CN106540518A - 污水及锅炉烟气处理零排放辅助蒸汽热采的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气田开发领域，具体涉及污水及锅炉烟气处理零排放辅助蒸汽热采的装置及方法。所述方法为将注采污水排出系统排出的污水和蒸汽锅炉排出的烟气结合利用污水溶解烟气中的二氧化硫处理去除二氧化硫后的烟气得到干燥二氧化碳和氮气混合气体，将所述干燥二氧化碳和氮气混合气体作为辅助蒸汽热采的气源；同时烟气和污水结合时烟气和污水进行热交换得高温污水，处理高温污水得到符合锅炉用水标准的清水和固态析出物，将清水作为蒸汽锅炉注汽用清水，蒸汽锅炉所得蒸汽作为蒸汽热采的蒸汽源；达到污水及锅炉烟气处理零排放同时辅助蒸汽热采。
Description
技术领域
本发明主要属于油气田开发领域，具体涉及污水及锅炉烟气处理零排放辅助蒸汽热采的装置及方法。
背景技术
国内的稠油开采主要以热采为主，所使用的蒸汽发生器，在生产高干度蒸汽的同时会产生无法利用的烟道气。一方面，烟道气中含有二氧化碳、氮气、硫化物等对环境造成极大污染的有害气体；另一方面，排放的烟道气温度大约在170℃-220℃，含有大量的可再利用的热源，回收利用后，可以节约大量的能源。
蒸汽锅炉产生的烟道气中含有10%-15%的二氧化碳和80%-85%的氮气，同时是注汽采油所需的两种关键组分。烟道气辅助热力采油是改善稠油油田开发效果、提高采收率的有效途径。二氧化碳是一种在水和油中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可以使原油体积膨胀，粘度下降。同时CO2还可以与原油混相，抽提原油中的轻质成分使其气化，从而降低界面张力，实现混相驱；二氧化碳还有改善流度比，抽提、萃取和气化原油中的轻烃、利用分子扩散作用提高油藏渗透率等突出作用。氮气由于压缩系数和体积系数都比其他气体大，在水中溶解度小，粘度和甲烷接近，还因为是惰性气体，不燃烧，无毒无腐蚀性，与大多数流体混合时呈泡沫状态，能对流体起一定的举升作用，所以可利用它进行非混相驱、混相驱、重力驱、复合驱、水气交替驱等多种驱油方式，提高油气采收率。如何将蒸汽锅炉产生的烟道气中含有的10%-15%的二氧化碳和80%-85%的氮气利用起来进行注汽采油是一个研究方向。
同时，我国大部分油田己进入石油开采的中后期阶段，主要采用注水开发方式，注采不平衡的开发矛盾导致绝大部分油井采出液含水为70-80%，有的油田甚至高达90%以上。同时随着油田的不断开发，油井采出液含水量将会不断的增加，导致国内油田产生非常巨大的污水量，不但处理难度大，产生的处理费用也很高。产生的污水主要的处理方式是在集油站分离后再进行回灌，这些污水是重要的工业污染源之一，其中所含的大量的油类、悬浮物、重金属等物质对土壤、水生生物、人体健康和农作物生长危害很大。如果把如此大量的采出水直接外排，将造成非常严重的环境污染问题，同时又浪费了宝贵的水资源。而热采井注汽需要大量经过处理的清水，一台锅炉每口井注汽量在1500-2500吨，需要清水1800-3000 吨。在水资源日益紧缺的今天，如此大的用水量的来源是一个需要解决的问题。因此，油田污水的处理对环境保护至关重要，同时也关系到油田企业未来的生存与发展，是油田实现可持续开发和提高油田经济效益节约成本的一个重要途径。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了污水及锅炉烟气处理零排放辅助蒸汽热采的装置及方法将注汽锅炉产生的烟气回收，进一步利用烟气余热，处理油田污水，加热锅炉用水，实现降低能耗的目的，不仅能大大的降低油田的采油成本，还有利于保护环境减少污染，同时将烟气注入油藏，改善稠油注蒸汽开采的效果，提高原油采收率，减少温室气体的排放。
