本發(fā)明涉及用于加工油、氣、海水(用于注入)和或油氣田采出水的海底加工系統(tǒng)以及用于清潔這些海底加工系統(tǒng)的方法。海底加工系統(tǒng)包括用于分離、泵送、氣體壓縮、工藝冷卻和加熱、海水注入和油氣田采出水的處理以及再注入到井中的設(shè)備以及用于對處理后的油氣田采出水進行環(huán)境安全排放的設(shè)備。具體來說，本發(fā)明涉及一種海底水加工系統(tǒng)以及一種用于清潔包括在該海底水加工系統(tǒng)中的海底加工設(shè)備的方法。

背景技術(shù)：

水驅(qū)法(water flooding)是一種廣泛使用的提高石油采收率(improved oil recovery，IOR)的手段，并且已經(jīng)使用了超過75年。通過水驅(qū)法能保持或增加儲油層(reservoir)壓力從而提取該儲油層中存在的不可動的油，否則，不可動的油不會自然流出儲油層。這通常是一種二次采油技術(shù)，但是為了增加的最終的石油采收率，該技術(shù)也被用于一次采油和三次采油階段。

在用于提高石油采收率的傳統(tǒng)水驅(qū)工藝中，注入水一般是來自最近的水源，而且通常很少考慮其化學(xué)組成。岸上的注入水的水源包括河流與蓄水層，而離岸情況時則使用海水或油氣田采出水。通常通過諸如介質(zhì)過濾、芯式(cartridge)過濾、微濾或超濾之類的技術(shù)將水過濾以除去顆粒從而避免地層的堵塞。某些儲油層要求除去硫酸鹽以減輕在該儲油層中形成硫酸鋇和硫酸鍶結(jié)垢的傾向。注入水的壓力可以比儲油層壓力高約500psi(35bar)。在海底應(yīng)用中可使用海底單相水注入泵。

低鹽水驅(qū)法(LSF)是一種使用合適鹽度的水的儲油層水驅(qū)法，該法能經(jīng)濟地從砂巖和碳酸鹽巖儲油層中提取額外的油。在油田中使用LSF還能提高其他化學(xué)和聚合物IOR驅(qū)動技術(shù)的效率，并且通過減少化學(xué)品消耗來節(jié)約成本。對于低鹽水驅(qū)應(yīng)用而言，可采用任選地與超濾預(yù)處理步驟組合的反滲透工藝。超濾膜除去諸如細菌和懸浮固體之類的污垢，而反滲透膜除去全部的溶解固體，從而實現(xiàn)適用于提高油采收率和低鹽水驅(qū)應(yīng)用的最佳鹽度。

因此，一種已知的就地增加可采油量并提高產(chǎn)量的方法是將處理后的海水或油氣田采出水注入到離岸儲油層中。對于傳統(tǒng)的離岸油田，對海水進行處理并從諸如海上平臺或FPSO(浮式生產(chǎn)貯存和卸載設(shè)備)單元之類的頂部(topside)設(shè)施進行注入。離岸系統(tǒng)必須克服的最大挑戰(zhàn)是平臺或FPSO上的空間和重量限制。注入水量受到許多因素的限制，并且注水設(shè)施要占用有價值且高成本的頂部空間，該頂部空間應(yīng)優(yōu)選用于生產(chǎn)。有時候頂部水處理選項是不可行的(例如現(xiàn)有的沒有額外的頂部空間的已開發(fā)的棕色油田，地處遙遠的衛(wèi)星油田，處于嚴苛環(huán)境或極地條件中的油田)。所以，石油工業(yè)中的趨勢是依靠將設(shè)備安裝在水下例如海床上的海底生產(chǎn)系統(tǒng)。海底水注入技術(shù)通過將設(shè)備置于水下而克服了頂部空間和重量的限制。

隨著諸如美國、墨西哥、巴西和西非附近的離岸深水大油田的開發(fā)，在更深水域、更嚴苛環(huán)境和更遙遠地域中的勘探和生產(chǎn)活動代表了最近十年里油氣工業(yè)的關(guān)鍵趨勢。目前，海底油井的深度可達3000米。在這個深度，環(huán)境壓力與水靜壓頭相差300bar(4450psi)，環(huán)境溫度約為4℃(38°F)。

