（工程热物理专业论文）高压油田污水加热系统研究及管内流动换热数值模拟.pdfVIP

中文摘要 热力采油是稠油开采的一种重要方式。胜利油田稠油油藏经长期蒸汽吞吐和 蒸汽驱开采后，油藏品位下降，可动用储量减少，继续使用蒸汽开采方式驱油效 率及产量明显下降，拟采用高压热水驱油方案来代替现有方案，并根据初步研究 提出了压力2 8 m p a ，温度2 0 0 3 0 0 。c 的热水参数要求。 驱油所需的热水来自于采油过程中得到的除油后污水。本文对污水的腐蚀结 垢性进行了分析，提出了污水处理方案。对污水加热方案进行了论证，其基本思 路是先将污水进行深度处理，用增压泵加压至2 8 m p a ，再利用现有的蒸汽发生 器产生的蒸汽加热至所需温度。通过对换热效果及安全性等方面的综合比较，提 出选用u 型管式换热器作为系统中的换热设备，并对换热器面积、结构进行了 设计计算。 按常规方法对高压换热器进行设计时，通常不考虑物性随温度的变化。而事 实上将2 8 m p a 下的过冷水从5 0 加热到2 0 0 3 0 0 时，如此大的温差会导致水 的物性剧烈变化，可能对流动换热产生较大影响。在以往的热水驱油工程实际中 热水温度几乎从未超过1 0 0 * c ，因而需要认真考虑大温差、大物性变化带来的新 问题。 鉴于此，本文着眼于超临界压力换热器中管内水的流动和换热问题，分别采 用柱坐标和贴体坐标法建立了直管和u 型管的几何模型，考虑了超临界压力、 大温差下水的物性随温度的依变，采用数值方法进行分析，并与按常物性计算的 结果进行对比，以求得到高压换热器中管内单相流动和换热的一些特殊规律。计 算结果表明，在如此高的压力下，大温差加热时物性变化带来的影响不容忽视。 关键词：稠油热采，热水驱，超临界压力，数值分析，变物性，贴体坐标 a b s t r a c t h e a te x t r a c t i n gi sa n i m p o r t a n tm e t h o do fe n h a n c e do i lr e c o v e r y a f t e ral o n g p e r i o do fs t e a ms o a k i n ga n ds t e a mf l o o d i n g ，t h eq u a l i t ya n dt h ea v a i l a b l eq u a n t i t yo f h e a v yo i lr e s e r v o i ro fs h e n g l io i l f i e l dh a v ed e s c e n d e d t h ep r o d u c t i o na n de f f i c i e n c y w i l ld e c l i n ei fm a i n t a i n i n gs t e a me x t r a c t i n g h e n c e ，i ti sd e c i d e dt os u b s t i t u t es t e a r f l e x t r a c t i n gw i t hh o tw a t e re x t r a c t i n g a n dt h ep a r a m e t e r so fh o tw a t e ra r ec o m eu p w i t ha sh i g ha s2 8 m p aa n d2 0 0 3 0 0 t h eh o tw a t e rn e e d e dc a nb eo b t a i n e df r o mt h es e w a g ea f t e ro i ia b s t r a c t i n g t h e c o r r o s i o na n ds c a l i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e w a g ea r es t u d i e d ，a n d t w o s e w a g e t r e a t i n gs c h e m e sa r es u g g e s t e d t h es e w a g eh e a t i n gs y s t e mu n d e rs u p e r c r i t i c a lp r e s s u r ei sd e v i s e d t h es y s t e md e s i g ncanb es u m m a r i z e da s ：f i r s t ，d e e p t r e a t i n go ft h es e w a g e ；s e c o n d ，b o o s t i n gt h e ：p r e s s u r et o2 8 m p aw i t hb o o s t e rp u