CN106477785A - 海底设备清洁系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海底水加工系统，该系统包括一种利用原始或经处理的海水或油气田采出水产生高PH和低PH溶液的电化学单元，在清洁周期过程中，通过使这些溶液经由连接电化学单元与海底工艺设备的酸或碱流动管路而循环通过至少一个海底工艺设备，就地对至少一个海底工艺设备进行清洁。

Description

海底设备清洁系统和方法
技术领域
本发明涉及用于加工油、气、海水(用于注入)和或油气田采出水的海底加工系统以及用于清洁这些海底加工系统的方法。海底加工系统包括用于分离、泵送、气体压缩、工艺冷却和加热、海水注入和油气田采出水的处理以及再注入到井中的设备以及用于对处理后的油气田采出水进行环境安全排放的设备。具体来说，本发明涉及一种海底水加工系统以及一种用于清洁包括在该海底水加工系统中的海底加工设备的方法。
背景技术
水驱法(water flooding)是一种广泛使用的提高石油采收率(improved oilrecovery，IOR)的手段，并且已经使用了超过75年。通过水驱法能保持或增加储油层(reservoir)压力从而提取该储油层中存在的不可动的油，否则，不可动的油不会自然流出储油层。这通常是一种二次采油技术，但是为了增加的最终的石油采收率，该技术也被用于一次采油和三次采油阶段。
在用于提高石油采收率的传统水驱工艺中，注入水一般是来自最近的水源，而且通常很少考虑其化学组成。岸上的注入水的水源包括河流与蓄水层，而离岸情况时则使用海水或油气田采出水。通常通过诸如介质过滤、芯式(cartridge)过滤、微滤或超滤之类的技术将水过滤以除去颗粒从而避免地层的堵塞。某些储油层要求除去硫酸盐以减轻在该储油层中形成硫酸钡和硫酸锶结垢的倾向。注入水的压力可以比储油层压力高约500psi(35bar)。在海底应用中可使用海底单相水注入泵。
低盐水驱法(LSF)是一种使用合适盐度的水的储油层水驱法，该法能经济地从砂岩和碳酸盐岩储油层中提取额外的油。在油田中使用LSF还能提高其他化学和聚合物IOR驱动技术的效率，并且通过减少化学品消耗来节约成本。对于低盐水驱应用而言，可采用任选地与超滤预处理步骤组合的反渗透工艺。超滤膜除去诸如细菌和悬浮固体之类的污垢，而反渗透膜除去全部的溶解固体，从而实现适用于提高油采收率和低盐水驱应用的最佳盐度。
因此，一种已知的就地增加可采油量并提高产量的方法是将处理后的海水或油气田采出水注入到离岸储油层中。对于传统的离岸油田，对海水进行处理并从诸如海上平台或FPSO(浮式生产贮存和卸载设备)单元之类的顶部(topside)设施进行注入。离岸系统必须克服的最大挑战是平台或FPSO上的空间和重量限制。注入水量受到许多因素的限制，并且注水设施要占用有价值且高成本的顶部空间，该顶部空间应优选用于生产。有时候顶部水处理选项是不可行的(例如现有的没有额外的顶部空间的已开发的棕色油田，地处遥远的卫星油田，处于严苛环境或极地条件中的油田)。所以，石油工业中的趋势是依靠将设备安装在水下例如海床上的海底生产系统。海底水注入技术通过将设备置于水下而克服了顶部空间和重量的限制。
随着诸如美国、墨西哥、巴西和西非附近的离岸深水大油田的开发，在更深水域、更严苛环境和更遥远地域中的勘探和生产活动代表了最近十年里油气工业的关键趋势。目前，海底油井的深度可达3000米。在这个深度，环境压力与水静压头相差300bar(4450psi)，环境温度约为4℃(38°F)。
油气田采出水在水面上的顶部设施处理后的回注以及排放是离岸油气工业中的极为普遍的做法。它往往采用成熟的技术以确保废水处理不会对海洋生物产生负面影响。油气田采出水的海底水处理涉及在海床上进行水的分离和纯化，回注用于IOR)、注入到海底处置井中、或用于海底的环境安全排放。除了尽可能减小顶部设备的占地面积以及保护设备免受风化侵蚀破坏以外，油气田采出水的海底处理以及再注入或排放还具有许多额外的益处，包括不需要贮存或通过深海钻井作业中的回接管回接装置(tie-back)运送大量水或将大量水从海底生产位置到顶部生产处理设施，还包括减少生产系统成本的优点。而且海底处理油气田采出水还降低了海底生产流线上的水静压从而有助于减小海底井口上的回压(back pressure)，并最终提高产量。用于处理海底产生的水的设备包括油/水分离系统、气-液分离系统、悬浮固体分离器(除砂器)和过滤系统。
海底深水处理也面临许多挑战，包括系统机械设计、电气化、控制、检查、减少污垢、保养和修理。在大多数情况中，用于岸上和顶部的常规设计与操作方法不能直接用于海底深水条件的水处理。
目前的常规膜系统和操作方法是设计用于岸上和顶部应用的。海底膜过滤操作中的一个主要问题是膜污染。膜污染主要表现在水中某些成分累积在膜表面上或膜基体中而导致水通量的下降。
