CN102803148A - 供应具有受控盐度的水的方法 - Google Patents

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Abstract

一种生产适于注入储油层的含油地层的具有受控的盐度和受控的硫酸根阴离子含量的注射水流的方法，所述方法包括以下步骤：(a)向包含多个反渗透(RO)膜单元和多个纳米过滤(NF)膜单元的脱盐设备进料水源水，所述水源水的总溶解固体含量在20,000-45,000ppm范围内，并且硫酸根阴离子浓度在1,000-4,000ppm范围内，优选1,500ppm-4,000ppm，其中将水源水加压至350-1250psi绝对压力范围的压力，和将水源水分开，以提供用于RO膜单元的进料水(后文称“RO进料水”)和用于NF膜单元的进料水(后文称“NF进料水”)；(b)如果需要，将RO进料水的压力提高至900-1250psi绝对压力范围的值，随后将RO进料水引入到RO膜单元，并从RO膜单元取出RO渗透物和RO保留物，其中所述RO膜单元采用单程、单级模式或采用单程、两级模式操作，并且其中RO渗透物的回收率在35-75体积%范围，优选35-60体积%，基于进料至RO膜单元的RO进料水的体积，使得RO渗透物的总溶解固体含量小于250ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于3ppm；(c)如果需要，将NF进料水的压力降低至350-450psi绝对压力范围的值，随后将NF进料水引入到NF膜单元，并从NF膜单元取出NF渗透物和NF保留物，其中所述NF膜单元采用单程、单级模式操作，并且其中NF膜单元操作的NF渗透物的回收率在35-60体积%范围，基于进料至NF膜单元的NF进料水的体积，使得NF渗透物的总溶解固体含量在15,000-40,000ppm范围，优选15,000-35,000ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于40ppm，优选小于30ppm；和(d)将至少一部分RO渗透物和至少一部分NF渗透物以2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25:1的比率混合，以提供注射水，所述注射水的总溶解固体含量在500-5,000ppm范围，并且硫酸根阴离子浓度小于7.5ppm，优选小于5ppm，更优选小于3ppm。

Description

供应具有受控盐度的水的方法
本发明涉及一种提供用于储油层的低盐度注射水的方法以及用于生产这种注射水的脱盐系统，所述注射水具有足够的盐度以避免地层破坏和足够低的硫酸根阴离子浓度以避免储油层酸化。具体地，本发明提供了一种用于生产具有受控的低盐度、受控的硫酸根阴离子浓度和受控的多价阳离子浓度的水的方法和系统。
如在国际专利申请WO 2008/029124中所描述的，已知向储油层的含油地层中注射具有低盐度的水以增强油从储油层的回收。
与低盐度注水(water-flood)相关的问题在于，脱盐技术可产生盐度低于用于增强油回收的最佳盐度的水。实际上，脱盐的水可破坏储油层的含油岩石地层和抑制油回收，例如，通过引起地层中的粘土溶胀。对于注射水，存在最佳盐度，其提供增强油回收同时避免地层破坏的益处，并且最佳值随着地层而不同。通常，当含油地层包含含有高水平的溶胀粘土的岩石时，当注射水的总溶解固体含量(TDS)在500-5,000 ppm范围，优选1,000-5,000 ppm时，可避免地层破坏。
然而，由于高盐度水的硫酸根阴离子含量高和/或多价阳离子含量高，不期望将多价阳离子含量低的脱盐的水与高盐度水(例如海水)混合。因此，当注射的水与通常存在于地层的原生水中的沉淀物前体阳离子(例如钡、锶和钙阳离子)接触时，这种混合水流的高硫酸根阴离子含量可导致储油层酸化和/或不可接受水平的不溶性无机盐沉淀(污垢形成)。此外，将脱盐的水与高盐度水(例如海水)混合可导致含有不可接受水平的多价阳离子(特别是钙和镁阳离子)的混合水流。因此，为了实现使用低盐度注射水的增量油回收，在低盐度注射水中多价阳离子的浓度与在储油层的原生水中多价阳离子的浓度的比率应小于1，优选小于0.9，更优选小于0.8，特别是小于0.6，例如，小于0.5。
如在国际专利申请WO 2007/138327中所描述的，可提高具有过低盐度的水供应的盐度的一种方式是通过与具有较高盐度的水共混。根据WO 2007/138327，可通过以下步骤实现这一点：
使水的第一进料供应实质脱盐，以提供具有低盐度的经处理的水的第一供应；
处理水的第二进料供应，以提供经处理的水的第二供应，它与第二进料供应相比具有降低浓度的二价离子，并且比起经处理的水的第一供应，具有更高的盐度；和
将经处理的水的第一供应与经处理的水的第二供应混合，以提供具有适于注入含油储油层的期望的盐度的混合水的供应。
在发明WO 2007/138327的优选的实施方案中，通过反渗透方法将第一进料供应实质脱盐，而处理水的第二进料供应的步骤优选通过纳米过滤进行。
纳米过滤常用于石油工业，以从水源水除去硫酸根离子。经处理的水可随后注入地层，当注入的水与在地层的原生水中存在的沉淀物前体阳离子接触时，没有形成不可接受水平的不溶性无机盐的风险。因此，发明WO 2007/138327允许供应具有适于注入含油储油层的期望的盐度和具有降低水平的硫酸根阴离子的混合水，由此减轻在地层内或在生产井中矿物污垢沉淀的风险。
