CN101795752A - 水处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统，所述系统包括：钻入含烃地下地层中的井；供水；蒸汽生产设施，所述蒸汽生产设施包括：过滤器，以脱除供水中至少80％的二价阳离子；交换树脂，以脱除已经通过过滤器的过滤水物流中至少80％的二价阳离子；与井和蒸汽生产设施相连的蒸汽注入设施，用于将蒸汽注入井中。

Description

水处理系统和方法
技术领域
本发明涉及海水处理系统和方法，特别是处理锅炉给水的系统和方法。
背景技术
锅炉通常需要软水进料。硬水可能导致锅炉组件结垢或产生其它问题。
降低水硬度的一种方法是使用石灰-苏打软化法、热石灰-苏打软化法或机械技术例如机械蒸气压缩。所有这些系统对于降低硬度均是有效的，但它们可能产生污泥或其它废产物、操作昂贵、需要昂贵的化学品和/或人力需求和/或需要相当大的处理设备。
2006年3月27日提交和代理人案卷号为TH2869的共同待审美国专利申请60/786,274公开了一种系统，所述系统包括：钻入地下地层中的井；井顶部的生产设施；与生产设施相连的蒸汽生产设施；其中蒸汽生产设施通过脱除一些离子和加入增大水的粘度和/或增加从地层中的烃采收的试剂从而产生水，和将水注入井中。共同待审美国专利申请60/786,274经此引用全文并入本文。
美国专利号6,537,456公开了一种处理水的方法，所述方法通过膜分离在弱酸阳离子交换树脂中同时脱除硬度和非氢氧化物碱度。所述方法包括通过将pH调节至多至约10.5或更高，使勉强可电离组分(例如二氧化硅)电离。它们通过膜的分离明显增强。硼、二氧化硅和TOC的通过降低到十分之一或更少。用含盐最高的给水可以达到90％或更高的回收率，同时实现清洗频率的明显降低。用于水处理过程的装置包括反渗透膜、混合床离子交换装置、微米过滤器、紫外线杀菌装置、脱碳酸盐化装置和电去离子装置。美国专利号6,537,456经此引用全文并入本文。
公布的PCT申请WO 2007/138327公开了一种水处理系统和一种供应具有适合于注入载油储层中的控制盐度的水的方法，所述方法包括以下步骤：使第一给水供应基本脱盐，以提供具有低盐度的第一处理水供应；处理第二给水供应，以提供二价离子浓度相对第二给水供应降低且盐度比第一处理水供应高的第二处理水供应；和混合第一处理水供应与第二处理水供应，以提供具有适合于注入载油储层中的所需盐度的混合水供应。第一给水供应优选通过反渗透处理。第二给水供应优选通过纳米过滤处理。公布的PCT申请WO 2007/138327经此引用全文并入本文。
公布的PCT申请WO 2006/134367公开了一种从多孔地下载烃地层中采收烃的方法，所述方法包括：(a)利用具有第一表面和第二表面的膜通过反渗透降低盐水源水的盐度，所述反渗透通过以下步骤进行：(i)将盐水源水加到膜的第一表面，和(ii)从膜的第二表面脱除盐度降低的处理水；和(b)将处理水注入地层中；其中相对于溶解的固体，所述膜对水是选择性可渗透的，使得当(i)盐水源水的总溶解固体含量为至少17,500ppm和(ii)施加的跨膜压力大于跨膜渗透压且在45-90bar(4.5-9.0M Pa)的范围内时，处理水的总溶解固体含量为500-5000ppm。公布的PCT申请WO 2006/134367经此引用全文并入本文。
公布的PCT申请WO 2005/119007公开了一种从多孔地下载烃地层中采收烃的方法，所述方法包括以下步骤：a)至少向脱盐组件的反渗透装置上添加总溶解固体含量(总盐度)为至少10,000ppm的高盐度水进料物流；b)在高于高盐度水进料物流的渗透压的压力下，驱使一部分高盐度水进料物流穿过脱盐组件的反渗透装置中的膜，同时使至少一部分溶解固体不穿过所述膜，从而产生总盐度小于5,000ppm的处理后低盐度水产物物流和浓缩的废盐水物流，其中由高盐度水进料物流在膜的进料侧上施加的静压头提供了为克服渗透压所需压力的至少主要分量；c)将低盐度水产物物流从注射井中注入载烃地层中；d)用低盐度水产物物流朝着联合的生产井置换烃；和e)通过生产井从地层中采收烃。公布的PCT申请WO 2005/119007经此引用全文并入本文。
因此，本领域中需要产生减少的污泥和其它废产物的水处理系统。
本领域中还需要操作更便宜的锅炉水处理系统。
本领域中还需要可以在无需昂贵的化学品和/或人力需求的条件下操作的锅炉水处理系统。
本领域中还需要利用更小和/或更轻的处理设备操作的锅炉水处理系统。
本领域中还需要产生用于强化油采收方法的蒸汽和/或水的水处理系统。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种系统，所述系统包括：钻入含烃地下地层中的井；供水；蒸汽生产设施，所述蒸汽生产设施包括：过滤器，以脱除供水中至少80％的二价阳离子；交换树脂，以脱除已经通过过滤器的过滤水物流中至少80％的二价阳离子；与井和蒸汽生产设施相连的蒸汽注入设施，用于将蒸汽和/或水注入井中。
在另一方面，本发明涉及一种方法，所述方法包括：过滤供水，以从水中脱除至少80％的二价阳离子；用交换树脂进一步处理过滤水，以从过滤水中脱除至少80％的剩余二价阳离子；和使过滤和处理后的水沸腾，以产生蒸汽。
