大庆油田采出水资源综合利用分析

刘倩，朱焕来，胡霞

(1. 东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318；2. 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163000)

地热资源泛指能够被开发与利用的自然地热能、地热流体和其中有利用价值的成分，地热不仅是矿产资源的组成部分，还是清洁的可再生能源之一。目前，随着煤炭、石油等传统能源的减少，进入中高含水期的油田采出水所携带热能的再利用已受到大量关注[1]。经过多年的注水开采，大庆油田已经进入高含水后期，随着开采能耗和排污量的逐年增多，油田开采成本升高，企业的盈利能力和可持续发展受到影响。开发利用油田采出水型地热资源不仅有利于解决油田开采过程中大量污水需要处理的问题，还对推动油田能源转型、整合优化能源产业结构具有较重要的作用[2-3]。

1 地质背景

大庆油田处于松辽盆地北部，地壳厚度较薄，莫霍面埋深为29～33 km，决定了地温场的分布情况。地震波速结构与电测深证实松辽盆地9～17 km和20 km之下存在2个低电阻率、低密度的高导层。松辽盆地北部处在地幔高导层隆起区，上地幔高导层埋深为60～70 km[4]。莫霍面隆起、上地幔上隆及壳内高导层的存在是松辽盆地地温梯度及大地热流值高的深部原因[5-6]。盆地基底广泛分布的华力西及燕山期花岗岩，含放射性元素高，放射性元素衰变过程中释放大量的热量，对地温场有一定的作用；同时，基底深大断裂发育，可以成为深部热源的良好通道，对浅部地温场有重要控制作用[5]。

2 油田采出水地热资源发展潜力分析

2.1 资源发展潜力分析

油田采出水又称为油田采出废水、油田污水，是指与原油一起从油井中采出的水，其大致可以划分为三部分，分别是来源于油层中的原生、次生地层的水、人工注入水和溶剂水[7]。

松辽盆地地热资源评价结果表明：松辽盆地北部具备形成高地温场地热田的有利区域地质条件、地温场条件、热储条件、水文地质条件，使得大庆油田不仅具有丰富的纯地热资源，而且油田产出水资源充足[8]。目前，大庆油田原油开发已经进入高含水后期，原油生产中伴随原油的采出水量也呈逐年上升趋势，通常温度为33～35 ℃[2]。大庆油田长垣老区每天采出污水161万m3，占全油田污水总量的95%，大庆油田余热资料统计见表1。此外，大庆油田正在使用的离心式注水泵站有171座，注水机组共243台，通过机组冷却水每年可提取余热量折标煤2.1万t，资源利用潜力较大。

表1 大庆油田余热资源统计

2.2 市场前景分析

若直接利用地下地热水资源，需要进行多次的勘探、认证和评价，将热水采集到地面，成本较高。油田采出水型地热资源的载体是油田采出水，在原油生产过程中油田采出水和石油一起被采到地面，其含有的地热资源不需要单独勘探和开采，大幅降低了生产成本。此外，经过脱油处理后的油田采出水一部分用于回注、一部分排入环境，充分利用该部分资源可以减小热能损失，还可以减少热污染、保护环境，具有较好的经济和环境效益。

据气象资料显示，大庆地区年平均气温3.5 ℃，最低气温-36.2 ℃，采暖期长达182 d，几乎全部采用电加热或燃油燃气锅炉供暖[2]。大庆油田采用典型的三级布站石油生产流程，从采出到成为成品原油输出的过程中会产生大量的热。从目前油田用热的燃料结构分析，与油田生产直接相关的加热设施主要以天然气作为燃料；部分距离天然气气源较远的加热设施一般以原油或渣油作为燃料；油田矿区集中的居住区采暖主要以热电联产、集中供热以及大型区域燃煤锅炉房为主，部分调峰锅炉房以渣油作为燃料；其他油田配套单位的小型锅炉房主要以渣油、天然气及煤作为燃料。大庆油田每年工业加热炉及民用锅炉总能耗折标煤约为600万t，若能采用先进的技术将油田采出水余热加以利用，则能减少天然气和电力的消耗量，具有较好的经济和社会效益，因此，地热资源的应用前景较好。

3 油田采出水地热资源利用调查

大庆油田分别利用油田采出水余热及地热资源解决了部分油田设施供暖，主要用于注水站、办公楼等的供暖，取得了较好的效果[9-10]。

以油田采出水余热和注水电机冷却水余热为主要热源，采取热泵直接取热或者经换热器间接换热，能够有效地提取采出水和注水电机冷却水热能，用于站场采暖及工艺伴热和脱水、掺水、部分外输工艺用热，节约天然气消耗，油田采出水余热和注水电机冷却水余热利用原理流程分别见图1及图2[11-12]。

已建成的热泵供热项目基本运行良好，节能效果明显，中温热泵的能效比(COP)为3.5～4.5，高温及超高温热泵的COP为4.0～6.0。

大庆油田利用热泵技术提取工业余热，供热能力58 MW，该部分清洁能源折标煤2.4万t/a；建成各种加热炉2 830台，总装机容量4 648.51 MW；热水锅炉640台，总装机容量1 137 MW，蒸汽锅炉43台，总吨位139.5 t/h，油田生产及站场建筑采暖用能消耗天然气15.43亿m3，折标煤187.37万t；共有污水处理站260座，含油污水日处理量169.4万m3，污水处理后含油污水温度为33～35 ℃。按照水源热泵最高提取温度10 ℃计算，理论可提取热量820.8 MW，每年提取余热量折标煤 88.19万t。