已知注射含有高水平的硫酸根阴离子的水可刺激硫酸盐还原细菌的生长，该细菌产生硫化氢作为代谢物，导致储油层的酸化。当期望减轻形成矿物污垢的风险时，在混合水的供应中硫酸根阴离子的水平应小于40 ppm。然而，当期望减轻储油层酸化的风险时，在混合水的供应中硫酸根阴离子的水平应尽可能低，例如，小于7.5 ppm，优选小于5 ppm。
现已发现，需要仔细控制WO 2007/138327的方法的操作条件，以实现具有期望的总溶解固体含量(用于控制地层破坏)和期望的低硫酸根阴离子浓度(用于控制储油层酸化)的混合水的供应。
因此，本发明涉及用于提供具有受控的盐度和受控的低硫酸根阴离子含量的混合水流的改进的方法和设备，所述混合水流用作用于低盐度注水的注射水，同时减轻地层破坏的风险和控制储油层酸化。
因此，根据本发明的第一实施方案，提供了一种生产具有受控的盐度和受控的硫酸根阴离子浓度的注射水流的方法，所述注射水流适于注入储油层的含油地层，所述方法包括以下步骤：
向包含多个反渗透(RO)膜单元和多个纳米过滤(NF)膜单元的脱盐设备进料水源水，所述水源水的总溶解固体含量在20,000-45,000 ppm范围内，并且硫酸根阴离子浓度在1,000-4,000 ppm范围内，优选1,500 ppm-4,000 ppm，其中将水源水加压至350-1250 psi绝对压力范围的压力，和将水源水分开，以提供用于RO膜单元的进料水(后文称“RO进料水”)和用于NF膜单元的进料水(后文称“NF进料水”)；
如果需要，将RO进料水的压力提高至900-1250 psi绝对压力范围的值，随后将RO进料水引入到RO膜单元，并从RO膜单元取出RO渗透物和RO保留物，其中所述RO膜单元采用单程、单级模式或采用单程、两级模式操作，并且其中RO渗透物的回收率在35-75体积%范围，优选35-60体积%，基于进料至RO膜单元的RO进料水的体积，使得RO渗透物的总溶解固体含量小于250 ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于3 ppm；如果需要，将NF进料水的压力降低至350-450 psi绝对压力范围的值，随后将NF进料水引入到NF膜单元，并从NF膜单元取出NF渗透物和NF保留物，其中所述NF膜单元采用单程、单级模式操作，并且其中NF膜单元操作的NF渗透物的回收率在35-60体积%范围，基于进料至NF膜单元的NF进料水的体积，使得NF渗透物的总溶解固体含量在15,000-40,000 ppm范围，优选15,000-35,000 ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于40 ppm，优选小于30 ppm；和
将至少一部分RO渗透物和至少一部分NF渗透物以2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25:1的比率混合，以提供注射水，所述注射水的总溶解固体含量在500-5,000 ppm范围，优选1,000-5,000 ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于7.5 ppm，优选小于5 ppm，更优选小于3 ppm。
所述水源水可为海水、河水、生成水、含水层水或废水。
优选RO渗透物的总溶解固体含量(TDS)为50-225 ppm，更优选100-225 ppm，最优选125-200 ppm，特别是150-175 ppm。
优选RO渗透物的硫酸根阴离子浓度为0.5-2.5 ppm，特别是0.5-1.5 ppm。
优选NF渗透物的TDS比水源水的TDS低不大于15,000 ppm，优选低不大于10,000 ppm。
优选NF渗透物的硫酸根阴离子浓度在10-28 ppm范围，更优选10-25 ppm，特别是15-20 ppm。
注射水的硫酸根阴离子浓度取决于该流的期望的总溶解固体含量(TDS)，因此取决于RO渗透物与NF渗透物的混合比。因此，注射水的硫酸根阴离子浓度将随着混合流中NF渗透物的量的提高而提高。
通常，对于总溶解固体含量为1000 ppm的注射水流，硫酸根阴离子浓度在1-2 ppm范围，并且对于具有较高TDS的注射水，硫酸根阴离子浓度范围的值应按比例变化。
本发明方法的一个优点在于，除了提供具有足够高的TDS以减轻地层破坏的风险和具有足够低的硫酸根浓度以减轻储油层酸化的风险的注射水以外，取决于水源水的选择，注射水还可具有足够低的多价阳离子浓度以用作低盐度注射水，由此实现从储油层的增量油回收。
因此，本发明还涉及用于提供具有受控的盐度、受控的低硫酸根阴离子浓度和受控的多价阳离子浓度的混合水流的改进的方法和设备，所述混合水流用作用于低盐度注水的注射水，同时减轻地层破坏的风险和控制储油层酸化。
因此，在本发明的第二实施方案中，提供了一种生产具有受控的盐度、受控的硫酸根阴离子浓度和受控的多价阳离子浓度的注射水流的方法，所述注射水流适于注入储油层的含油地层，所述方法包括以下步骤：
向包含多个反渗透(RO)膜单元和多个纳米过滤(NF)膜单元的脱盐设备进料水源水，所述水源水的总溶解固体含量在20,000-45,000 ppm范围内，硫酸根浓度在1,000-4,000 ppm范围内，优选1,500 ppm-4,000 ppm，并且多价阳离子浓度在700-3,000 ppm范围，优选1,000-3,000 ppm，更优选1,500-2,500 ppm，其中将水源水加压至350-1250 psi绝对压力范围的值，和将水源水分开，以提供RO进料水和NF进料水；