m p ； t h e nh e a t i n gw i t ht h es t e a mp r o d u c e db yt h eb o i l e r st o 妞r e q u e s t e dt e m p e r a t u r e b y c o m p a r i s o no ft h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n ds a f e t y , t h eu - t u b es h e l l a n d - t u b eh e a t e x c h a n g e ri sc h o s e na st h eh e a te x c h a n g i n ga p p a r a t u s t h ea r e aa n ds t r u c t u r eo ft h e h e a te x c h a n g e ra r ec o m p u t e da n dd e s i g n e d w h e nd e s i g n i n gt h eh i g h p r e s s u r eh e a l ：e x c h a n g e ra c c o r d i n gt ot h ec o n v e n t i o n a l f o r m u l a ，i ti si g n o r e dt h a tp h y s i c a lp r o p e r t i e so fw a t e rw i l lc h a n g e w i t ht h e t e m p e r a t u r e n e v e r t h e l e s s ，w h i l eh e a t i n gt h ew a t e r u n d e rt h ep r e s s u r eo f2 8 m p af r o m 5 0 t o2 0 0 3 0 0 ，t h ei a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew i l ic a u s eg r e a tc h a n g eo f p h y s i c a lp r o p e r t i e so fw a t 。e r a n d i tm a yb r i n gs o m ei n f l u e n c et of l o wa n dh e a t t r a n s f e r s u c hp r o b l e mj sn o tc o m m o ni nt h ep r a c t i c es i n c et h et e m p e r a t u r eo fw a t e ri s a l w a y sl e s st h a n1 0 0 ci nw a t e rf l o o d i n gb e f o r e s ot h i sn e wp r o b l e ms h o u l db e c o n s i d e r e ds c r i p u s l y t h e r e f o r e f o c u s e do nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h et u b eo ft h es u p e rc r i t i c a l p r e s s u r e h e a t e x c h a n g e r , t h em o d e l so fs t r a i g h t d u c ta n du s h a p e dd u c ta r e c o n s t r u c t e dw i t hc y l i n d e r - p o l a rc o o r d i n a t e sa n db o d yf i r e dc o o r d i n a t e s ，r e s p e c t i v e l y ， t a k i n gt h ev a r i e t yo fw a t e r sp r o p e r t i e sw i t ht e m p e r a t u r ei n i pa c c o u n t ，n u m e r i c a i a n a l y s i sa r ep e r f o r m e d b yc o m p a r i s o no ft h er e s u l t sb e t w e e nc o n s t a n tp r o p e r t i e s c a s e sa n dv a r i a b l ep r o p e r t i e sc a s e s ，i ti se