CN105163825A - 原油和天然气处理设备中的采出水处理工艺 - Google Patents

原油和天然气处理设备中的采出水处理工艺 Download PDF

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CN105163825A CN201380038018.4A CN201380038018A CN105163825A CN 105163825 A CN105163825 A CN 105163825A CN 201380038018 A CN201380038018 A CN 201380038018A CN 105163825 A CN105163825 A CN 105163825A
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Abstract

本发明的实施方案提供一种用于生产经处理的水流的方法。该方法包括接受供给流，其包含至少一种溶解于水相中的物质；以及在多个级中对供给水流进行处理，从而生产经处理的水流和浓缩流，所述多个级在操作中从最低温度和压力到最高温度和压力排列。各级均包括容器、换热器、蒸发器和冷凝器。各蒸发器均被构造成利用直接加热或间接加热中的一者来蒸发一定量的水。各冷凝器均被构造成使通过接续级产生的至少一部分蒸汽冷凝。根据多个实施方案，所述多个级串联排列。在其他实施方案中，所述多个级并联排列。

Description

原油和天然气处理设备中的采出水处理工艺
技术领域
本发明的实施方案总体涉及水的淡化。更具体而言，本发明的实施方案涉及用于从得自原油和天然气开采设备的采出卤水制备淡水(下文中也称作“经处理的水”)的系统和方法。
背景技术
淡水被用于油气分离站(GasOilSeparationPlant，下文中称作“GOSP”)以从原油中除去盐。传统上，水是从外部来源提供的，例如远蓄水层或海水淡化工厂，然后利用脱盐系统进行处理，例如，热脱盐系统，诸如多级闪蒸系统、多效蒸馏系统、或蒸汽压缩系统之类的非限制性的例子。
目前，各种商业化的工艺被用于产生蒸汽，以用于油藏的蒸汽辅助重力泄油(SAGD)的唯一应用中。这个应用首先在1989年作为示例而提到。该工艺在21世纪早期得到进一步的发展用于蒸汽压缩蒸发器，并得到了持续的改进。
图1是常规的热脱盐系统的示意图：多级闪蒸系统。如图1所示，该多级闪蒸系统包括多个蒸发室，最冷的蒸发室接受作为供料流的海水。海水流过一系列的换热器管，并在到达外部换热器(例如，卤水加热器——在图1中标作“加热蒸汽”)之前在各级中进行加热。与第一级的温度和压力相比，卤水加热器将供给水加热过热，从而当该供给水进入第一蒸发室时使该供给水蒸发。在该常规的系统中，接续的蒸发室以从最热侧的第一级(即，图1的左手侧)至最冷侧的最后一级(即，图1的右手侧)连续降低的压力水平进行操作。各级中产生的蒸汽在位于各蒸发室顶部的换热器中被冷凝成为新的液态水。卤水循环至下一级用于进一步蒸发，直到其到达最冷一级，然后依次流出系统。从各级产生的新水被混入“馏出物”管线，并经过最冷一级而流出系统。
图2是另一个常规的热脱盐系统的示意图：多效蒸馏系统。如图2所示，该多效蒸馏系统按照与图1中所示的多级闪蒸系统相似的模式操作，即，连续的室以从第一个热的室(即，图2的左手侧)至最后一个冷的室(即，图2的右手侧)降低的压力和温度水平进行操作。根据该常规系统，各室均包括喷洒了海水的水平热管管束。加热蒸汽流入热管管束的管内，由此从一级产生的蒸汽在较低的温度和压力下被输送至下一级，从而被冷凝成为液态处理水。在给定级中，由海水蒸发而产生的蒸汽处于比下一级更高的温度，因此能够被用作后续级的加热流体。在最后的冷凝器一级的出口处，能够将温的海水流的一部分用于工艺的进口处的再循环，同时通常将另一部分排放到海中。在工艺的最后一级将卤水和馏出物收集起来并从该多效蒸馏系统中泵出。
图3是另一个常规的热脱盐系统的示意图：蒸汽压缩系统。如图3所示，当不能从外源获取热量时通常使用该蒸汽压缩系统。该蒸汽压缩系统的工作原理与图2中所示的多效蒸馏系统非常相似。然而，蒸汽压缩系统的主要优势在于，蒸汽是从最后一级提取的并被压缩至高于第一(即，最热)室压力的压力。这使得能够在蒸汽压缩系统的第一级室中将蒸汽作为热源而再次使用。
这些常规的热脱盐系统中的每个系统都需要复杂的基础设施以从外部来源输送新鲜水，并且耗费大量的外部能源来生产用于GOSP设备的经处理的水。例如，常规的淡化工厂具有以下特点，淡化海水的能量消耗为4kWh/m3，对此必须加上将淡化水输送至使用地点的能量费用。因此，还需要用于从得自原油和天然气开采设备的采出卤水而生产经处理的水的改进的系统和方法，其能够以降低的费用(例如，建造、运行和维护费用)操作，并且需要较少的外部能源从而产生经处理的水(即，由于免去了用于将新鲜水从遥远地区供应至GOSP设备的管线设施和系统而导致)。