本发明是通过以下技术方案实现的：
污水及锅炉烟气处理零排放辅助蒸汽热采的方法，其特征在于，所述方法为将注采污水排出系统排出的污水和蒸汽锅炉排出的烟气结合利用污水溶解烟气中的二氧化硫处理去除二氧化硫后的烟气得到干燥二氧化碳和氮气混合气体，将所述干燥二氧化碳和氮气混合气体作为辅助蒸汽热采的气源；同时烟气和污水结合时烟气和污水进行热交换得高温污水，处理高温污水得到符合锅炉用水标准的清水和固态析出物，将清水作为蒸汽锅炉注汽用清水，蒸汽锅炉所得蒸汽作为蒸汽热采的蒸汽源；达到污水及锅炉烟气处理零排放同时辅助蒸汽热采。
进一步地，将所述干燥二氧化碳和氮气混合气体压缩为高压混合气体作为辅助蒸汽热采的气源。
进一步，处理高温污水得到符合锅炉用水标准的清水和固态析出物包括污水深度处理、高浓度盐处理和蒸馏结晶处理；
所述污水深度处理包括过滤无机颗粒、除油、脱盐、脱氧；
所述高浓度盐处理包括用使用保安过滤器、精密过滤器除硬除盐和利用高盐水淡化反渗透装置过滤；
所述蒸馏结晶处理包括真空除氧、除二氧化碳、经NMVR蒸发系统和NMVR蒸汽压缩机进行蒸发处理、经强制循环结晶器处理，得到所述符合锅炉用水标准的清水和固态析出物；
所述固态析出物为成品盐。
污水及烟气处理零排放辅助蒸汽热采的装置，所述装置分别于注采污水排出系统、蒸汽锅炉和油管相连；所述蒸汽锅炉包括清水入口、蒸汽出口和锅炉烟气出口；所述装置包括烟气净化和污水处理装置、热交换装置和液气分离装置；所述热交换装置包括污水入口、烟气入口、污水出口和烟气出口；所述污水入口与所述注采污水排出系统相连，所述烟气出口与所述液气分离装置相连，所述污水出口和所述烟气入口与所述烟气净化和污水处理装置相连；所述烟气净化和污水处理装置与所述清水入口和所述锅炉烟气出口连接；所述液气分离装置同时与所述清水入口和所述油管连接；所述蒸汽入口与所述油管相连接，所述烟气净化和污水处理装置包括污水处理系统。
在所述烟气净化和污水处理装置中，蒸汽锅炉产生的锅炉烟气和注采污水排出系统排出的污水相遇，污水将锅炉烟气中的二氧化硫溶解，去除二氧化硫的烟气通过烟气入口进入热交换装置并于通过污水入口进入的污水进行热交换，热交换后的烟气通过烟气出口进入液气分离装置，热交换后的污水通过污水出口进入烟气净化和污水处理装置，液气分离装置将烟气中的水分和气体分离，水分通过清水入口进入蒸汽锅炉，气体进入油管，溶解有二氧化硫的污水被水处理系统处理为可用清水，通过清水入口进入蒸汽锅炉；所述气体为二氧化碳和氮气的混合气体，混合气体以辅助高温蒸汽形式进入油层，辅助开采。
污水和烟气相互影响：一方面，从蒸汽锅炉中排出的烟气温度大约在在170-200℃，而注采污水排出系统排出的污水温度较低大约在5-25℃，在热交换装置中，低温的污水和高温的烟气接触相互热量交换，将低温污水变为高温污水（30-35℃），高温污水处理后得到锅炉用水，温度提高后再燃烧加热可减少使用锅炉燃料，提高燃烧生成蒸汽效率；另一方面，在烟气净化和污水处理装置中，烟气成分为二氧化硫、二氧化碳、氮气和水汽，烟气和污水接触使烟气中的二氧化硫溶解在污水中，去除烟气中的二氧化硫。
进一步地，所述污水处理系统包括污水深度处理系统、高浓度盐水处理系统和蒸馏结晶处理系统；污水经所述污水深度处理系统后分离为达标水和高浓度盐水，所述高浓度盐水经所述高浓度盐水处理系统后分离为达标水和超高浓度盐水，所述超高浓度盐水经所述蒸馏结晶处理系统分离为达标水和成品盐。