膜工艺操作的一个组成部分是对膜元件进行定期化学清洁，例如在线清洁(cleaning-in-place，CIP)。定期膜清洁和除污延长了膜元件的寿命和整体的系统性能，对膜工艺的性能和经济性有深刻的影响。在膜CIP中，通常要求使用碱性和酸性清洁溶液来进行高PH和低PH清洗。通常首先采用高PH清洗来除去诸如生物物质或油之类的污染，然后采用低PH清洗来除去诸如矿物垢或金属氧化物/金属氢氧化物之类的污染。
化学清洁还广泛用于防止和减轻结垢。结垢问题可能因产生的水无法与注入的水或其他来源的水相容而发生，如同在钻井泥浆中存在的水的情况那样。例如，结垢可能在钻井、井完成、生产或注入过程中沉淀，并可能影响注入井、储油层地层、生产井以及包括管管路和设备在内的生产系统。减轻垢的沉积的方法包括机械方法、酸处理或其组合。通常采用酸洗除垢与水喷射的组合方法来除去换热器、管道、注入井、生产井和相关设备上的结垢。电解池(如电氯化器或类似设备)中的电极也会发生结垢，因此可能需要用酸来减轻或除去结垢。
用酸来促进储油层的开采也是一种常见的操作，能显著增大生产速率。在这种工艺中，将酸注入井中以穿透岩石孔隙从而增大岩石的渗透性。
CIP对于典型的陆基应用是沿用已久的。在这些陆基应用中，化学品贮存、混合、递送、和加热/冷却操作等CIP的所有必需操作步骤一般来说都不成问题。但是，在离岸应用中，传统的CIP系统和操作方法在顶部和海底方面都面临许多挑战。
对于顶部膜和其他工艺应用，化学品贮存和常规CIP设备要求占据平台或FPSO上的有价值的空间。
对于深水膜应用，常规CIP需要的海底化学品贮存在大多数情况下是不可行的，因为必需的化学品贮存单元非常巨大并且成本高昂。如果化学品贮存单元位于顶部而膜系统位于海床处，则需要高成本的长脐带管路来递送CIP化学品并从海底水处理单元将其回输，并且可能使更深水的和更长距离扩展井中的项目成为不可行。
WO2014044978 A1中揭示了目前已知的具有清洁功能的水下处理单元，该清洁功能适用于在深水处清洗过滤膜。该设备设置有加热功能以用于加热分离膜，然后注入水和清洁剂(酸或碱溶液)，水和清洁剂各自贮存在贮水容器和至少一个清洁剂贮存容器中。
发明内容
本发明的目的是克服目前常规CIP系统与用于膜操作、注入和生产工艺设备以及储油层促进采油的操作方法的限制，从而使可靠且成本有效的离岸顶部和海底油气开采成为可行
这个目的是通过使用海水中的盐和水就地产生包括酸和碱在内的清洁化学品来实现了的。本申请中揭示的系统和方法的关键优点包括：
-简单且成本有效的设计；可靠而且高效的顶部和水下操作
-小型且模块化的CIP系统，因为就地按需产生酸和碱，不需要巨大且高成本的海底化学品贮存单元
-节省基本建设投资
-不需要高成本的长脐带管路来将CIP化学品从顶部CIP单元递送到海底水处理系统
-通过避免化学品运输和贮存步骤以及与这些步骤相关的设备，减小了CIP系统的占地面积和重量
-因为通过CIP工艺而取得更高的水通量，所以减小了膜系统的占地面积和重量
-促进储油气层的油气开采。
总的来说，本发明涉及一种海底水加工系统，其中包括一个酸和碱产生单元，通过电化学过程用海水来产生高PH和低PH清洗溶液，这些溶液在清洗周期过程中是循环的，即，经由酸或碱流动管路供给通过至少一个海底工艺设备以及将酸/碱产生单元就地与至少一个海底工艺设备连接的阀从而除去生物污染和/或结垢。
在一种实施方式中，酸/碱产生单元是一种电解单元。该电解单元可包括单电解池和电堆结构，该结构是单室、二室、三室、或多室。该电解单元还可包括单极电极、双极电极、多孔隔网、阳离子交换膜、阴离子交换膜、或双极膜。
在一种优选的实施方式中，酸/碱产生单元是一种双极膜电渗析(BPED)单元。
双极膜是一种特殊种类的分层的离子交换膜。它由两层携带固定电荷的膜组成，其中的一层只能传输阴离子，另一层则只能传输阳离子。不同于用于分离目的的膜，将两层离子交换膜作为一个整体来看，不应该有任何物质从一侧传输到另一侧。所需的功能是在该膜的双极接合处的反应，在该处阴离子渗透层和阳离子渗透层直接接触：通过水的解离反应，水分成氢氧根离子和质子。生成的氢氧根离子和质子通过迁移在对应的膜层中被分离而离开该膜。不同于电解过程中水在电极处电解，这种反应不形成气体如氢气、氧气副产物。双极膜电渗析单元可从例如GE水和工艺技术公司(GE Water and Process Technologies)、Astom、和PC Cell公司购得。双极膜供应商包括GE水和工艺技术公司、FuMa-Tech公司、和PolymerChemie Altmeier公司(PCA双极膜)等。
在一种或多种实施方式中，本发明了提供了一种海底水加工系统，其包括海底水处理系统的一个或多个粗过滤或预过滤单元组件。这种粗过滤或预过滤单元用于降低海底水处理系统所加工的来源水中的微粒水平，并且提供基本不含最大尺寸超过1微米的固体大微粒的滤液。