x p e c t e dt of i n ds o m es p e c i a lp h e n o m e n ao f t h es i n g l e p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h et u b eo ft h eh i g h p r e s s u r eh e a te x c h a n g e r a n dt h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i e t yo ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s b r o u g h tf r o mt h ei a r g et e m p e r a t u r ed i f i e r e n c e i sr e m a r k a b l ea n ds h o u l dn o tb e i g n o r e d k e y w o r d s ：h e a v yo i le x t r a c t i n g ，h o tw a t e rf l o o d i n g ，s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e n u m e r i c a la n a l y s i s ，v a r i a b l ep r o p e r t y , b o d y - f i t t e dc o o r d i n a t e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 文作考硌蕉为灿字吼汕浒伽，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解玉生盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字开期：上o 眵年 导师签名 签字日期：2 矗吃年( z 月f 舌r 哉， 梳_ 步蒋蝴 籀一章绪论 第一章绪论 1 1 本文背景 1 1 1 稠油开采的现状及发展趋势 近年来，人们对未来二十年石油需求量已经有了充分的认识和科学预测，世 界范围内的稠油开发活动也随之同趋活跃。业内人士普遍认为，稠油是2 1 世纪 的重要能源，能源需求的增长要求在依靠技术进步有效控制开采成本的基础上大 力开发稠油资源。我国稠油累计探明储量近2 0 亿吨，目前年产量约1 3 0 0 万吨。 根据我国第二次资源评价结果稠油远景储量为1 7 5 亿吨。具有极大的_ 丌发潜力 。以上数据表明，无论国际还是国内，增大稠油开发比重有可靠的资源基础。 今年8 月，我国科技部制定了可持续发展科技纲要。纲要把油气资源的 安全保障工作作为可持续发展科技工作的重点任务与领域，其中稠油油藏和低渗 透油藏开发技术被列为重点研究项目【2 j 。 1 1 2 稠油热采的机理和方法 1 1 2 1 稠油的一般特性 所谓稠油，通常是指粘度高、相对密度大的原油，即高粘重质原油。国际上 称稠油为重质原油( h e a v yo i l ) ，对粘度极高的重油称之为沥青( b i t u m e n ) 和沥 青砂( t a rs a n do i l ) 。 稠油油藏本身的特性是决定开采方式的关键因素。原油的物理性质通常是指 密度、粘度、凝固点和高压物性等一些常用的性质，在稠油热采范畴内，还应注 重对原油的粘温关系和流变特性的分析与研究，把它们作为热采的可行性、开采 效果分析和采取工艺措施的依据。稠油与普通原油即轻质原油之间存在着某些显 著的差别，具有如下特性： ( 1 ) 稠油中的胶质和沥青含量高，轻质组分少。而且随着胶质与沥青含量的增 多，稠油的相对密度( 密度) 及粘度也增加。因此高粘度、高相对密度则成为 稠油区别于普通轻质原油的主要指标。 f 2 1 稠油的粘温关系。稠油的粘度对温度的敏感性强，随温度增加稠油粘度急 剧下降。通常油层温度每升高1 0 。c ，则稠油粘度降低一半。这也是用热采 法开采稠油的关键依据所在。 f 3 ) 稠油的流变特征。稠油流变性受剪切速率、温度、压力的影响。在稠油热 采中，我们主要研究在不同的温度、不同剪切速率下其表观粘度的变化规 律，以便对不同流变性的原油采取相应的工艺措施来提高热采的效益。 第一章绪论 丑 e 心 瓣 温度 图1 1胜利油田三类稠油粘温曲线 图l l 是胜利油区三类热采稠油的粘温关系曲线p j ，从图中可以看出：这 三类原油的粘度对温度的敏感性都比较强，特别是超稠油和特稠油比普通稠油的 敏感性更强，它们在温度低于9 0 时，温度每升高i o c 原油粘度下降将近一半， 温度高于9 0 后粘度随温度升高下降的幅度变小，而普通稠油在温度低于6 5 。