CN110573460B - 用于供应低盐浓度注射水的过程和系统 - Google Patents

Abstract

一种淡化系统，包括：具有进口侧和出口侧的馈送泵；具有进口、RO渗透液出口和RO浓缩液出口的第一RO级；具有进口、RO渗透液出口和RO浓缩液出口的第二RO级，以及具有进口、NF渗透液出口和NF浓缩液出口的NF级；以及一组导管，所述一组导管适于：(a)将馈送泵的出口侧连接到第一RO级的进口；(b)将第一RO级的浓缩液出口连接到(i)第二RO级的进口和NF级的进口；以及(c)将第一RO级的渗透液出口、第二RO级的渗透液出口和NF级的渗透液出口直接或间接连接到低盐浓度水注射管线。

Description

用于供应低盐浓度注射水的过程和系统

技术领域

本发明涉及用于提供用于油储层的低盐浓度注射水的过程，该低盐浓度注射水具有受控的盐浓度用于避免地层损害以及足够低的硫酸根离子浓度以避免储层的酸化，以及涉及用于生产这种注射水的淡化系统。

背景技术

如在国际专利申请WO 2008/029124中所描述的，已知注射低盐浓度水到储层的含油地层内以便增强油从储层的回收。

与注低盐浓度水关联的问题在于，淡化技术可以产生具有低于用于到含油储层内的连续注射的最佳盐浓度的水。事实上，例如通过引起在地层中的粘土的膨胀，淡化水可以损害储层的含油岩石地层，且可以抑制油回收。因此，存在注射水的最佳盐浓度，其提供增强油回收同时缓解地层损害的风险的益处，且最佳值可以随着地层变化。通常，在含油地层包括包含高水平的膨胀粘土的岩石的情况下，在注射水具有在500ppm到5,000ppm的范围内，优选地在500ppm到3,000ppm的范围内，尤其在1,000ppm到2,000ppm的范围内的总溶解固体含量（TDS）时，可以避免地层损害，同时仍然从地层释放油。

然而，由于未处理的高盐浓度水的高的硫酸根离子和多价阳离子含量以及在未处理的高盐浓度水中痕量元素和养分的存在，不期望将具有低的多价阳离子和多价阴离子含量的淡化水与诸如海水的未处理的高盐浓度水混合。因此，这种混合水流的高硫酸根离子含量以及痕量元素和养分在混合水流中的存在可以导致硫酸盐还原细菌的增殖以及因此导致储层酸化。此外，在注射水接触通常在地层的原生水中存在的诸如钡、锶和钙阳离子的沉淀物前体阳离子时，混合水流的高多价阳离子含量可以导致不能溶解的矿物盐的不可接受水平的沉淀（结垢）。此外，淡化水与诸如海水的高盐浓度水的混合可以导致包含不可接受水平的多价阳离子（尤其是，钙和镁阳离子）的混合水流。因此，为了利用低盐浓度注射水实现增量式油回收，在低盐浓度注射水中的多价阳离子的浓度与在储层的原生水中的多价阳离子的比率应当小于1，优选地小于0.9，更优选地小于0.8，尤其小于0.6，例如，小于0.5。

国际专利申请公布号WO2011/086346涉及一种用于生产具有受控盐浓度和受控硫酸根离子浓度的注射水流的过程，该注射水流适用于注射到油储层的产油地层内，该过程包括如下步骤：

馈送水源水到淡化设施，所述水源水具有在20,000ppm到45,000ppm范围内的总溶解固体含量和在1,000ppm到4,000ppm的范围内，优选地在1,500ppm到4,000ppm范围内的硫酸根离子浓度，所述淡化设施包括多个反渗透（RO）膜单元和多个纳滤（NF）膜单元，其中，水源水被加压到在350 psi到1250 psi绝对值的范围内的压力，且将水源水分开以提供用于RO膜单元的馈送水（在下文中称为“RO馈送水”）以及用于NF膜单元的馈送水（在下文中称为“NF馈送水”）；

如果必要的话，在将RO馈送水引入到RO膜单元以及从RO膜单元抽出RO渗透液和RO渗余液之前，将RO馈送水的压力增加到在900psi到1250 psi绝对值范围内的值，其中，RO膜单元以单通、单级模式或以单通、两级模式操作，以及其中，RO渗透液的回收率基于馈送到RO膜单元的RO馈送水的体积在按照体积计35%到75%的范围内，优选地按照体积计35%到60%的范围内，使得RO渗透液具有小于250ppm的总溶解固体含量和小于3ppm的硫酸根离子浓度；

如果必要的话，在将NF馈送水引入到NF膜单元以及从NF膜单元抽出NF渗透液和NF渗余液之前，将NF馈送水的压力降低到在350 psi到450 psi绝对值范围内的值，其中，NF膜单元以单通、单级模式操作，以及其中，NF膜单元以在基于馈送到NF膜单元的NF馈送水的体积在按照体积计35%到60%的范围内的NF渗透液的回收率操作，使得NF渗透液具有在15,000ppm到40,000ppm的范围内，优选地，在15,000ppm到35,000ppm的范围内的总溶解固体含量以及小于40ppm，优选地小于30ppm的硫酸根离子浓度；以及，

使RO渗透液的至少一部分和NF渗透液的至少一部分以在2:1到40:1的范围内、优选地在4:1到27:1的范围内、尤其在10:1到25:1的范围内的比率混合，以提供具有在500ppm到5,000ppm的范围内，优选地在1,000ppm到5,000ppm的范围内的总溶解固体含量以及小于7.5ppm、优选地小于5ppm、更优选地小于3ppm的硫酸根离子浓度的注射水。

然而，由于离岸引起的问题在于，其中，在平台或浮动开采和卸载（FPSO）单元上存在有限的空间，使得将期望降低在膜淡化设施的NF级中的NF单元的数目，由此降低设施的占地面积和重量。

