申请日2013.07.16
公开(公告)日2015.12.16
IPC分类号C02F1/06; B01D3/06
摘要
本发明的实施方案提供一种用于生产经处理的水流的方法。该方法包括接受供给流，其包含至少一种溶解于水相中的物质;以及在多个级中对供给水流进行处理，从而生产经处理的水流和浓缩流，所述多个级在操作中从最低温度和压力到最高温度和压力排列。各级均包括容器、换热器、蒸发器和冷凝器。各蒸发器均被构造成利用直接加热或间接加热中的一者来蒸发一定量的水。各冷凝器均被构造成使通过接续级产生的至少一部分蒸汽冷凝。根据多个实施方案，所述多个级串联排列。在其他实施方案中，所述多个级并联排列。
权利要求书
1.一种用于生产经处理的水流的方法，所述方法包括以下步骤：
接受供给流，所述供给流包含至少一种混合于水相中的物质; 以及
在多个级中对所述供给水流进行处理，从而生产所述经处理的 水流和浓缩流，所述多个级在操作中从最低温度和压力到最高温度和 压力排列，
其中各级均包括容器、换热器、蒸发器和冷凝器，
其中各蒸发器均被构造成利用直接加热或间接加热中的一者来 蒸发一定量的水，并且
其中各冷凝器均被构造成使通过接续级产生的至少一部分蒸汽 冷凝。
2.权利要求1所述的方法，其中所述多个级串联排列，其中与 其他级相比，接受所述供给水流的第一级在最低温度和压力下操作。
3.权利要求1所述的方法，其中所述多个级并联排列，各级均 被构造成接受来自于相同来源的供给水流，进而被构造成彼此进行换 热。
4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述处理的步骤还 包括：
将所述供给水流供给至所述第一级，与其他级相比，所述第一 级在最低温度和压力下操作，所述第一级的蒸发器被构造成产生水蒸 气流，该水蒸气流被所述第一级的冷凝器冷凝从而产生第一经处理的 水流，
从所述第一级的蒸发器中提取浓缩卤水，并将所述浓缩卤水供 给流供给至第二级的蒸发器，所述第二级包括高于所述第一级的温度 和压力，从而产生另外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，将该接 续的浓缩卤水流供给至所述多个级的接续级的蒸发器，各接续级都包 括比前一级更高的温度和压力，各接续级的蒸发器均被构造成产生另 外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，该接续的浓缩卤水流被供给 至所述多个级的接续级的蒸发器，以及
从与其他级相比具有最高温度和压力的一级的蒸发器中，从浓 缩卤水流中提取卤水，经提取的卤水被用于提供能量，以加热被供给 至所述多个级的各蒸发器的所述浓缩卤水流。
5.权利要求4所述的方法，其中来自于与其他级相比具有最高 温度和压力的一级的所述经提取的卤水被用于对从最高温度和压力 到最低温度和压力的所述多个级的蒸发器提供能量。
6.前述权利要求中任一项所述的方法，其中各蒸发器均包括补 偿加热系统，所述补偿加热系统被构造成利用电加热、来自于载热流 体的对流加热、燃烧和氧化中的至少一者所提供的直接热量。
7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流为卤 水流，所述卤水流产生自咸水层、来自于工业过程的半咸水流、或包 含有机污染物的水的混合物中的一者。
8.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流是产 生自采气现场或采油现场中的一者的卤水流。
9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流是得 自原油和天然气处理设备的采出水流，所述供给水流包括液体的烃或 溶解的烃或者添加化学品中的一种，并且所述采出水流是压力好氧流 或压力厌氧流中的一种。
10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述供给水流包括 水相和另一种不混溶或部分混溶的流体相，所述不混溶或部分混溶的 流体相包含占1ppm至10体积%比例的非溶解气相、油相或分散的 固体颗粒中的一种，所述用于生产经处理的水流的方法还被用于使水 与另一种不混溶或部分混溶的流体相分离。
说明书
原油和天然气处理设备中的采出水处理工艺
技术领域
本发明的实施方案总体涉及水的淡化。更具体而言，本发明的 实施方案涉及用于从得自原油和天然气开采设备的采出卤水制备淡 水(下文中也称作“经处理的水”)的系统和方法。
