集，使掺混器管径变小，压阻增大，需经常冲洗，将富集的固体盐除掉，这会影响锅炉时率。

(2)注汽输送管线内有盐析出并富集在内壁上，则使管径变小，压阻增大，严重时会出现爆管事故，需经常用热水冲洗，将盐溶化，影响注汽时率；冲洗产生的盐水被推入井底，使注汽干度降低而含盐量升高，严重时会出现堵井现象。

(3)抽油机的柱塞和泵筒之间有盐析，将影响抽油机机械性能，导致注汽、闷井完成后启动抽油机非常困难，泵检周期缩短，维修工作量加大，采油时率降低。

(4)填料函有盐析，光杆磨蚀加重，填料刺漏加剧，更换填料频繁。

(5)注汽系统内结晶析出的盐分相当一部分进入油层，随油水再次被采出，使采出水含盐量、含硅量逐轮增加，造成了恶性循环。

(6)由于盐和硅含量较高，增加了采出水处理及作为锅炉回水或其他方式再利用的难度及成本。

综上，注汽盐析损害了超稠油注汽开采过程设备系统正常功能，影响了正常生产，降低了生产时率，增加了生产成本和设备维护成本，严重时可能导致停产。

2注汽盐析预防

盐析严重影响了超稠油注汽开采正常生产，必须采取措施预防其发生。根据超稠油注汽开采生产特点及目前技术水平，预防注汽盐析较有效可行的办法是将注汽系统内盐分除去。

在注汽系统内，盐分主要以两种状态存在，即盐分与蒸汽混合形成的汽盐混合物和溶解在液态水中形成的含盐水。汽盐混合物主要存在于注汽系统中后段，即与高含盐水混合蒸发后产生蒸汽后注汽输送管网至注井阶段；而含盐水主要存在于注汽系统前段，主要有两类，一个是作为锅炉来水的低含盐水，一个是锅炉气液分离器分离出的高含盐水。根据盐分存在的状态，可采用气固分离方式或液固分离方式将注汽系统内盐分除去。

气固分离方式除盐时，蒸汽和盐分以气固态形式存在，盐分在蒸汽内含量较低，以克拉玛依油田的20 t/h注汽系统为例，其锅炉来水含盐量一般为3 500 ppm左右，产生的蒸汽一般为330 ℃、11 MPa左右，即使全部盐分均被注汽携带，注汽盐分含量也大概只有175 g/m3(盐分很难被全带走，实际含盐量远低于该值)，且注汽内有大量液沫存在，相当部分盐分溶解在液沫内以离子溶液形式存在，即使以固体颗粒形式存在，其粒径一般在十微米级之百微米级之间，常规气固分离方法很难将其分离出来。另外，气固分离设备相较而言一般均比较大，若采用气固分离将盐分从高压注汽脱除，其所需设备加工难度和成本均很高。由此可见，从蒸汽盐混合物中除盐不是最佳选择。

相较气固分离方式除盐而言，采用液固方式除盐，技术难度较小，技术较成熟，所需设备要求不太高，具有很强的可实施性。因此，注汽系统内盐分以液固形式脱除最可行。相对而言，锅炉来水除盐时，其温度和压力均较低，工况条件温和，但处理量很大，且从注汽盐析成因来看，只要锅炉来水的盐分脱除不彻底，残余盐分就会在后续蒸发中富集，使注汽锅炉后段的盐分含量越来越高而导致盐析，难以彻底预防盐析发生；对高含盐水进行除盐处理，由于高含盐水较锅炉来水的量较少，一般约为1/5左右，其处理量较小，且将高含盐水内盐分除去后，盐分在后续工序中就很难富集并析出，可彻底预防盐析发生，但温度和压力很高，工况条件苛刻。

目前，水除盐技术主要有石灰/石灰-纯碱软化技术、膜分离技术和蒸发技术等[4，7-24]。

膜处理技术主要有反渗透膜处理技术、电渗析膜处理技术和纳滤膜处理技术等[7，8，10-16]，该类技术能耗低、投资较小，是一类非常重要的高含盐水处理技术。但其处理物料含盐量一般不超过30 000 ppm，压力一般不超过6 Mpa，温度一般不超过30～35 ℃，最高不超过45 ℃。而注汽锅炉里分离出来高含盐水温度一般分别为300～500 ℃，压力一般为10～14 MPa。因此，该技术无法对高含盐水除盐，只能对锅炉来水除盐[10]，在对锅炉来水处理时，由于锅炉来水一般是回用的油田采出水，温度较高，一般在80～100 ℃，在用此技术处理锅炉来水时，需先将其降温至30～35 ℃左右，这既增加了水处理工艺流程，又损失部分热量。对锅炉来水处理后，残留盐分经过直流锅炉蒸发后，浓度又会逐渐富集，尤其是经过掺混蒸发后，富集的盐分在掺混器内结晶析出成固体盐，这些盐又会被注汽携带走，而在后续管网或设备内析出，因此该类技术难以有效预防盐析现象。