油氣田采出水在水面上的頂部設(shè)施處理后的回注以及排放是離岸油氣工業(yè)中的極為普遍的做法。它往往采用成熟的技術(shù)以確保廢水處理不會對海洋生物產(chǎn)生負面影響。油氣田采出水的海底水處理涉及在海床上進行水的分離和純化，回注用于IOR)、注入到海底處置井中、或用于海底的環(huán)境安全排放。除了盡可能減小頂部設(shè)備的占地面積以及保護設(shè)備免受風(fēng)化侵蝕破壞以外，油氣田采出水的海底處理以及再注入或排放還具有許多額外的益處，包括不需要貯存或通過深海鉆井作業(yè)中的回接管回接裝置(tie-back)運送大量水或?qū)⒋罅克畯暮５咨a(chǎn)位置到頂部生產(chǎn)處理設(shè)施，還包括減少生產(chǎn)系統(tǒng)成本的優(yōu)點。而且海底處理油氣田采出水還降低了海底生產(chǎn)流線上的水靜壓從而有助于減小海底井口上的回壓(back pressure)，并最終提高產(chǎn)量。用于處理海底產(chǎn)生的水的設(shè)備包括油/水分離系統(tǒng)、氣-液分離系統(tǒng)、懸浮固體分離器(除砂器)和過濾系統(tǒng)。

海底深水處理也面臨許多挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)機械設(shè)計、電氣化、控制、檢查、減少污垢、保養(yǎng)和修理。在大多數(shù)情況中，用于岸上和頂部的常規(guī)設(shè)計與操作方法不能直接用于海底深水條件的水處理。

目前的常規(guī)膜系統(tǒng)和操作方法是設(shè)計用于岸上和頂部應(yīng)用的。海底膜過濾操作中的一個主要問題是膜污染。膜污染主要表現(xiàn)在水中某些成分累積在膜表面上或膜基體中而導(dǎo)致水通量的下降。

膜工藝操作的一個組成部分是對膜元件進行定期化學(xué)清潔，例如在線清潔(cleaning-in-place，CIP)。定期膜清潔和除污延長了膜元件的壽命和整體的系統(tǒng)性能，對膜工藝的性能和經(jīng)濟性有深刻的影響。在膜CIP中，通常要求使用堿性和酸性清潔溶液來進行高PH和低PH清洗。通常首先采用高PH清洗來除去諸如生物物質(zhì)或油之類的污染，然后采用低PH清洗來除去諸如礦物垢或金屬氧化物/金屬氫氧化物之類的污染。

化學(xué)清潔還廣泛用于防止和減輕結(jié)垢。結(jié)垢問題可能因產(chǎn)生的水無法與注入的水或其他來源的水相容而發(fā)生，如同在鉆井泥漿中存在的水的情況那樣。例如，結(jié)垢可能在鉆井、井完成、生產(chǎn)或注入過程中沉淀，并可能影響注入井、儲油層地層、生產(chǎn)井以及包括管管路和設(shè)備在內(nèi)的生產(chǎn)系統(tǒng)。減輕垢的沉積的方法包括機械方法、酸處理或其組合。通常采用酸洗除垢與水噴射的組合方法來除去換熱器、管道、注入井、生產(chǎn)井和相關(guān)設(shè)備上的結(jié)垢。電解池(如電氯化器或類似設(shè)備)中的電極也會發(fā)生結(jié)垢，因此可能需要用酸來減輕或除去結(jié)垢。

用酸來促進儲油層的開采也是一種常見的操作，能顯著增大生產(chǎn)速率。在這種工藝中，將酸注入井中以穿透巖石孔隙從而增大巖石的滲透性。

CIP對于典型的陸基應(yīng)用是沿用已久的。在這些陸基應(yīng)用中，化學(xué)品貯存、混合、遞送、和加熱/冷卻操作等CIP的所有必需操作步驟一般來說都不成問題。但是，在離岸應(yīng)用中，傳統(tǒng)的CIP系統(tǒng)和操作方法在頂部和海底方面都面臨許多挑戰(zhàn)。

對于頂部膜和其他工藝應(yīng)用，化學(xué)品貯存和常規(guī)CIP設(shè)備要求占據(jù)平臺或FPSO上的有價值的空間。

對于深水膜應(yīng)用，常規(guī)CIP需要的海底化學(xué)品貯存在大多數(shù)情況下是不可行的，因為必需的化學(xué)品貯存單元非常巨大并且成本高昂。如果化學(xué)品貯存單元位于頂部而膜系統(tǒng)位于海床處，則需要高成本的長臍帶管路來遞送CIP化學(xué)品并從海底水處理單元將其回輸，并且可能使更深水的和更長距離擴展井中的項目成為不可行。