如果需要，将RO进料水的压力提高至900-1250 psi绝对压力范围的值，随后将RO进料水引入到RO膜单元，并从RO膜单元取出RO渗透物和RO保留物，其中所述RO膜单元采用单程、单级模式或采用单程、两级模式操作，并且其中RO渗透物的回收率在35-75体积%范围，优选35-65体积%，基于进料至RO膜单元的RO进料水的体积，使得RO渗透物的总溶解固体含量小于250 ppm，硫酸根阴离子浓度小于3 ppm，和多价阳离子含量最多10 ppm；
如果需要，将NF进料水的压力降低至350-450 psi绝对压力范围的值，随后将NF进料水引入到NF膜单元，并从NF膜单元取出NF渗透物和NF保留物，其中所述NF膜单元采用单程、单级模式操作，其中NF渗透物的回收率在35-60体积%范围，基于进料至NF膜单元的NF进料水的体积，使得NF渗透物的总溶解固体含量在15,000-40,000 ppm范围，优选15,000-35,000 ppm，硫酸根阴离子浓度小于40 ppm，优选小于30 ppm，并且多价阳离子含量最多200 ppm，优选最多150 ppm，更优选最多100 ppm；和
将至少一部分RO渗透物和至少一部分NF渗透物以2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25:1的比率混合，以提供注射水，所述注射水的总溶解固体含量在500-5,000 ppm范围，优选1,000-5,000 ppm，硫酸根阴离子浓度小于7.5 ppm，优选小于5 ppm，更优选小于3 ppm，并且多价阳离子含量最多50 ppm。
再一次，所述水源水可为海水、河水、生成水、含水层水或废水。
水源水、RO渗透物、NF渗透物和注射水的优选的TDS如以上本发明的第一实施方案所给出。
优选水源水的钙阳离子浓度在200-600 ppm范围。优选水源水的镁阳离子浓度在500-2000 ppm范围。
在RO渗透物、NF渗透物和注射水中硫酸根阴离子的优选的浓度如以上本发明的第一实施方案所给出。
优选在RO渗透物中多价阳离子的浓度在1-10 ppm范围，优选1-5 ppm，特别是1-3 ppm。
优选在NF渗透物中多价阳离子的浓度在50-200 ppm范围，优选50-150 ppm。
在注射水中多价阳离子的浓度取决于该流的期望的TDS，因此取决于RO渗透物与NF渗透物的混合比。因此，注射水的多价阳离子浓度将随着混合流中NF渗透物的量的提高而提高。通常，对于总溶解固体含量为1000 ppm的注射水流，多价阳离子浓度在2-10 ppm范围，并且对于具有较高TDS的注射水，多价阳离子浓度范围的值应按比例变化。
如上所讨论的，当期望使用低盐度注射水实现增量油回收时，低盐度注射水的多价阳离子浓度与原生水的多价阳离子浓度的比率应小于1。原生水的多价阳离子浓度通常是根据本发明的方法通过将RO渗透物与NF渗透物混合而形成的注射水的多价阳离子浓度的数倍大。因此，注射水具有期望的低盐度和期望的低多价阳离子浓度，以在注入储油层的含烃地层时实现增量油回收，同时具有足够含量的总溶解固体以防止地层破坏和足够低的硫酸根浓度以减轻储油层酸化的风险(以及减轻在地层和/或生产井中不溶性无机盐沉淀的风险)。
通常，向其中注射具有受控的盐度(受控的TDS)、受控的低硫酸根阴离子浓度和受控的低多价阳离子浓度的注射水的地层为含有高含量的溶胀粘土(例如，蒙脱石粘土)的含油砂岩地层。“高含量的溶胀粘土”是指溶胀粘土的含量为10重量%或更大，例如，溶胀粘土的含量在10-30重量%范围。
通常，在本发明的这些第一和第二实施方案中，RO渗透物与NF渗透物以2:1-40:1，特别是4:1-27:1，特别是10:1-25:1的体积比(RO渗透物的体积与NF渗透物的体积的比率)混合。本领域技术人员将理解具体的混合比将取决于以下因素中的一个或多个：
(a) 水源水的盐度；
(b) 水源水的硫酸根浓度；
(c) 水源水的多价阳离子浓度；
(d) RO和NF膜单元操作的温度；
(e) RO和NF膜单元操作的体积百分比回收率；
(f) 注射水的期望的盐度；
(g) 注射水的期望的硫酸根阴离子浓度；和
(h) 注射水的期望的多价阳离子浓度。
因素(f)、(g)和(h)进而取决于期望将经处理的水注入其中的储油层的特征，例如溶胀粘土的量、硫酸盐还原细菌的水平和原生水的多价阳离子浓度。因此，取决于RO渗透物与NF渗透物的混合比，注射水流具有足够的盐度以控制地层破坏、足够低的硫酸根浓度以控制储油层酸化、和足够低的多价阳离子浓度，使得注射水的多价阳离子浓度与地层的原生水的多价阳离子浓度的比率小于1。
有利地，根据测得的变量控制RO渗透物与NF渗透物的混合比。控制可自动化，并且可采用进料-返回控制系统。
测得的变量可为注射水的性质，例如，测得的变量可涉及注射水的盐度(TDS含量)，优选注射水的传导率。传导率是注射水的TDS含量的度量。或者，或此外，测得的变量可涉及在注射水中或在NF渗透物中多价阴离子的浓度，或者在注射水中或在NF渗透物中所选的二价阴离子(例如硫酸根阴离子)的浓度。或者，或此外，测得的变量可涉及在注射水中或在NF渗透物中多价阳离子的浓度，或者在注射水中或在NF渗透物中所选的多价阳离子(例如钙阳离子和/或镁阳离子)的浓度。
还可根据测得的变量控制注射水流或水源水流的流速。
“单程、单级”模式是指进料水通过多个并联排列的个体膜单元。因此，进料水通向每个膜单元，并从每个膜单元除去渗透物流和保留物流。随后将渗透物流合并，以形成合并的渗透物流。当采用“单程、单级”模式操作时，膜单元的百分比回收率为：[(合并的渗透物流的体积/进料水的体积)×100]。这些体积经过固定的时间段确定，例如，在一天中加工的进料水的体积和在一天中生产的合并的渗透物流的体积。