发明内容

在第一实施例中，本发明涉及淡化系统，包括：

具有进口侧和出口侧的馈送泵；

具有进口、RO渗透液出口和RO浓缩液出口的第一RO级；

具有进口、RO渗透液出口和RO浓缩液出口的第二RO级，以及，

具有进口、NF渗透液出口和NF浓缩液出口的NF级；以及，

一组导管，其适于：

(a)将馈送泵的出口侧连接到第一RO级的进口；

(b)将第一RO级的浓缩液出口连接到(i)第二RO级的进口以及（ii）NF级的进口；以及，

(c)将第一RO级的渗透液出口、第二RO级的渗透液出口和NF级的渗透液出口直接或间接连接到低盐浓度水注射管线。

在第二实施例中，本发明涉及用于处理馈送水的过程，包括如下步骤：

使馈送水流动通过第一反渗透（RO）过滤级，以生产第一级RO渗透液和第一级RO浓缩液；

使所述RO浓缩液的第一部分流动通过第二RO过滤级，以生产第二级RO渗透液和第二级RO浓缩液；以及，

使第一级RO浓缩液的第二部分流动通过纳滤（NF）级，以生产NF渗透液和NF浓缩液；

以及组合第一级RO渗透液、第二级RO渗透液和NF渗透液，以形成低盐浓度注射水流。

适当地，低盐浓度注射水流被注射到含油储层内。通常，含油储层被至少一个注射井和至少一个开采井穿透。低盐浓度注射水流可以被从注射井注射到储层内，以及朝向关联的开采井将油冲扫通过储层，从开采井回收油。可选地，一部分低盐浓度注射水可以被注射到注射井内，所述注射井具有基于在注射井及其关联的开采井之间的冲扫孔体积的在0.3到0.9的范围内、优选地在0.4到0.7的范围内的孔体积。在该部分低盐浓度注射水的注射之后，驱动水（例如，海水、河口水、高盐浓度采出水、高盐浓度蓄水层水或其混合物）可以被注射到注射井内以朝向开采井驱动低盐浓度水以及因此驱动油。

附图说明

图1是根据本发明的第一淡化系统的示意过程流程图。

图2是根据本发明的第二淡化系统的示意过程流程图。

定义

贯穿如下说明书，参考如下术语：

“馈送水”是被馈送到淡化系统的第一RO级的水。

“采出水”是在开采设施处从油气分离的水。

单位“ppmv”是“基于水的体积的百万分之一”，且等效于单位“mg/L”。

“反渗透膜元件”是包括反渗透（RO）膜的过滤元件。

“纳滤膜元件”是包括纳滤（NF）膜的过滤元件。

“反渗透（RO）过滤单元”包括压力容器，替代地，称为壳体，其包含一个或多个RO膜元件，优选地，在1和8个RO膜元件之间，尤其在4和8个RO膜元件之间。

“纳滤（NF）过滤单元”包括压力容器，其包含一个或多个NF元件，优选地在1和8个膜元件之间，尤其在4和8个NF膜元件之间。

RO或NF过滤单元的“压力容器”通常是柱形成形的容器，其具有柱形壁（即，柱体）以及布置在柱体的第一和第二端处的第一和第二端盖。

“淡化系统的反渗透（RO）级”是并联连接在一起的一组RO过滤单元。类似地，“过滤系统的纳滤（NF）级”是并联连接在一起的一组NF过滤单元。

“膜组块”包括RO和NF过滤级，RO和NF过滤级连接在一起以提供浓缩级，且通常共用公共的阀和管道。膜组块或两个或更多膜组块可以安装在滑道上。

具体实施方式

从本发明的优选实施例的如下描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。

本发明的淡化系统包括至少一个膜组块,所述至少一个膜组块包括RO阵列和NF阵列。RO阵列包括至少两个RO级，优选地两个或三个RO级。NF阵列包括至少一个NF级，优选地一个或两个NF级。RO级被连接在一起，以便跨RO级提供浓缩级。第一RO级还连接到NF阵列，以跨第一RO级和NF阵列的NF级提供浓缩级。

加压馈送水被馈送到第一RO级，第一RO级将馈送水分离成第一级RO渗透液和第一级RO浓缩液。在一些语境中，浓缩液也可以称为渗余液。第一级RO浓缩液然后被分成第一部分和第二部分，以分别提供用于第二RO级的RO馈送水以及用于NF阵列的NF馈送水。

在NF阵列具有单级的情况下，NF馈送水被分离成NF渗透液和NF浓缩液。从膜组块排出NF浓缩液，例如在离岸淡化系统的情况下，NF浓缩液经由NF浓缩液倾倒管线被排出到水体。在NF阵列具有两个级的情况下，第一NF级将NF馈送水分离成第一级NF渗透液和第一级NF浓缩液。第一级NF浓缩液然后用作到第二NF级的馈送，第二NF级将馈送分离成第二级NF渗透液和第二级NF浓缩液。从膜组块排出第二级NF浓缩液，例如在离岸淡化系统的情况下，第二级NF浓缩液经由NF浓缩液倾倒管线被排出到水体。第一级NF渗透液和第二级NF渗透液然后组合以形成组合的NF渗透液。

第二RO级将第一级RO浓缩液的第一部分分离成第二级RO渗透液和第二级RO浓缩液。在存在两个RO级的情况下，第二级RO浓缩液可以从膜组块排出，例如在离岸淡化系统的情况下，可以经由RO盐水倾倒管线倾倒在船外。

还设想第二级RO浓缩液可以流动通过第三RO过滤级，以形成第三级RO渗透液和第三级RO浓缩液。在存在三个RO级的情况下，第三级RO浓缩液可以从膜组块排出，例如在离岸淡化系统的情况下，可以经由RO盐水倾倒管线倾倒在船外。然而，设想第二级RO浓缩液可以被分开，以提供用于第三RO级的RO馈送水以及再循环到NF阵列以形成包括第一级和第二级RO浓缩液的掺混的NF馈送的馈送水。