蒸发技术是最古老最常用除盐技术，这类技术主要有多效蒸发除盐、机械压缩蒸发除盐、闪蒸除盐和高压旋流蒸发除盐等技术[4,7,9,18-24]。

多效蒸发除盐技术就是物料在几个串/并联蒸发器内饱和蒸发而浓缩结晶成饱和盐水，从而将盐分除去[9,18-20]。该技术对蒸发介质要求不高，任何水质物料均能处理，且在高温高压下也能进行，盐分以饱和溶液排出，整个蒸发系统内无固体盐，蒸汽不携带盐分，除盐很彻底，因此得到较为广泛应用。不过，采用该技术除盐，所有水以乏蒸汽形式排出，若对注汽锅炉来水除盐，则除盐后产生的乏蒸汽必须冷却成水后才能作为锅炉来水使用，这将浪费大量热能；且对锅炉来水蒸发除盐，蒸发量大，耗能高。若对高含盐水除盐，蒸发温度和压力很高，加之该技术工艺流程复杂，传热效率较低，所需设备较多较大，设备投资大，经多级蒸发后，蒸汽压降大，蒸发后的蒸汽压力较低，很难再做注汽使用。

闪蒸除盐技术主要是通过降低系统压力从而降低了蒸发介质沸点并利用自身热量进行饱和蒸发，蒸发后饱和盐水浓缩结晶而排出，从而将盐分除去[20-21]。该技术工艺较简单，设备投资较小，除盐彻底。但闪蒸主要靠一部分水的显热转化为另一部分水蒸发潜热产生蒸发的，携带热量少，蒸发处理能力较低。且蒸发除盐后水以蒸汽形式排出，也不适合蒸发锅炉来水除盐方式。若对高含盐水蒸发，蒸发量较少，大量高含盐水很难全部被蒸发变成蒸汽而被浪费掉，蒸发后蒸汽压力偏低，很难再做注汽使用。

机械蒸发技术是通过机械压缩产生的加压高沸点温升水(一般温升为5～7 ℃)对待处理水加压饱和蒸发，蒸发后饱和盐水浓缩结晶而排出，从而将盐分除去[9，23]。该技术对一般盐水均能处理，除盐彻底。但该技术是通过机械压缩的办法产生沸点温升，受机械压缩装置耐温压限制，蒸发温度和压力不能过高，一般适用于常压或低压蒸发，不适用于分离出的高含盐水除盐，只适合对锅炉来水处理，蒸发除盐后，水以蒸汽形式排出，需再次冷却液化成液态水才能用作锅炉来水，需消耗大量热量。

高压旋流饱和蒸发技术是通过蒸汽与含盐水在蒸发装置内旋流部件之间掺混而进行的高温高压饱和蒸发，蒸发后盐分以饱和液形式排出，除盐彻底[4，24]。该技术采用高温高压蒸汽作为热源，单位蒸汽热负荷大，同时设备内旋流装置改善了物料流态和传热效果，大幅增强了蒸发效果，设备单位体积处理能力大幅提高，且可直接用注汽锅炉产生的过热蒸汽作为热源使用，加之高含盐水的量较少，蒸发量较小，由于热效率较高，单级设备既可完成饱和蒸发，蒸发流程短，蒸发后的蒸汽压力与锅炉来的过热蒸汽压差不大，可直接混合产生较低过热度的蒸汽直接作为蒸汽使用。另外，该技术单位体积处理量大，在相同处理量下所需设备较少较小，设备投资较小。因此，该技术用于预防注汽系统盐析，具有很大的技术和经济优势，尤其是可直接对高含盐水进行蒸发除盐，除盐彻底。不过，由于该技术整个工况均处在高温高压下，高含盐水减量化饱和蒸发后会排出少量的盐浓度结晶饱和的浓缩盐水，这些浓缩盐水为高温高压液体，难以进行常压浓缩结晶，一般是通入常压闪蒸罐内闪蒸成常压乏蒸汽和过饱和盐水，然后排放掉，这不但无法回收利用其内的水资源、热量和盐分资源，且污染了环境，存在一定的技术缺陷。