进一步地，所述污水深度处理系统包括絮凝沉淀罐、一级机械过滤器、二级机械过滤器、超滤（碳化硅sic）过滤器、树脂除油处理罐、脱盐脱氧处理装置；污水首先经过絮凝沉淀罐，对无机颗粒进行絮凝沉降，再经过两级过滤器（石英砂、陶粒或核桃壳介质）及超滤（碳化硅sic）过滤对细的无机颗粒实施过滤，再经树脂除油罐除油处理，最后经过滤膜脱盐、脱氧，过滤后达到锅炉用水指标（具体指标见油田污水过滤系统中的锅炉用水标准）后进入锅炉，此处达标水大约占到整个来水的65%，对于不达标的35%污水进入高盐水处理系统处理
所述高盐水处理设备包括化学除硬罐、增压泵、保安过滤器、精密过滤器、高盐水淡化高压泵、高盐水淡化反渗透装置。
高浓盐水处理方法：
不达标的35%污水首先实施化学除硬度，再经高盐水增压泵泵送到保安过滤器、精密过滤器实施除硬除盐后再经高盐水淡化高压泵泵送通过高盐水淡化反渗透装置过滤后达到锅炉用水指标（具体指标见[001]油田污水过滤系统中的锅炉用水标准）后进入锅炉，此处达标水大约占到整个来水的17.5%，对于不达标的17.5%污水进入蒸馏结晶处理系统处理。
蒸馏结晶处理设备：抽真空设备、NMVR蒸发器、NMVR蒸汽压缩机、强制循环结晶器。
蒸馏结晶处理方法：
对于经高盐水处理设备处理后的不达标的17.5%污水先进行真空除氧、除二氧化碳，再经NMVR蒸发系统和NMVR蒸汽压缩机进行蒸发处理，最后经强制循环结晶器处理后得到锅炉达标用水和成品盐。
进一步地，所述液气分离装置与所述油管间连接有气压机，所述气压机将液气分离装置分离出的二氧化碳和氮气的混合气体压缩成高压混合气体；
本发明的有益技术效果：
（1）本发明通过对烟道气的除尘净化，去除了烟道气中的有害成分和烟尘，得到的是可以达到排放标准的清洁气体，保护了环境，减少了大气的污染，减少温室气体的排放。
（2）本发明将烟气注入油藏，改善稠油注蒸汽开采的效果，提高原油采收率。
（3）本发明将油田污水处理成注汽锅炉注汽用清水，同时利用注汽锅炉产生170℃-220℃左右烟道气的热能不但使污水得到净化，用于油田生产，也对烟气进行除尘，使有害物质结晶成析出物，进行固态化处理。
附图说明
图1、油田污水处理流程示意图；
图2、锅炉烟气污水处理流程示意图；
图3、锅炉烟道气辅助蒸汽吞吐机理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
污水及烟气处理零排放辅助蒸汽热采方法
如图2所示，油田生产产生的低温（5-25℃）污水经过热交换装置与进入热交换装置的烟气换热变成高温污水（30-35℃）；高温污水进入烟气净化、污水处理装置，高温污水从烟气净化、污水处理装置上部喷淋而下（喷淋的水压控制在0.2Mpa以内，流速不限），与进入烟气净化、污水处理的烟气接触，将废烟气中的二氧化硫溶解在污水中，污水继续通过污水处理装置进行深度处理至可用淡水（废水再通过外排泵送往废水处理装置）；脱除二氧化硫的废烟气通过热交换装置与流过该装置的低温污水通过热扩散原理换热后温度降低，变成低温水和二氧化碳加氮气；之后进入液气分离装置，干燥后的二氧化碳和氮气进入气压机，液气分离装置中分离出的蒸馏纯净水为蒸气锅炉提供锅炉用水，锅炉不足用水由油田污水处理流程处理后的纯净水补充。蒸气锅炉燃烧产生的的烟气进入烟气净化、污水处理装置，循环进行上述过程。蒸气锅炉燃烧产出的高温饱和蒸气由油管注入油层，通过气压机处理后的低温干燥二氧化碳和氮气从油井油管与套管环空注入油层，以烟气辅助高温蒸汽形式进入油层，辅助开采，提高采收率。
其中气压机是把0.1MPa的气体增压，为本工艺提供压力为22Mpa，排气量为5.7m3/min的气源注气设备。