通常，第一级RO渗透液、第二级RO渗透液和可选的第三级RO渗透液可以组合以形成组合的RO渗透液。在存在两个NF级的情况下，第一级NF渗透液和第二级NF渗透液可以组合以形成组合NF渗透液。NF渗透液（通过单级NF阵列生产）或组合NF渗透液（通过两级NF阵列生产）和组合RO渗透液可以然后掺混以形成低盐浓度注射水。然而，本领域技术人员将理解，不同的渗透液流掺混所遵循的次序可以变化。例如，在存在两个RO级和两个NF级的情况下，第一级RO渗透液可以与第一级NF渗透液组合，第二级RO渗透液可以与第二级NF渗透液组合，并且然后，两个掺混流可以组合以形成低盐浓度注射水流。

本领域技术人员将理解：

(1)相比RO膜元件，NF膜元件通常具有更低的操作压力；

(2)跨膜组块的每个级，存在压降；以及，

(3)可以使用一个或多个泵以及一个或多个阀（例如节流阀、背压阀阀或泄压阀）控制通过膜组块的压力和流动。

本发明的淡化系统的优点在于，在膜组块中的压力和流动可以被控制，以便调整第一级RO浓缩液的压力以匹配NF阵列所要求的馈送压力。如果必要的话，第一级RO浓缩液的第一部分（用作到第二RO级的馈送）被例如使用升压泵升压到处于或高于用于第二RO级的最小馈送压力的值。

替代地，在膜组块中的压力和流动可以被控制以便调整第一级RO浓缩液的压力，以匹配第二RO级所要求的馈送压力。例如，这可以通过将背压应用在第一级RO渗透液上来实现。如果必要的话，第一级RO浓缩液的第二部分（用作到NF阵列的馈送）在压力方面降低到处于或低于用于NF阵列的最大馈送压力的值。

在第二级RO浓缩液的一部分被再循环到NF阵列的情况下，如果必要的话，再循环的第二级RO浓缩液的压力可以通过使用升压泵被增加到高于用于NF阵列的最小馈送压力。如果再循环的第二级RO浓缩液的初始压力低于用于NF阵列的期望馈送压力，例如低于用于NF阵列的NF元件的最小操作压力，则这将是必要的。

淡化系统还具有阀和导管，以提供上文中所描述的流动路径。因此，膜组块的第一RO级额外地包括从第一RO级的浓缩液出口引出的主导管。该主导管在分支点处分开，以形成用于第二RO级的馈送导管以及用于NF阵列的馈送导管。可以在主导管中提供流动控制器，以便控制第一级RO浓缩液在第二RO级和NF阵列之间的分开。用于单级NF阵列或两级NF阵列中的第一级的NF单元的进口或馈送压力优选地在350到450psi绝对值范围内，尤其在380到420psi绝对值范围内，例如为大约400psi绝对值。在第一级RO浓缩液的压力高于用于NF阵列的期望馈送压力的情况下，可以在NF阵列的馈送导管中提供泄压阀，使得压力可被降低到期望馈送压力。替代地，可以在NF阵列的馈送导管中提供控制阀，其中，控制阀调节第一级RO浓缩液到NF阵列的流动，以及将第一级RO浓缩液的压力泄压到用于NF阵列的期望馈送压力。可以在第二RO级的馈送导管上提供升压泵，以将馈送压力升压到处于或高于用于第二RO级的最小馈送压力的值。在第一级RO浓缩液的压力低于用于第二RO级的期望馈送压力、尤其是低于用于第二RO级的RO元件的最小操作压力的情况下，这将是必要的。

适当地，在用于NF渗透液或组合NF渗透液与组合RO渗透液的掺混点的上游、在NF渗透液流动管线或组合NF渗透液流动管线上提供背压阀。背压阀确保NF渗透液或组合NF渗透液的压力足够高于RO渗透液的压力，以允许NF渗透液或组合NF渗透液被注射到组合RO渗透液内以形成低盐浓度注射水。适当地，在NF渗透液或组合NF渗透液的压力超过预设压力且允许足够的NF渗透液或组合NF渗透液通过阀的流动时，背压阀打开，以将NF渗透液的压力维持在高于预设压力处。通常，相比组合RO渗透液的压力，背压阀的预设压力高至少5psi。通常，组合RO渗透液的压力将在10到75 psi绝对值的范围内，优选地在20到55 psi绝对值的范围内。

膜组块的第二RO级可选地具有再循环导管，其配置成提供第二级浓缩液的至少一部分从第二RO级到NF阵列的再循环。再循环导管可以连接到用于NF阵列的馈送导管。再循环泵可以在再循环导管上提供，以使第二级RO浓缩液的压力升压。取决于第二级RO浓缩液的压力，再循环导管可以在泄压阀的上游或下游连接到用于NF阵列的馈送导管。

本发明的淡化系统的又一优点在于，相比用于第一RO级的馈送水，第一级RO浓缩液（其一部分用作到NF阵列的馈送）具有更高的总溶解固体含量和更高的多价阳离子含量，从而相比如果馈送水被分开以形成用于RO阵列的RO馈送流和用于NF阵列的NF馈送流，导致带有更高的总溶解固体含量和更高的多价阳离子含量的NF渗透液。相应地，NF渗透液与RO渗透液的更低的掺混比率（且因此用于NF渗透液的更低体积生产能力）可以被用于实现低盐浓度注射水流的期望离子组分（总溶解固体、多价阳离子含量和多价阴离子含量）。

由于第一级RO浓缩液的增加的盐浓度（与到第一RO级的馈送水的盐浓度相比较），可以有必要将水垢抑制剂或水垢抑制剂的混合物直接配给到第一级RO浓缩液内，以缓解通过矿物垢弄脏第二RO级的RO元件或NF阵列的NF元件的风险。而且，在膜组块包括第三RO级的情况下，由于第二级RO浓缩液的增加的盐浓度（与第一级RO浓缩液的盐浓度相比较），水垢抑制剂或水垢抑制剂的混合物可以被配给到第二级RO浓缩液内，以缓解弄脏第三RO级的RO元件的风险。类似地，在NF阵列包括第一和第二NF级的情况下，水垢抑制剂可以被配给到用作到第二NF级的馈送的第一级NF浓缩液内，这是因为相比到NF阵列的馈送，第一级NF浓缩液具有更高的盐浓度。

