國產(chǎn)注汽鍋爐用于多佛油田開發(fā)的適應(yīng)性分析

賀吉濤，吳偉棟，李 靖，侯林杰

(中油(新疆)石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

稠油是21世紀(jì)重要的石油資源，占世界石油剩余可采儲量的53%。我國石油剩余可采儲量中，稠油占40%，目前主要分布在遼河油田和新疆油田。稠油開采方式主要是熱采，通過注蒸汽來降低稠油粘度，進而提高稠油的產(chǎn)量和最終采收率，其主要設(shè)備-油田注汽鍋爐得到迅速的發(fā)展。國內(nèi)的注汽鍋爐技術(shù)經(jīng)歷了引進使用、自主生產(chǎn)、新設(shè)備研發(fā)等階段，目前生產(chǎn)的濕蒸汽注汽鍋爐、高干度注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐等產(chǎn)品在油田應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗，并具備了對外出口的能力。為了保障國家能源安全，中石油、中石化、中海油均在加拿大收購有稠油油田，中石油的稠油油田主要為麥肯河與多佛油田。由于國外注汽鍋爐價格普遍很高，每蒸噸的售價可達到國產(chǎn)注汽鍋爐的4～5倍，不利于降低工程投資。隨著國內(nèi)技術(shù)的進步，有望通過注汽鍋爐的國產(chǎn)化降低海外稠油開發(fā)注汽系統(tǒng)的投資。

李春濤等將過熱蒸汽應(yīng)用于肯基亞克油田鹽上稠油油藏開發(fā)，增產(chǎn)效果明顯[1]。孫國成等對過熱鍋爐的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)場運行情況做了分析，并將新疆風(fēng)城油田中的兩臺過熱鍋爐性能通過數(shù)據(jù)進行了對比，過熱注汽鍋爐適用于新疆油田[2]。高新華等根據(jù)過熱注汽鍋爐與常規(guī)注汽鍋爐在新疆油田的使用情況，對兩種注汽鍋爐單位能耗及開發(fā)效果進行比對分析[3]。劉佳針對現(xiàn)今稠油開發(fā)的技術(shù)要求，提出過熱注汽鍋爐在稠油開采中的需要并對過熱注汽鍋爐效果進行驗證[4]。顧錦彤等從研究注汽鍋爐的結(jié)垢機理入手,提出了污水硬度深度去除技術(shù)、高含硅稠油污水回用鍋爐技術(shù)和干度在線監(jiān)測及控制技術(shù)三大有效的阻垢防垢技術(shù)，確保油田注汽鍋爐的安全平穩(wěn)運行[5]。郭彬等以單管實驗為研究方法，研究過熱蒸汽對驅(qū)油效果的影響， 并從多個方面對驅(qū)油機理進行分析[6]。周英等對濕蒸汽注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐、超(超)臨界注汽鍋爐和燃煤注汽鍋爐的結(jié)構(gòu)和水處理工藝進行了分析，得出以上鍋爐在油田的適用情況[7]。Cleaver Brooks鍋爐集團生產(chǎn)的強制循環(huán)汽包注汽鍋爐，結(jié)構(gòu)緊湊，可生產(chǎn)99.9%的高干度蒸汽，在加拿大稠油開發(fā)中得以應(yīng)用[8]。IST公司提出了一種使用優(yōu)化爐管后的直流注汽鍋爐，蒸汽干度可以提升至90%[9]。B&W公司提出了一種使用多循環(huán)技術(shù)的汽包注汽鍋爐，鍋爐給水礦化度可以提升至1 000 mg/L[10]。吳偉棟等提出了一種可回用凈化采出水的模塊化燃氣汽包注汽鍋爐，鍋爐噸位一般在75～220 t/h，使用創(chuàng)新的分段蒸發(fā)技術(shù)，可以在給水礦化度控制在2 000 mg/L的條件下生產(chǎn)過熱蒸汽[11]。

1 燃氣注汽鍋爐在國內(nèi)油田的應(yīng)用情況

遼河油田與新疆油田是我國稠油的主要產(chǎn)區(qū)，兩個油田的稠油產(chǎn)量占國內(nèi)稠油總產(chǎn)量的90%左右。兩個油田結(jié)合自身的地域特點，形成了工藝流程先進、布局合理、運行安全可靠、經(jīng)濟效益好的稠油開采技術(shù)，代表了國內(nèi)的稠油開發(fā)水平。