在一种或多种实施方式中，本发明提供了一种海底水加工系统，其包括该海底水加工系统的一个或多个微滤单元组件。这种微滤单元用于降低通过海底水加工系统所加工的来源水中的细微粒含量，并且提供基本不含最大尺寸超过0.1-1微米的固体细微粒的滤液。
合适的预过滤和微滤单元可商购，包括GE水公司(GE Water)(例如E系列预处理多介质过滤器、PRO EU系列预处理活性炭和多介质过滤器、Z.Plex*F E JX微滤过滤器)、海洋工程公司(Hydranautics)(例如QUALSEP MF)、和Koch滤膜系统公司(例如 MF系列)所提供的。
在一种或多种实施方式中，本发明提供了一种海底水加工系统，其包括该海底水加工系统的一个或多个超滤膜单元组件。这种超滤膜单元用于降低海底水加工系统所加工的来源水中的微粒水平，并且提供基本不含最大尺寸超过0.1微米的固体微粒的超滤液。为了本发明的目的，术语“基本不含固体微粒”是指超滤液中最大尺寸超过0.1微米的固体微粒的含量不超过100ppm。在一种或多种实施方式中，超滤液包含小于50ppm的最大尺寸超过0.1微米的固体微粒。在另一组实施方式中，超滤液包含小于10ppm的最大尺寸超过0.1微米的固体微粒。
合适的超滤膜单元可商购，包括GE发电与水处理公司(GE Power and Water)(例如ZEEWEED中空纤维-和G系列螺旋卷绕式超滤膜单元)、Atech创新公司(例如陶瓷中空纤维超滤膜单元)、Qua集团公司(Qua Group)(例如Q-SEP中空纤维超滤膜单元)、Koch膜系统公司(Koch Membrane Systems)(例如PURON中空纤维超滤膜单元)、陶氏公司(DOW)(例如PDVF中空纤维超滤膜单元)、和TRISEP(例如APIRASEP螺旋卷绕式超滤膜单元)提供的。本领域技术人员能够领会，中空纤维膜可以是单孔或多孔的，可以按多种模式操作，例如从里向外和从外向里流动方式、按闭端和交叉流过滤模式、以及按浸没或其他加压系统结构。
在一种或多种实施方式中，本发明提供了一种海底水加工系统，其包括单独一个超滤膜单元。在另一组实施方式中，本发明提供了一种海底水加工系统，其包括多个超滤摸单元。在一种或多种实施方式中，超滤膜单元可包括中空纤维膜。在另一组实施方式中，超滤膜单元可包括一个或多个膜片。在另一组实施方式中，超滤膜单元可包括一个或多个设置成螺旋卷绕式膜结构的膜片。
在一种或多种实施方式中，本发明提供的海底水加工系统包括至少一个纳滤膜单元，有时候在本文中称为纳滤单元。本领域技术人员能够领会，可采用纳滤单元来从所加工的流体中除去硫酸根离子和其他二价离子例如钙和镁。合适的纳滤单元包括GE发电与水处理公司(例如SWSR和D系列螺旋卷绕纳滤膜单元)、陶氏公司(例卷式如NF系列螺旋卷绕式纳滤膜单元)、海洋工程公司-Nitto(例如ESNA系列螺旋卷绕式纳滤膜单元)、和Koch膜系统公司(例如SPIRAPRO系列螺旋卷绕式纳滤膜单元)提供的。
在一种或多种实施方式中，纳滤单元设置成接受超滤液并由此生成包含小于100ppm的硫酸盐物质(如CaSO4)的纳米滤液。在另一组实施方式中，纳米过滤单元设置成接受超滤液并由此生成包含小于50ppm的硫酸盐离子(SO4 2-)的纳米滤液。在一种或多种实施方式中，纳米滤液中不含钙和镁离子。在一种或多种实施方式中，本发明提供的海底水加工系统包括至少一个反渗透膜单元。本领域技术人员能够领会，可采用反渗透膜单元来显著降低所加工的流体中的溶解的固体如盐的浓度。合适的反渗透膜单元包括GE发电与水处理公司(例如A系列螺旋卷绕式反渗透膜单元)、陶氏公司(例如SW-和BW-系列螺旋卷绕式反渗透膜单元)、海洋工程公司-Nitto(例如SWC-系列螺旋卷绕式反渗透膜单元)、和Koch膜系统(例如流徙系统TFC-系列螺旋卷绕式反渗透膜单元)提供的。
在一种或多种实施方式中，反渗透膜单元设置成接受纳滤液并由此生成基本不含溶解固体的渗透液。在另外的一种或多种实施方式中，反渗透膜单元设置成接受至少一部分超滤液从而由此生成基本不含溶解固体的渗透液。如本文所用，术语“基本不含溶解固体”是指渗透液包含小于2重量％的溶解固体。在一种或多种实施方式中，渗透液包含小于1重量％的溶解固体。在另一组实施方式中，渗透液包含小于0.5重量％的溶解固体。在另一组实施方式中，渗透液包含小于0.1重量％的溶解固体。
在一种或多种实施方式中，在海底加工系统中使用水下换热器来冷却或加热水或含烃流体。在海底生成的含烃的流的温度一般较热，通常在30-150℃的温度范围内。为了加工或传输这样热的烃流体流，在一种实施方式中使用换热器通过将该流冷却或加热到一特定温度来调节该流的温度。在另一种实施方式中，通过换热器加热或冷却水流(例如海水或产生的水)。使用海水来直接冷却相对较热的含烃流体以及加热或冷却水流如海水或油气田采出水会导致结垢和生物污染，从而要求对换热器中的表面进行清洁。