根据以下说明书和所附的权利要求，本发明的其它方面和优点将是明显的。
附图说明
图1是给水处理系统。
图2是给水处理系统。
图3是给水处理系统。
图4是给水处理系统。
图5是给水处理系统。
具体实施方式
在一个方面，本文公开的实施方案涉及水处理方法和系统。特别地，本文公开的实施方案涉及处理高盐度水，以产生能够用作锅炉给水以产生海上强化油采收操作中使用的蒸汽的较低盐度水。
图1-给水处理系统
参考图1，显示了本公开内容的蒸汽注入循环的一个实施方案。如图1中所示，使给水110经历水处理过程112，以产生锅炉给水114。在送至“单程”蒸汽发生器116以产生用于油采收操作的蒸汽118之前，使给水110在水处理过程112中脱盐。通常，蒸汽发生器116要求锅炉给水114的总溶解盐(TDS)小于8,000ppm。但本领域技术人员将认识到，根据使用的蒸汽发生器的类型，TDS要求可能变化，和可能例如低至500、250、100、或接近0ppm。处理前，给水110的TDS可能根据来源而变化；但在海上操作中，给水110通常是TDS为30,000ppm-40,000ppm的海水。
将蒸汽发生器116中产生的高压蒸汽118转移至井垫120，和通过蒸汽注射井122注入以流化地层内的油。蒸汽118最终冷凝，和产生迁移通过地层的油/水混合物。油/水混合物126从生产井124中产生。将油/水混合物126送至油/水分离器128，其中使油产物130与水分离并回收用于销售。将产生的水物流132在脱油过程134中进一步脱油。随后使脱油水物流136与给水110组合，和经历水处理112，以进一步在蒸汽注入或其它操作中再次使用。
在一些实施方案中，锅炉给水114可以旁路通过蒸汽发生器116和以液相直接注入注射井122中，和/或作为与蒸汽118的混合物直接注入注射井122中。
图2-给水处理系统
参考图2，显示了本公开内容的一个实施方案的水处理过程。如图2中所示，将给水210加至用于第一脱盐过程的膜212，由此将给水分离成渗透物物流214和废物物流216。随后，来自膜212的渗透物物流214进入用于第二脱盐过程的离子交换剂。离子交换剂220中的第二脱盐过程产生TDS浓度适合于在蒸汽发生器(未显示)中使用的锅炉进料物流222和废物物流224。
膜212可以是离子选择性膜，其可以选择性阻止或至少降低硬化或形成污垢的离子(例如硫酸根、钙、镁和碳酸氢根离子)穿过它，同时允许水和无害离子(例如钠和钾离子)穿过它。膜的选择性可能是膜的特定性质的函数，包括膜的孔径和电荷。例如，聚酰胺膜可以用于选择性阻止或至少减少硫酸根、钙、镁和碳酸氢根离子穿过它。在特定实施方案中，膜212可以减少存在的硬度离子(即二价阳离子)至少90％，或在另一个实施方案中减少至少95％。
膜212可以是纳米过滤膜。适合于在本公开内容的处理方法中使用的市售纳米过滤膜的实例可以包括SEASOFTTM8040DK、SEASOFTTM8040DL和
Figure G200880025071XD00051
DS-5(以上所有均可以从GE Osmonics(Trevose，PA)获得)以及FILMTECTMNF 200系列(可从Dow ChemicalCompany(Minneapolis，MN)获得)。
关于离子交换剂220，本领域技术人员将理解到离子交换剂的类型可以取决于渗透物物流214的盐度和加入锅炉给水222的蒸汽发生器的盐度要求。适合于在本处理方法中使用的离子交换剂的类型可以包括：弱酸阳离子树脂交换剂，强酸阳离子树脂交换剂，和/或螯合阳离子交换剂。强酸阳离子树脂交换剂通常限制于低硬度的TDS为约5,000ppm的水，然而弱酸阳离子树脂交换剂可以软化海水盐度为约36,000ppm的水，和螯合阳离子交换剂可以从饱和盐水中脱除硬度。通常，随着给水盐度增大，硬度成为重要的操作成本；但操作成本还可能包括用于使离子交换剂再生的再生剂的成本。例如，强酸阳离子树脂交换剂通常使用氯化钠再生剂，而弱酸阳离子树脂交换剂和螯合阳离子交换剂可以使用酸性和碱性再生剂，因此可以基于给水的TDS选择离子交换剂。
弱酸阳离子树脂交换剂可以从进料物流中脱除硬度的一种机理如下：
Ca2++2RCOOH→(RCOO)2Ca+2H+
H++HCO3 -→H2CO3→H2O+CO2
在离开膜212之后，渗透物物流214可以在进入离子交换剂220之前，接着通过膜212。另外，虽然图2图示为仅具有单个膜212，本领域技术人员将理解到接着通过可以通过相同或附加的膜212。作为替代，每个膜可以具有多个阵列。例如，在双阵列膜中，到达第一阵列的进料可以分成废物物流和渗透物物流。随后，来自第一阵列的废物可以变成第二阵列的进料。随后，第二阵列可以将它的进料分成废物物流和渗透物物流。来自双阵列膜的渗透物物流可以包括来自各阵列的渗透物物流。另外，在多个膜和/或阵列之间可以包括增压泵，以克服阵列/膜之间由于第一阵列/膜的废物物流的盐度增大而造成的渗透压升高。