发明内容
总体而言，本发明的实施方案提供用于从得自原油和天然气开采设备的采出卤水而原地生产经处理的水的系统和方法。
具体而言，本发明的实施方案涉及与常规的热脱盐系统相比，以降低的费用(例如，建造、运行和维护费用)，以及更低的能量消耗代价而在原地生产经处理的水的系统和方法。包括了根据本文所述的多个实施方案的系统和方法的GOSP设备是能够对经处理的水自给自足的生产者，有效地消除了钻探新鲜水井的需要、蓄水层储量的耗尽、或者从偏远地区输送新鲜水的需要，并且对环境的影响较小。因此，与经处理的水的生产相关的能量成本显著降低，例如，每年从4kWh/m3降低至0.2kWh/m3。
根据本文所述的多个实施方案的系统和方法包括在不同的压力和温度下操作的蒸发段和冷凝段，以将产生GOSP设备内需要的经处理的水所需的能量降至最低。根据这些方法在这些系统中产生的热量被用于蒸发水，以及由产生的水生成蒸汽，从而进一步将GOSP设备内的能量消耗最小化，有效地消除利用外部能量源来产生GOSP设备内所需的经处理的水的需求。在某些实施方案中，蒸发段/冷凝段是串联组合的，而在其他实施方案中，蒸发段/冷凝段是并联组合的。根据某些实施方案，各级在不同的压力下操作，从而系统能够将在不同温度下产生的废热用于处理和生成所需的经处理的水以用于外部应用。
根据某些实施方案，废热作为用于产生GOSP设备内的经处理的水的主要能量来源，并且可得自于气体压缩机的排出蒸汽、原油生产流、和/或采出水流。产生的蒸汽部分内部冷凝，并通过空气和/或水和/或海水冷凝器全部冷凝，从而生成所需的经处理的水。经处理的水随后能够用于各种应用，例如，卤水-原油分离工艺的原油脱盐和热强化，或者与来自于其他来源的新鲜水混合以完成GOSP设备内的其他作业，或者用于外部应用，例如，生产浓缩的盐水(如，卤水)、或生产蒸馏水以作为备用水库的水源，或者生产用于强化采油的蒸汽。
根据本文所述的多个实施方案的系统和方法对于处理还未预先加工(例如，纯化、处理等)过的采出水是有效的，甚至当采出水含有(例如)1体积％的量的原油和溶解气体时也是有效的。各实施方案提供能够回收卤水中包含的相当量的油(即，对卤水中包含的油具有超过35％的回收率)的系统和方法。
因此，根据一个实施方案，提供一种用于生产经处理的水流的方法。所述方法包括以下步骤：接受供给流，所述供给流包含至少一种混合于水相中的物质；以及在多个级中对所述供给水流进行处理，从而生产所述经处理的水流和浓缩流，所述多个级在操作中按照最低温度和压力到最高温度和压力的顺序排列。各级均包括容器、换热器、蒸发器和冷凝器。各蒸发器均被构造成利用直接加热或间接加热中的一者来蒸发一定量的水。各冷凝器均被构造成使由接续级产生的至少一部分蒸汽冷凝。
在某些实施方案中，所述多个级串联排列，由此与其他级相比，接受所述供给水流的第一级在最低温度和压力下操作。
在某些实施方案中，所述多个级并联排列，各级均被构造成接受来自于相同来源的供给水流，进而被构造成彼此进行换热。
在某些实施方案中，所述处理的步骤还包括将所述供给水流供给至所述第一级，与其他级相比，所述第一级在最低温度和压力下操作。所述第一级的蒸发器被构造成产生水蒸气流，该水蒸气流被所述第一级的冷凝器冷凝从而产生第一经处理的水流。所述处理步骤还包括从所述第一级的蒸发器中提取浓缩卤水，并将所述浓缩卤水供给流供给至第二级的蒸发器。所述第二级包括高于所述第一级的温度和压力，从而产生另外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，将该接续的浓缩卤水流供给至所述多个级的接续级的蒸发器。各接续级都包括比前一级更高的温度和压力。各接续级的蒸发器均被构造成产生另外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，该接续的浓缩卤水流被供给至所述多个级的接续级的蒸发器。此外，所述处理步骤还包括从与其他级相比具有最高温度和压力的一级的蒸发器中，从浓缩卤水流中提取卤水。经提取的卤水被用于提供能量，以加热被供给至所述多个级的各蒸发器的所述浓缩卤水流。
在某些实施方案中，来自于与其他级相比具有最高温度和压力的一级的所述经提取的卤水被用于向从最高温度和压力到最低温度和压力的多个级的蒸发器提供能量。
在某些实施方案中，各蒸发器均包括补偿加热系统，所述补偿加热系统被构造成利用由电加热、来自于载热流体的对流加热、燃烧和氧化中的至少一者所提供的直接热量。
在某些实施方案中，所述供给水流是产生自咸水层、来自于工业过程的半咸水流、或包含有机污染物的水的混合物中的一者的卤水流。
在某些实施方案中，所述供给水流是产生自采气现场或采油现场中的一者的卤水流。
在某些实施方案中，所述供给水流是得自原油和天然气处理设备的采出水流，所述供给水流包括液体的烃或溶解的烃或者添加化学品中的一种，并且所述采出水流是压力好氧流或压力厌氧流中的一种。