因此，在本发明的第一方面中，海底水加工系统简单地包括电化学单元，该单元利用原始或经处理的海水来产生高PH和低PH的溶液，在清洁周期过程中，通过使这些溶液经由就地连接电化学单元和海底工艺设备的酸或碱流动管路而循环通过至少一个海底工艺设备来清洁至少一个海底工艺设备。
在本发明的一些实施方式中，至少一个海底工艺设备是膜分离元件。
在本发明的一些实施方式中，至少一个海底工艺设备是换热器。
在本发明的一些实施方式中，至少一个海底工艺设备是碳氢化合物如油气生成系统的组件。
在本发明的一些实施方式中，至少一个海底工艺设备是管路。
在本发明的一些实施方式中，至少一个海底工艺设备是注入或生产井。
在本发明的一些实施方式中，至少一个海底工艺设备是用于将酸注入储油层中以促进烃生产储油层烃生产的泵。
在本发明的一些实施方式中，海底水加工系统是一种水注入系统。
在本发明的一些实施方式中，高PH溶液的PH高于9.5，低PH溶液的PH低于4。
在本发明的一些实施方式中，酸/碱产生单元是一种没有膜的电解单元。
在本发明的另一些实施方式中，酸/碱产生单元是一种具有膜的电解单元。
在本发明的一些实施方式中，酸/碱产生单元是一种双极膜电渗析(BPED)单元。
在本发明的一些实施方式中，酸/碱产生单元是一种具有二室设计或三室设计的双极膜电渗析单元。
在本发明的一些实施方式中，酸/碱产生单元能供应低PH溶液，用于注入到储油层地层中以便促进烃生产。
在本发明的一种或多种实施方式中，向电化学单元供给的水具有低于10000毫克/升、优选低于5000毫克/升、更优选低于200毫克/升、更优选低于50毫克/升、甚至更优选低于10毫克/升的Ca2+和Mg2+离子总浓度。
在本发明的一种或多种实施方式中，向电化学单元供给的水经过了纳滤、离子交换、或其组合方法的处理从而基本除去了Ca2+和Mg2+离子。
在一个具体的方面中，本发明涉及一种海底水加工系统，其包括至少一个水下膜分离元件，该元件设置在从海水引入口到水注入泵的供给管路中。提供了一个酸和碱产生单元，利用海水或油气田采出水在电化学过程中产生高PH和低PH的清洁溶液，在膜清洁周期过程中，使这些溶液经由酸或碱流动管路以及就地连接酸/碱产生单元与该海底水加工系统的至少一个膜分离元件的阀而循环通过至少一个膜分离元件。
在一种实施方式中，酸/碱产生单元经由水力环路、经由专用泵与至少一个水下膜分离元件水力连接。
在一种实施方式中，酸/碱产生单元经由水力环路与升压泵水力地连接，该升压泵在正常操作中将海水供给通过水下膜分离元件，在膜清洁周期过程中选择性地将酸或碱清洁溶液供给通过至少一个膜分离元件。
在海水注入系统中就地产生酸/碱清洁溶液的实现方式包括酸/碱产生单元，该单元经由水力环路可就地与至少一个水下膜分离元件连接，该元件包括水下粗过滤膜(CF)、多介质过滤膜(MMF)、微滤过滤膜(MF)、超滤过滤膜(UF)、纳滤过滤膜(NF)、反渗透过滤膜(RO)、或者以上两种或更多种的组合中的任一种。
酸/碱产生单元可经由水力环路就地与至少一个水下膜分离元件连接，该元件包括单孔或多孔中空纤维膜、板框膜、管状膜、或螺旋卷绕式膜中的任一种。
酸/碱产生单元还可经由水力环路就地与至少一个水下膜分离元件连接，设置该元件以按从外向里或从里向外流动模式以及按闭端或交叉过滤模式进行操作。
本发明的一些实施方式包括酸/碱产生单元，该单元可经由水力环路就地与至少一个水下分离元件连接，该元件位于海床上、或水下靠近表面处、或附连于浮式平台。
在另一个方面中，本发明涉及一种在海底就地清洁海底水加工系统的方法，该方法包括：
·将酸和碱产生单元与海底加工设备水力连接，
·在酸/碱产生单元中就地从海水或油气田采出水产生高PH和低PH的清洁溶液，
·在清洗周期过程中使清洗溶液经由酸和碱溶液的流动管路和阀而循环通过海底加工设备。
在一种实施方式中，本发明涉及一种用于清洁海底水加工系统的膜的方法，该系统包括至少一个水下膜分离元件，该元件设置在从海水或油气田采出水引入口到水注入泵的供给管路中，该方法包括：
·将酸和碱产生单元与至少一个水下膜分离元件水力连接，
·在酸/碱产生单元中就地从海水产生低PH和高PH的清洁溶液，
·在清洁周期过程中使清洁溶液经由酸和碱溶液的流动管路和阀而循环通过至少一个水下膜分离元件的膜。
在一种优选的实施方式中，该方法还包括：
·设置并操作升压泵，以正常操作方式将海水供给通过水下膜分离元件，
·将酸/碱产生单元与升压泵水力地连接，以及
·任选地操作升压泵，以在膜清洁周期中将就地产生的低PH或高PH的溶液供给通过至少一个水下膜分离元件。
在用于清洁海底工艺设备的方法的另一种优选的实施方式中，可以在管路中或在容器中将高PH和低PH的清洁溶液合并，从而互相中和后再排放。
在该方法的另一种优选的实施方式中，海底工艺设备的高PH和低PH清洁作为“一次性通过过程”进行，不需要再循环。