另外，可以使用多种膜的类型(例如纳米过滤或反渗透膜)和/或组合。例如，第一膜可以是纳米过滤膜，和来自纳米过滤膜的渗透物物流可以第二次通过反渗透膜。膜的设计应对本公开内容的范围没有限制；相反，膜可以是例如螺旋式、中空纤维、管式、板框式、或盘式、或本领域中已知的其它设计。
另外，根据所用的膜的类型，在进入过滤膜212中之前，可以将进料物流210加压至低于溶液渗透压的适当压力。海水的渗透压为约24bar；因此，可以对用于纳米过滤膜的进料物流210加压至少30-110bar，和对反渗透加压至少40bar以进行。
适合于在本公开内容的处理方法中使用的市售反渗透膜的实例可以包括AGTM8040F和AG 8040-400(可从GE Osmonics(Trevose，PA)获得)以及FILMTECTM SW 30系列(可从Dow ChemicalCompany(Minneapolis，MN)获得)。
来自离子交换剂220的流出物(锅炉给水物流222)可以接着通过离子交换剂220和/或膜212。本领域技术人员将理解到通过将来自膜212和/或离子交换剂220的脱盐或部分脱盐物流的至少一部分循环，可能在较低的操作压力下达到较低的TDS。
在一些实施方案中，随后可以使锅炉给水222通入锅炉以产生蒸汽，所述蒸汽可以用于强化油采收操作中。
在一些实施方案中，随后可以将锅炉给水222用于强化油采收操作中，例如通过注入地层中实现。任选地，本领域中已知的一种或多种添加剂例如表面活性剂和/或聚合物可以在注入前与水混合，或可以在没有任何添加剂的条件下使用水。
图3-给水处理系统
参考图3，显示了水处理过程。如图3中所示，将给水310加至过滤器330，以脱除其中悬浮的颗粒物质332。可以使用多种类型的过滤器，包括砂滤器或介质过滤器、过滤筒、超滤器和/或微滤器以及其它过滤器类型。可以过滤给水，以具有5或更好的淤泥密度指数。
在过滤出颗粒物质332之后，可以将化学品340加入给水物流310。可以加入进料物流的化学品种类可以包括例如酸、杀生物药剂、防垢剂和/或螯合剂。可以任选加入适合的酸，例如硫酸、盐酸、或任意其它适合的无机或有机酸，以将pH降低至理想值。可以将pH降低至约4-8、或约5.5-6.5的pH。还可以加入杀生物药剂以防止或降低微生物腐败和/或控制硫酸盐还原菌导致的变酸和腐蚀，例如溴-或腈-基化合物、季铵化合物、异噻唑啉酮、戊二醛和/或硫氰酸酯。此外，还可以向给水中加入防垢剂(例如聚丙烯酸)和/或金属螯合剂(例如乙二胺四乙酸(EDTA)和六偏磷酸钠(SHMP))。
随后可以使给水310通过除气器350，其中还可以脱除给水310中溶解的游离不凝气体例如氧、二氧化碳和氮。可以加入足够量的酸340以充分降低pH，使得将结合的碳酸根转化成游离的气态二氧化碳。
随后，给水进入用于第一脱盐过程的膜312，由此将给水312分离成渗透物物流314和废物物流316。随后，来自膜312的渗透物物流314进入用于第二脱盐过程的离子交换剂320。离子交换剂320中的第二脱盐过程产生TDS浓度适合于在蒸汽发生器(未显示)中使用的锅炉进料物流322和废物物流324。膜312可以是纳米过滤膜。
离开膜312之后，渗透物物流314可以在进入离子交换剂320中之前，接着通过膜312。虽然图3显示为仅具有单个膜312，但是可以采取一次或多次接着通过相同或附加的膜(未显示)。可以使用多种类型的膜，例如纳米过滤膜和/或反渗透膜。例如，第一膜可以是纳米过滤膜，和来自纳米过滤膜的渗透物物流可以第二此通过反渗透膜。
在另一个实施方案中，来自离子交换剂320的流出物(锅炉给水物流322或废物物流324)可以接着通过离子交换剂320和/或膜312。
另外，虽然图3显示在加至膜312之前，给水310暴露于化学添加剂340和除气器350，但是这种相对位置不用于限定本公开内容的范围。相反，化学添加剂340和/或除气器350可以在膜312和离子交换剂320之间。另外，可以从本公开内容的水处理过程中排除过滤器330、化学添加剂340和/或除气器350。
在一些实施方案中，锅炉给水322可以随后流至锅炉以产生蒸汽，所述蒸汽可以用于强化油采收操作中(例如通过注入注射井中)，用于吞吐方法中，用于SAGD方法中，或用于本领域中已知的其它EOR(强化采油)方法中。
在一些实施方案中，锅炉给水322可以随后用于强化油采收操作中，例如通过注入地层中进行。任选地，本领域中已知的一种或多种添加剂例如表面活性剂和/或聚合物可以在注入之前与水混合，或者可以在无需任何添加剂的条件下使用水。
图4&5-给水处理系统
现在参考图4，图示了在本发明的一些实施方案中用于蒸汽生产430的系统400。蒸汽生产430输入未处理的水，例如来自水体、来自井、海水、城市供水或其它供水的水。在434处，可以从原水402中脱除一些阳离子，例如多价阳离子，如二价或三价阳离子。在440处，可以将处理水送至锅炉，以产生蒸汽。随后从蒸汽生产430中产出蒸汽403。
现在参考图5，图示了在本发明的一些实施方案中用于蒸汽生产530的系统500。蒸汽生产530输入未处理的水502，例如来自水体、来自井、海水、城市供水或其它供水的水。
在532处，可以完成初级过滤，以从水中脱除固体。