油田采出污水指标（以胜利油田为例）：总硬度1925.34mg/l，总铁0.2mg/l，含油300.2mg/l，悬浮物10mg/l，矿化度10090mg/l，PH6.18，二氧化硅68.6mg/l；通过本方法中的过滤装置过滤处理后达到锅炉用水标准：总硬度0mg/l，总铁0mg/l，含油0mg/l，悬浮物0mg/l，矿化度≤50mg/l，PH7.5-8.3，二氧化硅≤30mg/l。
如图1所示，污水处理方法和装置：
油田污水进入处理系统后，经A污水深度处理系统处理后，得到65%达标锅炉用水，剩余的35%的污水经B高浓盐水处理系统处理后，得到17.5%达标锅炉用水，剩余的17.5%的污水经C蒸馏结晶处理系统处理后，得到15%达标锅炉用水，剩余2.5%的为有害物质结晶析出物进行固态化处理。
污水深度处理系统的设备包括：絮凝沉淀罐、一级机械过滤器、二级机械过滤器、超滤（碳化硅sic）过滤器、树脂除油处理罐、脱盐脱氧处理装置。
污水深度处理方法(化学法+物理法)：
来水首先经过絮凝沉淀罐，对无机颗粒进行絮凝沉降，再经过两级过滤器（石英砂、陶粒或核桃壳介质）及超滤（碳化硅sic）过滤对细的无机颗粒实施过滤，再经树脂除油罐除油处理，最后经过滤膜脱盐、脱氧，过滤后达到锅炉用水指标（具体指标见[001]油田污水过滤系统中的锅炉用水标准）后进入锅炉，此处达标水大约占到整个来水的65%，对于不达标的35%污水进入高盐水处理系统处理。
高盐水处理设备：化学除硬罐、增压泵、保安过滤器、精密过滤器、高盐水淡化高压泵、高盐水淡化反渗透装置。
高浓盐水处理方法：
不达标的35%污水首先实施化学除硬度，再经高盐水增压泵泵送到保安过滤器、精密过滤器实施除硬除盐后再经高盐水淡化高压泵泵送通过高盐水淡化反渗透装置过滤后达到锅炉用水指标（具体指标见[001]油田污水过滤系统中的锅炉用水标准）后进入锅炉，此处达标水大约占到整个来水的17.5%，对于不达标的17.5%污水进入蒸馏结晶处理系统处理。
蒸馏结晶处理设备：抽真空设备、NMVR蒸发器、NMVR蒸汽压缩机、强制循环结晶器。
蒸馏结晶处理方法：
对于经高盐水处理设备处理后的不达标的17.5%污水先进行真空除氧、除二氧化碳，再经NMVR蒸发系统和NMVR蒸汽压缩机进行蒸发处理，最后经强制循环结晶器处理后得到锅炉达标用水和成品盐。
锅炉烟气辅助蒸汽吞吐机理：
现有气体辅助蒸汽提高油藏采收率技术中，单纯的CO2辅助蒸汽技术最高能提高采收率大约在58.4%，CO2气源来源主要通过气源井产出或工厂对热电厂的废气处理制备。单纯的N2辅助蒸汽吞吐技术最高能提高采收率大约在47%，N2气源来源主要通过现场制氮车进行过滤制备。两种气源的来源成本都较高。对比不同气体在辅助开发过程中的效果，发现烟气具有最高的采收率，最终采收率能达到73.8%要明显高于CO2和N2两种单一气源辅助蒸汽开采效果。
如图3所示，蒸汽发生器产生的烟气经锅炉烟气处理装置(如图2)处理后，有效的CO2和N2混合气体与高干度湿蒸汽共同注入到目的井中，进行5-8天的焖井。在焖井期间，由于近井地带温度的回升，CO2开始析出、膨胀，扩大自身降粘范围，CO2和蒸汽的渗流搅拌作用下，拆散稠油芳香片聚集体，达到理想的基质降粘效果。同时由于CO2与原油及蒸汽的密度差异，在重力分异作用下，形成热对流，提高了换热效率，扩大波及体积。超覆的CO2在油层顶部富集，形成了气体隔热带，降低了蒸汽热损失。氮气自身具有很大的弹性膨胀系数，以游离形态大幅度增加地层回采驱替压力。在相同条件下，游离形态的氮气提供的弹性能量为二氧化碳气体的1.5～2倍。氮气可以与CO2共同作用增加油藏的能量。氮气可以显著增加稠油油藏吞吐过程中近井地带的油藏压差，延长生产周期，增加周期产液量。同时氮气“隔热被”聚集在油层顶部阻止向上部岩石热损失，降低油藏岩石导热系数，提高蒸汽热量的利用率。通过室内的相关物模实验，确定了单井实施烟气辅助热采吞吐后，单井油汽比提高10%，注汽量减少10%，通过辅助蒸汽吞吐后最终实现提高稠油油藏的采收率。