附图说明
以下参考附图进一步讨论本发明的一些实施方式和细节，其中：
图1-13示出海底水加工系统的一些不同的实施方式，
图14(a)是显示由实验室规模的双极膜电渗析单元(BPED)产生的酸和碱流的PH值的图，
图14(b)是显示产生的NaOH溶液的浓度的图，
图14(c)是显示实验室规模的酸和碱产生系统的电流效率的图。图14a-c中的所有数据都在25℃和以合成海水作为给水的条件下获得，
图15(a)是显示由实验室规模的BPED单元产生的酸和碱流的PH值的图，
图15(b)是显示产生的NaOH溶液的浓度的图，
图15(c)是显示实验室规模的酸和碱产生系统的电流效率的图。图15a-c中的所有数据都在4℃和以合成海水作为给水的条件下获得，以及
图16是实验室试验中所用的BPED单元的示意图。
具体实施方式
参考图1，以水注入系统1为形式的海底水加工系统的一种实施方式包括浸没式水过滤站2、泵3将海水或油气田采出水从水入口4供给通过过滤站到达水注入泵5，通过水注入泵5将处理后的水注入到注入井6中的含油和/或气的地层7中。系统1可经由脐带管路9从顶部控制站8控制水注入。水注入系统1的控制中也可包括海底控制元件10。
浸没式水过滤站2可包括水下膜分离元件，沿着水通过系统1的供给方向，过滤站2元件包括依次更细等级的能分离越来越小颗粒或离子的水下膜分离元件。过滤器可包括粗过滤元件11和细过滤元件12。
在本文中，从海水中分离微粒物质和微生物通常包括使用不同种类的过滤器或膜在若干阶段中进行过滤。在海水处理工艺中应用的过滤器或分离膜的范围涵盖了海底粗过滤器(CF)元件和多介质过滤器(MMF)，元件以及微滤(MF)元件、超滤膜(UF)元件、纳滤(NF)和反渗透(RO)元件中使用的膜。在膜过滤中，压力迫使水通过半透膜并从水中分离出颗粒或离子类物质(主要通过尺寸排阻或溶解扩散)。除了过滤单元的孔尺寸及其保留的物质(如颗粒、离子)的尺寸以外，这些单元互相之间大体上没有很大的区别。一般来说，超滤膜的孔尺寸或物质尺寸排除容量在0.005-0.1微米的范围内，而纳滤膜在0.001-0.01微米的范围内，反渗透膜能排除低至0.0001微米范围尺寸的物质。
本发明水下分离元件中包括的过滤膜并不限于上述精确的数字和范围。以上内容只是一般性描述和举例说明可应用于海水注入系统1中的不同种类的过滤器。
例如，粗过滤器11可使用滤网(strainer)或作为多介质过滤器，而细过滤阶段12可由许多如图1所示设置的超滤元件13组成。可适当地使用纳滤器元件14和/或反渗透元件15所提供的纳滤和/或脱盐来补充细过滤阶段。在附图中，标号RS是指从膜分离元件11-15排出的浓缩或排放液。
在水注入系统1中，酸和碱产生单元16与至少一个水下分离元件11-15水力地连接并且利用环境海水或油气田采出水作为输入就地产生酸和碱清洁溶液。在附图中，输入到酸和碱产生单元16(在本文中也指酸/碱产生单元16)中的海水或油气田采出水用附图标记17表示。酸/碱产生单元16可经由酸和碱溶液流动管路18和19以及阀20和21与一个或多个膜分离元件连接，在膜清洁周期过程中，这些流动管路和阀用于选择性供给酸和碱清洁溶液。可通过升压泵3或经由专用泵22来促使酸和碱清洁溶液循环通过膜，这种泵为此目的经由水力环路23以及阀24、25和26而与酸/碱产生单元16水力地连接。如图1中的虚线所示，水力环路23可延伸到水注入系统中的其他膜分离元件。
应注意图1仅简要描述水注入系统和示出设置有就地操作且水力连接的酸/碱产生单元16的布局。在实际情况中，向水下分离元件供给酸和碱清洁溶液的水力环路可适当地包括额外的流动管路、方向性控制阀、和截止阀。如连续线27所示，可经由脐带管路9和顶部控制元件8或海底控制元件10来实现动力供给以及对酸/碱产生单元16的操作和膜清洁周期的监测和控制。
水注入系统的一些实施方式包括一个或多个水下膜分离元件，这些元件包括水下粗过滤膜(CF)、多介质过滤膜(MMF)、微滤过滤膜(MF)、超滤过滤膜(UF)、纳滤膜(NF)、或反渗透过滤膜(RO)中的任一种。
图2显示图1的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于图1的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。图2的实施方式包括额外的混合或贮存容器31和32。利用容器31来贮存产生的酸和碱清洁溶液。通过供给纳滤(NF)渗透液流35来控制酸和碱流的PH值和浓度。可利用容器31和32来贮存CIP废物，然后再进行中和和排放。在图2中，附图标记33和34指向排放阀。