用于膜组块的第一RO级的馈送水可以是诸如河口水、咸蓄水层或咸采出水的咸水，诸如海水、含盐蓄水层水、含盐采出水或含盐废水的含盐水，优选地为海水。优选地，用于第一RO级的馈送水具有至少20,000ppmv的总溶解固体（TDS）含量，更优选地在30,000到45,000 ppmv范围内的TDS。优选地，用于膜组块的第一RO级的馈送水具有在1,000到4,000ppmv、优选地1,500到4,000 ppmv的范围内的硫酸根离子浓度，以及在700到3,000ppmv、优选地1,000到3,000ppmv、更优选地1,500到2,500ppmv的范围内的多价阳离子浓度。

优选地，第一级RO渗透液的TDS在50到225 ppmv的范围内，更优选地，75到225ppmv的范围内，最优选地，100到200 ppmv的范围内，尤其在100到150 ppmv的范围内。

优选地，第一级RO渗透液的硫酸根离子浓度在0.5到2.5 ppmv的范围内，尤其在0.5到1.5 ppmv的范围内。

优选地，第二级RO渗透液的TDS在200到350 ppmv的范围内，最优选地，200到300ppmv的范围内，尤其在225到275 ppmv的范围内。

优选地，第二级RO渗透液的硫酸根离子浓度在4到7.5 ppmv的范围内，最优选地，4.5到6.5 ppmv的范围内，尤其在4.75到5.75 ppmv的范围内。

优选地，组合RO渗透液具有小于200 ppmv、优选地小于150 ppmv的TDS。

优选地，第一级RO浓缩液的TDS比第一RO级的馈送水的TDS高20%到35%，更优选地，高27.5%到32.5%，尤其高大约30%。

通常，第二级RO浓缩液的TDS比第一级RO浓缩液的TDS高20%到35%。

优选地，来自单级NF阵列的NF渗透液或来自两级阵列的第一级NF渗透液和第二级NF渗透液的掺混（在下文中称为“通过NF阵列生产的NF渗透液”）具有这种TDS，相比如果用作到第一RO级的馈送的水还用作到NF阵列的馈送，该TDS高出20%到35%，更优选地，高出27.5%到32.5%，尤其高出大约30%。与如果用作到第一RO级的馈送的水还用作到NF阵列的馈送时原本将另外生产的NF渗透液相比，通过阵列生产的NF渗透液还通常具有高出20%到35%，更优选地高出27.5%到32.5%，尤其高出大约30%的多价阳离子浓度。NF渗透液的更高多价阳离子浓度是有利的，这是因为这可以缓解从粘土的膨胀或迁移出现的地层损害的风险。

适当地，NF单元的NF膜元件被选择为具有：

(1)至少98%，优选地至少99.88%的高硫酸根离子排斥，使得通过NF阵列生产的NF渗透液具有小于40ppmv的低硫酸根离子浓度，由此缓解储层的酸化风险或例如在开采井中的矿物垢的沉淀的风险。

(2)在70%到80%、尤其75%到77%范围内的相比硫酸根离子排斥更低的二价阳离子排斥，由此允许二价阳离子的一部分经过膜到NF渗透液内，这是有利的，因为认为二价阳离子降低地层损害的风险。

(3)单价离子的高通过（诸如钠和钾阳离子的单价阳离子和诸如氯化物和嗅化物阴离子的单价阴离子两者）。优选地，NF膜具有至少43%的NaCl通过（小于57%的NaCl排斥）。这最小化NF阵列所要求的操作压力，且提供用于作为掺混流使用的高TDS NF渗透液。

合适的NF膜元件是通过Hydranautics（美国海德能公司）供应的NANO SW^TM。

在到第一RO级的馈送具有在30,000ppmv到45,000ppmv范围内的TDS的情况下，通过NF阵列生产的NF渗透液通常具有：

(i)在25,000到30,000范围内的TDS；

(ii)小于40ppmv的硫酸根离子浓度；以及，

(iii)在550ppmv到750ppmv、尤其在570ppmv到750ppmv范围内的多价阳离子浓度浓度。适当地，通过NF阵列生产的NF渗透液具有在575ppmv到725ppmv、尤其在590ppmv到725ppmv范围内的二价阳离子浓度。

通常，从RO阵列排出的第二级RO浓缩液或第三级RO浓缩液处于相对高的压力（尤其第二级RO）。相应地，在从淡化系统排出之前，第二或第三级RO浓缩液可以经过水压回收单元，例如，可以联接到用于第一RO级的馈送泵、用于用作到第二RO级的馈送的第一级RO浓缩液的第一部分的可选的升压泵或用于再循环到NF阵列的第二级RO浓缩液的第二部分的可选的再循环泵中的一者或多者的水压回收涡轮机或涡轮增压器。例如，涡轮机的轴可以驱动上文标识的泵中的一者的轴。这些轴可以经由齿轮传动系统连接。相应地，水压回收单元从第二或第三级RO浓缩液回收能量，且使用该回收的能量以使到RO膜级或到NF阵列的馈送流中的一者或多者的压力升压，由此降低对淡化系统的功率要求。然而，通常，如果馈送流要达到所要求的馈送压力，则额外能量必须被供应给馈送泵或可选的升压泵或可选的再循环泵。通常，水压回收单元下游的第二或第三级RO浓缩液的压力小于100 psig，优选地在10 psig到75 psig的范围内，尤其在20 psig到55 psig的范围内，例如在10psig到50 psig的范围内。

通常，从NF阵列排出的NF浓缩液的压力（从单NF级或从两级NF阵列的第二级）太低，以致于不能保证能量回收。然而，如果期望的话，还可以使用水压回收单元从NF浓缩液回收能量。

淡化系统的能力应当足以满足用于油储层的低盐浓度注射水要求。通常，淡化系统的每个组块每天能够生产在20,000桶和200,000桶之间的水，例如，每天40,000桶和60,000桶之间的水的注射水，注射水具有期望的低盐浓度、低多价阳离子浓度和低硫酸根离子浓度。

