某深水气田乙二醇脱盐系统影响因素分析与措施

王正勇 李文英 刘玉军 张长智

1中海石油（中国）有限公司深圳分公司

2哈斯基石油中国有限公司

为了避免盐污染问题的发生，某深水气田在气田中心平台安装了一套乙二醇再生系统，系统接收来自三相分离器的富乙二醇溶液，先将其脱二价盐和脱水处理后，再将部分脱水后的含盐贫乙二醇在脱盐系统中进行脱盐处理，使产出的贫乙二醇中含盐浓度达到注入水下井口的要求，避免盐和其他污染物的沉积而危害整个水下生产系统。

从采出水的分析报告（表1）中可以看出，Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+、Sr2+、Ac-、CO32-、Cl-等离子会随地层水产出，其中二价金属阳离子[1]如果不能在乙二醇再生单元之前进行有效脱除，它们将会在脱水和脱盐单元内被浓缩或者沉积，有结垢的风险。此外，在高温再生和回收的过程中乙二醇会降级成TEG、DEG和PEG等大分子产物，它们会聚集在脱盐系统中，导致乙二醇溶液在闪蒸分离器中的黏度增加和腐蚀速率加快[2]。另外，在生产过程中，一些化学药剂，如防腐剂、阻垢剂、甲醇、破乳剂、消泡剂和除氧剂等被添加到井口物流中，再加上一些海管内的腐蚀杂质，这些药剂和杂质最终会迁移到脱盐系统，给该系统的操作和维护带来各种各样的问题。因此评估以上因素对脱盐系统的影响是非常有必要的。

表1 某深水气田生产水组分Tab.1 Componentsoftheproductionwaterinadeepwatergasfield

1 乙二醇脱盐系统

乙二醇脱盐系统一般分为部分脱盐系统和全脱盐系统。生产水中的含盐量决定从脱水单元来的贫乙二醇是采用全部还是部分脱盐工艺，由于该气田初期产出的盐量相对较少，设计上采用质量分数为34%的部分脱盐工艺[3]（图1），可以始终保持注入水下井口的贫乙二醇的含盐量低于30 000 mg/L。

来自脱水再生单元的含盐贫乙二醇（质量分数为90%的MEG）进入闪蒸分离器，通过循环泵输送至加热器升温至140℃，在真空泵产生的15～30 kPa压力下，贫乙二醇闪蒸成蒸汽，蒸汽到达闪蒸分离器顶部的冷凝器进行冷凝后进入乙二醇回收罐[4]，然后利用泵输送至冷却器进行冷却后再回注水下井口。

随着闪蒸分离器内的乙二醇和水不断蒸发，含盐乙二醇开始变得过饱和，不断地析出盐结晶颗粒[5]。由于密度的差异，盐颗粒在重力的作用下经过沉降槽后汇集到盐罐，在此过程中实现了乙二醇与盐的分离。乙二醇脱盐系统工艺流程如图2所示。

图1 部分脱盐工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of partial desalting process

闪蒸分离器和盐罐之间由一条外径406 mm、长约6 m的管线（沉降槽）相连接，从闪蒸分离器内析出的盐结晶颗粒通过该管线进入到盐罐。从沉降槽上部1/3的位置开始一直到盐罐是饱和盐水，而上部至闪蒸分离器是饱和盐的贫乙二醇，由于饱和盐水的密度大于饱和盐的贫乙二醇溶液，在理想情况下，沉降槽上部应该有一个比较明显的界面存在（图3）。随着闪蒸操作的进行，盐结晶颗粒受重力的作用沉降[6]，穿透此界面进入到饱和盐水中，盐颗粒表面沾附的乙二醇被饱和盐水清洗，互溶形成的混合溶液使这个界面变得模糊（图4）。为了能够判断界面的位置，减少乙二醇在饱和盐水中的损失，在沉降槽垂直方向装有多个电导率传感器指示界面的情况。如果出现界面判断困难的情况，可以通过沉降槽中部的取样口排放模糊界面处的溶液，建立新的界面。