图3显示图2的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于图1和2的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。图3的实施方式包括利用超滤(UF)渗透液流37来供给酸和碱产生单元16(与图1和2的实施方式中利用原始海水或油气田采出水供给酸和碱产生单元的情况进行比较)。
图4显示图3的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于图1-3的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。图4的实施方式包括利用纳滤(NF)渗透液流38来供给酸和碱产生单元16(与图1-3中原始海水或超滤渗透液流来供给酸和碱产生单元的情况进行比较)。
由于纳滤膜能从供给到酸和碱产生单元池的水中除去二价和反应性的钙和镁离子，碳酸钙CaCO3和氢氧化镁Mg(OH)2晶体在电化学装置器中或在下游过滤器和膜中结垢和沉积的问题将明显减轻或完全避免。纳滤膜滤液所含的已知会污染电化学池的物质诸如Ca2+和Mg2+之类的二价离子较少。因此，供给到酸和碱产生单元中的纳米滤液所含的Ca2+和Mg2+较少，而可以利用的卤化物盐例如氯化钠较多。
图5显示图4的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。在图5的实施方式中，还通过第二级纳滤膜元件40进一步过滤一级纳滤的渗透液38以进一步降低Ca和Mg浓度，从而防止在酸和碱产生单元16中结垢。
原始海水的Ca2+和Mg2+离子的总浓度约为1500-2000毫克/升。一个纳滤膜元件之后，其总浓度为80-120毫克/升，该浓度仍然可能污染电极和膜。第二级纳滤膜元件之后，Ca2+和Mg2+的总浓度在20-40毫克/升的范围内，能显著降低污染电化学池的可能性。
来自纳滤膜元件40的浓排水流可作为RO进水、或直接排放、或可注入井中采油。
图6显示图5的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。在图6的实施方式中，通过第三级纳滤膜元件41进一步过滤NF渗透液38以进一步降低Ca2+和Mg2+浓度，从而防止在酸和碱产生单元16中结垢。
第三级纳滤之后，Ca2+和Mg2+离子的总浓度小于10毫克/升，有效地减轻了酸和碱产生单元池中的电极和膜的污染。
来自纳滤膜元件40和41的浓排水可作为RO进水、或直接排放、或注入到井中采油。
图7显示图6的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。在图7的实施方式中，使RO浓缩液(即浓排水)流39(而不是NF渗透液流38)通过三级滤膜元件40-42以除去Ca2+和Mg2+离子，并随后供给到酸和碱生产单元16中。
利用RO浓缩液流供给酸和碱产生单元的一个优点在于，这种浓缩液流富含有用的卤化物盐例如氯化钠(是普通海水的2倍)，在纳滤处理之后作为污染物质的Ca2+和Mg2+较少。
图8显示海底水加工系统的一种实施方式，其中仅将经过粗过滤和超滤产水水注射到油井中，即，在主要处理序列中不包括纳滤和反渗透单元。
在所示实施方式中，通过单独一个极板的较小的纳滤膜单元40进一步过滤超滤渗透液37以降低Ca2+和Mg2+浓度，从而防止酸和碱产生单元16中结垢。如同之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洗。来自纳滤元件40的浓缩液流可作为反渗透RO进料、或排放、或注入到IOR井中采油。
图9显示图8的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洗。在图9的实施方式中，通过双级纳滤膜单元40和41进一步过滤UF渗透液37以降低Ca2+和Mg2+浓度，从而防止酸和碱产生单元16中结垢。
来自纳滤膜单元40和41的浓缩液流可作为RO进水、或直接排放、或注入到井中采油。
图10显示图9的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洗。在图10的实施方式中，通过三级纳滤膜单元40-42进一步过滤UF渗透液37以降低Ca2+和Mg2+浓度，从而防止BPED结垢。来自单元40、41和42的浓缩液流可作为RO进水、或直接排放、或注入到I井中采油。图11显示图8的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洗。在图11的实施方式中，通过离子交换单元50(而不是纳滤膜单元)进一步处理纳滤渗透液38以降低Ca2+和Mg2+浓度，从而防止酸和碱产生单元16中结垢。
图12显示图8的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。类似于之前的实施方式，利用产生的酸和碱来对膜进行化学清洁。在图12的实施方式中，通过纳滤膜单元40和离子交换单元50的组合进一步过滤超滤渗透液37以降低Ca和Mg浓度，从而防止酸和碱产生单元16中结垢。