c 时温度每上升i o 。c 粘度下降一半，而温度高于6 5 c 时随温度升高粘度下降的幅 度交小，因此超稠油和特稠油在5 0 。c 时的粘度为普通热采稠油的2 2 0 倍，而 到2 0 0 时只有1 3 倍。 1 1 , 2 2 热采机理 热力采油是指运用热工学的理论和方法进行石油开采的采油工艺方法，是通 过对油藏加热来降低地下原油的粘度、溶解与溶化油层的堵塞、改善地层的渗流 特性，从而提高原油在地层的渗流能力，达到提高原油产量、采收率和开采效益 的目的，是以重质原油和高凝油为主要开采对象而发展起来的采油工艺技术。 热力采油具有其独特的采油机理。首先是加热降粘机理，即地下原油被加热 升温后粘度大幅度下降，尤其稠油对温度的敏感性极强，在通常的油减加热温度 范围内，温度每升高i o 。c ，稠油的粘度则会下降5 0 ( 见图1 _ 2 1 3 1 ) ，地下原油 的流动性变好，这是热力采油最主要的增产机理。其次是油层热弹性能量释放驱 油机理，油层被加热后，油层中岩石骨架及流体( 油、气、水) 受热膨胀而产生弹 性驱油能量。再次是水蒸汽对稠油的蒸馏、裂解、乳化而产生的稀释和混相驱作 用。高温条件下岩石表面润湿性变为亲水化和油相渗流率的改善等。上述综合作 用大大改善稠油的渗流能力，实现稠油的工业化开采。 第一章绪论 图1 2稠油原油粘温曲线( 单家寺油田) 1 1 2 3 热采方法综述 按照加热油减的不同方式，常用的热力采油方法可分为蒸汽吞吐、蒸汽驱， 热水驱、火烧油层、电磁加热、热化学法等几种方法，其中蒸汽吞吐和蒸汽驱是 使用范围最广、采出油量最多的方法。 蒸汽吞吐采油法又叫作循环注蒸汽采油法或注蒸汽热激励采油法，即先将 定量的高温高压湿饱和蒸汽注入油层，将油井周围有限区域加热，以降低原油粘 度并通过高温清除粘土及沥青质沉淀物来提高近井地带油层渗透率，焖井散热后 开井采油。而蒸汽驱是指向一口井或多e 1 井中持续注入蒸汽，蒸汽将地下原油加 热井驱向邻近多口生产井，从生产井将原油持续采出的采油方法即为蒸汽驱采油 法。目前，世界上约有8 0 的热采产量是通过注蒸汽采油法而获得的。 热水驱是一种只含有水和油两相流动的渗流状态。它基本上是一种用热水和 冷水非混相驱替原油的驱替过程。因大多数热采油藏内普遍存在水，热水驱替在 某种程度上会发生在所有的热力采油过程中。但是在以往的热水驱中温度一般不 超过9 0 c 。关于各种方法的详细介绍见文献 3 卜， 5 】。 目前科学家们还在致力于新的采油方式的探索和研究，近年来比较热门的研 究课题是采用气体驱油( 二氧化碳、氮气) 1 6 1 其中c 0 2 驱油方案因其特有的环 境效益而备受研究人员的青睐，因为这种方法如果运用得当，既能达到提高采收 率的目的，又能对c 0 2 进行地质处理，达到减少排放，减小温室效应，保护环 境的目的【”。作者曾经设想在油罔建立所谓“井口电站”，一方面将采出的原油 用作火力发电的锅炉燃料，另一方面将电站锅炉的高温尾气用于驱替稠油强化开 采，同时解决发电、采油、环保三大问题。 第一章绪论 对于现有的采油方式，则努力通过系统和设备优化来提高采收率、降低成本。 文献【8 】中建立了一个专家系统，采用一种人工智能技术来帮助选择设计强化采 油方案。该研究中开发出的专家系统能够执行如下建议：( 1 ) 在油减特性的基础 上选用合适的开采方案，( 2 ) 准备合适的输入参数用现存的数字模拟器来设计所 选用的开采方案，( 3 ) 根据用户选择的几个关键参数做最优化研究来对所选用的 开采方案进行优化。 综上所述， 如何因地制宜的选择开采方式，并根据开采的实际效果适时的 改进开采方式，是稠油开采中的关键问题。 1 1 3 胜利油田稠油开采面临的问题【3 】 随着稠油油田热力开采时间的增长，油减动态发生了巨大的变化，油田开发 中的矛盾和问题增多，解决这些问题的技术难度增大，特别是低品味储量和特殊 类型稠油油减的开发，对稳定稠油产量和保证开采效益造成了较大的压力，因而 必须正确认识和研究这些问题。 其中两个比较主要的问题是： 一、 开采方式的有效接替问题 随着注蒸汽采油技术的配套和完善，胜利油田全局热采稠油产量达到年产 2 3 0 x 1 0 4 吨的水平。但自1 9 9 7 年以来，主力热采油田油层压力有较大幅度下降、 边底水侵严重、井问干扰增多，进入高含水生产阶段( 综合含水率已达8 5 以 上) ，产量递减加快，油气比下降，生产成本增加。高含水，低采出程度，高生 产成本，低热效率是当前和今后的开采中面临的主要问题。仅从配套工艺技术的 改进己较难扭转这种趋势，认真评价研究开采方式的合理性，根据油藏实际优选 并改进丌采方式，是改善开发效果，提高丌发效益的重要途径。 由于经过高轮次吞吐，近井蒸汽波及半径已在3 0 m 以上，剩余油富集带处 在井间，再行蒸汽吞吐时效果明显变差，且纵向动用程度不均衡，实际只是热水 波及。若再行加密则受井距和单井控制储量的限制，其经济性变差，转为蒸汽驱 或热水驱己势在必行。 