劉倩，朱煥來(lái)，胡霞

(1. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2. 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶 163000)

地?zé)豳Y源泛指能夠被開(kāi)發(fā)與利用的自然地?zé)崮?、地?zé)崃黧w和其中有利用價(jià)值的成分，地?zé)岵粌H是礦產(chǎn)資源的組成部分，還是清潔的可再生能源之一。目前，隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的減少，進(jìn)入中高含水期的油田采出水所攜帶熱能的再利用已受到大量關(guān)注[1]。經(jīng)過(guò)多年的注水開(kāi)采，大慶油田已經(jīng)進(jìn)入高含水后期，隨著開(kāi)采能耗和排污量的逐年增多，油田開(kāi)采成本升高，企業(yè)的盈利能力和可持續(xù)發(fā)展受到影響。開(kāi)發(fā)利用油田采出水型地?zé)豳Y源不僅有利于解決油田開(kāi)采過(guò)程中大量污水需要處理的問(wèn)題，還對(duì)推動(dòng)油田能源轉(zhuǎn)型、整合優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有較重要的作用[2-3]。

1 地質(zhì)背景

大慶油田處于松遼盆地北部，地殼厚度較薄，莫霍面埋深為29～33 km，決定了地溫場(chǎng)的分布情況。地震波速結(jié)構(gòu)與電測(cè)深證實(shí)松遼盆地9～17 km和20 km之下存在2個(gè)低電阻率、低密度的高導(dǎo)層。松遼盆地北部處在地幔高導(dǎo)層隆起區(qū)，上地幔高導(dǎo)層埋深為60～70 km[4]。莫霍面隆起、上地幔上隆及殼內(nèi)高導(dǎo)層的存在是松遼盆地地溫梯度及大地?zé)崃髦蹈叩纳畈吭騕5-6]。盆地基底廣泛分布的華力西及燕山期花崗巖，含放射性元素高，放射性元素衰變過(guò)程中釋放大量的熱量，對(duì)地溫場(chǎng)有一定的作用；同時(shí)，基底深大斷裂發(fā)育，可以成為深部熱源的良好通道，對(duì)淺部地溫場(chǎng)有重要控制作用[5]。

2 油田采出水地?zé)豳Y源發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h2>

2.1 資源發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h3>

油田采出水又稱(chēng)為油田采出廢水、油田污水，是指與原油一起從油井中采出的水，其大致可以劃分為三部分，分別是來(lái)源于油層中的原生、次生地層的水、人工注入水和溶劑水[7]。

松遼盆地地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)結(jié)果表明：松遼盆地北部具備形成高地溫場(chǎng)地?zé)崽锏挠欣麉^(qū)域地質(zhì)條件、地溫場(chǎng)條件、熱儲(chǔ)條件、水文地質(zhì)條件，使得大慶油田不僅具有豐富的純地?zé)豳Y源，而且油田產(chǎn)出水資源充足[8]。目前，大慶油田原油開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入高含水后期，原油生產(chǎn)中伴隨原油的采出水量也呈逐年上升趨勢(shì)，通常溫度為33～35 ℃[2]。大慶油田長(zhǎng)垣老區(qū)每天采出污水161萬(wàn)m3，占全油田污水總量的95%，大慶油田余熱資料統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。此外，大慶油田正在使用的離心式注水泵站有171座，注水機(jī)組共243臺(tái)，通過(guò)機(jī)組冷卻水每年可提取余熱量折標(biāo)煤2.1萬(wàn)t，資源利用潛力較大。

表1 大慶油田余熱資源統(tǒng)計(jì)

2.2 市場(chǎng)前景分析

若直接利用地下地?zé)崴Y源，需要進(jìn)行多次的勘探、認(rèn)證和評(píng)價(jià)，將熱水采集到地面，成本較高。油田采出水型地?zé)豳Y源的載體是油田采出水，在原油生產(chǎn)過(guò)程中油田采出水和石油一起被采到地面，其含有的地?zé)豳Y源不需要單獨(dú)勘探和開(kāi)采，大幅降低了生產(chǎn)成本。此外，經(jīng)過(guò)脫油處理后的油田采出水一部分用于回注、一部分排入環(huán)境，充分利用該部分資源可以減小熱能損失，還可以減少熱污染、保護(hù)環(huán)境，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