在某些实施方案中，所述供给水流包括水相和另一种不混溶或部分混溶的流体相。所述不混溶或部分混溶的流体相包含占1ppm至10体积％比例的非溶解气相、油相或分散的固体颗粒中的一种。所述用于生产经处理的水流的方法还用于将水与另一种不混溶或部分混溶的流体相分离。
根据不同的实施方案，多个蒸发器包括被构造成在0.01至0.2巴(绝对压力)(1至20kPa)之间操作的低压蒸发器、被构造成在0.1至0.5巴(绝对压力)(10至50kPa)之间操作的中压蒸发器、和被构造成在0.4巴(绝对压力)(40kPa)以上操作的高压蒸发器。
根据其他实施方案，多个蒸发器的压力水平上的变化是基于现有的能量的量以及温度，其中该温度是能够从原油和天然气开采设备中获得该现有能量的温度。
附图简要说明
参照以下详细的说明书、随附的权利要求书和附图能够更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优势。但是应当注意的是，附图仅仅示例本发明的不同的实施方案，因此并不应当理解为限制本发明的范围，因为其可同样包含其他的有效实施方案。
图1是常规的热脱盐系统的示意图。
图2是另一个常规的热脱盐系统的示意图。
图3是第三个常规的热脱盐系统的示意图。
图4是根据本发明的实施方案的多级、串联水处理系统的示意图。
图5是根据本发明的实施方案的包括了如图4所示的多级、串联水处理系统的综合水处理系统的示意图。
图6是根据本发明的实施方案的多级、并联水处理系统的示意图。
图7是根据本发明的实施方案的混合水处理系统的示意图。
图8a和8b是根据本发明的实施方案的无烃组分的、如图4所示的多级、串联水处理系统的工艺示意图。
图9a和9b是根据本发明的实施方案的有烃组分的、如图4所示的多级、串联水处理系统的工艺示意图。
具体实施方式
以下将参照附图对本发明进行更充分地说明，这些附图示出了本发明的实施方案。但是，本发明可以具体化为多种不同的形式，不应当被理解为受限于本文所列的说明性的实施方案。而是，提供这些实施例使得本公开为详尽和完整的，并且向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。全文中相同的数字指代相同的元件。如果使用了最初的符号，则其表示替代性实施例中相似的元件。
附图示出了本发明的实施方案的各种组件，然而，并非根据各种实施方案的经处理的水的生产系统中的所有组件(例如，阀门、泵、通风孔、连接件等)都被示出。相关领域的普通技术人员会理解的是，可能需要另外的组件来连接下面讨论的各种实施方案的组件和/或优化本文所讨论的工艺或系统。
如以上总体所述，本发明的实施方案涉及用于由得自原油和天然气开采设备的采出卤水原地生产经处理的水的系统和方法。通过提供利用GOSP设备中的可用热在不同温度下实施多级加热的系统和方法，本发明的多个实施方案能够解决与常规的热脱盐系统和工艺相关的问题。通过在不同温度下利用GOSP中的可用热，能够将有效能的损失最小化，并且能够使在现有的油气开采设备中，工艺所需的用于原地生产脱盐水的外部能量的量显著降低。根据某些实施方案，相应温度水平下的能量容量导致GOSP设备中不同的优化运行方式。
如以上总体讨论的那样，在常规的脱盐系统中，将盐水或海水供给至最高温度的容器(即，如同在多级闪蒸系统中那样)，或者并联供给至不同的容器(如同在多效蒸馏系统中那样)，同时从最低温度/压力的容器或室提取卤水。根据至少一个实施方案，设置了多级、串联的构造，其中盐水被供给至最低温度/压力的容器，并且卤水从最高温度/压力的容器中提取，这与常规的脱盐方式显著不同。
根据一个实施方案，多级、串联构造包括三个压力等级，两个低于环境压力，一个为环境压力。根据一些实施方案，有三个低于环境压力的压力等级，而在其他实施方案中，有三个高于环境压力的压力等级。不同实施方案之间压力等级的变化取决于GOSP设备中可用能量的量以及该能量所处的温度。在优选的实施方案中，当最高可用温度和最低可用温度之间的差小时，多级、串联构造包括两个压力等级，而不是三个。根据不同的实施方案，每三十(30)开尔文的温度差就提供一个压力等级。在至少一个实施方案中，最低压力等级介于0.01和0.2巴(绝对压力)(1和20kPa)之间，中等压力等级介于0.1和0.5巴(绝对压力)(10和50kPa)之间，最高压力等级高于0.4巴(绝对压力)(40kPa)。然而，根据其他的实施方案，其他能量(即，内部和外部两种)的存在以及更高的GOSP工作压力能够改变上述的压力要求。
根据某些实施方案，采出水和采出水换热器的使用也是基于GOSP设备中能量的可用性。利用采出水作为能量的来源可降低外部能量来源的需求。
在一些实施方案中，当温度差小于30开尔文时，在特定温度下(即，相变过程中)可获得显著的热容量(即，热量的量)。根据这些实施方案，系统的构造包括针对各温度等级的一个加工段，用以最小化有效能的损失。