二、 蒸汽驱效果不够理想 乐安油田草2 0 断块蒸汽驱井组先导试验过程中，经过认真的工艺配套和操 作优化，取得了较为理想的开发效果和初步的经验。但在乐安南区工业化转汽驱 后由于汽驱操作参数未按优化方案实施，相当一部分井组蒸汽驱效果不理想，产 量高峰期未曾出现即进入高含水期生产，致使蒸汽驱产油量和油汽比( 0 2 ) 接 近经济极限值，开采效益差。经初步分析原因在于：一是排液速度上不去，注汽 速度( 3 t h ) 偏低，尽管井口蒸汽于度较高，但井底和蒸汽进入油层后干度较低， 未能在油藏内呈现真f 的蒸汽驱状态，严重制约了驱油效率：二是现有监测技术 第一章绪论 不配套，注汽和产液剖面尚无法监测，限制了调剖工艺的配套和实施。仅有的氮 气泡沫调剖工艺因其实施成本的限制，尚不具备整体实施条件；三是边水的侵入 严重影响了蒸汽驱效果，部分井汽驱未曾受效边水先期侵入，致使油井进入高含 水期丌采；四是井网井距及转驱时机的合理性待进一步评价。因此，实现蒸汽驱 优化管理方面还有很多工作要做。 胜利油田的热力采油技术历经研究实践和发展完善阶段以后，已动用储量产 量的高峰期已过，转入高轮次吞吐，高含水期开采。未动用储量品位较差，动用 技术难度加大，效益变差，需要在更高的起点上进行工艺技术改进与创新。首要 问题就是必须适时有效的转换采油方式。 1 1 4胜利油田目前的技术方向及具体措施 已投入注蒸汽开发的油藏，在注蒸汽热采特征、动态变化规律、开采效果与 效益方面各有其特点。长期单一蒸汽吞吐方式开采下去，采收率和经济效益不够 理想，有必要根据不同的油藏实际进行转换开采方式的研究，适时的转换开采方 式，以求得更好的开采效果和开发效益。其主要技术方向如下： 1 加强油减综合研究，努力实现蒸汽驱开采工程和工艺的系统配套，以保 证得到较好的蒸汽驱效果。 2 开展对不具备转气驱条件的稠油油藏吞吐开采方式的试验和研究，实现 蒸汽吞吐后开采方式的有效转换和产量接替。 蒸汽吞吐后期，油层温度升高，油井含水量升高，油气比下降，再行吞吐的 效果和效益较差，且蒸汽的井间干扰现象亦较严重。采用热水驱可以达到对地层 原油降粘、降低残余油饱和度的水驱作用，与注蒸汽相比节省了燃料。但普通热 水驱由于油水粘度比差异较大，驱油效率较蒸汽低。添加化学剂的热水驱可以改 善驱油效果。其机理主要在于：一是化学剂可以起到乳化降粘的作用；二是降低 了油水界面张力，减弱油水粘性指数，提高微观波及系数；三是可以降低油、岩 石之间的表面能，提高驱油效率。 胜利油田最近十年来一直采用直流注汽锅炉产生的高温高压蒸汽来开采稠 油的，该蒸汽发生器产生的蒸汽参数如下：压力为17 2 m p a ：温度为3 4 3 ；干 度8 0 。这种开采方式曾一度取得良好的开采效果，但是近年来由于上面所述的 原因，蒸汽驱的方式已经越来越难以满足开采的需要。油藏现有储量动用难度明 显加大，表现在对驱替压力要求提高，经初步估算比较合适的参数约为压力 2 8 m p a ，温度2 0 0 3 0 0 。在这一参数下，水是以液相的形式存在的。因此， 压力的要求也就意味着开采方式由原来的蒸汽驱转变为高温高压热水驱。 查阅文献表明，这样高的驱替压力目前使用的还比较少。对压力的要求主要 是针对低渗透油减提出的，油藏的渗透性和孔隙率低，对压力要求就高。文献 9 】 第一章绪论 介绍了挪威某油田进行了添加化学剂的热水驱试验，采用的热水参数是2 7 m p a ， 1 3 0 。c 。取得了良好的效果。对于胜利油田而言，将来实际的驱替效果如何，同 样有待于试验的验证。 问题在于如何有效的利用现有设备，在尽量降低投资的基础上来实现这一新 的开采方式。直接用现有的蒸汽发生器来加热污水是不可行的。最主要的限制是 设计压力达不到指定要求，且经多年使用出口参数事实上己不能达到设计压力。 比较好的解决办法是利用现有的蒸汽发生器产生的蒸汽间接加热除油后的污水 并加压至所需参数，用以驱替原油。 1 2 本文任务 在上述背景下，本文承担了胜利油田热采方式从蒸汽驱向高温高压热水驱转 变工作中比较重要的一部分工作，即设计一套系统，利用胜利油罔原有注汽锅炉 按额定工作参数( 压力：1 7 2 m p a ：温度：3 4 3 ；干度8 0 ) 生产的蒸汽加热除油 后的污水( 4 0 7 0 ) ，产生压力为2 8 m p a 、2 0 0 3 0 0 c 的热水注入油井以提高 原油采收率。 本文的工作是建立在前期工作的基础上的，其中包括对高压换热器设计和使 用情况、水处理方式及费用以及对增压泵生产厂家、性能参数及适用温压范围等 情况的调查和分析。经过进一步的可行性分析，否决了常规处理水直接加热等其 它方案【1 0 1 ，确定了先对污水进行深度处理、用增压泵加压至所需压力后再用蒸 汽发生器产生的蒸汽通过高压换热器加热的方案。其中高压换热器选择了u 型 管式换热器，并在此基础上对进行了具体设计。 