在533处，可以脱除硫酸根(SO4)。在534处，可以脱除一些二价阳离子，例如约60-99％的存在的二价阳离子。可以脱除的二价阳离子包括镁(Mg)、钙(Ca)、铁(Fe)和/或锶(Sr)。在一些实施方案中，533和534可以用纳米过滤膜系统同时进行。
在536处，任选地，可以脱除一些一价离子，例如约60-99％的存在的阳离子，例如钠(Na)和/或钾(K)，以及相关的阴离子，例如氯离子、氟离子、和/或溴离子。
在538处，可以从水中脱除另外的二价阳离子，例如与输入原水502相比，将镁、钙、和/或锶的量降低至少于这些二价阳离子的约1％，少于约0.5％，少于约0.1％，或少于约0.01％。在一个实例中，可以通过使用弱酸离子交换树脂脱除另外的二价阳离子。
在540处，可以将水送至锅炉，以生产蒸汽。蒸汽503可以通过蒸汽生产530产生。
在一些实施方案中，水可以旁路通过锅炉540，和输出物流503可以是可用于在水驱EOR操作中注入地层中的液体水。
在一些实施方案中，蒸汽生产430和/或530可以利用膜基系统，例如反渗透(RO)和/或纳米过滤(NF)技术，例如用于海水脱盐、过滤和/或纯化。
用于膜分离的渗透驱动力可以是跨膜净压力；这定义为进料压力减去渗透物压力或背压，小于进料渗透压和渗透物渗透压之差。
美国专利No.4,723,603利用NF膜，以从海水中具体脱除硫酸盐。硫酸盐可以通过NF膜脱除，和NF渗透物可以富含氯化钠但贫含硫酸盐。美国专利No.4,723,603经此引用全文并入本文。
美国专利No.4,341,629公开了使用2个RO组件使海水脱盐，所述RO组件可以包括相同的膜，例如90％脱除率的纤维素三乙酸酯(CTA)RO膜，或两种不同的膜，例如80％脱除率的CTA膜和98％脱除率的CTA膜。美国专利No.4,341,629经此引用全文并入本文。
美国专利No.5,238,574公开了使用多种RO膜组件以处理海水。例如，第一低压RO膜之后可以是高压RO膜，或可以使用系列低压RO膜，以提供不同水质量的渗透物，或简单地产生组合渗透物，其中来自一个组件的浓缩物物流变成串连的下一组件的进料物流。美国专利No.5,238,574经此引用全文并入本文。
在一些实施方案中，系统500可以包括来自含水进料源(例如来自海洋的海水)或含有一些二价和一价离子的任意盐水源(例如从井中产出的水)的未处理水502。作为一个实例，原海水可以取自海洋，其取自海井或取自开放的入口，和最初经历利用大颗粒滤网(未显示)的初级过滤532，和/或多介质过滤器(其可能通常是砂子和/或无烟煤)，任选接着是筒式过滤。
在一些实施方案中，过程533、534和/或536可以包括一个或多个RO筒，所述RO筒可以位于一个或多个NF筒的下游。RO筒和/或NF筒可以是具有适合的膜特征的螺旋式半渗透性膜筒、或利用中空纤维技术制备的筒。例如，E.I.DuPont销售中空细纤维(HFF)类型的RO筒，其由DuPont作为他们的HFF B-9筒进行销售和可以使用。螺旋式半渗透性膜筒可以包括多个滤叶，所述滤叶是其间夹有一层多孔渗透物载带材料例如聚酯纤维片材料的片状半渗透性膜材料的各个封套。半渗透性膜材料可以是任意市售的那些材料。相邻滤叶之间间隔的可以是间隔材料长度，所述间隔材料可以是织物或其它开放网孔、合成丝的网状交叉设计，例如聚丙烯等的交叉挤出丝，或如以商标Vexar和Nalle出售的那些，它们提供用于将给水从一端至另一端泵送通过压力容器的流动通道。这些交替的滤叶和间隔片的布置随后可以螺旋缠绕在具有多孔侧壁的中空管上，以产生直圆柱筒。
美国专利No.4,842,736中公开了一种螺旋式分离筒，所述专利的公开内容经此引用并入本文，所述螺旋式分离筒提供多个螺旋形进料通道，所述螺旋形进料通道从最终筒的一端至另一端轴向延伸，被处理的进料液体沿轴向方向流动通过所述通道。膜封套内，渗透液体在载体材料中沿螺旋形路径向内流动，直至它达到多孔中心管，它在多孔中心管中集中和随后通过多孔中心管轴向流至出口。
在一些实施方案中，可以选择RO筒和/或NF筒，以完成由海水等产生具有所需离子浓度的处理水物流的所需全部功能。RO元件或筒可以选自聚酰胺复合膜类的适合半渗透性膜，其中聚酰胺薄膜可以在多孔聚砜载体或类似物上界面间形成，所述多孔聚砜载体或类似物接着可以在高度多孔纤维衬料上形成。可以设计RO膜，以除去大于约95％的溶解盐，例如约98％或更多。
适合的市售RO膜包括以下销售的那些：Osmonics的AG8040F和AG8040-400，Dow-FilmTec的SW30系列和LE，Desalination Systems，Inc.的Desal-11，Hydranautics的ESPA，Fluid Systems，Inc.的ULP和TriSep Corporation的ACM。
可以使用设计用于选择性除去二价或更高价离子的NF膜，和使用的NF元件或筒可以除去含水进料中最低约80％、例如大于约90％、或约95％、或约98％的二价或更高价离子。任选地，NF膜还可以至少适度减少一价离子含量，例如小于一价离子含量的约70％、或小于约50％、或小于约30％、或小于约20％。适合的市售NF膜可以以片状或成品螺旋筒购得，和包括以下出售的那些：Osmonics的Seasoft 8040DK、8040DL和Sesal DS-5，Dow-Film Tec的NF200系列和NF-55、NF-70和NF-90，Desalination Systems，Inc.的DS-5和DS-51，Hydranautics的ESNA-400和Fluid Systems，Inc.的TFCS。