适当地，用于每级淡化系统的过滤单元的压力容器是柱形，该柱形具有在大约80英寸到475英寸（2.0米到12.1米），优选地80英寸到400英寸（2.0米到10.2米）范围内的长度。适当地，柱形压力容器具有在4英寸到20英寸（0.10米到0.51米）范围内的内径，例如，4、6、8、9或16英寸（0.10、0.15、0.20、0.23和0.41米）的内径。

RO级的压力容器中所包含的RO膜元件以及NF级的压力容器中所包含的NF膜元件通常是螺旋卷绕元件、中空纤维元件或管状元件，优选地是螺旋卷绕元件。

通常，为压力容器所包含的每个膜元件的形状是柱形，且具有在20英寸到40英寸（0.51米到1.02米）范围内的长度，和略微小于柱形压力容器的内径的外径，使得膜元件紧密配合在压力容器中。

优选地，压力容器的第一和第二端盖可移除，由此允许RO或NF元件的维护和替换。单组膜元件可以被串联布置在压力容器内，在该情况下，用于馈送水的进口端口被定位在压力容器的一端处或其附近。馈送水依次流动通过该组的所有元件，并且然后作为浓缩液通过定位在压力容器的相对端处或其附近的出口端口离开。渗透液可以经由定位在压力容器的一端处的出口端口或者经由分别布置在压力容器的第一和第二端处的第一和第二出口端口离开压力容器。通常，用于渗透液的出口端口定位在压力容器的端盖的一者或两种中。

替代地，压力容器可以具有中心端口，其中，两组膜元件布置在中心端口的任一侧上，其中，每一组膜元件的引导元件布置在压力容器中的端位置中。优选地，每一组膜元件包括串联布置的两个到四个膜元件，尤其是串联布置的两个或三个膜元件。馈送水可以经由分别布置在压力容器的第一和第二端处或其附近的第一和第二馈送端口进入中心-端口的压力容器，且依次流动通过每一组膜元件。浓缩液可以经由中心端口从压力容器移除，且渗透液可以经由分别定位在压力容器的第一和第二端处或其附近的第一和第二端端口从压力容器移除。优选地，第一和第二渗透液端口被定位在压力容器的端盖中。

有利地，跨整个系列的膜元件，利用馈送水的紊流操作RO单元，这是因为这最小化了浓度极化的风险（在膜表面处的过度盐浓度）。中心-端口的RO容器的具体优点在于，与包含单组RO元件的非-中心端口的设计相比，跨每一组RO膜元件存在更低的压降（假定两种类型的RO容器包含类似的数目的类似大小的RO元件）。这意味着，用于中心-端口的RO容器的每一组元件中的引导元件的馈送速度可以低于用于非-中心端口的容器的单组元件中的引导元件的馈送速度。例如，在中心端口的容器包含两组三个RO膜元件的情况下，紊流可以被维持在每一组元件中的最后一个（第三）元件中，甚至在到每一组中的引导元件的流率低至7到9立方米/小时时也是如此。相比之下，在六个或七个RO元件（具有与用于中心-端口的容器的相同的大小）串联布置在非-中心端口的容器中的情况下，如果要在系列中的最后的RO膜元件（第六或第七RO膜元件）中维持紊流，则引导元件的馈送压力可能需要接近14到17立方米/小时的用于引导元件的最大允许流率。相应地，相比包含类似数目的RO元件的非-中心端口的容器，中心-端口的容器的馈送压力更少受到引导RO元件的最大允许流率的约束。

NF阵列的NF膜单元还可以包括中心-端口的容器，其在中心端口的任一侧上包含一组NF膜元件。然而，可以有利地将传统的（非-中心端口的）压力容器用于NF单元，且将6个或更多NF膜元件，例如，6到12，优选地8到12个NF膜元件串联布置在容器内，由此利用跨所述系列的NF膜的压降、以及当NF馈送水移动通过所述系列的膜元件时（尤其是定位在系列元件中的第五到第十二位置中的膜元件中的）增加水平的浓度极化的可能性。与使用包含类似数目的具有相同大小的NF膜元件的中心端口NF容器将生产的NF渗透液相比，浓度极化将导致更差品质的NF渗透液（具有更高的TDS和更高的多价阳离子浓度）。这将允许在形成低盐浓度注射水时NF渗透液到RO渗透液的更低掺混比率，且因此允许用于NF渗透液的更低的生产能力。

通常，每个RO级和NF级包括并联布置的多压力单元。优选地，相比第二RO级，第一RO级更大（即，在RO单元中具有更多相同大小的RO元件或替代地陈述为具有更大的RO表面面积）。优选地，在第一RO级中的RO元件与第二RO级中的RO元件的数目的比率在2:1到5:3的范围内（其中，在每个级中的RO元件具有相同大小），或者，其中，在第一RO级中的RO元件的表面面积与第二RO级中的RO元件的表面面积的比率在2:1到5:3的范围内。

通常，第一RO级大于NF阵列。例如，在第一RO级中的RO元件的表面面积可以大于在NF阵列中的NF元件的表面面积，或者在RO元件和NF元件具有相同大小时，与在NF阵列中的NF元件的数目相比，在第一RO级中可以存在更多RO元件。优选地，在第一RO级中的RO元件与在NF阵列中的NF元件的数目的比率在10:1到15:1的范围内（其中，RO元件和NF元件具有相同大小）。

在NF阵列是两级阵列的情况下，第一NF级大于第二NF级。优选地，在第一NF级中的NF元件与在第二NF级中的NF元件的数目的比率在10:1到15:1的范围内（其中，NF元件具有相同大小）。

元件的“相同大小”意思是，元件具有类似的膜表面面积。

优选地，RO单元和NF单元水平地布置在一个堆叠在另一个上面的排中（即，柱形压力容器的纵向轴线水平地对准），由此降低膜组块的占地面积。优选地，NF单元在一起布置在例如单排中。在RO单元和NF单元水平地堆叠的情况下，优选地，馈送集管、RO渗透液集管（用于组合RO渗透液流）、RO浓缩液集管、NF渗透液集管（用于单NF渗透液流或组合NF渗透液流）和NF浓缩液集管竖直地布置。