“单程、两级”模式是指将进料水进料至串联排列的两个膜单元的第一个，将来自第一膜单元的保留物用作在该串联中的第二膜单元的进料水。通常，可存在多个并联排列的第一膜单元和多个并联排列的第二膜单元。通常，比起第一膜单元，存在更少的第二膜单元，这是由于比起第一膜单元，经过固定的时间段，第二膜单元将加工更少体积的水。通常，将来自第一膜单元的渗透物流混合，以得到第一渗透物流，将来自第一膜单元的保留物流混合，以形成第一保留物流。第一保留物流随后用作多个并联排列的第二膜单元的进料水。来自第二膜单元的渗透物流随后通常混合，以得到第二渗透物流。第二渗透物流随后与第一渗透物流合并，以得到合并的渗透物流。来自第二膜单元的保留物流通常混合，以得到合并的保留物流，将其从脱盐设备排放。然而，当采用“单程、两级”模式操作多个膜单元时，存在合并各个流的其它方式，所述其它方式在本领域技术人员通常的一般知识范围内。
当采用“单程、两级”模式操作时，膜单元的百分比回收率为：[(来自第一膜单元的第一渗透物流的体积+来自第二膜单元的第二渗透物流的体积)/通向第一膜单元的进料水的体积))×100]。这些体积经过固定的时间段确定，例如，一天。
NF膜单元优选采用“单程、单级”模式操作。RO膜单元优选采用“单程、单级”模式或“单程、两级”模式操作，特别是“单程、单级”模式。
在本发明中，使用跨过膜的压力差操作RO膜单元，所述压力差提供的RO渗透物的回收率在35-75体积%范围，优选35-65体积%，更优选35-60体积%，最优选45-55体积%，特别是50-55体积%，基于RO进料水的体积。
通常，跨过RO膜单元的压力差(RO进料水的压力-合并的RO保留物的压力)在25-100 psi范围，优选35-75 psi，例如，约50 psi。因此，离开RO膜单元的保留物流处于相对高压。优选待从RO膜单元排放的一些或全部RO保留物流可合并，并且所得到的合并的RO保留物流通过水力回收单元，例如，与用于RO进料水的增压泵偶联的水力回收涡轮机或涡轮增压器。因此，水力回收单元回收来自RO保留物单元的能量，并使用该回收的能量来提高RO进料水的压力，由此降低脱盐设备的功率要求。通常，在水力回收单元下游的合并的RO保留物流的压力小于100 psig，优选在10-75 psig范围内，特别是20-55 psig，例如，10-50 psig。
在本发明中，使用跨过膜的压力差操作NF膜单元，所述压力差提供的NF渗透物的回收率在35-60体积%范围，优选45-55体积%，特别是约50体积%，基于NF进料水的体积。
通常，跨过NF膜单元的压力差(NF进料水的压力-NF保留物的压力)在25-100 psi范围。因此，合并的NF保留物流的压力通常太低而不能保证由该流回收能量。然而，如果期望，也可使用水力回收单元从NF保留物流回收能量。
优选脱盐设备包含至少两个膜系列，优选2-12个，更优选2-8个，例如2-6个，特别是4-6个膜系列，其中每个系列包含多个RO膜单元和多个NF膜单元。通常，在每个系列中RO膜单元与NF膜单元的比率在2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25 :1。
因此，本发明的脱盐设备的一个优点在于消除单独的NF系列，这减少空间和重量考虑，这是其中设备位于平台上的离岸设备或浮式采油储油和卸油(FPSO)设备特别关注的。此外，在本发明的脱盐设备的每个系列中结合NF单元是指，即使脱盐设备的系列中的一个或多个不起作用(因为清洁、维护或紧急情况)，具有期望组成的注射水保持可用。
每个系列可提供有专用泵送系统和任选的专用水力回收系统。或者，可存在公共泵送系统和任选的公共水力回收系统用于多个系列。
优选每个系列的膜单元在多个行或架(rack)中排列。为了降低脱盐设备的覆盖面积，优选这些行在彼此之上排列。优选每个膜系列包含3-15行，优选6-12行。通常，在每行中存在4-16个膜单元，优选6-12个膜单元。通常，NF膜单元排列在一起，例如，一个或多个行的所有或部分膜单元可为NF膜单元。当RO膜单元采用“单程、两级”模式操作时，优选串联中的第一膜单元在一个或多个行中共同排列，而串联中的第二膜单元也在一个或多个行中共同排列。
优选NF和RO膜单元的膜为螺旋缠绕的膜。螺旋缠绕的膜通常长度在40-60英寸(1.08-1.52米)范围，而外径在2.5-18英寸(6.36-45.7 cm)范围。
每个系列的NF膜单元和RO膜单元包含多个压力保持外壳，其含有至少一个膜，优选4-8个膜。外壳可由玻璃增强树脂或由钢组成。通常，每个外壳可承受超过1100 psi绝对压力的压力，优选超过1300 psi绝对压力，特别是超过1400 psi绝对压力。通常，外壳为圆柱形并且在行(或架)中彼此并联排列，通过外壳的纵轴位于实质水平的平面中。
在本发明的第一优选的方面，可将水源水加压至对于每个系列的RO膜单元期望的进料压力，例如，使用高压泵。随后将水源水分开，以提供用于RO膜单元的RO进料水和用于NF膜单元的NF进料水。当系列的RO膜单元采用单程、两级模式操作时，用于RO膜单元的期望的进料压力是指串联的第一膜单元操作时的压力。