在一些实施方案中，可以使用机械方法，例如使未处理水502通过纳米过滤膜，以在地面从水中脱除离子。海水可能含有约2700-2800ppm的二价SO4 -。纳米过滤膜方法可以将该浓度533降低至约20-150ppm。可降低硫酸盐含量至多约99％。
在一些实施方案中，可以将化学品和/或添加剂注入未处理水502中，以阻止来自不溶性盐沉淀的晶体原位生长。可以在地面将多种添加剂注入水中。
在一些实施方案中，盐水可以通过多级闪蒸、多效蒸馏、反渗透和/或蒸汽压缩蒸馏经由533、534和/或536处理。在盐水预处理中已经使用膜技术，以相对淡水降低盐水的高离子含量。可以使用离子选择性膜，所述离子选择性膜选择性阻止某些离子穿过它，同时允许水和其它离子穿过它。膜的选择性可能是膜的特定性质的函数，包括膜的孔径或电荷。因此，可以使用满足这些标准的任意已知和市售离子选择性膜。例如，聚酰胺膜对于选择性阻止硫酸根、钙、镁和碳酸氢根离子穿过它是特别有效的，和可以用于过程533和/或534。可以使用商标为SR90-400(Film Tec Corporation)或Hydranautics CTC-1的聚酰胺膜。
在本发明的一些实施方案中，含有高浓度硬度离子(例如二价阳离子)的未处理水502通过离子选择性膜534，从而形成硬度离子浓度降低的软化盐水。
微滤(MF)、超滤(UF)、纳米过滤(NF)和反渗透(RO)都是允许从流体中脱除多种中性或离子性分子的压力驱动分离方法。微滤可以用于脱除大于约0.1微米的悬浮颗粒。超滤可以用于排除大于约5,000分子量的溶解分子。纳米过滤膜可以用于使至少一些盐通过，但是对分子量大于约200道尔顿的有机化合物具有高脱除率。反渗透膜可以用于高度除去几乎所有的物种。虽然NF和RO都能够排除盐，但是它们通常选择性不同。NF膜通常使一价离子通过，而维持对二价离子的高脱除率。相反，反渗透膜对几乎所有的离子是相对不可渗透的，包括一价离子例如钠和氯离子离子。NF膜有时被描述为“疏松的”RO膜。能够从水中脱除溶解盐的一种适合膜是纤维素乙酸酯膜，具有的选择性源自载带在相同材料的较厚的更多孔的层上的薄区分层。另一种适合膜由哌嗪或取代哌嗪制得。其它适合的膜包括聚合物，例如市售FilmTec NF40 NF膜。
在一些实施方案中，可以使用螺旋式过滤器筒，以在小体积中并入大量的RO或NF膜。这样的元件可以通过围绕穿孔渗透管缠绕进料间隔片、膜片和渗透间隔片制得。
在一些实施方案中，可以利用界面聚合，以制备用于RO和NF分离的薄膜式复合膜。该方法通常作为胺和酰基氯或异氰酸酯之间的缩聚进行。
反渗透膜可以高度脱除几乎所有的离子，包括钠和氯离子。NF膜通常表征为能使分子量小于200道尔顿的中性分子和一价离子基本通过的那些。由于电荷相互作用，NF膜仍然通常具有对二价离子的高脱除率。还可以生产具有RO和NF之间的连续性质的膜。除了对至少一种物种的高脱除率之外，市售膜通常具有高的水渗透性。
在一些实施方案中，用于RO和/或NF的膜可以是哌嗪基膜，其中并入聚合物中的含胺单体的至少60％可以是哌嗪或哌嗪衍生分子。哌嗪基膜的一个典型实例是FilmTec NF40 NF膜，其通过在酸受体N，N-二甲基哌嗪存在下使哌嗪和TMC接触制得。FilmTec市售膜NF45和SR90通过类似方法制得，其中向水和/或有机相中加入附加专用化学品。一些膜的特别有用的性质是能够选择性脱除一些分子，同时保留其它分子。例如，乳品工业已经使用哌嗪基膜，以在脱除矿物的同时浓缩大中性分子(乳清和乳糖)。在其它情况下，需要在维持对二价离子的高脱除率的同时，使一价盐通过。
在一些实施方案中，过程434、533和/或534可以使用NF设备，例如膜。在一些实施方案中，过程434和/或536可以使用RO设备，例如膜。
在本发明的一些实施方案中，处理后的蒸汽403和/或503可以用于改进油采收。处理后的蒸汽403和/或503可以用于驱动或推动油从储层中出来从而从储层中“驱扫”出原油，和/或通过加热储层中的油从而使它流动。随着处理后的蒸汽推动油从地层中的孔中出来和到达生产井，可以在与一个或多个注射井间隔开的一个或多个生产井处采收油。一旦油/水到达地面，可以将它放入存储槽中，通过自然重力使油与水分离。
所述方法和系统可以用于从载油地层中置换采收石油。该采收包括其中可以通过置换流体或气体的作用而从载油地层中移除油的方法。因此，采收可以是二次的，其中储层烃已经通过初级采收机构而被基本采空。通过本发明方法和系统制备的处理后的蒸汽403和/或503的其它用途包括近井孔注入处理。
此外，虽然上述实施方案描述为用于海上水处理，但是本领域技术人员将理解到，所述处理技术还可以用于陆上操作中，特别是当给水具有高盐度时。
示例性实施方案