在至少一个另外的实施方案中，提供多级、并联构造，其中在通过内部换热器对采出水进行预调节之后，将采出水供给至并联的容器或室，从而使GOSP设备中的能量回收率最大化。进而，还从高压容器或隔室中提取卤水。
根据某些实施方案，所述方法和系统与任意场所或工业设备结合使用，其中利用热或来自于卤水或中水(graywater)的废热生产经处理的水是有利的。本文所述的方法和系统还可用于一些应用中的海水淡化，如在海上平台原地生产经处理的淡水。根据其他实施方案，本文所讨论的方法和系统用于工业中，在这些工业中，与混合物中其他挥发性的有机组分相比，任何现有的废水流基本上使水大量地蒸发。取决于应用和供给水组合物，产生的经处理的水的品质受到影响，尤其是当溶解气体或低沸点组分存在于供料混合物中更是如此。
多个实施方案提供使用静态设备(无移动部件)和泵(在所有的水淡化工艺中是常用的装置)的方法以及包括静态设备(无移动部件)和泵(在所有的水淡化工艺中是常用的装置)的系统，因此，免去了为了维护蒸汽压缩脱盐系统的移动部件而需要的高维护成本。
在大多数情况下，常规的热脱盐系统利用处于最高工作温度下的单一能量源。然而，根据多个实施方案，使用了不同温度下的不同的能量源，这降低了系统中的总能量耗费，由此提供了超过常规的热脱盐系统的有利的性能和可靠性。
常规的热水脱盐技术未能考虑到处理供给水中所含溶解烃的问题，因为这些技术基本上集中于淡化海水。由于供给水含有高达几个体积百分比的烃，因此在烃开采设备中对采出水进行处理的情况中，这一点成为问题。类似地，常规的热脱盐系统没有考虑到处理供给水中所含CO2和H2S的问题。由于供给水可能会被溶解CO2、H2S和其他酸性气体所污染，因此在烃设备中对采出水进行处理的情况中，这一点成为问题。
在常规的热脱盐工艺中这种供给水的加热和减压会生成游离的烃类气体，其会累积在脱盐设备的一些区域，并具有潜在的危险后果，对工艺或系统具有有害的影响。常规的热脱盐系统和工艺还可能包含析出的游离CO2、H2S和其他酸性气体，它们对GOSP设备处的环境和工作者具有毒性和腐蚀性。
多个实施方案提供一种能够解决游离烃类气体的方法和综合系统。利用连续的流体循环能够避免游离气体的累积。另外，从最低温度级到最高温度级的多级蒸发限制了各容器中大量气态烃的产生，将气态烃保持在低于1.1体积％的浓度，也就是说，低于各级工艺中易燃性的下限阈值，即使在最初供料中气态烃的最初烃体积含量高达4体积％也是如此。此外，根据某些实施方案，所述方法和系统使得产生的气态烃被凝结并与存在于系统中的经处理的水流混合，这消除了有害气体浓度积累的风险。
多个实施方案还提供一种能够处理溶解于供给水中的有毒和腐蚀性气体的方法和综合系统。类似于烃类气体，利用连续的流体循环能够避免系统中游离气体的累积。取决于工艺的工业应用，利用公知的分离技术(例如，膜分离)能够将这些气体从系统中除去。
多个实施方案还消除了用加热炉和燃烧器来加热供给水的需要，这在常规的热脱盐系统中通常是必要的。因此，这些实施方案提供一种无焰的热脱盐系统，其考虑到对于分类的烃制造厂的爆炸性和燃烧性的环境而言烃制造工业的安全性需求。
根据某些实施方案，提供一种如图4所示的系统，用于由得自原油和天然气开采设备的采出卤水制造经处理的水。该系统包括多个串联组合的蒸发段/冷凝段(下文中称作“多级串联构造”)。
该多级串联构造包括采出水主流100(以比用于脱盐目的所需的新鲜水或经处理的水高得多的比率采出)，如图4所示，其被分成加热流101(用于加热目的)和采出水流103(用于生成经处理的水)。
利用增压器150，将采出水流103从其初始压力P0增加至系统的低工作压力P1。根据多个实施方案，用于讨论系统和相关方法的不同的压力水平是基于系统中可得的能量温度来确定的，从而最大化地利用来自于GOSP的高温度水平的能量。以下将会讨论用于特定GOSP构造的代表性的工作参数；但是，相关领域的普通技术人员将会理解的是，这些数值仅仅代表一种工作方案，当应用于不同的GOSP时这些数值将会不同。
在进入采出水换热器160以与加热流101进行换热之前，前往脱盐的采出水流103被增压，例如，增压至约0.1巴(绝对压力)(10kPa)。从增压器150流出的低压流104具有(例如)50℃左右的饱和温度，因此能够被进入到换热器160的加热流101在例如54℃(采出水主流100的初始温度)下进行加热，从而开始产生蒸汽。
进而如图4所示，加热流101在换热器160中被冷却并从工艺中输出到采出水流102中。从换热器160的冷侧流出后，经加热的流105进入低压容器170用于生成水蒸气和液体/蒸汽分离。如多个实施方案中所讨论的那样，低压容器170可以是独立的容器或者是较大容器中的隔室或室。相关领域的普通技术人员将会理解，低压容器170可以为能够实现以下所讨论的功能的任意常规类型的容器。
通过不同的方式利用内部热源和GOSP热源将低压容器170中的采出水加热，从而生成水蒸气流121，其离开低压容器170并被冷凝器163冷却。冷凝器163将流122中的采出水冷凝，然后其被泵182压缩之后，被输送至经处理的水收集管线126的流123。冷凝器163可以物理布置在低压容器170外部或其内部。冷凝器163的冷却散热物质可以包括空气、水、海水或其他可得的低温散热物质。