本文在第二章中对污水水质进行了腐蚀结垢性的分析并提出了相应的水处 理方案：在第三章中介绍了污水加热系统的总体设计和系统中主要设备高压换热 器的设计过程。 在以上基础上，针对超临界水压力参数大、无相变流动换热过程进出口温差 大，物性变化剧烈的特点，考虑了水的物性随温度的依变，运用传热流动数值模 拟软件p h o e n i c s 对直管和u 型管内的流动换热过程进行了模拟，分别按照物 性为常量的情况和将物性视为温度的函数的情况进行了计算，并将结果进行了对 比和分析，以求得到超临界管壳式换热器中管内流体流动和换热的一些特殊规 律。这一部分内容在第四章中作了详细的介绍。 第二章水质分析及水处理方案 第二章水质分析及水处理方案 2 1 水质标准 油田采出的含油污水经油气分离后，是否需要对污水进行处理以及经过怎样的处理 才能进入加压加热系统? 要回答这个问题，在了解了处理前污水水质的基础上，必须明 确处理的目的，不同的目的对水质有不同的要求，从而决定处理方案的不同。下面给出 了几个有关的水质标准。 2 1 1 油田注水水质标准川 2 1 1 1国外油田注水水质标准 油阳很重视对油田注入水水质的研究工作，其注水水质不尽相同，而是根据各油田 的油层特点，通过岩芯堵塞试验和滤膜技术制定出适合不同注入层的水质标准。一般应 满足以下几点： ( 1 ) 注入水中应尽量少含悬浮杂质，其含量和颗粒粒径不能对注水井渗透端面和油层 引起堵塞： ( 2 ) 注入水质不因温度压力等的改变而产生结垢、沉淀现象，也不能因地层水或地表 水结垢或沉淀； 一 ( 3 ) 注入水质对注水工程不产生腐蚀； ( 4 ) 注入水中的细菌繁殖不能产生新的悬浮杂质，更不能阻碍注水系统f 常生产； ( 5 ) 注入水质还应防止油层粘土膨胀。 因此，国外许多油田的注入水水质标准也是各不相同，各石油公司根掘油r r 具体情 况制订切实可行的水质标准。美国油田对注水水质要求非常，“格，他们认为这是搞好注 水的关键，确保不堵塞地层，并且减缓污水对设备的腐蚀速度。他们要求高渗透油罔注 入水的薄膜过滤因数不低于2 0 ，含氧量不大于o 0 2 m g l ，含油量小于1 0 m g l ，悬浮固 体含量为5 1 5 m g l ，颗粒粒径一般为平均孔喉的1 3 ，低渗透油罔注入水中悬浮固体含 量为0 1 o 5 m g l ，颗粒粒径小于平均孔喉直径的1 1 0 ，对于注入水中的除氧、防垢、 除铁、防腐、杀菌等各项指标也有较高的要求：加拿大低渗透油田注入水水质的主要指 标与美国完全相同；前苏联要求低渗透油田注入水中含油量不大于1 m g l ，悬浮固体含 量不大于2 m g l ，含铁0 3 o 5 m g l ，颗粒粒径小于1 o u m 。 2 1 ，1 2 国内油田注入水质标准 我国不少油开11 9 8 7 年便开始了油研注入水水质标准的研究。1 9 9 5 年以前国内各油 田注入水水质的标准执行1 9 8 9 年标准( s y t 5 2 3 9 8 9 ) ，中国石油天然气总公司于1 9 9 5 年1 月发布了新的标准“碎屑岩油藏注入水水质推荐指标及分析方法”。该标准中，将 水质指标按注入层平均渗透率的不同分为三类，每类中又分为三个等级，并规定对新建 第二章水质分析及水处理方案 的注水站执行一级标准；对已建的水处理站，按注入层渗透率执行2 级或3 级标准。新 标准中，主要控制指标有八项和辅助性指标五项( 见表2 1 、2 ) ，如主要水质控制指 标已达到注水要求，注入f 常，可不考虑辅助性指标五项( 见表2 2 ) ，如注入异常再 检查辅助性指标。 表2 1 碎屑岩油藏注入水推荐指标 注入层平均空气 渗透率( u r n 2 ) 0 6 标准分级 a 1a 2 a 3b 1b 2b 3c 1c 2c 3 悬浮固体含 0 1 2 0 3 0 3 0“0 5 0 5 0 7 0 l o 量( m g l ) 悬浮物颗粒 直径中径 1 0 1 5q 0 2 0 2 5 3 0 3 0 3 5 4 0 ( u m ) 含油量 5 0 6 ，0 】0 1 0 1 0 】5 3 0 ( r a g l ) 控 平均腐蚀率 o 0 7 6 8 0 1 5 ( m m a ) 2 0 制 a 1 ，b 1 ，c l 级；试片各面都无点腐蚀： a 2 ，b 2 ，c 2 级：试片有轻微点腐蚀： 指 点腐蚀 a 3 ，b 3 ，c 3 级；试片有明显点蚀 标 s r b 菌( 个 o 1 02 50 1 05o 1 0 2 5 m l ) 铁细菌( 个 n 1 0 2n 1 0 3n 1 0 4 m l ) 腐生菌( 个 n 1 0 2n 1 0 3n 1 0 4 m l ) 表2 2 辅助性指标汇总表 r 溶解氧浓度( m g l )侵蚀性二氧化碳硫化物浓度 p h亚铁及硫化 ( m g l )( m e l ) 值 物含量 油层产出清水油层产出清 水水水 懦 0 0 5 o 。