背景技术
淡水被用于油气分离站(GasOilSeparationPlant，下文中称作 “GOSP”)以从原油中除去盐。传统上，水是从外部来源提供的，例 如远蓄水层或海水淡化工厂，然后利用脱盐系统进行处理，例如，热 脱盐系统，诸如多级闪蒸系统、多效蒸馏系统、或蒸汽压缩系统之类 的非限制性的例子。
目前，各种商业化的工艺被用于产生蒸汽，以用于油藏的蒸汽 辅助重力泄油(SAGD)的唯一应用中。这个应用首先在1989年作 为示例而提到。该工艺在21世纪早期得到进一步的发展用于蒸汽压 缩蒸发器，并得到了持续的改进。
图1是常规的热脱盐系统的示意图：多级闪蒸系统。如图1所 示，该多级闪蒸系统包括多个蒸发室，最冷的蒸发室接受作为供料流 的海水。海水流过一系列的换热器管，并在到达外部换热器(例如， 卤水加热器——在图1中标作“加热蒸汽”)之前在各级中进行加热。 与第一级的温度和压力相比，卤水加热器将供给水加热过热，从而当 该供给水进入第一蒸发室时使该供给水蒸发。在该常规的系统中，接 续的蒸发室以从最热侧的第一级(即，图1的左手侧)至最冷侧的最 后一级(即，图1的右手侧)连续降低的压力水平进行操作。各级中 产生的蒸汽在位于各蒸发室顶部的换热器中被冷凝成为新的液态水。 卤水循环至下一级用于进一步蒸发，直到其到达最冷一级，然后依次 流出系统。从各级产生的新水被混入“馏出物”管线，并经过最冷一级 而流出系统。
图2是另一个常规的热脱盐系统的示意图：多效蒸馏系统。如 图2所示，该多效蒸馏系统按照与图1中所示的多级闪蒸系统相似的 模式操作，即，连续的室以从第一个热的室(即，图2的左手侧)至 最后一个冷的室(即，图2的右手侧)降低的压力和温度水平进行操 作。根据该常规系统，各室均包括喷洒了海水的水平热管管束。加热 蒸汽流入热管管束的管内，由此从一级产生的蒸汽在较低的温度和压 力下被输送至下一级，从而被冷凝成为液态处理水。在给定级中，由 海水蒸发而产生的蒸汽处于比下一级更高的温度，因此能够被用作后 续级的加热流体。在最后的冷凝器一级的出口处，能够将温的海水流 的一部分用于工艺的进口处的再循环，同时通常将另一部分排放到海 中。在工艺的最后一级将卤水和馏出物收集起来并从该多效蒸馏系统 中泵出。
图3是另一个常规的热脱盐系统的示意图：蒸汽压缩系统。如 图3所示，当不能从外源获取热量时通常使用该蒸汽压缩系统。该蒸 汽压缩系统的工作原理与图2中所示的多效蒸馏系统非常相似。然 而，蒸汽压缩系统的主要优势在于，蒸汽是从最后一级提取的并被压 缩至高于第一(即，最热)室压力的压力。这使得能够在蒸汽压缩系 统的第一级室中将蒸汽作为热源而再次使用。
这些常规的热脱盐系统中的每个系统都需要复杂的基础设施以 从外部来源输送新鲜水，并且耗费大量的外部能源来生产用于GOSP 设备的经处理的水。例如，常规的淡化工厂具有以下特点，淡化海水 的能量消耗为4kWh/m3，对此必须加上将淡化水输送至使用地点的 能量费用。因此，还需要用于从得自原油和天然气开采设备的采出卤 水而生产经处理的水的改进的系统和方法，其能够以降低的费用(例 如，建造、运行和维护费用)操作，并且需要较少的外部能源从而产 生经处理的水(即，由于免去了用于将新鲜水从遥远地区供应至 GOSP设备的管线设施和系统而导致)。
发明内容
总体而言，本发明的实施方案提供用于从得自原油和天然气开 采设备的采出卤水而原地生产经处理的水的系统和方法。
具体而言，本发明的实施方案涉及与常规的热脱盐系统相比， 以降低的费用(例如，建造、运行和维护费用)，以及更低的能量消 耗代价而在原地生产经处理的水的系统和方法。包括了根据本文所述 的多个实施方案的系统和方法的GOSP设备是能够对经处理的水自 给自足的生产者，有效地消除了钻探新鲜水井的需要、蓄水层储量的 耗尽、或者从偏远地区输送新鲜水的需要，并且对环境的影响较小。 因此，与经处理的水的生产相关的能量成本显著降低，例如，每年从 4kWh/m3降低至0.2kWh/m3。
根据本文所述的多个实施方案的系统和方法包括在不同的压力 和温度下操作的蒸发段和冷凝段，以将产生GOSP设备内需要的经处 理的水所需的能量降至最低。根据这些方法在这些系统中产生的热量 被用于蒸发水，以及由产生的水生成蒸汽，从而进一步将GOSP设备 内的能量消耗最小化，有效地消除利用外部能量源来产生GOSP设备 内所需的经处理的水的需求。在某些实施方案中，蒸发段/冷凝段是 串联组合的，而在其他实施方案中，蒸发段/冷凝段是并联组合的。 根据某些实施方案，各级在不同的压力下操作，从而系统能够将在不 同温度下产生的废热用于处理和生成所需的经处理的水以用于外部 应用。