據(jù)氣象資料顯示，大慶地區(qū)年平均氣溫3.5 ℃，最低氣溫-36.2 ℃，采暖期長(zhǎng)達(dá)182 d，幾乎全部采用電加熱或燃油燃?xì)忮仩t供暖[2]。大慶油田采用典型的三級(jí)布站石油生產(chǎn)流程，從采出到成為成品原油輸出的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱。從目前油田用熱的燃料結(jié)構(gòu)分析，與油田生產(chǎn)直接相關(guān)的加熱設(shè)施主要以天然氣作為燃料；部分距離天然氣氣源較遠(yuǎn)的加熱設(shè)施一般以原油或渣油作為燃料；油田礦區(qū)集中的居住區(qū)采暖主要以熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱以及大型區(qū)域燃煤鍋爐房為主，部分調(diào)峰鍋爐房以渣油作為燃料；其他油田配套單位的小型鍋爐房主要以渣油、天然氣及煤作為燃料。大慶油田每年工業(yè)加熱爐及民用鍋爐總能耗折標(biāo)煤約為600萬(wàn)t，若能采用先進(jìn)的技術(shù)將油田采出水余熱加以利用，則能減少天然氣和電力的消耗量，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，因此，地?zé)豳Y源的應(yīng)用前景較好。

3 油田采出水地?zé)豳Y源利用調(diào)查

大慶油田分別利用油田采出水余熱及地?zé)豳Y源解決了部分油田設(shè)施供暖，主要用于注水站、辦公樓等的供暖，取得了較好的效果[9-10]。

以油田采出水余熱和注水電機(jī)冷卻水余熱為主要熱源，采取熱泵直接取熱或者經(jīng)換熱器間接換熱，能夠有效地提取采出水和注水電機(jī)冷卻水熱能，用于站場(chǎng)采暖及工藝伴熱和脫水、摻水、部分外輸工藝用熱，節(jié)約天然氣消耗，油田采出水余熱和注水電機(jī)冷卻水余熱利用原理流程分別見(jiàn)圖1及圖2[11-12]。

已建成的熱泵供熱項(xiàng)目基本運(yùn)行良好，節(jié)能效果明顯，中溫?zé)岜玫哪苄П?COP)為3.5～4.5，高溫及超高溫?zé)岜玫腃OP為4.0～6.0。

大慶油田利用熱泵技術(shù)提取工業(yè)余熱，供熱能力58 MW，該部分清潔能源折標(biāo)煤2.4萬(wàn)t/a；建成各種加熱爐2 830臺(tái)，總裝機(jī)容量4 648.51 MW；熱水鍋爐640臺(tái)，總裝機(jī)容量1 137 MW，蒸汽鍋爐43臺(tái)，總噸位139.5 t/h，油田生產(chǎn)及站場(chǎng)建筑采暖用能消耗天然氣15.43億m3，折標(biāo)煤187.37萬(wàn)t；共有污水處理站260座，含油污水日處理量169.4萬(wàn)m3，污水處理后含油污水溫度為33～35 ℃。按照水源熱泵最高提取溫度10 ℃計(jì)算，理論可提取熱量820.8 MW，每年提取余熱量折標(biāo)煤 88.19萬(wàn)t。

圖1 采出水余熱利用工藝原理流程示意

圖2 注水電機(jī)冷卻水余熱利用原理流程示意

2009年投產(chǎn)的力神泵業(yè)采暖項(xiàng)目，建設(shè)規(guī)模12.08 MW，以采油一廠二礦聚中11注水站含油污水為熱源，采用熱泵技術(shù)提取余熱替代鍋爐供暖，供暖面積11.92萬(wàn)m2。運(yùn)行后，節(jié)約渣油3 591 t，節(jié)約標(biāo)煤2 506 t，減排6 516 t CO2，減員17人，年均節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用750萬(wàn)元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2011年改造投產(chǎn)的薩西注水站，在利用熱泵技術(shù)代替鍋爐采暖的同時(shí)也將注水電機(jī)冷卻水進(jìn)行換熱降溫，建設(shè)規(guī)模0.6 MW，供暖面積1 100 m2。運(yùn)行后，節(jié)約燃?xì)?8.6萬(wàn)m3，減排CO2354.6 t，減員9人，取得了節(jié)能降耗、一機(jī)兩用，優(yōu)化人員配置的效果。從運(yùn)行情況分析，該改造采暖效果及冷卻效果良好、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)水溫能夠穩(wěn)定在20～23 ℃。

2019—2020年在喇360轉(zhuǎn)油放水站開(kāi)展了換熱器對(duì)比小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。第一階段：2019年7月26日至11月10日，試驗(yàn)運(yùn)行100 d；第二階段：2020年5月11日至9月5日，試驗(yàn)運(yùn)行88 d。主要對(duì)寬流道、板式和熱管式3種不同結(jié)構(gòu)的換熱器在正常運(yùn)行和滿負(fù)荷運(yùn)行2種條件下的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其工藝流程圖如圖3。該站共6臺(tái)熱水鍋爐，取代了工藝加熱爐7臺(tái)，為今后規(guī)模化余熱利用提供經(jīng)驗(yàn)。