1 o 。5 0 一0 1 1 6 1 o 1 6 额定蒸汽压力，m p a 1 o1 0 1 62 51 62 5 悬浮物，m g l 555 总硬度，m m o l l o 0 3o 0 30 0 3 无过热器6 2 66 2 46 1 6 总碱度，m m o l l 有讨执器 1 41 2 p h ( 2 5 ) 7771 0 1 2l o 1 21 0 1 2 溶解氧，m g l 0 1o 1o 0 5 无讨执器 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 溶解固形物，m g l 有讨执器 3 0 0 0 2 5 0 0 8 0 3 ，m g l 1 0 3 01 0 3 0 p 0 4 ，m g 几 l o 3 0】0 3 0 相对碱度( 游离n a o h 溶解固形物) 7 ，有腐蚀趋势，但不太严重。 以上计算和分析局限于文献表提供的温度范围( 0 8 0 ) ，在高温和高压下的结垢 趋势尚无定量结果。若按照上面的结垢特性分析，在2 0 0 一3 0 0 的高温范围内，结垢 现象仍然会相当严重。 2 5 2o 1 5 测 辅10 妲 0 5 0 0 _ o5 | | | | | | | | | | ooooo o l ： 卜一5 月 翻p 一7 月 z ， 曲7 舞 4 旨 一 ，i ， 一 - 圳 r 一鼻 ： y _ 第二章水质分析及水处理方案 以上的分析和计算表明： 1 胜利油田污水腐蚀性和结垢性都较强。 2 常用的防腐剂、阻垢剂在高温高压下效果未经验证。 3 污水在进入换热系统前必须预先进行水处理。 调研表明，在油田污水处理及回收方面已经有比较成熟的技术可以利用。这里 提供了两种水处理方案可供选择。基本思路如下： 方案一： 油水分离( 气浮) 一絮凝( 国外先进絮凝剂) 一化学法去掉硬度及碱度一 一一调解p h 一离子交换树脂法一脱气一污水换热器或直流锅炉 方案二： 油水分离( 气浮) 一初级过滤一集成膜过滤一离子交换树脂法一 脱气一污水换热器或直流锅炉 上述两个方案各有其特点。相对而言，方案一较为成熟可靠，设备投资小，运行管 理方便简单，但是处理后产生的污泥量比较大。方案二的设备投资较大，但是操作费用 低，处理效果好。因为没有加入化学药品，处理后产生的污泥量小。因此，后处理成本 低，且对保护环境有利。 第三章污水加热系统方案设计及设备选型计算 第三章污水加热系统方案设计及设备选型计算 在查阅有关文献、产品调查和有关计算分析的基础上，根据胜利油r = | 所提参 数，并针对污水的结垢、腐蚀特点，对加热污水的方式做了总体方案设计，并对 系统主要设备换热器作了选型计算。 3 1系统方案总体设计 。 以原有的直流蒸汽发生器为热源，将原来的开式循环改为闭式循环。方案中 的热交换器为高压管壳式换热器。根据前面的调研及水质分析结果，高温高压下 结垢、防腐的问题没有根本解决，故此方案中的污水必须经过深度处理之后方能 进入换热器。管侧为经过深度处理的污水，管材为高压锅炉用钢管。管壳式换热 器的优点是能承受高压。因此高压、超高压换热器几乎全部采用管壳式。缺点是 紧凑性太差。热交换器污水侧安装在线压差检测计，以检测污垢厚度变化。当压 差超过某一闽值，换热器停产检修清洗。采用柱塞泵将常压水增压至所需压力。 柱塞泵扬程的选择要以系统的压降为依据，因此对设备及管路中压降的估算很重 要。为保证出口压力稳定，特设一缓冲器。系统造价经计算并向制造厂商咨询， 约人民币5 0 万元。可加以改进的地方是采用薄壁钛管作为内衬敷在管内，更加 有效避免腐蚀，减少结垢。存在的问题是国内受加工能力限制接头处和u 型管 如何内敷钛材技术难度较大。 深度处理水的来源，可从乐安水处理站获得。从现场调研得知，乐安水处理 站为美国进口设备，设计能力为二万吨天，其中一万五千吨污水深度处理后可 直接供给热采锅炉用。现实际处理能力为一万吨天，其中三千吨为深度处理水。 因此，本方案最主要的难点就是高压换热器的设计制造。在高温高压热水回 注项目的先导性试验阶段可作为首选方案。 由于将油田污水加热到2 8 m p a 、2 0 0 3 0 0 注入地下来增产稠油是一个尝 试，没有先例以提供油水比，增采率等数据。所以首要的事是将水安全地注入地 下，没有结垢、腐蚀等现象，测出油水比，增采率，如果效果显著，则有关设备 可批量生产，成本将大为降低，高温高压情况下的防腐剂、阻垢剂也将有了研制 的动力。所以推荐污水必须经过深度处理，采用经深度处理后的水进入换热器或 直流锅炉。这种解决问题的思路，在于将难点分散，不必同时考虑加热设备、水 泵、管路、水井的高温高压腐蚀结垢问题。 