图1 采出水余热利用工艺原理流程示意

图2 注水电机冷却水余热利用原理流程示意

2009年投产的力神泵业采暖项目，建设规模12.08 MW，以采油一厂二矿聚中11注水站含油污水为热源，采用热泵技术提取余热替代锅炉供暖，供暖面积11.92万m2。运行后，节约渣油3 591 t，节约标煤2 506 t，减排6 516 t CO2，减员17人，年均节省运行费用750万元，取得了良好的经济和社会效益。

2011年改造投产的萨西注水站，在利用热泵技术代替锅炉采暖的同时也将注水电机冷却水进行换热降温，建设规模0.6 MW，供暖面积1 100 m2。运行后，节约燃气18.6万m3，减排CO2354.6 t，减员9人，取得了节能降耗、一机两用，优化人员配置的效果。从运行情况分析，该改造采暖效果及冷却效果良好、运行平稳、操作简单，系统水温能够稳定在20～23 ℃。

2019—2020年在喇360转油放水站开展了换热器对比小型现场试验。第一阶段：2019年7月26日至11月10日，试验运行100 d；第二阶段：2020年5月11日至9月5日，试验运行88 d。主要对宽流道、板式和热管式3种不同结构的换热器在正常运行和满负荷运行2种条件下的各项运行参数的进行对比试验，其工艺流程图如图3。该站共6台热水锅炉，取代了工艺加热炉7台，为今后规模化余热利用提供经验。

图3 喇360小型现场试验换热器工艺流程示意

2020年投运的采油一厂新中一污水站余热利用工程，建设规模14.4 MW，是油田规模最大的区域集中供热热泵站，投运后取代了中一联附近的5座燃气锅炉房，总供热面积2.4万m3，运行一个采暖季，节约燃气387万m3，年节省运行费用647.85万元，CO2减排1.2万t，取得良好的经济和社会效益。

大庆地处高纬度地区，合理地利用油田采出水中的余热，能较好地满足油田上的生产、生活的供热需求，实现了对水的循环利用，还能减少不可再生资源的消耗。

4 油田采出水利用中需解决的问题

目前大庆油田采出水资源利用方式以供暖、提供热水为主[13]，利用率不高；在油田采出水的综合利用规模和总体规划设计等方面，也存在一些制约油田采出水资源开发利用进程的问题：①油田采出水资源量较大，而开发利用规模小，产业化程度不高，热能利用率偏低。②采出水质对换热技术的影响，污水的含聚浓度高，含油量大，极易在换热器内壁形成较厚的污垢，显著降低换热器的传热系数，堵塞换热器流道，增大污水压降，影响油井的掺水效果[14-15]；回注地层的采出水成分复杂，不同性质的油田采出水需要不同的处理工艺，若处理不当，不仅会造成注水管腐蚀结垢，而且排向地面的部分废水会造成生态环境的污染，因此高效处理油田采出水水质是需要解决的关键问题[16-18]。③地热资源勘查研究对象多为个别区块，缺少区域性整体勘查及水文地质研究；地热区块缺乏统一化、系统化、规范化管理，油田采出水回用方式由各采油厂、矿自行设计，缺乏统一管理和整体规划。

针对上述问题，结合大庆油田油田采出水资源利用的实际情况，应深入开展油田采出水多级利用技术及其处理技术，提高资源利用率，同时实施系统化、规范化管理。

5 油田采出水地热资源利用前景分析

大庆油田能耗大，2020年用能总量折标煤600万t，其中生产用能折标煤393万t，非生产用能折标煤207万t。利用热泵技术提取油田采出水热量是目前主要途径之一[19]。热泵是一种开发和利用高温热能的工具，其可以把传统的低温剩余的热能转化成高温的热能[20-21]。热泵的COP值为3.8～6，也即输入1 kW电力，至少能产出3.8 kW的热量，相当于节电70%以上，因此，可以利用成熟可靠、运行成本较低的热泵技术，实现油田采出水资源的开发利用，逐步提高油田采出水资源再利用的规模化、产业化进程。

采用成熟可靠的热泵技术，实现大庆油田油田采出水的资源化利用，可以较好地缓解常规能源供应不足，改善能源消费结构，真正实现节能减排。

6 结论

1)断裂构造发育、莫霍面隆起及花岗岩的广泛分布是松辽盆地具有高地温场地热田的重要因素。

2)大庆油田采出水地热资源量丰富，水量逐年递增，每天产出量为169万m3，污水处理后含油污水温度33～35 ℃，按污水温度35 ℃，提取温度10 ℃计算，每年可提取热量折标煤88.19万t。

3)油田采出水型地热资源可以直接用于油田掺水集输和伴热集输，还可通过热泵技术提取热量应用于油田基础设施和居民楼供暖，经济效益显著。

4)油田采出水技术的规模化利用、水质处理以及规模化管理仍是制约大庆油田地热资源开发利用进程的主要影响因素。大庆油田应开展油田采出水多级利用技术及处理技术，提高资源利用率，同时采取系统化、规范化的管理。