通常，淡化系统利用跨膜组块的RO级和NF级的压力差来操作，所述膜组件提供按照体积计40%到60%的渗透液回收率，优选地按照体积计45%到55%的渗透液回收率，尤其是按照体积计大约50%的渗透液回收率（基于到第一RO级的馈送水的体积流率和通过膜组块生产的NF渗透液和RO渗透液的总体积流率）。在这些渗透液回收率下操作淡化系统增加了通过系统到第二RO级和到NF级的馈送水的流量。然而，如果淡化系统的能力受到馈送水的体积流率限制，则可以有利地在更高的回收率下操作系统，例如通过增加馈送水的压力来实现。

适当地，在存在对于NF渗透液的更少的需求时，例如，在低盐浓度注水的后期，当增加数量的含盐采出水可用于与通过膜组块生产的渗透液流掺混时，淡化系统的至少一个膜组块的NF阵列可以被隔离。替代地，当由于用于与渗透液流掺混的含盐采出水的可用性，存在对于RO渗透液的更大需求和对于NF渗透液的更少的需求时，至少一个膜组块的一些或所有NF单元的NF膜元件可以利用RO膜元件替换。在该场景中，NF压力容器将需要额定为用于RO膜元件的操作压力，其通常高于用于NF元件的操作压力。

相比从第二RO级移除的第二级RO渗透液，第一级RO渗透液具有更高的品质（更低的TDS）。类似地，在存在第三RO级的情况下，相比从第三级移除的第三级RO渗透液，第二级RO渗透液具有更高的品质（更低的TDS）。因此优选地利用来自第一RO级的相比第二RO级更高的渗透液回收率操作RO阵列。在存在第三RO级的情况下，优选地利用来自第一RO级的相比第二RO级更高的渗透液回收率操作RO阵列，以及来自第二RO级的相比第三RO级更高的渗透液回收率操作RO阵列。

基于到第一RO级的馈送水的体积流率，膜组块的第一RO级可以具有30%到35%的RO渗透液的回收率。基于到第二RO级的馈送（第一级RO浓缩液的第一部分）的体积流率，第二RO级可以具有从20%到27.5%的RO渗透液的回收率。基于到第三RO级的馈送（第二级RO浓缩液）的体积流量，可选的第三RO级可以具有从10%到20%的RO渗透液的回收率。组合RO渗透液可以具有从45%到大约52%的回收率，优选地大约47.5%到大约50%的回收率（基于到第一RO级的馈送水的体积流率）。

在NF阵列包括单NF级的情况下，基于到NF级的馈送（第一级RO浓缩液的第二部分）的体积流率，NF渗透液回收率通常在30%到60%的范围内、优选地在35%到55%的范围内。在NF阵列包括第一和第二NF级的情况下，基于到第一NF级的馈送的体积流率，第一NF级通常具有从45%到55%的NF渗透液的回收率，而基于到第二NF级的馈送（第一级NF浓缩液）的体积流率，第二NF级通常具有从20%到30%的回收率。基于到第一NF级的馈送（第一级RO浓缩液的第二部分）的体积流率，来自第一和第二NF级的组合NF渗透液可以具有在65%到75%的范围内、优选地70%到75%的范围内的回收率。通常，基于到第一RO级的馈送水的体积流率，在NF阵列中的NF渗透液的%回收率在3%到5%的范围内，优选地在3.25%到3.75%的范围内，尤其是大约3.5%。

选择RO渗透液（第一级RO渗透液、第二级RO渗透液和任何第三级RO渗透液）与NF渗透液（来自单级NF阵列的NF渗透液或来自两级NF阵列的组合NF渗透液）的掺混比率，以实现低盐浓度注射水的位于释放增量式油的含油储层的最佳盐浓度范围内的盐浓度，同时缓解地层损害的风险。本领域技术人员将理解，可以从使用从储层取得的储层岩石样本和使用多个不同组成的低盐浓度注射水执行的岩芯注水实验（coreflood experiment）和渗透实验确定最佳盐浓度范围。掺混比率取决于：

(i)至第二RO级的第一级RO浓缩液的第一部分与至NF阵列的第一级RO浓缩液的第二部分的体积流率的比率；

(ii)再循环到NF阵列的任何第二级RO浓缩液的数量；

(iii)在每个RO级中的RO渗透液的%回收率；

(iv)在单NF级中的NF渗透液的%回收率，或者在两级NF阵列中的每个级中的NF渗透液的%回收率；

(v)组合RO渗透液或组合NF渗透液的一部分到水体的任何倾倒（在低盐浓度注射水的掺混点的上游）。

通常，第一级RO浓缩液的第一部分的体积流率（用作到第二RO级的馈送）与第一级RO浓缩液的第二部分的体积流率（用作到NF阵列的馈送）的比率优选地在5:1到15:1的范围内、更优选地在7.5：1到12.5：1的范围内，尤其在8:1到10:1的范围内。

在第二级RO浓缩液的第一部分用作到第三RO级的馈送且第二级RO浓缩液的第二部分再循环到NF阵列的情况下，第二级RO浓缩液的第一和第二部分的体积流率大致相等，例如在0.75：1到1.25：1的范围内，尤其是大约1:1。

在存在三级RO阵列且第二级RO浓缩液用作到第三RO级的馈送和作为到NF阵列的馈送的情况下，第二级RO浓缩液到第三RO级和到NF阵列的体积流率可能受到第三RO级和NF阵列的操作压力以及对于控制在第三RO级中和在NF阵列中的结垢（矿物垢的沉积）的要求的限制。

通常，其中RO渗透液与NF渗透液掺混以形成低盐浓度注射水流的体积比率在2:1到40:1的范围内，优选地在4:1到27:1的范围内，尤其在10:1到25:1的范围内，以提供具有在500ppm到5,000ppm的范围内、优选地在1,000ppm到5,000ppm的范围内的总溶解固体含量以及小于10ppm、优选地小于5ppm的硫酸根离子浓度的注射水。