通常，对于本发明的该第一优选的方面，每个膜系列提供有用于RO进料水的进料集管(header)、用于NF进料水的进料集管、用于合并的保留物流的保留物集管和用于合并的渗透物流的渗透物集管。RO进料集管和NF进料集管与用于水源水的进料管线流体联通。当一行仅含有RO膜单元或仅含有NF膜单元时，提供公共进料管线，从适当的进料集管(分别是RO进料集管和NF进料集管)引向每行的个体膜单元。类似地，公共保留物流动管线和公共渗透物流动管线从每行的个体膜单元分别引向保留物和渗透物集管。当一行含有RO和NF膜单元两者时，为RO膜单元提供从RO进料集管引出的专用的公共进料管线，并为NF膜单元提供从NF进料集管引出的另一专用的公共进料管线。采用类似的方式，行的RO和NF膜单元可提供有专用的公共保留物管线和专用的公共渗透物流动管线。
在该公共NF进料管线或每个公共NF进料管线中可提供流量控制器，以控制在RO膜单元和NF膜单元之间水源水的分开。如上所讨论的，NF单元的入口或进料压力在350-450 psi绝对压力范围，特别是380-420 psi绝对压力，例如，约400 psi绝对压力。当水源水的压力超过用于NF膜单元的期望的入口压力时，在该公共NF进料管线或每个公共NF进料管线中可提供压力降低阀，使得压力可降低至期望的入口压力。或者，在该用于NF膜单元的进料管线或每个用于NF膜单元的进料管线中可提供控制阀，其中该控制阀调节水源水至NF膜单元的流量，并且还降低水源水的压力至用于NF膜单元的期望的入口压力。还预期在NF进料集管的上游可提供流量控制器，由此控制在RO进料集管和NF进料集管之间水源水的分开，因此控制在RO膜单元和NF膜单元之间水源水的分开。如果需要，还可在NF进料集管的上游提供压力降低阀。或者，可在NF进料集管的上游提供上述类型的控制阀。
在本发明的第二优选的方面，水源水可处于低于用于RO膜单元的期望的入口压力的压力。因此，需要使用增压泵提高RO进料水的压力。优选增压泵与水力回收系统偶联，该水力回收系统从离开RO膜单元的合并的保留物流回收能量。该水力回收系统可为水轮机。因此，涡轮机的轴可驱动增压泵的轴。这些轴可经由齿轮系统连接。然而，本领域技术人员将理解，如果RO进料水要达到用于RO膜单元的期望的入口压力，则必须向增压泵供应另外的能量。
通常在分开之前将水源水加压至350-1100 psi绝对压力范围的值，以提供RO进料水和NF进料水。优选在将水源水分开以得到RO和NF进料水之前将水源水加压至超过用于NF膜单元的入口压力的值。因此，优选水源水的压力在600-1100 psi绝对压力范围，优选700-900 psi绝对压力。
在本发明的该第二优选的方面，每个膜系列提供有用于RO进料水(已提高压力至900-1250 psi绝对压力范围的压力)的第一进料集管、用于NF进料水(通常已降低压力至350-450 psi绝对压力范围的压力)的第二进料集管、用于合并的保留物流的保留物集管和用于合并的渗透物流的渗透物集管。当一行仅含有RO膜单元时，提供公共进料管线从RO进料集管引向每行的个体RO膜单元。类似地，公共保留物流动管线和公共渗透物流动管线从每行的个体RO膜单元分别引向保留物和渗透物集管。当一行含有NF膜单元时，为NF膜单元提供从NF进料集管引出的公共进料管线。类似地，该行的NF膜单元提供有公共保留物和公共渗透物流动管线，其分别引向保留物和渗透物集管。当一行含有NF膜单元和RO膜单元两者时，为RO膜单元提供专用的公共RO进料管线、专用的公共RO保留物管线和专用的公共RO渗透物管线。类似地，为NF膜单元提供专用的公共NF进料管线、专用的公共NF保留物管线和专用的公共NF渗透物管线。
采用与本发明的第一优选的方面类似的方式，通常提供流量控制器，以控制水源水在RO进料集管和NF进料集管之间的分开。通常，在NF进料集管的上游提供压力降低阀，使得压力可降低至用于NF膜单元的期望的入口压力。然而，还预期在该公共NF进料管线或每个公共NF进料管线中可提供压力降低阀。或者，如上所述，可在NF进料集管的上游提供控制阀，由此控制水源水的分开和NF进料水的压力两者。
在脱盐设备的每个系列中提供NF膜单元使得在为了维护或清洁而需要关闭系列中的一个或多个的情况下，设备能继续操作和产生具有期望的盐度、硫酸根阴离子浓度和多价阳离子浓度的水。
通常，在一行中在每个膜单元中所包含的膜提供有水密封压力配件，用于与(i) 公共进料管线、(ii) 公共渗透物流动管线和(iii) 公共保留物进料管线连接。
适宜地，在NF渗透物和RO渗透物的混合点的上游在该公共NF渗透物流动管线或每个公共NF渗透物流动管线上提供背压阀。或者，当存在多于一个公共NF渗透物管线时，这些管线可引向合并的NF渗透物管线，并且在该合并的NF渗透物管线中可提供背压阀。背压阀确保NF渗透物的压力足够超过RO渗透物的压力，使得NF渗透物能注入渗透物集管。所得到的混合渗透物流为注射水流，其随后进入注射水流动管线。适宜地，当NF渗透物的压力超过预设的压力时，背压阀打开，并且使得足够流量的NF渗透物通过该阀以保持NF渗透物的压力超过预设的压力。通常，背压阀的预设的压力比RO渗透物的压力高至少5 psi。通常，RO渗透物的压力在10-75 psi绝对压力范围，优选20-55 psi绝对压力。
优选水源水可能已经历至少以下之一：过滤以除去粒状物质、氯清除、加入杀生物剂、脱气和加入污垢抑制剂。这些处理可对第一和/或NF进料水进行，但是为了降低设备的空间和重量，优选在将水源水分开以形成RO进料水和NF进料水之前对水源水进料进行这些处理。
