CN106414339A - 包括提高的软化采出水的采油方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于处理获自采油操作的采出水的方法。使采出水经受软化过程，其中将烧碱或其他软化试剂添加至采出水，从而提高采出水的pH。在软化的下游，提供了用于蒸发至少一部分采出水并生成蒸汽和浓缩盐水的蒸发器。将至少一部分浓缩盐水在蒸发器上游进行再循环，并与采出水和软化试剂混合，从而提高软化过程。
Description
技术领域
本发明涉及用于从含油地层中采油的系统和方法，并更特别地涉及用于从采出水中除去硬度的改进的软化法。
背景技术
提高采油率(EOR)法利用热能来促进从含油地层中采油，特别是重油。在加拿大被广泛使用的一个用于采出重油的特定方法被称为蒸汽辅助重力泄油(SAGD)。在SAGD法中，将蒸汽注入含油地层中。通常，对所采出的每吨油而言需要数吨的蒸汽。在该方法中，蒸汽加热含油地层中的油，并且这降低了油的粘度并促进油流动至收集区域。然而，在该方法中，蒸汽冷凝并与油混合从而形成油-水混合物。将油和水的混合物泵送至表面并且通过常规方法将油与水分离，这形成了所谓的采出水。
重要的是对采出水进行处理使得其可以被再利用。在SAGD应用中，将采出水进行处理或纯化，并将其引导至产生蒸汽的蒸汽发生器或锅炉。在SAGD应用中，例如完整的水循环包括：(1)将蒸汽注入含油地层中；(2)使蒸汽冷凝以加热油，导致冷凝的蒸汽与油混合从而形成油-水混合物；(3)收集油-水混合物；(4)将油-水混合物泵送至表面；(5)从油-水混合物中分离出油，从而形成采出水；(6)通过除去悬浮和溶解的固体来对采出水进行处理，从而形成用于蒸汽发生器或锅炉的进料水物流；和(7)将进料水转化为注入含油地层中的蒸汽。
采出水典型地包括显著浓度的钙硬度以及碱度，特别是当采出水与含有大量硬度的补充盐水相混合时。采出水中的钙和碱度的存在常导致碳酸钙结垢化合物的沉淀。例如在利用蒸发器的方法中，碳酸钙结垢会成为严重的问题。这引起碳酸钙沉淀物从而使热转移管和预热器加热表面结垢，显著降低效率，并导致昂贵且费时的维护。
以往，蒸发器和工艺设备的碳酸钙结垢已经通过酸化和脱气在蒸发器或工艺设备的上游进行处理。该方法降低了废水物流中的碱度浓度。但是，酸化和脱气具有缺点。如果废水具有高的碱度浓度，则酸成本可能过高。另外，在一些其中在废水中存在有机物的应用中，有机物响应酸化而沉淀。在其他情况中，仅利用离子交换软化单元来除去硬度。该方法典型地降低采出水中的钙和镁的浓度。当用作降低硬度的唯一手段时，离子交换单元也具有缺点。使用离子交换软化添加了额外的成本，并生成常需要处理的液体废物物流。另外，作为实际问题，在用离子交换树脂处理的钙浓度方面存在限制。处理具有硬度的采出水物流的另一选项是在蒸发器或其他工艺设备内利用螯合掩蔽剂或螯合剂。该螯合剂保持钙处于可溶形式，从而防止沉淀。此处的缺点在于，效率是受限的并且螯合剂是昂贵的。
发明内容
本发明涉及用于采油并处理所得到的具有硬度的采出水的方法。通过将一种或多种软化试剂与采出水混合从而提高采出水的pH来使采出水软化。这导致硬度化合物从采出水中沉淀。将经软化的采出水引导至蒸发至少一部分采出水并生成蒸汽和浓缩盐水的蒸发器。将至少一部分浓缩盐水用于在蒸发器上游使采出水软化。即，将至少一部分浓缩盐水引导至蒸发器上游的一点并与采出水混合。由此，一种或多种软化试剂与浓缩盐水组合从而提高采出水的pH并引发硬度化合物从其中沉淀。
在一个实施方案中，软化试剂是烧碱。将烧碱在蒸发器上游与采出水混合。将来自蒸发器的浓缩盐水再循环至蒸发器上游的一点并与采出水混合。在一个实例中，在软化槽中将烧碱添加至采出水。将浓缩盐水再循环回到软化槽，其中浓缩盐水与采出水和烧碱混合。