1.1 燃氣注汽鍋爐在新疆油田的應(yīng)用

新疆油田目前主要在用的燃氣注汽鍋爐爐型包括濕蒸汽注汽鍋爐、高干度注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐等，均為直流鍋爐。表1為新疆油田主要的燃氣注汽鍋爐技術(shù)參數(shù)。

從80年代至今，濕蒸汽注汽鍋爐在新疆油田已使用數(shù)百臺，主要用于吞吐開發(fā)，鍋爐運行狀況良好。近年來，隨著地質(zhì)開發(fā)對于蒸汽品質(zhì)要求的提高，新疆油田的新建產(chǎn)能基本已不再建設(shè)濕蒸汽注汽鍋爐。高干度注汽鍋爐是研發(fā)過熱注汽鍋爐的過渡爐型，由于該爐型需要使用除鹽水，水處理成本偏高，目前已不再新建。過熱注汽鍋爐自2008年試驗成功后在新疆油田推廣，廣泛應(yīng)用于油田產(chǎn)能建設(shè)，在SAGD、吞吐、汽驅(qū)等開發(fā)中均有應(yīng)用，至今已建設(shè)150余臺。相同壓力條件下，過熱蒸汽的熱焓與比容大于濕蒸汽，所以注入過熱蒸汽可以有效提高井底蒸汽干度，蒸汽干度越高，注入油層中等量蒸汽的熱量越高，降粘作用、熱膨脹作用、解堵作用更好，驅(qū)油效率更高，有利于提高采油效果。因此，過熱注汽鍋爐是近年來新疆油田產(chǎn)能建設(shè)的主力爐型。

表1 新疆油田主要燃氣注汽鍋爐技術(shù)參數(shù)

1.2 燃氣注汽鍋爐在遼河油田的應(yīng)用

遼河油田目前主要在用的燃氣注汽鍋爐爐型包括濕蒸汽注汽鍋爐、高干度注汽鍋爐、過熱注汽鍋爐、超臨界壓力注汽鍋爐等直流鍋爐。表2為遼河油田主要燃氣注汽鍋爐技術(shù)參數(shù)。

表2 遼河油田主要注汽鍋爐技術(shù)參數(shù)

濕蒸汽注汽鍋爐主要用于遼河油田的吞吐開發(fā)。遼河油田SAGD開發(fā)使用的注汽鍋爐主要有兩種：高干度蒸汽注汽鍋爐和過熱蒸汽注汽鍋爐。高干度注汽鍋爐的主要流程為：鍋爐給水由柱塞泵送入鍋爐，受熱汽化后，飽和濕蒸汽經(jīng)過汽水分離器，得到高干度飽和濕蒸汽與高溫汽水分離水，該方式與加拿大SAGD采用的直流鍋爐+汽水分離器的高干度蒸汽發(fā)生方式相似。對于過熱蒸汽注汽鍋爐，汽水分離器分離后的飽和濕蒸汽經(jīng)過鍋爐過熱段后與分離水摻混后通過管線注入井口。

1.3 運行中的問題

(1)過熱注汽鍋爐導(dǎo)致管道結(jié)鹽

過熱注汽鍋爐是通過在濕蒸汽鍋爐的基礎(chǔ)上增加過熱段、汽水分離摻混系統(tǒng)實現(xiàn)過熱蒸汽的發(fā)生。目前國內(nèi)外熱采注汽鍋爐的出口蒸汽溫度干度控制在80%以內(nèi)，原因是采用了只軟化除硬而不除鹽的水處理工藝，鍋爐運行正常，但由于汽水分離器分離出的約20%的濃縮鹽水回摻到蒸汽中，導(dǎo)致后端注汽管道及井筒結(jié)鹽。目前通過定期降低注汽干度，利用飽和水進行沖洗的方式保證生產(chǎn)的正常運行。

(2)柱塞泵耐溫不足

隨著SAGD開發(fā)規(guī)模的擴大，油田熱能平衡的問題逐漸凸顯，采出液余熱加熱鍋爐給水是主要的用熱方式。目前，過熱注汽鍋爐使用的是耐高溫柱塞泵，額定耐溫為150 ℃，實際運行中由于盤根密封問題，給水溫度難以達到設(shè)計值，實際試驗時可達到120 ℃左右，距額定耐溫150 ℃尚有差距。