作为使脱盐设备上游的水源水脱气的备选，预期可在脱盐设备的下游提供脱气器，以控制在注射管线、注射泵和注射井中的腐蚀。提供下游脱气器的一个优点在于，和如果在脱盐设备的上游排列脱气器相比，脱气的水的体积实质上更小。然而，在脱盐设备的上游具有脱气器降低在脱盐设备内腐蚀的风险，因此可使用较廉价的钢。因此，可有利地在脱盐设备的上游提供脱气器。
在本发明的另一实施方案中，提供了一种包含多个系列的脱盐设备，所述系列各自包含多个RO膜单元和多个NF膜单元，其中在每个膜系列中RO膜单元与NF膜单元的比率在2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25:1，并且其中每个膜系列提供有：
(a) 用于水源水的进料管线，其中将进料管线分开，以提供用于RO膜单元的进料管线(或集管)和用于NF膜单元的进料管线(或集管)，
(b) 用于RO膜单元的渗透物管线(或集管)和用于NF膜单元的渗透物管线(或集管)，其中将渗透物管线合并，以提供注射水管线；
(c) 用于RO膜单元的保留物管线(或集管)和用于NF膜单元的保留物管线(或集管)；和
(d) 在NF进料管线上的流量控制器和压力降低阀。
如上所讨论的，预期流量控制器和压力降低阀可采用控制阀形式合并。
优选膜单元在放置于彼此之上的行中排列。优选NF膜单元在一个或多个行中共同排列。通常，每个膜系列包含3-15行，每行包含4-16个膜单元。
优选在RO进料管线上提供增压泵和在RO保留物管线上提供水力回收单元，其中水力回收单元与增压泵偶联。通常，水力回收单元为上述类型的水轮机。或者，水力回收单元可为涡轮增压器。
脱盐设备的容量应足以满足储油层的低盐度注射水要求。通常，脱盐设备的每个系列每天能生产20,000-200,000桶水，例如，每天40,000-60,000桶水，所述水具有期望的低盐度和期望的低硫酸根阴离子浓度。
优选在NF渗透物管线上提供背压阀，以能够准确计量进入RO渗透物的NF渗透物，由此导致生产具有期望的特征的注射水，所述特征如期望的受控的盐度、期望的硫酸根阴离子浓度和期望的多价阳离子浓度。
现在参考以下实施例和附图来描述本发明，其中：
图1为本发明的方法和脱盐设备的示意图，
图2为本发明的方法和脱盐设备的修改的示意图，和
图3为用于本发明的方法的一个膜单元系列的示意图。
在图1中，将用于脱盐设备的水源水1的进料供应至泵4，泵4将水源水1的压力提高至900-1250磅/平方英寸绝对压力(psi绝对压力)范围的期望值，该脱盐设备包含多个RO膜单元(在2处示意性显示)和多个NF膜单元(在3处示意性显示)。优选水源水已在泵4的上游经过处理。因此，可将水源水氯化、应变(strain)和通过过滤系统，以除去粒状物质，降至期望的水平，通常降至与淤泥密度指数(SDI 15分钟)小于5，并优选小于3相当的水平。使用多种公知方法(包括微滤、超滤、介质过滤系统和筒过滤)可实现SDI降低。可在过滤系统的下游向滤液加入氯清除剂，以除去任何残余的游离氯，否则该残余的游离氯可破坏布置在泵4下游的膜单元的膜。水源水也可通过脱气器，以除去氧气，由此控制在脱盐设备中和脱盐设备的下游(例如，在注射管线、注射泵和注射井中)的腐蚀。如果期望，也可在泵4的上游向水源水加入杀生物剂，以控制生物活性，否则生物活性可能在系统中出现。也可在泵4的上游向水源水中加入污垢抑制剂，使得在下游膜表面上的除垢最小化。
在泵4的下游将水源水1分开，以提供用于多个RO膜单元2的RO进料水5和用于多个NF膜单元3的NF进料水6。优选这些膜单元在一个或多个膜系列中排列，以下参考图3更详细地描述所述膜系列。通过流量控制器7控制RO进料水5和NF进料水6的分开。随后通过压力降低阀8将NF进料水6的压力降低至350-450 psi绝对压力范围的值，随后进料至NF膜单元3。将从RO膜单元2除去的RO保留物9和从NF膜单元3除去的NF保留物10丢弃(reject)，而将从RO膜单元2除去的RO渗透物11和从NF膜单元3除去的NF渗透物12合并，以提供具有受控的盐度和受控的硫酸根阴离子浓度的注射水13。
图2为图1的方法和脱盐设备的修改，其中泵4将水源水的压力提高至700 psi绝对压力的值，随后将水源水分成RO进料水5和NF进料水6。随后使用增压泵14将用于多个RO膜单元2的RO进料水5提高压力至RO膜单元2的期望的操作压力(1100 psig)，由此产生加压的RO进料水16。水力回收涡轮机15与增压泵15偶联，并由从RO膜单元9除去的保留物9回收能量，由此产生从脱盐设备丢弃的降低压力的保留物17。通过压力降低阀8将NF进料水6的压力降低至350-450 psi绝对压力范围的值，如图1所述。
图3说明通过用于本发明的方法和脱盐设备的膜系列20的横向截面。该膜系列20包含七个行21，每行包含八个在彼此之上在实质水平的平面中排列的膜单元22。然而，预期膜系列可包含多于或少于七行，并且每行可包含多于或少于八个膜单元。每个膜单元包含实质为圆柱形的外壳，其长度在35-345英寸(0.89-8.76米)范围，内径在2.5-75英寸(6.35 cm-1.91米)范围。外壳含有至少一个螺旋缠绕的膜(未示出)，优选2-4个螺旋缠绕的膜，优选3个或4个螺旋缠绕的膜。每个螺旋缠绕的膜以圆柱体形式缠绕，并且长度在30-60英寸(0.762-1.52米)范围并且外径在2.5-18英寸(6.36-45.7 cm)范围。典型的膜的长度为约40英寸(1.02米)并且直径为约8英寸(20.3 cm)。当外壳含有多于一个膜时，这些膜通常端对端排列，在这种情况下外壳通常内径最高18英寸(45.7 cm)并且长度最高345英寸(8.76米)。