在另一个实施方案中，不需要一种或多种软化试剂。再循环至蒸发器上游的一点的浓缩盐水可以足以提高采出水的pH。
本发明的其他目的和优点将通过研究下述说明书和附图而变得明确和明显，这仅仅是对这样的发明的说明。
附图说明
图1是显示导致产生采出水及其处理的采油方法的本发明的示意性说明。
具体实施方式
本文中公开的方法是用于从油井和含油地层中采油，特别是重油(例如通过SAGD方法采出)的方法。重油典型地通过将蒸汽注入含油地下层中来除去。蒸汽加热含油地层中的油，并且在该过程中蒸汽冷凝。这产生了油-水混合物。将油-水混合物泵送至表面。接着进行油-水分离过程，其中将油从混合物中分离。这留下了所谓的采出水。将采出水再利用以生成被引导回到含油地层中的蒸汽。
在可以对采出水进行再利用以生成蒸汽之前，对其进行处理。这是因为采出水通常包括悬浮的固体、溶解的固体、和溶解的气体。大多数采出水包括硬度。硬度的主要原因是存在多价离子，例如钙(Ca2+)和镁(Mg2+)。采出水中的硬度的浓度可能会不同。在相对高的浓度下，硬度由于其使工艺设备，例如蒸发器及其相关的预热器中的热转移表面结垢而造成严重的问题。如在本文中所讨论的，用于处理采出水的系统和方法需要使用蒸汽发生器、蒸发器以及其他工艺设备。在本文中描述的方法的目的在于避免工艺设备，特别是蒸发器和预热器的热转移管表面的显著硬度结垢。如在下文中进一步讨论的，当采出水中的硬度引发担忧时，在蒸发器上游提高采出水的pH。这产生硬度化合物，如碳酸钙和氢氧化镁从采出水中沉淀。
参照图1，在其中显示出总体通过标记10说明的采油系统和方法。从油井42收集油-水混合物20，并将其泵送至表面。将油-水混合物引导至油-水分离器22。这通常被称为初级油-水分离过程。可以利用多种常规油-水分离系统。例如，可以使用重力分离器或离心分离器来分离油-水混合物，从而得到油产物和分离的水。将油产物进一步处理并销售。将分离的水引导至脱油单元24，其中除去额外的油。可以使用多种脱油装置，例如溶气浮选系统。在一些实例中，将脱油聚合物添加至通过油-水分离器22分离的水。来自脱油单元24的输出物或流出物被称为采出水。将该采出水在被再利用于生成蒸汽之前进行处理和调节。
将来自脱油单元24的采出水引导至并通过预热器26，其中采出水被加热。可以利用多种类型的预热器。在一个实施方案中，预热器26包括采出水通过其中的热交换器。可以利用多种热源来对预热器26供应热。在一个实施方案中，将通过下游蒸发器产生的馏出物物流引导通过预热器12用于加热通过其中的采出水。
将采出水由预热器26引导至除气器28，所述除气器28从通过该除气器的采出水中除去氧气、二氧化碳和其他不可冷凝的气体。应当注意的是，对采出水进行的预热和除气是任选的。
除气器28的下游是软化单元30。将来自除气器28的采出水导入软化单元中，所述软化单元典型地包括具有用于将一种或多种软化试剂与采出水混合从而使采出水软化的混合器的一个或多个槽。在一个实施方案中，软化试剂是烧碱，其典型的是氢氧化钠。在该实施方案中，将采出水的pH提高至约10至约11。在其他实施方案中，可以使用其他软化试剂。例如，软化单元30可以利用石灰或苏打灰软化。如将在下文进一步详细讨论的，通过软化单元30进行的软化过程通过将一部分由下游蒸发器34产生的浓缩盐水再循环至软化单元30而得以提高。浓缩盐水具有相对高的pH，并且在软化单元30中与采出水和软化试剂混合从而增加采出水的pH。因此，应理解的是，在一个实施方案中，在软化单元30中提高采出水的pH是通过将软化试剂和一部分浓缩盐水两者与采出水混合来实现。应当理解的是，当使用一种或多种软化试剂时，可以将一种或多种软化试剂在蒸发器上游的多点处注入。但在一个优选的实施方案中，期望的是在除气器28的下游将一种或多种软化试剂与采出水混合、或者添加所述一种或多种软化试剂。