如图4所示的换热器包括换热器143、144、145和146。根据不同的实施方案，换热器143为用于交换GOSP低温能量(介于75℃和53℃之间)的外部换热器，从而蒸发水并产生蒸汽。来自于GOSP的可用热决定换热器143的热负荷，因此影响该水平下蒸汽的生成。当然，通过计算在该温度水平下可得自GOSP的能量的量，将会确定工艺的低压段的饱和温度和压力，从而生成所需量的蒸汽，这将会在以下进行更详细的讨论。换热器144、145和146加热采出水，从而在低压容器170中生成水蒸气，以下将会更详细地讨论。
通过卤水流106从低压容器170的底部提取低温、低压、液体的采出水，并在进入流107之前通过卤水收集器管线泵180压缩至中压水平，然后在流108中流出换热器161，最终进入中压容器171。
进一步如图4所示，换热器161是利用卤水中可用热的内部换热器(流出高压容器172的卤水流112中的采出水，以下将会更详细地讨论)，从而在采出水通过流108进入到中压容器171之前将其加热。
根据多个实施方案，中压大约为0.35巴(绝对压力)，饱和温度约为(例如)75℃。通过一个或多个换热器，例如换热器141和142将中压容器171中的采出水加热，从而生成水蒸气，水蒸气从中压容器171中离开到流118中。
换热器141为从GOSP的中温能量(例如，介于105℃和75℃之间)中获得能量的外部换热器，并且向中压容器171中的采出水提供能量，从而生成蒸汽。根据不同的实施方案，中段饱和温度和压力是基于该温度水平下的GOSP的可用能量而计算的。
根据多个实施方案，浓缩的采出水通过流109离开中压容器171，在进入换热器162之前被压缩至高压，然后在流111中离开换热器162，随后进入高压容器172。高压的饱和温度和压力，例如分别为102℃和1巴(绝对压力)。相关领域的普通技术人员将会理解，分别用于描述低压容器170、中压容器171和高压容器172的不同的实施方案的“低”、“中”和“高”的概念，以及它们的工作参数是相对的术语，而不是绝对的。
换热器140用于提供必需的能量来加热浓缩的采出水，以及用于生成更多的蒸汽，其在生成的蒸汽流116中离开高压容器172。换热器140在上述温度(例如，105℃)下利用GOSP中可得的废热或能量来运行。根据至少一个实施方案，换热器140是驱使高压容器172中生成蒸汽的唯一的换热器。
根据多个实施方案，只要在高压容器172中生成蒸汽，浓缩的采出水就会变得更加浓缩，此时应当认为是卤水。卤水溶液在高温和高压下以卤水流112离开高压容器172，并且可以向系统提供内部产生的能量，因此节约了能量并且消除了外部能源的需求。
卤水流112进入换热器162的热侧，用于加热从中压段向高压段输送的浓缩的采出水。卤水流113离开换热器162而进入换热器161的热侧，并将从低压段向中压段输送的浓缩的采出水加热。卤水流114离开换热器161而进入低压容器170中的换热器146并换热，从而加热采出水并在其以流115输出系统之前生成一些蒸汽。
进一步如图4所示，在中压下运行的中压容器171中生成的蒸汽通过流118输送至低压容器170中的换热器144。由于低压容器170在较低压力和温度下工作，因此流118在换热器144中完全冷凝，使得在低压容器170中生成更多的蒸汽，并作为流119中的经处理的水而流出。然后流119被泵183压缩至所需的压力，之后由流120引导至经处理的水收集管线126的流124。
生成的蒸汽流116离开高压容器172而进入中压容器171中的换热器142。中压容器171的工作温度和压力使得生成的蒸汽流116中的蒸汽在换热器142中冷凝，从而在中压容器171中有更多蒸汽生成。根据至少一个实施方案，冷凝的经处理的水以流117离开换热器142，并通过流117a流向经处理的水收集管线。
但是，由于在换热器142中冷凝后的经处理的水仍然处于高于低压容器170温度的温度，流117通过流117b输送至低压容器170中的换热器145，然后通过流117c转向至经处理的水收集管线126的流125。
根据某些实施方案，是否使用该路线和换热器145由经济性决定。根据至少一个实施方案，不包括换热器145，因为其热负荷小。因此，在该实施方案中，由于可得热之后将会被传递至脱盐容器(未示出)中的粗产物而未被浪费，因此它的安装和维护在经济上是不可行的。
进而如图4所示，泵184从经处理的水收集管线126收集经处理的水，并将其压缩和/或通过经处理的水流127输送至所需的压力和应用(例如，石油脱盐)。当经处理的水收集管线126中的压力低于使用经处理的水所需的输出压力时，泵184是需要的。