膜系列20具有用于RO水源水的进料集管23a和用于NF进料水的进料集管23b。RO进料集管23a通常在该系列的中间点实质垂直排列，使得每行的一半的RO膜单元在其任一端上排列。例如，当每个膜行具有八个RO膜单元时，四个RO膜单元可在RO进料集管23a的任一端上提供。该系列的大多数膜单元为反渗透(RO)单元，其余的为纳米过滤(NF)膜单元，其中RO单元与NF单元的比率取决于RO渗透物与NF渗透物的期望的混合比，这进而取决于从RO和NF膜单元的渗透物的%体积回收率。图3显示在底部行在NF进料集管23b的左边排列的四个NF膜单元24。然而，还预期NF进料集管23b可在该系列的中间点排列。
多个公共进料管线从进料集管引向膜系列的各行。因此，底部行提供有第一公共进料管线25(从RO进料集管23a引向排列在RO进料集管23a左边的四个RO膜单元)和第二公共进料管线26(从NF进料集管23b引向排列在NF进料集管23b左边的四个NF膜单元24)。因此，流动通过第二公共进料管线26的水为NF水进料。在第二公共进料管线26中提供流动控制阀和压力降低阀(未示出)，以将NF水进料的压力降低至NF膜单元24的操作压力。压力降低阀通过压力控制器(未示出)控制，使得在阀下游的NF进料水的压力在350-450 psi绝对压力范围。NF膜单元24为单程、单级单元，来自NF膜单元的保留物被引向NF保留物集管(未示出)的公共保留物丢弃管线(未示出)丢弃。将来自每个NF膜单元的渗透物进料至引向NF渗透物集管(未示出)的公共NF渗透物管线(未示出)。
该系列的其余的行(上面的六行)各自提供有从RO进料集管23a引向该行的每个RO膜单元的公共进料管线27。因此，流动通过底部行的第一公共进料管线25和上面的六行的公共进料管线27的水为用于RO膜单元的RO进料水。与NF膜单元一样，示于图3的RO膜单元为单程、单级单元。然而，如上所讨论的，该系列的RO膜单元也可为单程、两级单元。本领域技术人员将理解如何修改图3的系列，使得RO膜单元以单程、两级模式操作。来自每行的RO膜单元的保留物通过经由公共保留物丢弃管线(未示出)进料至RO保留物集管(未示出)而被丢弃。将NF保留物和RO保留物任选合并，并排放至环境(例如，海洋中)，或者向下注入注射井进入含烃地层或含水层。来自每行的RO膜单元的渗透物经由公共RO渗透物管线(未示出)进料至渗透物集管(未示出)，在这里其与NF渗透物合并。NF渗透物管线提供有背压阀，以确保NF渗透物的压力足够高于RO渗透物的压力，使得NF渗透物可计量进入渗透物集管并与RO渗透物混合，由此形成注射水流。
实施例1
通过以320000桶水/天(mbwd)的速率将水源水进料至包含多个RO膜单元和多个NF膜单元的脱盐设备，可由具有35,800 ppm的TDS含量、2,750 ppm的硫酸根阴离子浓度和1830 ppm的多价阳离子浓度(钙和镁阳离子浓度的总和)的水源水制备低盐度注射水流。将水源水进料分开，以提供用于RO膜单元的RO进料水(310 mbwd)和用于NF膜单元的NF进料水(10 mbwd)。RO膜单元以1000 psi绝对压力的压力和50体积%的回收率操作，以提供155 mbwd的具有177 ppm的TDS、1.5 ppm的硫酸根阴离子浓度和2.5 ppm的多价阳离子浓度的RO渗透物流。用于NF膜单元的NF进料水经由压力降低阀将压力降低至400 psi绝对压力的压力(NF膜单元的操作压力)。NF膜单元以50体积%的回收率操作，以提供5 mbwd的具有26,500 ppm的总溶解固体含量、25 ppm的硫酸根浓度和132 ppm的多价阳离子浓度的NF渗透物流。将NF渗透物流和RO渗透物流合并，以得到160 mbwd的具有1000 ppm的TDS、2.2 ppm的硫酸根阴离子浓度和6.5 ppm的多价阳离子浓度的注射水流(使用的RO渗透物与NF渗透物的共混比率为31.0:1)。
实施例2
通过以320000桶水/天(mbwd)的速率将水源水进料至包含多个RO膜单元和多个NF膜单元的脱盐设备，可由具有35,800 ppm的TDS含量、2,750 ppm的硫酸根阴离子浓度和1830 ppm的多价阳离子浓度(钙和镁阳离子浓度的总和)的水源水制备低盐度注射水流。将水源水进料分开，以提供用于RO膜单元的RO进料水(261.4 mbwd)和用于NF膜单元的NF进料水(58.6 mbwd)。RO膜单元以1000 psi绝对压力的压力和50体积%的回收率操作，以提供130.7 mbwd的具有177 ppm的TDS、1.5 ppm的硫酸根阴离子浓度和2.5 ppm的多价阳离子浓度的RO渗透物流。用于NF膜单元的NF进料水经由压力降低阀将压力降低至400 psi绝对压力的压力(NF膜单元的操作压力)。NF膜单元以50体积%的回收率操作，以提供29.3 mbwd的具有26,500 ppm的总溶解固体含量、25 ppm的硫酸根浓度和132 ppm的多价阳离子浓度的NF渗透物流。将NF渗透物流和RO渗透物流合并，以得到160 mbwd的具有5000 ppm的TDS、5.8 ppm的硫酸根阴离子浓度和26.2 ppm的多价阳离子浓度的注射水流(使用的RO渗透物与NF渗透物的共混比率为4.5:1)。

Claims (16)

1. 一种生产适于注入储油层的含油地层的具有受控的盐度和受控的硫酸根阴离子含量的注射水流的方法，所述方法包括以下步骤：