2 多佛北油田注汽系統(tǒng)特點

2.1 注汽參數(shù)

加拿大稠油油藏儲層大部分是疏松砂巖，埋藏一般較淺，大多使用稠油熱采。多佛北油田采用SAGD開發(fā)，井口注汽參數(shù)要求：注汽溫度270 ℃，注汽壓力5.5 MPa，井口注汽干度≥95%。

2.2 鍋爐供水水質(zhì)

1978年R.M.Butler博士提出SAGD概念與理論之后，SAGD經(jīng)過UTF現(xiàn)場試驗、商業(yè)化應(yīng)用后，進入現(xiàn)場規(guī)模實施。通過多年的發(fā)展，目前基本形成了兩種工藝路線，一是除油除懸浮物后的采出水采用蒸發(fā)除鹽；另一種是除油除懸浮物后的采出水采用石灰軟化+過濾+離子交換軟化。多佛北油田采用2種不同水處理工藝的水質(zhì)見表3。

表3 不同處理工藝的鍋爐給水水質(zhì)

2.3 鍋爐燃料

加拿大稠油熱采的鍋爐燃料主要為氣體燃料，燃料形式包括天然氣、伴生氣、裂解氣、摻混氣等，多佛北油田的燃料以摻混氣為主。

3 國產(chǎn)注汽鍋爐的技術(shù)適應(yīng)性分析

根據(jù)各類國產(chǎn)注汽鍋爐在國內(nèi)的應(yīng)用情況，結(jié)合多佛北稠油SAGD開發(fā)的特點，可以發(fā)現(xiàn)，22.5 t/h過熱注汽鍋爐、100 t/h高干度注汽鍋爐滿足注汽壓力、注汽干度的條件，具備在加拿大應(yīng)用的可能性，以下就這兩種爐型在技術(shù)方面的適應(yīng)性予以分析。

3.1 注汽鍋爐的布置與安裝

根據(jù)加拿大稠油SAGD開發(fā)的特點，注汽鍋爐一般建在中心處理站內(nèi)，注汽鍋爐負責(zé)項目內(nèi)所有井的注汽任務(wù)，蒸汽通過大口徑注汽管道輸送至各井場。由于系統(tǒng)負責(zé)的注汽量較大，以22.5 t/h為代表的小噸位國產(chǎn)燃氣注汽鍋爐安裝方便，但不適合集中建設(shè)，將鍋爐建設(shè)在各井場是相對可能的方式。該方式可以最大限度的減少大口徑高溫高壓注汽管道的建設(shè)，但隨之會帶來配套水、氣、排污管網(wǎng)以及電網(wǎng)的增加，投資反而會上升，同時會存在管理點增多、熱能平衡難度大、大氣污染物排放分散等問題。

100 t/h的高干度注汽鍋爐具備集中建設(shè)條件，但是其采用的直流鍋爐+汽水分離器生產(chǎn)高干度蒸汽的方法缺點在于：(1)25%左右的高溫高壓飽和水需要換熱降溫并閃蒸，存在能量品位的降低，且蒸汽長距離輸送后需配套較多的冷凝水疏水回收裝置才能滿足SAGD井口的蒸汽干度要求，管理相對復(fù)雜；(2)100 t/h的鍋爐實際只能生產(chǎn)75 t/h左右的高干度蒸汽，規(guī)?；⑵枰腻仩t臺數(shù)較多；(3)由于當(dāng)?shù)匕惭b費及建筑施工費用十分高昂，所以注汽鍋爐一般為露天布置。該鍋爐需要繼續(xù)優(yōu)化提高模塊化程度及環(huán)境適應(yīng)能力，才能適應(yīng)加拿大注汽鍋爐模塊化組裝、露天布置的特點。

3.2 水質(zhì)適應(yīng)性

采用MVC+RLD(機械壓縮降膜蒸發(fā)+再循環(huán)結(jié)晶)的水處理方式時，由于給水礦化度極低，小于蒸汽的攜鹽能力，使用過熱注汽鍋爐預(yù)計可以正常運行，后端管道與井筒也不會出現(xiàn)結(jié)鹽的情況；使用100 t/h的高干度注汽鍋爐可以正常運行，且可以適當(dāng)提高運行干度，但產(chǎn)汽品質(zhì)、系統(tǒng)整體經(jīng)濟性方面不及汽包鍋爐，所以該模式一般不會被采用。