Claims (7)
1.污水及锅炉烟气处理零排放辅助蒸汽热采的方法，其特征在于，所述方法为将注采污水排出系统排出的污水和蒸汽锅炉排出的烟气结合利用污水溶解烟气中的二氧化硫处理去除二氧化硫后的烟气得到干燥二氧化碳和氮气混合气体，将所述干燥二氧化碳和氮气混合气体作为辅助蒸汽热采的气源；
同时烟气和污水结合时烟气和污水进行热交换得高温污水，处理高温污水得到符合锅炉用水标准的清水和固态析出物，将清水作为蒸汽锅炉注汽用清水，蒸汽锅炉所得蒸汽作为蒸汽热采的蒸汽源；达到污水及锅炉烟气处理零排放同时辅助蒸汽热采。
2.如权利要求1所述辅助蒸汽热采的方法，其特征在于，将所述干燥二氧化碳和氮气混合气体压缩为高压混合气体作为辅助蒸汽热采的气源。
3.如权利要求1所述辅助蒸汽热采的方法，其特征在于，处理高温污水得到符合锅炉用水标准的清水和固态析出物包括污水深度处理、高浓度盐处理和蒸馏结晶处理；污水深度处理将高温污水分离为符合锅炉用水标准的清水和高浓度盐水，所述高浓度盐水处理将所述高浓度盐水分离为符合锅炉用水标准的清水和超高浓度盐水，所述蒸馏结晶处理将所述超高浓度盐水分离为符合锅炉用水标准的清水和固态析出物；
所述污水深度处理包括过滤无机颗粒、除油、脱盐、脱氧；
所述高浓度盐处理包括用使用保安过滤器、精密过滤器除硬除盐和利用高盐水淡化反渗透装置过滤；
所述蒸馏结晶处理包括真空除氧、除二氧化碳、经NMVR蒸发系统和NMVR蒸汽压缩机进行蒸发处理、经强制循环结晶器处理，得到所述符合锅炉用水标准的清水和固态析出物。
4.污水及烟气处理零排放辅助蒸汽热采的装置，其特征在于，所述装置分别于注采污水排出系统、蒸汽锅炉和油管相连；
所述蒸汽锅炉包括清水入口、蒸汽出口和锅炉烟气出口；
所述装置包括烟气净化和污水处理装置、热交换装置和液气分离装置；
所述热交换装置包括污水入口、烟气入口、污水出口和烟气出口；
所述污水入口与所述注采污水排出系统相连，所述烟气出口与所述液气分离装置相连，所述污水出口和所述烟气入口与所述烟气净化和污水处理装置相连；
所述烟气净化和污水处理装置与所述清水入口和所述锅炉烟气出口连接；
所述液气分离装置同时与所述清水入口和所述油管连接；所述蒸汽入口与所述油管相连接，所述烟气净化和污水处理装置包括污水处理系统。
5.如权利要求4所述蒸汽热采的装置，其特征在于，所述污水处理系统包括污水深度处理系统、高浓度盐水处理系统和蒸馏结晶处理系统；
污水经所述污水深度处理系统后分离为达标水和高浓度盐水，所述高浓度盐水经所述高浓度盐水处理系统后分离为达标水和超高浓度盐水，所述超高浓度盐水经所述蒸馏结晶处理系统分离为达标水和成品盐。
6.如权利要求5所述蒸汽热采的装置，其特征在于，
所述污水深度处理系统包括絮凝沉淀罐、一级机械过滤器、二级机械过滤器、超滤（碳化硅sic）过滤器、树脂除油处理罐、脱盐脱氧处理装置；
所述高盐水处理设备包括化学除硬罐、增压泵、保安过滤器、精密过滤器、高盐水淡化高压泵、高盐水淡化反渗透装置；
蒸馏结晶处理设备包括抽真空设备、NMVR蒸发器、NMVR蒸汽压缩机、强制循环结晶器。
7.如权利要求4所述蒸汽热采的装置，其特征在于，所述液气分离装置与所述油管间连接有气压机，所述气压机将液气分离装置分离出的二氧化碳和氮气的混合气体压缩成高压混合气体。
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| GR01 | Patent grant | ||
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