通常，将采出水的pH提高至约10至约11的pH范围具有降低硬度化合物，如碳酸钙和氢氧化镁的溶解度限值的效果。这导致这些硬度化合物从采出水中沉淀。通过使硬度从采出水中沉淀，在下游设备中由于硬度而导致的结垢得以避免或者显著减少。特别地，据假设，通过在工艺设备的上游使硬度化合物沉淀，沉淀的硬度化合物将倾向于流过工艺设备，如蒸发器34的热转移管，而不在其表面上显著结垢。
在蒸发器上游显著提高采出水的pH具有其他优点。采出水典型地具有显著浓度的二氧化硅或基于二氧化硅的化合物。发现二氧化硅以约200 mg/L (以SiO2计)存在于采出水中并非不常见。通过提高采出水的pH至10-11的范围除硬度结垢以外还解决了二氧化硅结垢。通过向采出水添加软化试剂，如烧碱并提高采出水的pH，这导致增加二氧化硅的溶解度。即，二氧化硅的溶解度随着pH的升高而显著增加。在图1的方法中，采出水的pH显著提高从而使得采出水中的二氧化硅或基于二氧化硅的化合物在采出水通过蒸发器34时保留在溶液中。应理解的是，在实践中，可能在由蒸发器34产生的浓缩盐水中存在一些悬浮的二氧化硅。但是，根据在本文中所设想的方法，这在多数情况下是极少的，或者在一些情况中，基本上所有的二氧化硅应保留在溶液中并最终随着蒸发器排料通过。
作为选项，示于图1中的处理系统10可以在软化单元30的下游包括离子交换单元。当利用时，将来自软化单元30的采出水引导至可以多个模式进行操作的离子交换，例如弱酸阳离子交换中。例如，当以钠模式进行操作时，可操作离子交换单元以除去硬度。当离子交换单元以氢模式进行操作时，可操作以同时除去硬度和碱度两者。在任意情况中，在图1中所描述的方法中，如果需要在软化单元30的下游利用离子交换单元，则其将起最终精制(polishing)的功能，其中，将其设计为除去至少一部分在采出水已经经受软化单元30中的软化后存在的残留硬度。
在软化单元30的下游或者在离子交换单元(如果利用的话)的下游是蒸发器34。为了解决容量，可以提供一系列蒸发器。在任意情况中，蒸发器34产生蒸汽和浓缩盐水。蒸汽冷凝以形成馏出物34A。在贮槽34C中收集浓缩盐水，并将其通过将浓缩盐水经由盐水再循环管线34D进行泵送的泵34E通过蒸发器34进行再循环。将一部分浓缩盐水作为蒸发器排料经由管线34B引导至蒸发器排料处理单元44。
蒸发器馏出物34A基本上是纯的。在馏出物34A中可能以10 mg/L或更少的量级存在少量的溶解固体。在任意情况中，将馏出物34A途径预热器26并引导至蒸汽发生器36，其中将馏出物转化为蒸汽。可以利用多种类型的蒸汽发生器。例如，蒸汽发生器36可以包括常规锅炉或者快装锅炉。另外，蒸汽发生器36可以是直流蒸汽发生器(OTSG)，其利用用于从由OTSG产生的蒸汽-水混合物中分离蒸汽的蒸汽-水分离器。蒸汽发生器36产生蒸汽物流38，将其从蒸汽发生器引导至注入井40。在所说明的实施方案中，注入井40与实际产生油-水混合物20的油井42隔开。以常规的方式，当蒸汽与油井或含油地层中的油接合、并冷凝以降低油的粘度且通常使油移动从而产生如上所述的油-水混合物20时，注入到注入井40中的蒸汽水平地迁移至油井42周围的区域。