(a) 向包含多个反渗透(RO)膜单元和多个纳米过滤(NF)膜单元的脱盐设备进料水源水，所述水源水的总溶解固体含量在20,000-45,000 ppm范围内，并且硫酸根阴离子浓度在1,000-4,000 ppm范围内，优选1,500 ppm-4,000 ppm，其中将水源水加压至350-1250 psi绝对压力范围的压力，和将水源水分开，以提供用于RO膜单元的进料水(后文称“RO进料水”)和用于NF膜单元的进料水(后文称“NF进料水”)；
(b) 如果需要，将RO进料水的压力提高至900-1250 psi绝对压力范围的值，随后将RO进料水引入到RO膜单元，并从RO膜单元取出RO渗透物和RO保留物，其中所述RO膜单元采用单程、单级模式或采用单程、两级模式操作，并且其中RO渗透物的回收率在35-75体积%范围，优选35-60体积%，基于进料至RO膜单元的RO进料水的体积，使得RO渗透物的总溶解固体含量小于250 ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于3 ppm；
(c) 如果需要，将NF进料水的压力降低至350-450 psi绝对压力范围的值，随后将NF进料水引入到NF膜单元，并从NF膜单元取出NF渗透物和NF保留物，其中所述NF膜单元采用单程、单级模式操作，并且其中NF膜单元操作的NF渗透物的回收率在35-60体积%范围，基于进料至NF膜单元的NF进料水的体积，使得NF渗透物的总溶解固体含量在15,000-40,000 ppm范围，优选15,000-35,000 ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于40 ppm，优选小于30 ppm；和
(d) 将至少一部分RO渗透物和至少一部分NF渗透物以2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25:1的比率混合，以提供注射水，所述注射水的总溶解固体含量在500-5,000 ppm范围，优选1,000-5,000 ppm，并且硫酸根阴离子浓度小于7.5 ppm，优选小于5 ppm，更优选小于3 ppm。
2. 权利要求1的方法，其中所述水源水的多价阳离子浓度在700-3,000 ppm范围，优选1,500-2,500 ppm，所述RO渗透物的多价阳离子含量最多10 ppm，所述NF渗透物的多价阳离子含量最多200 ppm，优选最多150 ppm；和所述注射水的多价阳离子含量最多50 ppm。
3. 权利要求1或2的方法，其中使用水力回收单元从RO保留物回收能量，并且其中使用与水力回收单元偶联的增压泵，在步骤(b)中使RO进料水的压力提高。
4. 前述权利要求中任一项的方法，其中借助于压力降低阀，在步骤(c)中将NF进料水的压力降压至350-450 psi绝对压力范围的压力，优选380-420 psi绝对压力。
5. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述水源水选自海水、河水、生成水、含水层水和废水。
6. 前述权利要求中任一项的方法，其中RO渗透物的总溶解固体含量在50-225 ppm范围，并且RO渗透物的硫酸根阴离子含量为至少0.5。
7. 前述权利要求中任一项的方法，其中NF渗透物的总溶解固体含量比水源水的总溶解固体含量低不大于15,000 ppm，优选低不大于10,000 ppm，并且其中NF渗透物的硫酸根阴离子浓度为至少10 ppm。
8. 权利要求2-7中任一项的方法，其中在RO渗透物中多价阳离子的浓度在1-10 ppm范围，并且在NF渗透物中多价阳离子的浓度在50-200 ppm范围。
9. 前述权利要求中任一项的方法，其中根据选自注射水的传导率、在注射水中或在NF渗透物中二价阴离子的总浓度和在注射水中或在NF渗透物中硫酸根阴离子的浓度中的一个或多个的测得的变量确定水源水的流速、RO渗透物与NF渗透物的混合比和注射水的流速中的一个或多个。
10. 前述权利要求中任一项的方法，其中借助于在NF渗透物和RO渗透物的混合点的上游提供的背压阀使NF渗透物的压力保持比RO渗透物的压力高至少5 psi，并且其中在混合点将NF渗透物注入RO渗透物中，以形成注射水。
11. 一种脱盐设备，所述设备包含多个膜系列，所述膜系列各自包含多个RO膜单元和多个NF膜单元，其中在每个膜系列中RO膜单元与NF膜单元的比率在2:1-40:1范围，优选4:1-27:1，特别是10:1-25:1，并且其中每个膜系列提供有：
(a) 用于水源水的进料管线，所述进料管线分开以提供用于RO膜单元的进料管线和用于NF膜单元的进料管线，
(b) 用于RO膜单元的渗透物管线和用于NF膜单元的渗透物管线，所述渗透物管线合并以提供注射水管线；
(c) 用于RO膜单元的保留物管线和用于NF膜单元的保留物管线；和
(d) 在NF进料管线上的流量控制器和压力降低阀。
12. 权利要求11的脱盐设备，其中在RO进料管线上提供增压泵和在RO保留物管线上提供水力回收单元，并且其中水力回收单元与增压泵偶联。
13. 权利要求12的脱盐设备，其中所述水力回收单元为水轮机，所述水轮机具有与增压泵的驱动轴偶联的轴。
14. 权利要求11-13中任一项的脱盐设备，其中所述脱盐设备包含2-6个，优选2-4个膜系列，每个膜系列包含3-15行，优选6-12行，并且每行包含4-16个膜单元。
15. 权利要求11-14中任一项的脱盐设备，其中每个系列的NF膜单元和RO膜单元为单级单元。
16. 权利要求11-15中任一项的脱盐设备，其中在NF渗透物管线上提供背压阀。
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