根据多个实施方案，系统中是否需要泵182和183取决于压力水平以及是否存在泵184。应当注意的是，为了示例性的目的，如图4中所示的本文所讨论的实施方案在高压段是处于环境压力，以减少设备的容积并将水的压缩降至最低。系统的优选构造包括一个泵(例如，泵184)来回收冷凝的经处理的水，并将其压缩至所需的压力，由此将所需泵的数目降低最低。
根据多个实施方案，系统结构和构造以及连续级的数目取决于GOSP中能量的量和该能量所处的温度(在该温度下，能量是可得的)。根据一些实施方案，得自气体压缩排出的能量足以用所需的热量在所需的温度水平下供给换热器140、141和143，能够使系统产生所需量的蒸汽，从而制造所需量的用于特定应用的经处理的水。在一些实施方案的情况中，外部热能输入的需要为零，需要的唯一外部能量输入为电能来驱动系统中的泵。因此，制造经处理的水的总功率消耗将会是(例如)低于0.2kWh/m3。
在替代性的实施方案中，当现场不同的能量来源(例如，热、蒸汽、压力或水能)是可得的，或者当不能提供电力时，能够用热压缩和/或喷射器来替换机械压缩(例如，电动机或涡轮驱动泵)。这样做会设计出不需要电能外源的系统，由此节约了制造经处理的水0.2kWh/m3的功率消耗，但是这将会付出使系统设计变复杂的代价。
在这样的实施方案中，GOSP中的可用能足以通过换热器140在高压段生产所需量的蒸汽，那么只有一个级是必需的，并且运行该工艺仍然比任何商业可得的脱盐技术更加低成本。
根据一些实施方案，换热器160可以并入或不并入工艺中，这取决于GOSP中能量的可得性。例如，如果得自于气体压缩排出的能量足以生产所需的经处理的水，那么不需要换热器160。但是，如果能量不足以生产所需的经处理的水，那么换热器160的使用则是有益的。根据至少一个实施方案，将蒸汽-压缩循环并入工艺中，以补充生产所需的经处理的水而需求的能量。
通常优选的是，为了保持尽可能高的原油温度，避免使用原油的热能，这对于从原油中分离卤水是有帮助的。根据多个实施方案，该系统和工艺的益处之一是，能够以相对高的温度或者至少等于原油温度的温度下提供经处理的水，这对于降低GOSP中有时形成的水-原油乳液的稳定性是有利的，从而有利于乳液分离以及增加GOSP设备的分离和脱盐性能。
然而，在任何情况下，如果从GOSP回收的能量不充足，能够容易地通过燃烧、大多数GOSP中容易可得的组件、和/或燃烧、和/或可再生能、和/或用于直接加热的电能、和/或热泵、和/或整合在一个或多个容器中的压缩蒸汽脱盐环流提供补充的热能。
根据一些实施方案，供给至系统的采出水可以从GOSP中的不同位置、水油分离器(WOSEP)的上游或WOSEP的下游提供。在较高温度下从工厂获得卤水将会降低脱盐所需能量的量。但是，由于GOSP的初始阶段中的部分油/水分离，这通常会导致供给水中更高的油含量。
根据多个实施方案，在无任何预先的卤水处理的情况下，系统将具有低百分量的水和溶解气体的卤水加工至(例如)高达约4体积％。然后，如以下将会更详细讨论的那样，系统各个级中气化的油被冷凝并逐出系统，并与经处理的水流混合。该系统的处理工艺中，油回收率为约35％，其取决于初始油含量和系统工作温度。由于将回收的油返回至油生产主流，根据某些实施方案(经处理的水在脱水器或脱盐容器中进行重新使用，从而将原油脱盐)的系统或工艺的一些应用中这是有利的。根据本发明的多个实施方案，可以依据增加的烃开采或者依据对于工艺能量平衡的积极的净贡献来量化所获得的益处。
然而，在经处理的水非旨在脱盐目的以及需要低或零油含量的应用中，根据一些实施方案，需要用经典的水/油分离技术、或者用如上文[0050]段提到的分离油气和蒸汽的膜补助所述系统，或者最好是使用来自于WOSEP的采出水来供给系统。
根据多个实施方案，系统的详细几何构造可以以这样的方式进行设计，避免烃类气体能够累积的高位点。为了系统的安全和轻松操作，在启动阶段或者当空气透入系统内时，将会使用系统中的通风孔或脱气装置。
商业可得的通风孔或脱气装置都能用于系统中的各容器，从而除去非凝结的(或不需要的)气体，并为工艺的稳定运行提供恒定的水量输出。当在环境压力下工作时，尽管脱气设计应当考虑压缩排出气从而将其吹扫出系统，也应当如此。也可以使用置换技术将非凝结的气体吹扫出系统，或者使用吸附和/或吸收技术、或者任意合适的技术(即，合适的技术包括能够将非凝结的气体从气体流中除去的任何商业技术，如利用分子筛吸附有机挥发物)。
图5示出了根据本发明实施方案的，图4中所示的多级串联构造的整合设计的示意图。如图5所示，图4中所示的系统被整合在划分出隔室的容器中，并且能够利用可商购的、用于水淡化的多级闪蒸工艺或多效蒸馏工艺中可得的设备。
图6示出了根据本发明实施方案的多级、并联水处理系统的示意图。如图6所示，采出水主流100被分成4股流：加热流101、采出水流103、第一并行采出水流103a、以及第二并行采出水流103b。加热流101、低压流104和采出水换热器160的构造以及操作方法不变，因此图4中以上讨论的对这些元件的描述与这些实施方案相同。