图1中所示的蒸发器34可以具有多种类型。例如，蒸发器34可以是垂直降膜蒸发器、强制循环蒸发器、水平蒸发器或升膜蒸发器。在垂直降膜蒸发器的情况中，其包括垂直管的阵列、用于收集并保持浓缩盐水的贮槽34C、从贮槽引导至蒸发器上部的用于将盐水排入垂直管的上端中的再循环管线34D、和布置在再循环盐水管线中的用于将盐水从贮槽泵送至将盐水排入管中的蒸发器的上部的泵34E。当将盐水排入管的上端中时，盐水形成沿着管的内表面下落的薄盐水膜。对管进行加热，导致一部分盐水蒸发并形成蒸气，并且在该过程中，盐水被浓缩并落入贮槽34C中。在该实例中，蒸发器34是机械蒸气再压缩(MVR)蒸发器。所产生的蒸气被压缩机35接受并被压缩，产生被导向管外部的蒸汽，再次对沿着管的内表面向下落的盐水薄膜进行加热。蒸汽冷凝并产生馏出物34A，将其引导至蒸汽发生器36。将少部分浓缩盐水作为蒸发器排料34B而废弃。
在一些情况中，蒸发器排料物流34B适合于可通过深井注入来处理。在其他情况中，如上所述，将蒸发器排料34B引导至蒸发器排料处理单元44。在此，可以将蒸发器排料进一步浓缩或经受在结晶器中的结晶过程，其可以产生减少的液体排放选项，或者甚至在结晶器后使用干燥器(例如双滚筒干燥器)时的零液体排放。在其他情况中，可以使蒸发器排料经受二氧化硅沉淀过程，接着进行从其中除去悬浮的固体的悬浮固体去除过程。然后，可以将经处理的蒸发器排料通过深井注入来处理。
如上文所简要讨论的，本发明包括软化提高。提高包括将至少一部分来自蒸发器34的浓缩盐水引导至软化单元30。如图1中所示，在一个实施方案中，利用泵48将一部分浓缩盐水经由管线46引导至软化单元30中。在此，来自蒸发器34的盐水与采出水和一种或多种软化试剂混合，从而提高采出水的pH，并引起硬度化合物从采出水中沉淀。由蒸发器34产生的浓缩盐水由于在蒸发器34的上游进行的采出水的预处理(例如烧碱添加)而具有相对高的pH。因此，一种或多种软化试剂与浓缩盐水组合从而提高采出水的pH，在一个实施方案中将其提高至约10至约11。在软化单元30中使用至少一部分浓缩盐水来提高整体软化过程。此外，将浓缩盐水与采出水在软化单元30中的混合降低了将pH提高至期望水平所需的软化试剂的量。当软化试剂为烧碱时，这是特别有益的，这是因为烧碱软化通常与一些其他软化方法，例如通过石灰和苏打灰进行的软化相比成本更高。
再循环的浓缩盐水的量将取决于采出水进入软化单元30中的流量和其他因素而变化。在一个实施方案中，被引导至软化单元30的浓缩盐水构成被引导至软化装置30的采出水的约1%至约5%(以体积计)。可以如本领域技术人员所理解的多种方式实现在软化单元30中控制pH。例如，在烧碱的情况中，可以在对烧碱添加量和/或进料至软化单元30的浓缩盐水的量进行精细调节的情况下控制烧碱添加量和浓缩盐水流量，或者使其与进入软化单元30的进料流量成比例。
在一个实施方式中，可以不需要向采出水添加一种或多种软化试剂。在该实施方案中，再循环至蒸发器上游的过程中的选定点的浓缩盐水可以足以提高采出水的pH至期望水平。如上文所述，可以将来自蒸发器34的浓缩盐水在蒸发器上游的多点处注入采出水中。例如，可以将浓缩盐水在预热器26处或其上游注入采出水中。
上文所述的方法存在许多优点。首先，将浓缩盐水再循环有助于提高软化单元30中的采出水的pH。这意味着需要更少的软化试剂并且这在烧碱软化中特别显著。另外，将浓缩盐水再循环至软化单元30可以加速软化过程、减小一个或多个软化槽的尺寸并因此降低其成本。
本发明当然可以在不脱离本发明的基本特征的情况下以不同于在本文中所具体陈述的那些的其他方式来实施。本实施方案被认为在所有方面上是说明性而非限制性的，并且所有落入所附权利要求的含义和等价范围内的改变旨在涵盖于其中。
Claims (11)
1.从含油地层中采油的方法，其包括：
a. 从含油地层中采出油-水混合物；
b. 从油-水混合物中分离出油，从而生成油和其中具有硬度的采出水；
c. 将采出水引导至蒸发器并蒸发至少一部分采出水，从而生成浓缩盐水和蒸汽；
d. 使蒸汽冷凝从而形成馏出物；
e. 将馏出物引导至蒸汽发生器，并在蒸汽发生器中加热馏出物从而生成蒸汽；
f. 将由蒸汽发生器生成的蒸汽注入到注入井中；