可选地，采出水可以与RO渗透液和NF渗透液掺混以生产低盐浓度注射水，在该情况下，在掺混流中的NF渗透液的体积量可能需要降低。

在单个膜组块上掺混RO渗透液和NF渗透液是有利的，这是因为这降低了在改变NF和RO渗透液的掺混比率（例如，响应于增加用于掺混的采出水的可用性或改变用于掺混的采出水的品质，诸如改变TDS或改变采出水中的单个离子的浓度）时的水压延迟。在用于RO渗透液、NF渗透液和采出水的掺混点的上游，水压延迟是由于导管（例如，NF渗透液管线、NF集管、RO渗透液管线和RO集管）中的流体的体积引起的。

优选地，到第一RO级的馈送水可能已经经历如下中的至少一个过程：

i.过滤以移除微粒物质；

ii.氯清除；

iii.配给杀虫剂；

iv.除气；以及，

v.配给水垢抑制剂。

作为对在淡化系统的上游的水源水除气的替代，设想可以在淡化系统的下游提供除气器，以便控制在注射管线、注射泵和注射井中的腐蚀。提供下游除气器的优点在于，与如果除气器被布置在淡化系统的上游相比，被除气的水的体积大致更小。再者，使除气器在淡化系统的上游降低了在淡化系统内的腐蚀的风险，且因此允许使用更便宜的钢。

淡化系统的能力应当足以满足用于油储层的低盐浓度注射水要求。通常，每排淡化系统每天可以能够生产在20,000桶和200,000桶之间的水，例如，每天生产在40,000桶和60,000桶之间的水，该水具有期望的低盐浓度和期望的低硫酸根离子浓度。

现在将通过参考如下附图说明本发明。

图1示出用于处理馈送水2的淡化系统的膜组块1。膜组块1具有馈送泵3、第一RO级4、第二RO级5和单NF级6。每个RO级包括多个RO单元。NF级包括多个NF单元。通常，相比第一RO级，第二RO级具有更少的RO单元。

膜组块1具有阀V1到V3以及配置成提供在下文中描述的流动路径的不同导管。阀V1到V3可以在完全打开和完全关闭位置之间移动。然而，在本发明的实施例中，阀V2和V3是可以设置到不同中间位置的节流阀，而阀V1是泄压阀。可以通过馈送泵3、阀V1、V2或V3或其任何组合控制通过膜组块的流量和压力。

在图1的配置中，馈送泵3将馈送水2泵送到第一RO级4，在那里，馈送水被分离成第一级RO渗透液9和第一级RO浓缩液10。第一级RO浓缩液10在分支点处分开，以形成用于第二RO级5的馈送11和用于NF级6的馈送12。可以调整通过膜组块的流量和压力，使得馈送11的压力匹配第二RO级的操作压力。可以使用泄压阀V1调整到NF级的馈送12的压力，以匹配NF级的操作压力。如果必要的话，可以使用升压泵（未示出）将用于第二RO级5的馈送11的压力增加到高于第二RO级5的最小操作压力。替代地，背压阀（未示出）可以定位在用于第一级RO渗透液9的导管上，以将第一级RO浓缩液10的压力增加到高于第二RO级5的最小操作压力。

第二RO级5将馈送11分离成第二级RO渗透液13以及从膜组块排出的第二级RO浓缩液7。因此，阀V2至少部分打开，以提供RO浓缩液7的引流。第二级RO渗透液13然后与第一级RO渗透液9组合以形成组合RO渗透液流14。NF级将馈送12分离成NF渗透液15以及从膜组块排出的NF浓缩液8。因此，阀V3至少部分打开，以提供NF浓缩液8的引流。NF渗透液15然后被注射到组合RO渗透液14内以形成低盐浓度水注射流16。

图2涉及图1的淡化系统的修改的膜组块，其具有第一NF级6和第二NF级17。此外，第二级RO浓缩液7在分支点处分开，以形成RO浓缩液再循环流19和RO浓缩液引流流21。阀V2至少部分打开，使得RO浓缩液引流流21从膜组块1排出。RO浓缩液再循环流19然后被注射到馈送流12内以形成用于第一NF级6的组合馈送流23。在第二级RO浓缩液7具有低于用于第一NF级的最小操作压力的压力的情况下，在与馈送流12组合之前，使用升压泵22对RO浓缩液再循环流19的压力升压。

第二NF级17将来自第一NF级6的NF浓缩液8分离成第二级NF渗透液18以及从膜组块排出的第二级RO浓缩液19。因此，阀V4至少部分打开，以提供RO浓缩液19的引流。第二级NF渗透液18然后与第一级NF渗透液15组合，以形成组合的NF渗透液20。组合NF渗透液20然后被注射到组合RO渗透液14内以形成低盐浓度水注射流16。

本领域技术人员将理解，图1和图2的淡化系统可以适于包括接收第二级RO浓缩液作为馈送的第三RO级。第三RO级将第二级RO浓缩液分离以形成与第一和第二级RO渗透液掺混的第三级RO渗透液以及从系统排出的RO浓缩液（RO盐水）。

从本文中所包括的描述以及关于图1和图2示出的实施例，可以看出，单馈送水源水可以通过使用多个RO级和一个或多个NF级被处理，其中，来自第一RO级的浓缩液（例如,渗余液）用作用于一个或多个额外RO级和一个或多个NF级的馈送。所得到的渗透液流可以组合以形成用于与注射井一起使用的单低盐浓度注射水流。

Claims (17)

1.一种用于生产用于注射在包含原生水的含油储层中的具有期望离子组分的低盐浓度注射水的淡化系统，所述系统包括：

用于馈送水的馈送管线；

具有与所述馈送管线流体连接的第一RO级进口、用于第一RO级渗透液的第一RO级渗透液出口和用于第一RO级浓缩液的第一RO级浓缩液出口的第一RO级；

具有与所述第一RO级浓缩液出口流体连接的第二RO级进口、用于第二RO级渗透液的第二RO级渗透液出口和用于第二RO级浓缩液的第二RO级浓缩液出口的第二RO级；

具有与所述第一RO级浓缩液出口流体连接的NF级进口、用于NF渗透液的NF渗透液出口和用于NF浓缩液的NF浓缩液出口的NF级；以及，

一组导管，其适于：

(a)将所述馈送管线连接到所述第一RO级的所述进口；

(b)将所述第一RO级的所述浓缩液出口连接到：(i)所述第二RO级的进口和(ii)所述NF级的进口，使得所述第一RO级浓缩液的第一部分作为第二RO级进料经由所述第二RO级进口引入，并且所述第一RO级浓缩液的第二部分作为NF级进料经由所述NF级进口引入；