与图4的上述讨论类似，使用增压器150将采出水流103增压。低压流104在换热器160中被加热并在经加热的流105中流出，其随后进入低压容器170。在换热器160的热侧，加热流101被冷却并流出系统至采出水流102中。
根据一些实施方案，通过换热器143、144、146(在一些实施方案中，通过补充换热器145)将能量传递至低压容器170中的流体。换热器143为在其热侧对GOSP低温能量起作用的外部换热器。
提供至低压容器170的热量使得水蒸发，水蒸气流在水蒸气流121中流出低压容器170，并被输送至通过空气、水或海水运行的冷凝器163。根据不同的实施方案，冷凝器163布置在低压容器170的内部或外部。
流出冷凝器163的冷凝流(其被设计为经处理的水)通过泵182压缩，然后输送至经处理的水收集管线126的流123。
如图6所示，利用卤水收集管线泵180从低压容器170中将采出水的浓缩溶液提取在卤水流106中。
第一并行采出水流103a在增压装置151中被增压至中压值，之后在流107中输送至换热器161，在通过流108进入中压容器171之前在换热器161中被加热。
通过换热器141和142将中压容器171加热。换热器141为从GOSP能量得到其荷载的外部换热器。在中压容器171中加热采出水生成水蒸气，其通过流118离开中压容器171。
流118被输送至低压容器170内部的换热器144，低压容器170的温度和压力条件使得能够将其冷凝并为低压容器170中的蒸汽生成提供能量。流118通过流119流出换热器144，被泵183压缩至所需的压力，之后通过流120被引导至经处理的水收集管线126的流124。
第二并行采出水流103b在增压装置152中被增压至高压值，之后通过流110被输送至换热器162，在通过流111进入高压容器172中之前在换热器162中被加热。
通过换热器140加热高压容器172，换热器140通过来自于GOSP的高温热荷载而运行。在高压容器172中产生的蒸汽通过生成的蒸汽流116从高压容器172中输出。
生成的蒸汽流116通过流117流出换热器142，流117能够通过流117a被输送至经处理的水收集管线，或者通过流117b被输送至低压容器170中的换热器145以进一步冷却，之后通过流117c输送至经处理的水收集管线。
高压高温卤水通过卤水流112流出高压容器172而供给换热器162的热侧，在换热器162中被冷却并通过卤水流113流出，通过流109并入流出中压容器171的中压卤水流中，然后被泵181压缩。
卤水流113与流出泵181的流128的合并产生卤水流114，其进入换热器161的热侧，之后输送至低压容器170中的换热器146用于再次冷却，由此提供更多热量以在低压容器170中生成蒸汽。通过流129流出容器的卤水加入流出低压容器170的卤水流106，然后合并的卤水流130在卤水收集管线泵180中被压缩至所需卤水收集压力，并通过流131流出系统。
根据替代性的实施方案，多级串联或多级并联构造中的换热器160可与换热器146合并，以节省导致“混合”构造的设备和连接。图7示出了根据本发明实施方案的这种混合水处理系统的示意图。虽然并不总是需要换热器160，在工艺中需要换热器160运行的一些应用中，“混合”构造可能具有操作优势。“混合”构造的选择省去了换热器以及与之有关的所有连接和维护。
图7还示出了低压流104与经加热的流105连接并且直接进入低压容器170。另一方面，加热流101中的较高压采出水与从卤水流114流出的流体合并，通过采出水流102进入换热器146并在流115中流出系统。
根据多个实施方案，基于采出水引入流(例如，加热流101)和流体流(例如，卤水流114)之间的压差，使用压力调节器(例如，膨胀或压缩调节器)或注射器将这两种流体在通过采出水流102进入换热器146之前混合。
根据本发明的多个实施方案，其他的“混合”构造是可以预期的，这些实施方案包括在不同压力和温度下运行的蒸发段和冷凝段，从而将在GOSP设备内生成期望的经处理的水所需要的外部能量最小化。
图8a、8b、9a和9b示出了根据本发明多个实施方案的如图4中所示的多级串联水处理系统的变型。具体而言，图8a和8b是根据本发明的实施方案的不含烃组分的、如图4所示的多级、串联水处理系统的工艺示意图，而图9a和9b是根据本发明的实施方案的含有烃组分的、如图4所示的多级、串联水处理系统的工艺示意图。
图8a、8b、9a和9b利用AspenplusTM环境的模拟工作台示出根据多个实施方案的简化工艺设计，其中换热器是明确的(分解图)以更好地理解数字并使操作时系统中所发生的现象直观化。图8a、8b、9a和9b示出所有的组件都能够利用AspenplusTM工艺模拟软件包进行热力学模拟，在各换热器中所得的热负荷使得能够计算各段所需要的热负荷，随后检查所需能量能否在GOSP原地获得。例如，根据至少一个实施方案，GOSP中的气体压缩机足够应付所有换热器的负载，并足以产生目标量的经处理的水，例如对于GOSP设备中存在的脱盐容器的特定应用而言为4.8kg/s。