在一个实施方案中，公开了一种系统，所述系统包括：钻入含烃地下地层中的井；供水；蒸汽生产设施，所述蒸汽生产设施包括过滤器，以脱除供水中至少80％的二价阳离子；交换树脂，以脱除已经通过过滤器的过滤水物流中至少80％的二价阳离子；与井和蒸汽生产设施相连的蒸汽注入设施，用于将蒸汽注入井中。在一些实施方案中，所述系统还包括钻入地下地层中的第二井；和在第二井顶部的烃生产设施。在一些实施方案中，所述交换树脂包含至少一种弱酸离子交换树脂和/或螯合阳离子交换树脂。在一些实施方案中，地下地层在水体下方。在一些实施方案中，蒸汽生产设施在水体上方，例如在生产平台上。在一些实施方案中，所述系统还包括水泵送装置，用于将水从供水泵送至蒸汽生产设施。在一些实施方案中，蒸汽生产设施的输入水的总溶解盐值为至少15,000ppm，以溶解的氯化钠表示。在一些实施方案中，井的直径为10-25cm。在一些实施方案中，所述过滤器脱除至少95％的二价阳离子。在一些实施方案中，所述过滤器脱除至少99％的二价阳离子。
在一个实施方案中，公开了一种方法，所述方法包括：过滤供水，以从水中脱除至少80％的二价阳离子；用交换树脂进一步处理过滤水，以从过滤水中脱除至少80％的剩余二价阳离子；和使过滤和处理后的水沸腾，以产生蒸汽。在一些实施方案中，所述方法还包括将蒸汽注入地下地层中，所述地层包含油。在一些实施方案中，至少一部分供水是从地下地层中生产的。在一些实施方案中，至少一部分供水是海水。在一些实施方案中，所述方法还包括从水中脱除一些一价阳离子。在一些实施方案中，过滤供水脱除至少90％的二价阳离子。在一些实施方案中，过滤供水脱除了至少95％的二价阳离子。在一些实施方案中，过滤供水脱除了至少99％的二价阳离子。在一些实施方案中，另外用交换树脂进一步处理过滤水从过滤水中脱除了至少90％的剩余二价阳离子。在一些实施方案中，另外用交换树脂处理过滤水从过滤水中脱除了至少95％的剩余二价阳离子。在一些实施方案中，另外用交换树脂处理过滤水从过滤水中脱除了至少99％的剩余二价阳离子。在一些实施方案中，蒸汽在比储层压力高10-100bar下注入。在一些实施方案中，在注入蒸汽前，地下地层中的油的粘度为5-10,000cp。在一些实施方案中，在注入蒸汽前，地下地层中的油的粘度为500-5,000cp。在一些实施方案中，地下地层的渗透性为5-0.0001Darcy。在一些实施方案中，地下地层的渗透性为1-0.001Darcy。在一些实施方案中，在过滤和另外的处理步骤之前，供水的总溶解盐值为至少15,000ppm，作为溶解的氯化钠表示。
实施例
进行和比较纳米过滤膜和反渗透膜的性能预测。表1显示了性能预测中使用的给水(海水)的组成。
表1
  元素   ppm
  Mg   1313
  Ca   427
  Na   10823.7
  K   390
  SO4   2735
  HCO3   150
  Cl   19525
  TDS   35363.7
预测了纳米过滤器膜和反渗透膜在降低上面表1中显示的海水盐度的性能。在45和65°F下预测纳米过滤器膜的性能。纳米过滤器膜的渗透物随后作为进料在46、56和110°F下通过反渗透膜。纳米过滤器和反渗透膜都使用2个阵列的系统。在该系统中，至阵列1的进料分成废物物流和渗透物物流。随后，来自阵列1的废物变成阵列2的进料。阵列2随后将进料分成废物物流和渗透物物流。
表2
膜 纳米过滤器 纳米过滤器   反渗透   反渗透   反渗透
  温度   65F(18C)   45F(7C)   45F(7C)   65F(18C)   110F(43C)
  膜类型 DKF8040 DKF8040 AE8040F AE8040F AE8040F
  进料   海水   海水   NF渗透物   NF渗透物   NF渗透物
  百万桶/天(MBD) 275 275 151 151 151
  TDS(ppm)   35500   35500   20290   22756.9   22756.9
  产物(MBD)   205   205   100   100   100
  回收率   75％   75％   66％   66％   66％
  膜阵列数 2 2 2 2 2
  进料压力(psi) 343 454 960 800 624
  第二级增压 90 90 250 250 300
  阵列1
  压力容器数   182   182   80   80   80
  元件数 1092 1092 480 480 480
  回收率   51％   52％   45％   46.6％   46％
  阵列2
  压力容器数   92   92   40   40   40
  元件数 552 552 240 240 240
膜 纳米过滤器 纳米过滤器   反渗透   反渗透   反渗透
  回收率   48％   48％   37％   36.2％   36％
  渗透物阵列1
  Mg(mg/L)   33.6   20.6
  Ca(mg/L)   16.4   10.1
  Na(mg/L)   7642   6503.2
  K(mg/L)   275   234.3
  SO4(mg/L)   4.9   3