圖3 喇360小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)換熱器工藝流程示意

2020年投運(yùn)的采油一廠新中一污水站余熱利用工程，建設(shè)規(guī)模14.4 MW，是油田規(guī)模最大的區(qū)域集中供熱熱泵站，投運(yùn)后取代了中一聯(lián)附近的5座燃?xì)忮仩t房，總供熱面積2.4萬(wàn)m3，運(yùn)行一個(gè)采暖季，節(jié)約燃?xì)?87萬(wàn)m3，年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用647.85萬(wàn)元，CO2減排1.2萬(wàn)t，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

大慶地處高緯度地區(qū)，合理地利用油田采出水中的余熱，能較好地滿足油田上的生產(chǎn)、生活的供熱需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的循環(huán)利用，還能減少不可再生資源的消耗。

4 油田采出水利用中需解決的問(wèn)題

目前大慶油田采出水資源利用方式以供暖、提供熱水為主[13]，利用率不高；在油田采出水的綜合利用規(guī)模和總體規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面，也存在一些制約油田采出水資源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程的問(wèn)題：①油田采出水資源量較大，而開(kāi)發(fā)利用規(guī)模小，產(chǎn)業(yè)化程度不高，熱能利用率偏低。②采出水質(zhì)對(duì)換熱技術(shù)的影響，污水的含聚濃度高，含油量大，極易在換熱器內(nèi)壁形成較厚的污垢，顯著降低換熱器的傳熱系數(shù)，堵塞換熱器流道，增大污水壓降，影響油井的摻水效果[14-15]；回注地層的采出水成分復(fù)雜，不同性質(zhì)的油田采出水需要不同的處理工藝，若處理不當(dāng)，不僅會(huì)造成注水管腐蝕結(jié)垢，而且排向地面的部分廢水會(huì)造成生態(tài)環(huán)境的污染，因此高效處理油田采出水水質(zhì)是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[16-18]。③地?zé)豳Y源勘查研究對(duì)象多為個(gè)別區(qū)塊，缺少區(qū)域性整體勘查及水文地質(zhì)研究；地?zé)釁^(qū)塊缺乏統(tǒng)一化、系統(tǒng)化、規(guī)范化管理，油田采出水回用方式由各采油廠、礦自行設(shè)計(jì)，缺乏統(tǒng)一管理和整體規(guī)劃。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合大慶油田油田采出水資源利用的實(shí)際情況，應(yīng)深入開(kāi)展油田采出水多級(jí)利用技術(shù)及其處理技術(shù)，提高資源利用率，同時(shí)實(shí)施系統(tǒng)化、規(guī)范化管理。

5 油田采出水地?zé)豳Y源利用前景分析

大慶油田能耗大，2020年用能總量折標(biāo)煤600萬(wàn)t，其中生產(chǎn)用能折標(biāo)煤393萬(wàn)t，非生產(chǎn)用能折標(biāo)煤207萬(wàn)t。利用熱泵技術(shù)提取油田采出水熱量是目前主要途徑之一[19]。熱泵是一種開(kāi)發(fā)和利用高溫?zé)崮艿墓ぞ撸淇梢园褌鹘y(tǒng)的低溫剩余的熱能轉(zhuǎn)化成高溫的熱能[20-21]。熱泵的COP值為3.8～6，也即輸入1 kW電力，至少能產(chǎn)出3.8 kW的熱量，相當(dāng)于節(jié)電70%以上，因此，可以利用成熟可靠、運(yùn)行成本較低的熱泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油田采出水資源的開(kāi)發(fā)利用，逐步提高油田采出水資源再利用的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

采用成熟可靠的熱泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大慶油田油田采出水的資源化利用，可以較好地緩解常規(guī)能源供應(yīng)不足，改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

6 結(jié)論

1)斷裂構(gòu)造發(fā)育、莫霍面隆起及花崗巖的廣泛分布是松遼盆地具有高地溫場(chǎng)地?zé)崽锏闹匾蛩亍?/p>

2)大慶油田采出水地?zé)豳Y源量豐富，水量逐年遞增，每天產(chǎn)出量為169萬(wàn)m3，污水處理后含油污水溫度33～35 ℃，按污水溫度35 ℃，提取溫度10 ℃計(jì)算，每年可提取熱量折標(biāo)煤88.19萬(wàn)t。

3)油田采出水型地?zé)豳Y源可以直接用于油田摻水集輸和伴熱集輸，還可通過(guò)熱泵技術(shù)提取熱量應(yīng)用于油田基礎(chǔ)設(shè)施和居民樓供暖，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4)油田采出水技術(shù)的規(guī)模化利用、水質(zhì)處理以及規(guī)?；芾砣允侵萍s大慶油田地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程的主要影響因素。大慶油田應(yīng)開(kāi)展油田采出水多級(jí)利用技術(shù)及處理技術(shù)，提高資源利用率，同時(shí)采取系統(tǒng)化、規(guī)范化的管理。