g. 通过提高采出水的pH在蒸发器上游使采出水软化，其通过下述方法进行：
i. 将烧碱与采出水混合；
ii. 引导至少一部分来自蒸发器的浓缩盐水，并将浓缩盐水与采出水进行混合从而提高软化；和
iii. 其中，烧碱和浓缩盐水组合从而提高采出水的pH并使采出水软化。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括：将采出水引导至在蒸发器上游的软化单元，并将烧碱注入软化单元中，并将烧碱与采出水在软化单元中混合；以及，将浓缩盐水引导至软化单元中，并将浓缩盐水与采出水和烧碱混合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，进入软化单元中的浓缩盐水的流量为进入软化单元中的采出水的流量的约1%至约5%。
4.从油井中采油的方法，其包括：
a. 从井中采出油-水混合物；
b. 从油-水混合物中分离出油，从而生成油和其中具有硬度的采出水；
c. 通过向采出水添加软化试剂并提高采出水的pH，从而使采出水软化；
d. 使采出水软化之后，将采出水引导至蒸发器并蒸发至少一部分采出水，从而形成蒸汽和浓缩盐水；
e. 引导至少一部分来自蒸发器的浓缩盐水，并将浓缩盐水与采出水在蒸发器上游进行混合，从而进一步提高采出水的pH并促进采出水的软化；
f. 使蒸汽冷凝从而形成馏出物；
g. 将馏出物引导至蒸汽发生器，并在蒸汽发生器中加热馏出物从而生成蒸汽；以及
h. 将由蒸汽发生器生成的蒸汽注入到注入井中。
5.根据权利要求4所述的方法，其包括：将采出水引导至在蒸发器上游的软化单元，并将软化试剂与采出水在软化单元中混合；以及，将来自蒸发器的浓缩盐水引导至软化单元，并将浓缩盐水与采出水和软化试剂在软化单元中混合。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，软化单元包括反应器，并且所述方法包括将烧碱和浓缩盐水与采出水在反应器中混合，从而提高采出水的pH。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，将采出水引导至软化单元中，其中软化试剂与采出水混合；并且其中，进入软化单元中的浓缩盐水的流量是进入软化单元中的采出水的流量的以体积计1-5%。
8.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括用碳酸钙对采出水或浓缩盐水进行结晶析出，从而降低硬度化合物使工艺设备结垢的倾向。
9.从含油中采油的方法，其包括：
a. 从含油地层中采出油-水混合物；
b. 从油-水混合物中分离出油，从而生成油和其中具有硬度的采出水；
c. 将采出水引导至蒸发器并蒸发至少一部分采出水，从而生成浓缩盐水和蒸汽；
d. 使蒸汽冷凝从而形成馏出物；
e. 将馏出物引导至蒸汽发生器，并在蒸汽发生器中加热馏出物从而生成蒸汽；
f. 将由蒸汽发生器生成的蒸汽注入到注入井中；和
g. 通过提高采出水的pH在蒸发器上游使采出水软化，其通过下述方法实现：引导至少一部分来自蒸发器的浓缩盐水并将浓缩盐水与采出水混合，从而提高软化。
10.根据权利要求9所述的方法，其包括：将采出水引导至在蒸发器上游的软化单元，并将烧碱注入软化单元中，并将烧碱与采出水在软化单元中混合；以及，将浓缩盐水与采出水和烧碱混合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，进入软化单元中的浓缩盐水的流量是进入软化单元中的采出水的流量的约1%至约5%。
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