第二章污水加热系统方案设计及设备选型计算 3 2 换热器型式的选择 图3 1系统方案示意图 表3 一l换热器工艺操作参数及设计原始数掘 项目管程壳程 操作压力m p a 2 81 7 2 操作温度3 0 0 ( 进口4 0 7 0 ，出口2 0 03 5 4 ( 进口3 5 4 ，出口1 0 0 ) 3 0 0 ) 介质过冷水水蒸汽( 由蒸汽发生器) 从以上数据看本换热器属高温高压换热器( 应划为第三类压力容器) 。如此高 的压力，温差和这样大的传热面积应选用管壳式换热器。而此类换热器能解决温差 应力的形式如下： 1 、带膨胀节的固定管板式换热器：我国压力容器波形膨胀节现行标准 g b l 6 7 4 9 1 9 9 7 规定最高压力p n 6 4 m p a 且d n l 5 0 3 5 0 m m 。而本换热器壳程压力为 1 9 m p a 。这样高的压力已不能使用和制造出相应的波形膨胀节，故此型式换热器被 否决。 第三章污水加热系统方案设计及设备选型计算 2 浮头式换热器：其缺点：泄露面太多( 固定管板与管箱法兰及壳体法兰处；外 头盖侧法兰与外头盖法兰处；浮动管板与浮动法兰处；且浮动管板与浮头法兰处还 存在窜漏的隐患) 。在高压和高温下泄露面每增加一处，将带来：l ，泄漏隐患增加 1 0 0 2 ，耗材大幅度增加3 ，设备造价高；结构复杂；制造技术难度大，故 不采用。 3 填料函式换热器：其与浮头式有着相同缺点，且填料函处呈动密封( 此处是管 束与壳体间存在轴向的相对滑动) 在高温高压下密封更加困难，难以实现，故不采 用。 4 滑动管板式换热器：其缺点与填料函式相同，且管束与壳体问还存在窜漏的隐 患，故亦不采用。 5 u 型管式换热器：此型换热器耐高温高压；泄露面少( 仅管板处) 。与其它型式 相比结构简单，设备的相对费用非别为：固定管板式1 ；浮头式1 2 2 ：填料函式l - 2 8 ； u 型管式l ，0 1 。 综上所述我们最后选用u 型管式换热器，此型换热器为主流型式，一般高温 高压换热器都选用该型式【1 5 】。 本系统选用两个u 型管换热器串联韵形式。原因如下： 1 工艺要求：从工艺计算看管程，壳程介质所需通过路程长，串联后可满足。 2 设备本身：为减小管板自身温差对管板造成的影响，减小换热器直径有利于密 封。 3 - 3 换热器设计计算 在我国钢制压力容器和管壳式换热器设计标准【1 6 1 1 1 的基础上，对u 型管式换 热器的面积和主体结构进行了设计计算。 面积设计计算的思路是使得在用锅炉蒸汽问接加热污水代替用锅炉直接加热 时，使同样流量的被加热水达到所要求的状态下，所需要的换热器的面积。 已知：锅炉可提供5 2 8 1 0 9 j h r 的热量，换算为标准单位为1 4 6 6 6 k w 。 设计条件： 蒸汽参数： p l = 1 7 2 m p a ，按饱和蒸汽五= 3 5 1 6 2 。c ，h l = 1 0 6 9 8 6 u 堙 正= 3 5 4 。c ，疋= 9 0 。c ，h 2 = 3 9 0 o k 堙 蒸汽流量：g 2 = 2 3 0 0 0 培h = 6 3 9 k g s 水的参数： p ，= 2 8 m p a ， = 7 0 。c ，= 2 0 0 0 c h 】= 3 1 5 3 k j 堙，h 2 = 8 6 4 2 k j k g 第三章污水加热系统方案设计及殴备选型计算 总换热量：q = c ( h 一h 2 ) = 6 3 9 x ( 1 0 6 9 8 6 3 9 0 0 ) = 1 3 8 3 3 5 1 2 ，8 w 水潍g 。2 去- 高器瑙玩，s 3 3 1 汽一水换热部分： 尸2 = 1 7 2 m p a ，汽化潜热y = 8 6 8 8 k j 堙 冷凝热量：q ”= g 7 = 6 3 9 8 6 8 8 = 5 5 5 1 6 k w 冷凝加热入口温度： = a ”一鲁 则对应的温度为f = 1 5 0 。c 对数平均温差： t = 8 6 4 2 _ 笔警_ 6 4 3 脚堙 2 5 2 。 ：豳：堡二型二鬯：竺! 型：1 7 5 中c i n3 5 1 6 2 - 2 0 0 “。 3 5 1 6 2 1 5 0 温差修正系数f = 1 f = 1 7 5 4 。c 假定传热系数k = 9 8 8 6 w 搠2 o c 传热面积以= 急 5 5 5 0 4 1 7 5 9 8 8 6 1 7 5 4= 3 2 ( 。m 2 ) 采用u 型管式换热器，选用o1 9 的钢管。 d o = 2 5 m m ，d 。= 1 9 m m ，l = 6 m ，：乌：羔l 。6 8 根，取6 8 根 蒯。l石0 。0 2 5 6 正三角错列布置尸= 0 0 3 2 m 管侧总流通截面积：爿= 三4d 2 笪p , = 三4 x0 0 1 9 2x6 8 = o 0 1 9 3 m 2 质量黼g = 鲁= 淼= 1 3 0 7 7 枷2 s 流速= 1 4 8m s 水平均温度t p = 塑芝里翌= 1 7 5 。c 9 替 第三章污水加热系统方案设计及设备选型计算 “= 1 5 8 8 7 5 x 1 0 k g