图13显示图7的海底水加工系统1的一种改进的实施方式。在图13的实施方式中，海底水加工系统包括换热器60。海水通过粗过滤器11、超滤过滤器13、纳滤过滤器40，随后供给到酸和碱产生单元16中。利用产生的酸和碱来对换热器60进行化学清洗。
在海底水加工系统的一些实施方式中，酸/碱产生单元可经由水力环路就地与至少一个水下膜分离元件元件连接，该元件包括单孔或多孔的中空纤维膜、板框式膜、管状膜、或螺旋卷绕膜中的任一种。
水注入系统的一些实施方式包括可经由水力环路就地与至少一个水下膜分离元件连接的酸/碱产生单元，该元件设置成以从外向里或从里向外的模式以及以闭端或交叉过滤模式操作。
水注入系统的另一些实施方式包括可经由水力环路就地与至少一个水下分离元件连接的酸/碱产生单元，该元件位于海床上、或水下靠近表面处、或附连于浮式平台。
本发明的一些实施方式包括酸/碱产生单元作为独立单元、或以组合件方式操作的一些应用，作为组合件时，过滤元件位于上游处，仅用于酸/碱产生单元。一些实施例包括以下的任意组合：酸/碱产生单元和上游粗过滤膜，或者上游粗过滤和超滤膜，或者粗过滤、超滤和纳米过滤膜，它们都按顺序设置在酸/碱产生单元的给水上游中。
还设想可以在组合件内的任意所需位置处设置用于将海水供给通过膜或其他海底工艺设备的一个或多个泵。对于储油层驱动而言可能需要高压注入泵。还设想可以对酸/碱产生单元进行配置，从而产生其浓度适合于特定工艺的高浓缩或更为稀释的酸或碱溶液。
以上任意选项都可用于化学品的就地产生，以用于海底过滤膜、海底换热器、管道和流动管路、以及其他海底工艺设备，用于注入井和生产井等。
实验
实验室的概念验证试验已经证明能就地按需从海水产生酸和碱。图14和15显示使用双极膜电渗析单元(BPED)并以合成海水作为进料在室温和深海底温度(4℃)下获得的实验室规模的试验结果。
制备这个试验的合成海水所使用的盐包括KCl、MgCl2、CaCl2、NaCl、和NaHCO3(都来自中国医药化学试剂有限公司(Sinopharm Chemical Reagent Co.，Ltd)。从经浓缩的盐酸溶液和固体NaOH(中国医药化学试剂有限公司)制备酸和碱溶液。
使用从GE发电与水处理公司获得的BPED电解池组进行试验。图16显示BPED电解池组中包括的一个单元的示意图，该电解池组包括6个这样的单元。单个BPED单元由一片阴离子交换膜(AM)、一片阳离子交换膜(CM)、和一片复合双极膜(BP)组成，该复合双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜制成。在操作过程中，对该电解池组充电在双极膜的表面处诱发水裂解反应，并且产生质子和氢氧根离子。此外，在阴极表面处发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，在阳极表面处发生相应的氧化反应生成氧气和质子。
对于实验室规模的装置，将电化学充电系统(德国Digatron能源电子有限公司(Germany Digatron power electronics Co.，Ltd))连接至BPED电解池组的两个电极以提供特定的电流和电压。使用SevenMulti的PH和电导计(Metler Toledo)确定产生的碱和酸的PH值。其还用于确定试验过程中合成海水的电导率。当试验过程中电导率下降时，向系统中加入新鲜的合成海水。使用泵(LongerPump)将合成海水泵送至BPED电解池组中并将酸/碱泵出BPED电解池组以形成再循环体系。使用带温度调节的水浴(Fisher Scientific)将合成海水保持在恒定温度。最后使用搅拌器(Heidolph仪器公司(Heidolphinstruments))保持合成海水的浓度均匀。
图14a和15a中显示的结果表明，碱性产水的PH快速达到10-12及以上；酸性产水的PH在几分钟内达到2-3.5或以下，足以用于膜清洁目的。图14b和15b显示，碱浓度可达到2-18克/升，或0.2-1％重量百分比，具体取决于反应时间、电流密度和温度。充电电流和温度的增大会加快碱/酸产生速率，原因在于电场更强且离子迁移率更快。电流密度提高会使能量消耗增大。在试验中采用了100、250、400毫安/平方厘米的条件。对于所有试验发现，电流效率在60-85％的范围内。在4℃和较高电流密度条件下，电流效率比室温条件下略有降低，原因在于离子迁移率较慢。
实验室试验证明，能够使用电渗析单元来为膜和其他海底工艺设备的CIP(在线清洁)就地按需地产生碱和酸。显然，引用的实验室试验在BPED单元上进行，该单元具有较小的膜面积，并且该系统为再循环模式。商用BPED单元具有明显更大的膜面积，因此通常以一次通过模式(与再循环相对比)进行给水，从而直接产生酸和碱，不需要再循环。