根据某些实施方案，废热作为用于产生GOSP设备内的经处理 的水的主要能量来源，并且可得自于气体压缩机的排出蒸汽、原油生 产流、和/或采出水流。产生的蒸汽部分内部冷凝，并通过空气和/或 水和/或海水冷凝器全部冷凝，从而生成所需的经处理的水。经处理 的水随后能够用于各种应用，例如，卤水-原油分离工艺的原油脱盐 和热强化，或者与来自于其他来源的新鲜水混合以完成GOSP设备内 的其他作业，或者用于外部应用，例如，生产浓缩的盐水(如，卤水)、 或生产蒸馏水以作为备用水库的水源，或者生产用于强化采油的蒸 汽。
根据本文所述的多个实施方案的系统和方法对于处理还未预先 加工(例如，纯化、处理等)过的采出水是有效的，甚至当采出水含 有(例如)1体积%的量的原油和溶解气体时也是有效的。各实施方 案提供能够回收卤水中包含的相当量的油(即，对卤水中包含的油具 有超过35%的回收率)的系统和方法。
因此，根据一个实施方案，提供一种用于生产经处理的水流的 方法。所述方法包括以下步骤：接受供给流，所述供给流包含至少一 种混合于水相中的物质;以及在多个级中对所述供给水流进行处理， 从而生产所述经处理的水流和浓缩流，所述多个级在操作中按照最低 温度和压力到最高温度和压力的顺序排列。各级均包括容器、换热器、 蒸发器和冷凝器。各蒸发器均被构造成利用直接加热或间接加热中的 一者来蒸发一定量的水。各冷凝器均被构造成使由接续级产生的至少 一部分蒸汽冷凝。
在某些实施方案中，所述多个级串联排列，由此与其他级相比， 接受所述供给水流的第一级在最低温度和压力下操作。
在某些实施方案中，所述多个级并联排列，各级均被构造成接 受来自于相同来源的供给水流，进而被构造成彼此进行换热。
在某些实施方案中，所述处理的步骤还包括将所述供给水流供 给至所述第一级，与其他级相比，所述第一级在最低温度和压力下操 作。所述第一级的蒸发器被构造成产生水蒸气流，该水蒸气流被所述 第一级的冷凝器冷凝从而产生第一经处理的水流。所述处理步骤还包 括从所述第一级的蒸发器中提取浓缩卤水，并将所述浓缩卤水供给流 供给至第二级的蒸发器。所述第二级包括高于所述第一级的温度和压 力，从而产生另外的经处理的水流和接续的浓缩卤水流，将该接续的 浓缩卤水流供给至所述多个级的接续级的蒸发器。各接续级都包括比 前一级更高的温度和压力。各接续级的蒸发器均被构造成产生另外的 经处理的水流和接续的浓缩卤水流，该接续的浓缩卤水流被供给至所 述多个级的接续级的蒸发器。此外，所述处理步骤还包括从与其他级 相比具有最高温度和压力的一级的蒸发器中，从浓缩卤水流中提取卤 水。经提取的卤水被用于提供能量，以加热被供给至所述多个级的各 蒸发器的所述浓缩卤水流。
在某些实施方案中，来自于与其他级相比具有最高温度和压力 的一级的所述经提取的卤水被用于向从最高温度和压力到最低温度 和压力的多个级的蒸发器提供能量。
在某些实施方案中，各蒸发器均包括补偿加热系统，所述补偿 加热系统被构造成利用由电加热、来自于载热流体的对流加热、燃烧 和氧化中的至少一者所提供的直接热量。
在某些实施方案中，所述供给水流是产生自咸水层、来自于工 业过程的半咸水流、或包含有机污染物的水的混合物中的一者的卤水 流。
在某些实施方案中，所述供给水流是产生自采气现场或采油现 场中的一者的卤水流。
在某些实施方案中，所述供给水流是得自原油和天然气处理设 备的采出水流，所述供给水流包括液体的烃或溶解的烃或者添加化学 品中的一种，并且所述采出水流是压力好氧流或压力厌氧流中的一 种。
在某些实施方案中，所述供给水流包括水相和另一种不混溶或 部分混溶的流体相。所述不混溶或部分混溶的流体相包含占1ppm至 10体积%比例的非溶解气相、油相或分散的固体颗粒中的一种。所 述用于生产经处理的水流的方法还用于将水与另一种不混溶或部分 混溶的流体相分离。
根据不同的实施方案，多个蒸发器包括被构造成在0.01至0.2 巴(绝对压力)(1至20kPa)之间操作的低压蒸发器、被构造成在 0.1至0.5巴(绝对压力)(10至50kPa)之间操作的中压蒸发器、 和被构造成在0.4巴(绝对压力)(40kPa)以上操作的高压蒸发器。
根据其他实施方案，多个蒸发器的压力水平上的变化是基于现 有的能量的量以及温度，其中该温度是能够从原油和天然气开采设备 中获得该现有能量的温度。