循环加热器用于加热闪蒸分离器内的贫乙二醇，采用螺旋式加热器，其特点是自冲洗、热通量大、高流速，并控制乙二醇的进出口温差在10℃以内，减少了乙二醇与热表面的接触时间、热降解和结垢的风险[7]；通过增加进入加热器的流量以获得足够的热量用于闪蒸贫乙二醇，一般控制循环量和贫乙二醇的进料比为50∶1。

图2 乙二醇脱盐系统工艺流程Fig.2 Process flow of ethylene glycol desalting system

图3 乙二醇与饱和盐水的界面Fig 3 Interface between ethylene glycol and saturated salt water

图4 盐结晶颗粒穿过界面Fig.4 Salt particles pass through the interface

盐罐的功能是收集从闪蒸分离器经重力分离出来的盐，其中盐颗粒浓度的控制是利用篮式离心机进行分批脱除。盐罐的盐水随着离心机中固体盐的产出而不断损失，损失的盐水利用脱水单元回流罐的生产水补充，以维持沉降槽内饱和盐乙二醇和饱和盐水界面的稳定。

盐溶解罐的功能是接收来自离心机的固体盐饼，利用生产水对盐饼进行溶解，然后用泵送至中心平台水处理单元。

2 影响因素分析

脱盐系统乙二醇再生装置是最容易出现结垢、腐蚀、热降解、乙二醇损失、盐聚集和沉积的地方。为防止上述问题的出现，对影响乙二醇脱盐装置操作的因素做以下分析：

（1）二价金属阳离子对脱盐系统的影响[8]。富乙二醇中存在的 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+、Sr2+等二价阳离子如果不能在预处理单元中通过添加足量的氢氧化钠和碳酸钠予以清除，它们中的一部分将与贫乙二醇一起进入到脱盐单元；当循环加热器表面的温度、压力等结垢条件成立时，碳酸铁、碳酸钙和氢氧化镁等将会沉淀在其表面并形成垢；可溶解二价盐（如氯化钙、氯化镁）会在脱盐系统的闪蒸分离器及加热器的循环回路形成高黏度、类似于水泥状的液态固体混合物，从而影响加热器的换热效果和缩短设备的使用周期。

（2）羧酸盐聚集对脱盐系统的影响。从表1可知羧酸盐的质量浓度可能在950 mg/L，同样富乙二醇中也会含有一定量的羧酸盐，富乙二醇经过脱水处理后，羧酸盐被浓缩在贫乙二醇中。对于部分脱盐系统，有66%的贫乙二醇将旁通脱盐系统，另外34%的含有羧酸盐的贫乙二醇去闪蒸分离器脱盐，由于羧酸盐不易闪蒸，因此会累积在闪蒸分离器中，需要定期从回收装置中排放高浓度羧酸盐。

（3）防腐剂和阻垢剂对脱盐系统的影响。在生产过程中防腐剂、阻垢剂等化学药剂被添加到井口物流中，当防腐剂和其他有表面活性的化学药剂累积在闪蒸分离器里时，有可能会产生发泡现象。此外，聚集的表面活性剂、各种类型的盐和溶液的酸碱度也是影响起泡的因素。阻垢剂既可减轻气井、管汇、海底管线等处垢的形成，也可阻碍二价金属阳离子在预处理单元沉淀和一价盐在闪蒸分离器中结晶析出。

（4）碳酸氢钠对脱盐系统的影响。从表1可以看出，HCO3-的含量仅次于Cl-，碳酸氢钠可能会在脱水单元重沸器中的高温下转化成碳酸钠，碳酸氢钠将不会在脱盐系统中回收，部分生成的碳酸钠将会聚集在脱盐装置中被回收，这样会导致闪蒸分离器出现高的pH值。如果闪蒸分离器中由于某种原因发生起泡，溶解的碱将会随着泡沫进入到贫乙二醇中，可能会使贫乙二醇的碱度高于水下井口注入点允许的碱度，因此有必要中和一部分贫乙二醇中的碱性CO32-/HCO3-离子。此外，在高温条件下，高含盐的贫乙二醇可能会对脱盐装置材料造成一定的危害。