本发明可以适当地包含、包括或基本上包括所公开的元件，并且可以在缺少未公开的元件的情况下实施。例如，本领域技术人员能够认识到的某些步骤可以合并为单一步骤。
除非另有定义，否则所使用的所有技术和科学术语具有由本领域所述领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括复数所指对象。
本文和所附权利要求书中所使用的词语“包含”、“具有”和“包括”及其所有语法变体各旨在具有开放的、非限制性的含义，其并不排除其它的要素或步骤。
“任选地”是指随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生。该描述包括其中所述事件或情形发生的情况以及不发生的情况。
在本文中范围可以表示为从大约一个特定值和/或到约另一个特定值。当表示这样的范围时，但应当理解的是，另一个实施方案是从一个特定值和/或到另一个特定值，并且包括所述范围内的所有组合。
虽然已经详细描述了本发明，但是应当理解的是，在不偏离本发明的原理和范围的情况下可以在本文的基础上做出各种改变、替换和变型。因此，本发明的范围应当由随附的权利要求书及其合适的法定等价形式来确定。

Claims (10)

1.一种用于生产经处理的水流的方法，所述方法包括以下步骤：
接受供给流，所述供给流包含至少一种混合于水相中的物质；以及
在多个级中对所述供给水流进行处理，从而生产所述经处理的水流和浓缩流，所述多个级在操作中从最低温度和压力到最高温度和压力排列，
其中各级均包括容器、换热器、蒸发器和冷凝器，
其中各蒸发器均被构造成利用直接加热或间接加热中的一者来蒸发一定量的水，并且
其中各冷凝器均被构造成使通过接续级产生的至少一部分蒸汽冷凝。
2.权利要求1所述的方法，其中所述多个级串联排列，其中与其他级相比，接受所述供给水流的第一级在最低温度和压力下操作。
3.权利要求1所述的方法，其中所述多个级并联排列，各级均被构造成接受来自于相同来源的供给水流，进而被构造成彼此进行换热。
4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述处理的步骤还包括：
将所述供给水流供给至所述第一级，与其他级相比，所述第一级在最低温度和压力下操作，所述第一级的蒸发器被构造成产生水蒸气流，该水蒸气流被所述第一级的冷凝器冷凝从而产生第一经处理的水流，
从所述第一级的蒸发器中提取浓缩卤水，并将所述浓缩卤水供给流供给至第二级的蒸发器，所述第二级包括高于所述第一级的温度和压力，从而产生另外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，将该接续的浓缩卤水流供给至所述多个级的接续级的蒸发器，各接续级都包括比前一级更高的温度和压力，各接续级的蒸发器均被构造成产生另外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，该接续的浓缩卤水流被供给至所述多个级的接续级的蒸发器，以及
从与其他级相比具有最高温度和压力的一级的蒸发器中，从浓缩卤水流中提取卤水，经提取的卤水被用于提供能量，以加热被供给至所述多个级的各蒸发器的所述浓缩卤水流。
5.权利要求4所述的方法，其中来自于与其他级相比具有最高温度和压力的一级的所述经提取的卤水被用于对从最高温度和压力到最低温度和压力的所述多个级的蒸发器提供能量。
6.前述权利要求中任一项所述的方法，其中各蒸发器均包括补偿加热系统，所述补偿加热系统被构造成利用电加热、来自于载热流体的对流加热、燃烧和氧化中的至少一者所提供的直接热量。
7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流为卤水流，所述卤水流产生自咸水层、来自于工业过程的半咸水流、或包含有机污染物的水的混合物中的一者。
8.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流是产生自采气现场或采油现场中的一者的卤水流。
9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流是得自原油和天然气处理设备的采出水流，所述供给水流包括液体的烃或溶解的烃或者添加化学品中的一种，并且所述采出水流是压力好氧流或压力厌氧流中的一种。
10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流包括水相和另一种不混溶或部分混溶的流体相，所述不混溶或部分混溶的流体相包含占1ppm至10体积％比例的非溶解气相、油相或分散的固体颗粒中的一种，所述用于生产经处理的水流的方法还被用于使水与另一种不混溶或部分混溶的流体相分离。
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