  HCO3(mg/L)   9.2   5.8
  Cl(mg/L)   12163   10322.4
  TDS(mg/L)   20144.1   17099.4
  渗透物阵列2
膜 纳米过滤器 纳米过滤器   反渗透   反渗透   反渗透
  Mg(mg/L)   59.9   38.1
  Ca(mg/L)   29   18.7
  Na(mg/L)   10778   10482
  K(mg/L)   388.4   377
  SO4(mg/L)   10.7   6.9
  HCO3(mg/L)   19.5   13.1
  Cl(mg/L)   17195   16621.4
  TDS(mg/L)   28480.5   27537.2
  组合   全部渗透物   全部渗透物   全部渗透物
  Mg(mg/L)   41.8   25.9   0.4   0.6   1.3
  Ca(mg/L)   20.3   12.8   0.2   0.3   0.7
  Na(mg/L)   8621.8   7713.4   89   130   277.6
膜 纳米过滤器 纳米过滤器   反渗透   反渗透   反渗透
  K(mg/L)   310.7   277.9   3.2   4.6   9.9
  SO4(mg/L)   6.7   4.2   0   0.1   0.1
  HCO3(mg/L) 12.5 8.1 0.1 0.2 0.3
  Cl(mg/L)   13734.9   12248   141.8   208   441.7
  TDS(mg/L)   22748.7   20290.3   234.9   342   731.6
  pH   5.1   5.2   5.5
  脱除   阵列1     阵列2   阵列1     阵列2
  Mg(mg/L)   2672.8    5111.2   2713.9    5156.6   122.4   122.1   120.7
  Ca(mg/L)   863.4     1642.1   878.8     1664.1   58.3   58.1   57.4
  Na(mg/L)   14205.3   17403   15506.9   20112.4   25132.1   25079.6   24796.2
  K(mg/L)   511.8     627.1   558.7     724.7   903.7   900   890.8
  SO4(mg/L)   5636.6    10887   5696.3    10890.2   19.6   19.8   19.5
  HCO3   299.6     561   306.3     573.9   36.3   36.2   35.7
  Cl(mg/L)   27349.4   36825   29499.8   41256.7   39996.8   39912   39460.9
  TDS(mg/L)   51538.9   73057   55160.7   80378.6   68269   66128.6   65381.7
  pH   7.4   7.4   7.4
当在45°F或65°F下操作时，纳米过滤器数据的比较显示预期渗透物水质量的适当变化。在45°F下，渗透物质量在所有离子的脱除方面略微改进，和具体是钙、镁、和硫酸根、以及通常与污垢形成和产生硫化物的细菌活性有关的离子。
虽然渗透物物流中达到更高的质量(对多种离子的脱除略微改进)，但是这种改进被到达第一阵列的进料的泵送压力升高所平衡。因为进料压力必须从343psi升高至454psi，所以对于纳米过滤器系统存在45％的动力要求增大。因此，渗透物物流的改进可能伴随增大的动力要求成本。
关于温度，反渗透膜的情形与纳米过滤器相似。考虑的温度是45°F、65°F和105°F，代表从深海水引入口、浅引入口提取的水以及已经通过平台交换服务被明显加热的水。随着到达反渗透膜的进料温度的升高，渗透物质量从45°F下的234ppm TDS降低至110°F下的731TDS。但这种TDS的增大并不必然被看作对构建聚合物溶液的最终用途是有害的，因为硬度离子保持非常低，在1.3和0.7下。
对开发100,000桶水/天(bwpd)系统来说，主要因素是动力使用的下降。在45°F下的第一压力明显高于在110°F下的。但观测到的增压升高是反方向的：与在45°F下需要的相比，在110°F下需要更大的增压。总之，动力要求从45°F下的28434kw降低到65°F下的2362kw，和110°F下的1845kw，这与在用反渗透处理之前利用纳米过滤35％的动力要求降低相关。
在陆上操作中，用于将给水硬度降低至用于蒸汽发生器中的可管理水平的主要措施包括石灰-苏打软化法或蒸发技术，其产生污泥作为副产物。但在海上环境中，环境条款严格管制/禁止产生这些污泥排放。另外，对于可管理的操作，海上处理可能还要受成本和空间限制。使用脱盐方法的组合可以实现能够有效和成本经济地将海水进料源盐度降低至蒸汽发生器应用所要求的TDS水平的水处理方法。