采用石灰軟化+過濾+離子交換軟化的處理方式時，由于給水礦化度接近2 000 mg/L，預(yù)計過熱注汽鍋爐可以正常運行，但注汽管道與井筒會出現(xiàn)與國內(nèi)同樣的結(jié)鹽問題，屆時也需要定期降低干度進行清洗；由于高干度注汽鍋爐的實際蒸汽發(fā)生設(shè)備為濕蒸汽直流鍋爐，給水礦化度可放寬至7 000 mg/L，預(yù)計可以適應(yīng)凈化采出水的水質(zhì)。

3.3 工藝適應(yīng)性

SAGD開發(fā)意味著大量的采出液熱能需要與鍋爐給水進行換熱，目前加拿大常用的工藝需要鍋爐給水溫度換熱至150～160 ℃，國產(chǎn)22.5 t/h注汽鍋爐的柱塞泵耐溫與該要求尚有差距。因此，若直接使用該鍋爐作為規(guī)模化注汽的主力爐型，則意味著屆時會有大量的余熱不能與鍋爐給水換熱，需要考慮其他的熱能利用方式或空冷。因此，使用國產(chǎn)注汽鍋爐的思路包括：(1)取消22.5 t/h注汽鍋爐的柱塞泵，多臺鍋爐采用耐高溫離心泵集中高壓供水的模式，并對鍋爐控制系統(tǒng)進行相應(yīng)調(diào)整；(2)采用100 t/h高干度注汽鍋爐生產(chǎn)高干度蒸汽，采用耐高溫離心泵集中高壓供水。

3.4 環(huán)保適應(yīng)性

根據(jù)《Emission Guidelines for NOx》，加拿大阿爾伯達使用摻混氣的工業(yè)用直流鍋爐的NOx排放限值為40 g/GJ，控制目標(biāo)為15.8 g/GJ。國產(chǎn)注汽鍋爐普遍采用低氮燃燒器的方式控制NOx，性能較好的燃燒器接近排放限值，但未能達到控制目標(biāo)。若要達到控制目標(biāo)，需要考慮使用更先進的低氮燃燒技術(shù)，或增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，對鍋爐進行升級。

4 結(jié)論

(1)22.5 t/h過熱注汽鍋爐根據(jù)國內(nèi)油田的開發(fā)模式與生產(chǎn)工藝特點研發(fā)，較好的適應(yīng)了國內(nèi)油田稠油產(chǎn)能滾動開發(fā)的需求。加拿大阿爾伯達省的稠油開發(fā)模式為整體開發(fā)，生產(chǎn)工藝也與國內(nèi)有一定的差異，通過分析，22.5 t/h過熱注汽鍋爐暫時還不具備在加拿大進行規(guī)?；茝V的條件，但NOx控制水平升級后可以作為小規(guī)模試采的汽源。

(2)國產(chǎn)100 t/h高干度注汽鍋爐的高干度蒸汽發(fā)生方式源于加拿大，國產(chǎn)化具有價格優(yōu)勢。若要用于加拿大稠油開發(fā)，需要進行鍋爐NOx控制技術(shù)、模塊化、環(huán)境適應(yīng)性等方面的升級。基于直流鍋爐在水質(zhì)適應(yīng)性方面的優(yōu)勢，該鍋爐升級后在采出水礦化度更高的油區(qū)更能體現(xiàn)優(yōu)勢。

(3)采用分段蒸發(fā)技術(shù)的燃氣汽包過熱注汽鍋爐，采用模塊化安裝，通過煙氣再循環(huán)與低氮燃燒實現(xiàn)NOx達標(biāo)排放，給水水質(zhì)要求與多佛北油田凈化采出水水質(zhì)十分契合。該鍋爐既有國產(chǎn)鍋爐成本低的優(yōu)勢，又在技術(shù)上很好地適應(yīng)了多佛北油田稠油開發(fā)的要求，現(xiàn)場試驗成功后可以在加拿大稠油開發(fā)推廣，有利于降低地面系統(tǒng)投資。