综合以上各技术特点和注汽系统的特点，本文开发出了一种有效可行的预防注汽系统盐析技术工艺——高压旋流饱和蒸发与低压闪蒸和多效蒸发集成饱和除盐技术。其工艺流程如图2所示。即：从注汽锅炉来的部分较高过热度过热蒸汽与从锅炉气液分离器来高含盐水进入高压旋流蒸发装置内饱和蒸发，产生的饱和蒸汽与剩余较高过热度过热蒸汽再次混合形成过热度较低过热蒸汽，较低过热度蒸汽可直接作为注汽使用。同时，饱和蒸发后高含盐水被减量化浓缩成含盐量接近饱和的浓缩盐水，浓缩盐水排入低压闪蒸罐内(闪蒸压力与锅炉来水压力相当或略高)低压闪蒸成低温低压蒸汽和过饱和盐水，蒸汽在汽水掺混器内与锅炉来水掺混后液化成水而作为锅炉来水使用以回收利用其水资源和热量；过饱和盐水通入闪蒸结晶分离器内将盐分结晶分离出，分离后的母液经多效蒸发装置进料泵加压泵入多效蒸发装置内；同时用加压水泵将部分锅炉来水加压后(压力根据多效蒸发所需确定)泵入安装在注汽输送管道上换热器(夹套式)内由注汽加热成温度和压力均较高的生蒸汽并鼓入多效蒸发装置内与低压闪蒸装置分离出的结晶母液混合进行多效蒸发而产生多效蒸发乏蒸汽和多效蒸发过饱和盐水，多效蒸发乏蒸汽与闪蒸乏蒸汽混合后一起与锅炉来水混合而回收其水资源和热量；多效蒸发过饱和盐水通入结晶分离器内将结晶析出的盐分分离出，获得固体盐资源；分离出的母液返回多效蒸发器内循环蒸发以最终全部生成低压蒸汽和固体盐分。

图2油田高压注汽系统集成蒸发除盐技术工艺流程

通过本技术对注汽系统内高含盐水的饱和蒸发除盐，防止了锅炉来水经蒸发后浓缩成高含盐水造成的盐分富集现象，同时采用饱和蒸发而非掺混绝干蒸发的方法，防止了注汽携带固体盐分的现象，虽然还会带以少量浓缩盐水，但经汽液分离后，液体携带量很少，换算成当量固体盐分则更少，使注汽内盐分大幅降低，减少和甚至消除了盐析现象及其危害。通过热利用率和效率都很高及单位体积处理量较高的高压旋流蒸发对高含盐水浓缩减量化处理，提高了除盐效率，降低了高压设备投资率。经高压旋流蒸发处理后得到的浓缩盐水采用低压闪蒸的方法，技术要求较低，既降低了处理难度，同时回收利用了其闪蒸乏蒸汽，且采用技术要求很低的低压多效蒸发技术使其浓缩液变成低温低压液体而彻底蒸发结晶除盐，避免了使用高压盐水处理技术和高压设备，降低了技术难度和设备投资，处理后的低压乏蒸汽可与锅炉来水混合重新利用，回收了其水、热量和盐分，并不再排放高含盐废水，降低了环境污染。

3结论

本文研究了油田注汽系统盐析及预防措施，具体如下：

(1)介绍并分析了油田注汽系统盐析及其成因和造成的危害，并基于其成因，提出了通过注汽系统除盐方法以预防盐析及其危害的方案。

(2)基于注汽系统生产及所用设备和物料性质特点而分析研究确定注汽系统内盐分以含盐水形式存在时脱除效果最好，且所需除盐技术及设备要求较低，设备投资和运行费用较低。

(3)研究了目前各含盐水除盐技术的特点，结合注汽系统除盐要求，提出了先用高压旋流蒸发对注汽锅炉高含盐水饱和蒸发减量化处理再用低压闪蒸和多效蒸发对减量化的浓缩盐水彻底处理的集成蒸发除盐技术。利用该技术，不但将注汽系统内盐分除去，预防了盐析及其危害，还将所有废液彻底处理，回收利用了水、热量和盐分等资源，降低了高盐废水的排放及污染，且采用高压和低压蒸发搭配方式，减少了设备用量，大幅降低了生产投资成本。

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作者简介刘周恩，男，河南鹤壁人，博士，主要从事能源化工技术开发研究工作。

(收稿日期：2015-05-15)

Analysis and Prevention of Salt Precipitation of Oilfield High-pressure Steam Injection System

LIU Zhou’en1CUI Yanhong2

(1.BeijingShenwuEnvironment&EnergyTechnologyCo.,Ltd.Beijing102200)

AbstractThe formation causes and damages of salt precipitation of oilfield high-pressure steam injection system are introduced and analyzed in this article, and the prevention of salt precipitation is studied to decrease and even eliminate its damages. It can be concluded from the study that the integrated technology of high-pressure spiral saturated evaporation and low-pressure flash evaporation and multiple-effect evaporation is a more effective way for the prevention of salt precipitation.

Key Wordsheavy oil exploitationsalt precipitation of steam injectionintegrated evaporationdesalination