虽然本发明已经针对有限数量的实施方案进行了说明，但受益于本公开内容的本领域技术人员将意识到可以在不偏离本文公开的本发明范围的条件下设计其它实施方案。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限定。

Claims (37)

1.一种系统，所述系统包括：
钻入含烃地下地层中的井；
供水；
蒸汽生产设施，所述蒸汽生产设施包括：
过滤器，以脱除供水中至少80％的二价阳离子；
交换树脂，以脱除已经通过过滤器的过滤水物流中至少80％的二价阳离子；
与井和蒸汽生产设施相连的蒸汽注入设施，用于将蒸汽注入井中。
2.权利要求1的系统，还包括：
钻入地下地层中的第二井；和
在第二井顶部的烃生产设施。
3.权利要求1-2中一项或多项的系统，其中所述交换树脂包含弱酸离子交换树脂和/或螯合阳离子交换树脂中的至少一种。
4.权利要求1-3中一项或多项的系统，其中地下地层在水体下方。
5.权利要求1-4中一项或多项的系统，其中蒸汽生产设施在水体上方，例如在生产平台上。
6.权利要求1-5中一项或多项的系统，还包括水泵送装置，用于将水从供水泵送至蒸汽生产设施。
7.权利要求1-6中一项或多项的系统，其中蒸汽生产设施的输入水的总溶解盐值为至少15,000ppm，以溶解的氯化钠表示。
8.权利要求1-7中一项或多项的系统，其中井的直径为10-25cm。
9.权利要求1-8中一项或多项的系统，其中所述过滤器脱除至少95％的二价阳离子。
10.权利要求1-9中一项或多项的系统，其中所述过滤器脱除至少99％的二价阳离子。
11.一种方法，所述方法包括：
过滤供水，以从水中脱除至少80％的二价阳离子；
用交换树脂进一步处理过滤水，以从过滤水中脱除至少80％的剩余二价阳离子；和
使过滤和处理后的水沸腾，以产生蒸汽。
12.权利要求11的方法，还包括将蒸汽注入地下地层中，所述地层包含油。
13.权利要求11-12中一项或多项的方法，其中至少一部分供水是从地下地层中生产的水。
14.权利要求11-13中一项或多项的方法，其中至少一部分供水是海水。
15.权利要求11-14中一项或多项的方法，还包括从水中脱除一些一价阳离子。
16.权利要求11-15中一项或多项的方法，其中过滤供水脱除至少90％的二价阳离子。
17.权利要求11-16中一项或多项的方法，其中过滤供水脱除至少95％的二价阳离子。
18.权利要求11-17中一项或多项的方法，其中过滤供水脱除至少99％的二价阳离子。
19.权利要求11-18中一项或多项的方法，其中另外用交换树脂处理过滤水从过滤水中脱除至少90％的剩余二价阳离子。
20.权利要求11-19中一项或多项的方法，其中另外用交换树脂处理过滤水从过滤水中脱除至少95％的剩余二价阳离子。
21.权利要求11-20中一项或多项的方法，其中另外用交换树脂处理过滤水从过滤水中脱除至少99％的剩余二价阳离子。
22.权利要求12-21中一项或多项的方法，其中蒸汽在比储层压力高10-100bar下注入。
23.权利要求12-22中一项或多项的方法，其中在注入蒸汽前地下地层中的油的粘度为5-10,000cp。
24.权利要求12-23中一项或多项的方法，其中在注入蒸汽前地下地层中的油的粘度为500-5,000cp。
25.权利要求12-24中一项或多项的方法，其中地下地层的渗透性为5-0.0001Darcy。
26.权利要求12-25中一项或多项的方法，其中地下地层的渗透性为1-0.001Darcy。
28.权利要求12-27中一项或多项的方法，其中在过滤和另外的处理步骤之前，供水的总溶解盐值为至少15,000ppm，作为溶解的氯化钠表示。
29.一种系统，所述系统包括：
钻入含烃地下地层中的井；
供水；
水生产设施，所述水生产设施包括：
过滤器，以脱除供水中至少80％的二价阳离子；
交换树脂，以脱除已经通过过滤器的过滤水物流中至少80％的二价阳离子；
与井和水生产设施相连的水注入设施，用于将水注入井中。
30.权利要求29的系统，还包括：
钻入地下地层中的第二井；和
在第二井顶部的烃生产设施。
31.权利要求29-30中一项或多项的系统，其中所述交换树脂包含弱酸离子交换树脂和/或螯合阳离子交换树脂中的至少一种。
32.权利要求29-31中一项或多项的系统，其中地下地层在水体下方。
33.权利要求29-32中一项或多项的系统，其中水生产设施在水体上方，例如在生产平台上。
34.权利要求29-33中一项或多项的系统，还包括水泵送装置，用于将水从供水泵送至水生产设施。
35.权利要求29-34中一项或多项的系统，其中水生产设施的输入水的总溶解盐值为至少15,000ppm，以溶解的氯化钠表示。
36.权利要求29-35中一项或多项的系统，其中井的直径为10-25cm。
37.权利要求29-36中一项或多项的系统，其中所述过滤器脱除至少95％的二价阳离子。
38.权利要求29-37中一项或多项的系统，其中所述过滤器脱除至少99％的二价阳离子。
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