已经证明能从海水就地产生酸和碱，与照搬传统岸上或顶上(平台或FPSO)的CIP系统设计并使之适合海底环境相比，本发明提供了很多优点。这些优点包括对生态友好、重量和占地面积都小得多、明显降低的CAPEX(capex)和OPEX(运行费用)、以及极佳的稳健性。而且，酸/碱产生单元的元件化设计能保证规模放大的可行性。
以上所述和附图仅为本发明的较佳实施例而已，而不能以此限定本发明实施的范围。所附权利要求涵盖所揭示的实施方式以及能在本发明范围内推导出的修改。即凡依本发明的权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (15)

1.一种海底水加工系统，其包括一种电化学单元，该单元利用原始或经处理的海水或油气田采出水来产生高PH和低PH的溶液，在清洁周期过程中，通过使这些溶液经由将该电化学单元与海底工艺设备连接的酸或碱流动管路而循环通过至少一个海底工艺设备来就地在线清洁该海底工艺设备。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个海底工艺设备选自膜分离元件元件、换热器、碳氢化合物(油气)生产系统的组件、管线、注入井或生产井、用于将酸注入储油层中用于驱动储油层的泵、以及水注入系统。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高PH溶液的PH值高于9.5，所述低PH溶液的PH值低于4。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)是一种没有膜的电解单元。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)是一种具有膜的电解单元。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)是一种双极膜电渗析(BPED)单元。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生是一种具有二室设计或三室设计的双极膜电渗析单元。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)能供给低PH溶液，用于注入到储油层地层中从而促进烃生产。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，到电化学单元的给水的Ca2+和Mg2+离子的总浓度低于10000毫克/升、优选低于5000毫克/升、更优选低于200毫克/升、更优选低于50毫克/升、甚至更优选低于10毫克/升。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过纳米过滤、离子交换、及其组合的方式对到电化学单元的给水进行处理，以基本除去Ca2+和Mg2+离子。
11.一种包括至少一个设置在从海水引入口(4)到水注入泵(5)的供给管路中的水下膜分离元件元件(11-15)的海底水加工系统，其特征在于，具有利用海水或油气田采出水(17)在电化学过程中产生高PH和低PH的清洁溶液的酸和碱产生单元(16)，在膜清洁周期过程中，这些清洁溶液经由将酸/碱产生单元(16)与水注入系统的水下膜分离元件元件就地连接的酸或碱流动管路(18、19)和阀(20、21)而循环通过至少一个水下膜分离元件。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)是一种双极膜电渗析(BPED)单元。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)经由水力环路(23)与升压泵(3)水力地连接，升压泵(3)在正常操作中将海水或油气田采出水供给通过水下膜分离元件并且在膜清洁周期过程中选择性地将酸或碱清洁溶液供给通过至少一个水下膜分离元件。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)经由水力环路(23)可与至少一个水下膜分离元件(11-15)就地连接，该元件包括水下粗过滤膜(CF)、多介质过滤膜(MMF)、微滤过滤膜(MF)、超滤过滤膜(UF)、纳滤过滤膜(NF)、或反渗透过滤膜(RO)中的任一种。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述酸/碱产生单元(16)经由水力环路(23)可与至少一个水下膜分离元件(11-15)就地连接，该元件包括单孔或多孔的中空纤维膜、板框式膜、管状膜、或螺旋卷绕式膜中的任一种。
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