WO2014044978 A1中揭示了目前已知的具有清潔功能的水下處理單元，該清潔功能適用于在深水處清洗過濾膜。該設(shè)備設(shè)置有加熱功能以用于加熱分離膜，然后注入水和清潔劑(酸或堿溶液)，水和清潔劑各自貯存在貯水容器和至少一個清潔劑貯存容器中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服目前常規(guī)CIP系統(tǒng)與用于膜操作、注入和生產(chǎn)工藝設(shè)備以及儲油層促進采油的操作方法的限制，從而使可靠且成本有效的離岸頂部和海底油氣開采成為可行

這個目的是通過使用海水中的鹽和水就地產(chǎn)生包括酸和堿在內(nèi)的清潔化學(xué)品來實現(xiàn)了的。本申請中揭示的系統(tǒng)和方法的關(guān)鍵優(yōu)點包括：

-簡單且成本有效的設(shè)計；可靠而且高效的頂部和水下操作

-小型且模塊化的CIP系統(tǒng)，因為就地按需產(chǎn)生酸和堿，不需要巨大且高成本的海底化學(xué)品貯存單元

-節(jié)省基本建設(shè)投資

-不需要高成本的長臍帶管路來將CIP化學(xué)品從頂部CIP單元遞送到海底水處理系統(tǒng)

-通過避免化學(xué)品運輸和貯存步驟以及與這些步驟相關(guān)的設(shè)備，減小了CIP系統(tǒng)的占地面積和重量

-因為通過CIP工藝而取得更高的水通量，所以減小了膜系統(tǒng)的占地面積和重量

-促進儲油氣層的油氣開采。

總的來說，本發(fā)明涉及一種海底水加工系統(tǒng)，其中包括一個酸和堿產(chǎn)生單元，通過電化學(xué)過程用海水來產(chǎn)生高PH和低PH清洗溶液，這些溶液在清洗周期過程中是循環(huán)的，即，經(jīng)由酸或堿流動管路供給通過至少一個海底工藝設(shè)備以及將酸/堿產(chǎn)生單元就地與至少一個海底工藝設(shè)備連接的閥從而除去生物污染和/或結(jié)垢。

在一種實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元是一種電解單元。該電解單元可包括單電解池和電堆結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是單室、二室、三室、或多室。該電解單元還可包括單極電極、雙極電極、多孔隔網(wǎng)、陽離子交換膜、陰離子交換膜、或雙極膜。

在一種優(yōu)選的實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元是一種雙極膜電滲析(BPED)單元。

雙極膜是一種特殊種類的分層的離子交換膜。它由兩層攜帶固定電荷的膜組成，其中的一層只能傳輸陰離子，另一層則只能傳輸陽離子。不同于用于分離目的的膜，將兩層離子交換膜作為一個整體來看，不應(yīng)該有任何物質(zhì)從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。所需的功能是在該膜的雙極接合處的反應(yīng)，在該處陰離子滲透層和陽離子滲透層直接接觸：通過水的解離反應(yīng)，水分成氫氧根離子和質(zhì)子。生成的氫氧根離子和質(zhì)子通過遷移在對應(yīng)的膜層中被分離而離開該膜。不同于電解過程中水在電極處電解，這種反應(yīng)不形成氣體如氫氣、氧氣副產(chǎn)物。雙極膜電滲析單元可從例如GE水 和工藝技術(shù)公司(GE Water and Process Technologies)、Astom、和PC Cell公司購得。雙極膜供應(yīng)商包括GE水和工藝技術(shù)公司、FuMa-Tech公司、和PolymerChemie Altmeier公司(PCA雙極膜)等。

在一種或多種實施方式中，本發(fā)明了提供了一種海底水加工系統(tǒng)，其包括海底水處理系統(tǒng)的一個或多個粗過濾或預(yù)過濾單元組件。這種粗過濾或預(yù)過濾單元用于降低海底水處理系統(tǒng)所加工的來源水中的微粒水平，并且提供基本不含最大尺寸超過1微米的固體大微粒的濾液。

在一種或多種實施方式中，本發(fā)明提供了一種海底水加工系統(tǒng)，其包括該海底水加工系統(tǒng)的一個或多個微濾單元組件。這種微濾單元用于降低通過海底水加工系統(tǒng)所加工的來源水中的細微粒含量，并且提供基本不含最大尺寸超過0.1-1微米的固體細微粒的濾液。