(c)以掺混比率组合(i)所述第一RO级的渗透液出口、(ii)所述第二RO级的渗透液出口和(iii)所述NF级的渗透液出口以形成具有所述期望离子组分的低盐浓度注射水，其中所述掺混比率是所述NF渗透液的体积流率与所述第一RO级渗透液和所述第二RO级渗透液的体积流率的比率；以及，

(d)将所述低盐浓度注射水直接或间接连接到低盐浓度水注射管线，

其中所述期望离子组分包括500-5000ppm范围内的总溶解固体（TDS）浓度、小于10ppm的硫酸根离子浓度和小于所述原生水的多价阳离子浓度的多价阳离子浓度，以及

其中将所述第一RO级浓缩液的第二部分作为NF级进料引入所述NF级导致所述NF渗透液的TDS高于在具有将所述馈送管线与所述NF级流体连接的导管而不是将所述第一RO级的浓缩液出口连接到所述NF级的进口的导管的系统中产生的NF渗透液的TDS，使得能够以比具有将所述馈送管线与所述NF级流体连接以获得相同离子组分的导管的系统中所需的掺混比率更低的掺混比率获得所述期望离子组分。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一组导管包括浓缩液导管，所述浓缩液导管连接所述第二RO级的浓缩液出口与所述NF级的进口，以及其中再循环泵定位在所述浓缩液导管上。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

具有进口、RO渗透液出口和RO浓缩液出口的第三RO级，

其中，所述一组导管还适于：(i)将所述第二RO级的浓缩液出口连接到所述第三RO级的所述进口，和(ii)将所述第三RO级的渗透液出口直接或间接连接到所述低盐浓度水注射管线。

4.根据权利要求2所述的系统，还包括：

第一NF级和第二NF级，所述第一NF级具有第一NF级进口、第一NF级渗透液出口和第一NF级浓缩液出口，所述第二NF级具有第二NF级进口，第二NF级渗透液出口和第二NF级浓缩液出口，

其中，所述一组导管还适于：(i)将所述第一NF级浓缩液出口连接到所述第二NF级进口，和(ii)将所述第二NF级渗透液出口直接或间接连接到所述低盐浓度水注射管线，

其中，所述浓缩液导管将所述第二RO级的浓缩液出口与所述第一NF级的进口连接。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，其中，相比所述第二RO级，所述第一RO级具有更多RO元件，或者其中，相比所述第二RO级的表面面积，所述第一RO级具有更大的RO表面面积。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述第一RO级中的RO元件的数目与在所述第二RO级中的RO元件的数目的比率在从2:1到5:3的范围内。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，其中，在所述第一RO级中的RO元件的数目与在所述NF级中的NF元件的数目的比率在从10:1到15:1的范围内。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述硫酸根离子浓度小于5ppm。

9.一种用于处理馈送水以生产用于注射到含油储层内的具有期望离子组分的低盐浓度注射水流的方法，所述方法包括如下步骤：

使馈送水流动通过第一反渗透（RO）过滤级，以生产第一级RO渗透液和第一级RO浓缩液；

使所述第一级RO浓缩液的第一部分流动通过第二RO过滤级，以生产第二级RO渗透液和第二级RO浓缩液；

使所述第一级RO浓缩液的第二部分作为第一级NF进料流动通过第一纳滤（NF）级，以生产第一级NF渗透液和第一级NF浓缩液；以及，

组合所述第一级RO渗透液、第二级RO渗透液和所述第一级NF渗透液，以形成所述低盐浓度注射水流，

其中使所述第一级RO浓缩液的所述第二部分作为所述第一级NF进料流动通过所述第一NF级以产生所述第一级NF渗透液和所述第一级NF浓缩液导致所述第一级NF渗透液的TDS高于用所述馈送水的一部分作为第一级NF进料产生的NF渗透液的TDS，使得能够以比使用所述馈送水的所述一部分作为所述第一级NF进料获得相同的期望离子组分所需的掺混比率更低的掺混比率获得所述期望离子组分，其中所述掺混比率是包括所述第一级NF渗透液的NF渗透液与包括第一级RO渗透液和第二级RO渗透液的RO渗透液的体积流率比率。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

将所述第二级RO浓缩液和所述第一级NF浓缩液排出到水体。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

使所述第一级NF浓缩液流动通过第二纳滤级，以形成第二级NF渗透液和第二级NF浓缩液；以及，

将所述第一级NF渗透液和所述第二级NF渗透液与所述第一级RO渗透液和所述第二级RO渗透液组合以形成所述低盐浓度注射水流。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将所述第二级RO浓缩液和所述第二级NF浓缩液排出到水体。

13.根据权利要求9或11所述的方法，还包括：

使所述第二级RO浓缩液的第一部分流动通过第三RO过滤级，以形成第三级RO渗透液和第三级RO浓缩液；

组合所述第二级RO浓缩液的第二部分与所述第一级RO浓缩液的第二部分以形成组合RO浓缩液；

使所述组合RO浓缩液注入所述第一NF级并且使所述组合RO浓缩液流动通过NF级；以及，

将所述第三级RO浓缩液排出到水体。

14.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其中，基于所述馈送水到所述第一RO级的体积流率，所述馈送水在所述低盐浓度注射水流中的回收率是百分之60或更多。

15.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其中，含油储层被注射井和开采井穿透，以及其中所述方法还包括：

将所述低盐浓度注射水流从所述注射井注射到所述含油储层内。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

使用注射的低盐浓度注射水，朝向所述开采井将油冲扫通过所述含油储层；以及，

经由所述开采井从所述含油储层回收所述油。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括：

使用注射的低盐浓度注射水以及随后注射的驱动水，朝向所述开采井将油冲扫通过所述含油储层；以及，

经由所述开采井从所述含油储层回收所述油。

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