（5）氧气对脱盐系统的影响。乙二醇脱盐采用真空闪蒸分离技术，若系统密闭不良极有可能导致氧气进入到脱盐系统的循环加热回路中，造成乙二醇的氧化降解。此外，氧气会导致输送贫乙二醇的碳钢海管腐蚀，因此，该系统应控制氧气浓度要低于0.01 mg/L，可以通过加入除氧剂来消除氧气对系统的影响。

（6）完井液对脱盐系统的影响。该气田在完井之前对地层进行了压裂处理，使用的水基压裂液中含有氯化钾、氢氧化钠、瓜胶、黏土稳定剂、消泡剂、表面活性剂、交联剂、破胶剂和杀菌剂等药剂，若压裂液返排不彻底，压裂液将会与地层流体一起产出。在投产的初期，水和盐的产出量也会相应增加，必须加大贫乙二醇的注入量和乙二醇脱盐系统的处理量，以防止水合物的形成和盐的累积。此外，其他的化学药剂也可能会累积在闪蒸分离器中，造成脱盐系统循环回路中贫乙二醇溶液的黏度增加。如果没有其他有效的方法除去完井液，那么只能定期排放沉积在闪蒸分离器循环回路中的完井液[9]。

（7）乙二醇的降解对脱盐系统的影响。乙二醇既可以被氧化降解形成有机酸，也可以被单纯地热降解形成大分子的甘醇，如DEG、TEG和PEG。由于乙二醇的氧降解，氧气的消耗量可能在0.01～0.04 mg/(L·s)，这取决于pH值和回收装置的操作条件，如在闪蒸分离器的底部有空气泄漏进来直接进入液体相，在回收装置中乙二醇将会转化成有机酸。乙二醇热降解主要取决于换热器换热表层的温度、生产的化学药剂和盐类，如碳酸钠和氢氧化钠都会影响乙二醇的降解速率。乙二醇热降解产生大分子的甘醇对工艺没有特别大的影响，但过量的降解将会导致脱盐系统循环回路的乙二醇溶液黏度增加，最终影响循环加热器的换热效率。

（8）苯系物对乙二醇的影响。乙二醇从天然气中吸收芳香族化合物，如苯、甲苯、乙苯、二甲苯等苯系物。苯系物连同其他有机化合物被认为是污染物，如己烷、环戊烷、庚烷、环己烷等统称为挥发性有机化合物，监管机构限制排放这些化学物质进入自然环境。使用甘醇类天然气脱水装置的经验表明，苯系物在MEG、DEG、TEG这三种甘醇中的溶解度属MEG最小，使用乙二醇代替TEG和DEG可明显地降低BTEX的排放[10]。

3 应对措施

（1）脱盐系统采用耐腐蚀的不锈钢材质的管线和设备。

（2）加入除氧剂防止乙二醇在脱盐系统中发生氧化降解。

（3）在乙二醇循环回路上设计排放管线，定期排放高黏度、难闪蒸的废液至倾入槽。

（4）在选定化学药剂之前进行配伍性测试，尽量避免各种化学药剂在不同条件下的相互作用而影响下游工艺功能。

（5）脱盐系统的操作压力为20 kPa，真空条件下可以保持低于150℃的操作温度，远低于乙二醇的热降解温度165℃；同时，采用螺旋式加热器（图5）减少了乙二醇的热降解。

（6）该装置中使用沉降槽、盐罐和离心机组合技术不仅可以得到较干的盐饼，减少了乙二醇的损失和BTEX的排放，而且保护了大气和海洋环境。

图5 螺旋式加热器示意图Fig.5 Schematic diagram of spiral exchanger

4 结束语

通过对乙二醇脱盐装置影响因素进行分析，提出了对乙二醇损失少、操作成本低、环境污染少并且安全可靠的解决措施。通过对乙二醇脱盐系统采用耐腐蚀不锈钢管材和螺旋式加热器、加入除氧剂降解、提前进行药剂配伍性测试、定期排放高黏度废液等应对措施，不仅降低了乙二醇脱盐系统结垢与腐蚀的风险，同时也减少了乙二醇的损耗，从而使脱盐系统能够长期稳定运行，此为乙二醇回收工艺的设计、调试和生产提供了一定的参考。