[发明专利]用逆流降膜蒸发器使脱油的水再循环的方法

说明书

与相关申请的交互参考

本申请要求2010年12月14日申请的美国临时专利申请No.61/422,965的优先权。所述美国临时专利申请以参引方式包括在本文中。

技术领域

本发明的各实施例涉及用以使重油开采用的脱油水再循环的方法、系统和设备。

背景技术

石油可以用许多工艺流程从地下油藏中提取。那些工艺流程的其中之一是蒸汽助推重力驱（Steam-Assisted Gravity Drainage,SAGD）。在典型的SAGD工艺流程中，用蒸汽来井下注入以增大石油的流动性并可供将石油从地层中抽取出。该工艺流程产生大量的水，上述水包括石油和其它污染物，通过生产井流到地面。对该工艺过程来说，重要的是由于两个主要原因而使该水再循环。

首先，为SAGD工艺流程生产蒸汽的锅炉要求大的给水流动速率，通常是开采的石油体积的3-6倍。由于节水和减小对外部某些水资源（如淡水和微咸水）的影响的原因，该锅炉给水要求通常能通过使在生产井中返回地面的水再循环高度地（>90%）得到满足。

其次，在生产井中返回地面的水含有污染物，不允许该水流简单地排放到环境中。

由于与大量水的提取、使用和处理有关的费用高和潜在环境影响的原因，所以理想的是重新使用SAGD工艺流程中的水。

在SAGD所产生的水的再循环中可以使用的一个部件是蒸发器。对这种应用历史上专门使用顺流竖向管降膜（VTFF）蒸发器。它们普遍使用的原因包括：1）在一个容器中提供大量可用的传热表面积的能力；2）大量传热表面积可使每个蒸发器的蒸发能力达到最大；3）竖向设计有效地减小占地面积（生产空间需要）；4）与其它蒸发器型式相比可达到高的总传热系数（HTC）；5）与其它蒸发器型式（用高HTC实现）相比较低的功耗要求（生产每加仑馏出物）和6）顺流蒸发器自然设计成具有按传统考虑水化学管理的要求的大池（sump）体积。

顺流VTFF蒸发器通过连续地使水的大体积流量从蒸发器池循环到上盖而工作，在该上盖处将盐水作为降膜分配到传热表面（管）中。随着蒸汽在管的外部冷凝，使一部分降膜蒸发并与降膜一起向下行进，在该处蒸汽被分离并从蒸发器流出（参见图2和3）。

顺流蒸发器实际上很高并能在地平面上延伸高达150英尺。该高度的大约三分之一是由于传热表面要求（竖向管长度），而最末端高度的平衡多半是由于蒸发器池的重要要求。由于三个主要原因而要求蒸发器池很大。首先，必须提供足够的体积（在底管板下方和液位上方）以便蒸汽能从蒸发器管释放和能从蒸发器容器释放出）。其次，要求某一最小池体积以便能最初起动再循环泵而不使泵磨损。在再循环泵开始起动时，随着从池中取出液体体积并充装再循环管道、充装上盖并覆盖蒸发器管，蒸发器池中的液位快速地下降。池必须足够大以便允许这种体积变化，而不迅速地磨损再循环泵。应该注意，在再循环泵停止时情况也相反：保持在蒸发器和再循环管道中的水在再循环泵停止之后紧接着很快地收集在蒸发器池中。池体积必须大并足以适应这些常见的瞬态工作情况二者。这是任何顺流VTFF蒸发器的设计中所固有的。

最后，池也必须包含大体积以便在盐水循环到上盖并分布到传热表面上之前达到化学平衡。如果在循环到管上之前未达到化学平衡，则溶解的成分会逐渐沉淀并在蒸发器管上形成结垢，而使传热效率快速降低。蒸发器池体积是关键的结垢最小化参数。

蒸发器池体积的重要性在目前适合于SAGD应用的工艺中简单地理解为达到化学平衡的停留时间。例如，由Heins（受让方Ionics,Incorporated）提出的加拿大专利No.CA2307819（“Heins专利”）提出一种升高蒸发器内部蒸发器浓盐水的pH值的工艺流程。在这种工艺流程中此处硬度成分水平通常是在5mg/L-25mg/L的范围内（以CaCO₃计），硬度成分将以碳酸钙和氢氧化镁形式从溶液中沉淀。这些反应要求延长时间长度以达到平衡并完成；根据工作状况不同，时间长度可以是4-10分钟。如果在蒸发器池中不提供这种停留时间，则将发生来自这种软化反应的沉淀而在管表面处引起结垢和差强人意的蒸发器性能。即使在蒸发器池中设有长停留时间的蒸发器也仍以一定频率结垢，因为提供大到足以保证从池排出的盐水真正处于平衡也是不切实际的。