合適的預(yù)過濾和微濾單元可商購，包括GE水公司(GE Water)(例如E系列預(yù)處理多介質(zhì)過濾器、PRO EU系列預(yù)處理活性炭和多介質(zhì)過濾器、Z.Plex*F E JX微濾過濾器)、海洋工程公司(Hydranautics)(例如QUALSEP MF)、和Koch濾膜系統(tǒng)公司(例如 MF系列)所提供的。

在一種或多種實施方式中，本發(fā)明提供了一種海底水加工系統(tǒng)，其包括該海底水加工系統(tǒng)的一個或多個超濾膜單元組件。這種超濾膜單元用于降低海底水加工系統(tǒng)所加工的來源水中的微粒水平，并且提供基本不含最大尺寸超過0.1微米的固體微粒的超濾液。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語“基本不含固體微?！笔侵赋瑸V液中最大尺寸超過0.1微米的固體微粒的含量不超過100ppm。在一種或多種實施方式中，超濾液包含小于50ppm的最大尺寸超過0.1微米的固體微粒。在另一組實施方式中，超濾液包含小于10ppm的最大尺寸超過0.1微米的固體微粒。

合適的超濾膜單元可商購，包括GE發(fā)電與水處理公司(GE Power and Water)(例如ZEEWEED中空纖維-和G系列螺旋卷繞式超濾膜單元)、Atech創(chuàng)新公司(例如陶瓷中空纖維超濾膜單元)、Qua集團公司(Qua Group)(例如Q-SEP中空纖維超濾膜單元)、Koch膜系統(tǒng)公司(Koch Membrane Systems)(例如PURON中空纖維超濾膜單元)、陶氏公司(DOW)(例如PDVF中空纖維超濾膜單元)、和TRISEP(例如APIRASEP螺旋卷繞式超濾膜單元)提供的。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠領(lǐng)會，中空纖維膜可以是單孔或多孔的，可以按多種模式操作，例如從里向外和從外向里流動方式、按閉端和交叉流過濾模式、以及按浸沒或其他加壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在一種或多種實施方式中，本發(fā)明提供了一種海底水加工系統(tǒng)，其包括單獨一個超濾膜單元。在另一組實施方式中，本發(fā)明提供了一種海底水加工系統(tǒng)，其包括多個超濾摸單元。在一種或多種實施方式中，超濾膜單元可包括中空纖維膜。在另一組實施方式中，超濾膜單元可包括一個或多個膜片。在另一組實施方式中，超濾膜單元可包括一個或多個設(shè)置成螺旋卷繞式膜結(jié)構(gòu)的膜片。

在一種或多種實施方式中，本發(fā)明提供的海底水加工系統(tǒng)包括至少一個納濾膜單元，有時候在本文中稱為納濾單元。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠領(lǐng)會，可采用納濾單元來從所加工的流體中除去硫酸根離子和其他二價離子例如鈣和鎂。合適的納濾單元包括GE發(fā)電與水處理公司(例如SWSR和D系列螺旋卷繞納濾膜單元)、陶氏公司(例卷式如NF系列螺旋卷繞式納濾膜單元)、海洋工程公司-Nitto(例如ESNA系列螺旋卷繞式納濾膜單元)、和Koch膜系統(tǒng)公司(例如SPIRAPRO系列螺旋卷繞式納濾膜單元)提供的。

在一種或多種實施方式中，納濾單元設(shè)置成接受超濾液并由此生成包含小于100ppm的硫酸鹽物質(zhì)(如CaSO₄)的納米濾液。在另一組實施方式中，納米過濾單元設(shè)置成接受超濾液并由此生成包含小于50ppm的硫酸鹽離子(SO₄^2-)的納米濾液。在一種或多種實施方式中，納米濾液中不含鈣和鎂離子。在一種或多種實施方式中，本發(fā)明提供的海底水加工系統(tǒng)包括至少一個反滲透膜單元。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠領(lǐng)會，可采用反滲透膜單元來顯著降低所加工的流體中的溶解的固體如鹽的濃度。合適的反滲透膜單元包括GE發(fā)電與水處理公司(例如A系列螺旋卷繞式反滲透膜單元)、陶氏公司(例如SW-和BW-系列螺旋卷繞式反滲透膜單元)、海洋工程公司-Nitto(例如SWC-系列螺旋卷繞式反滲透膜單元)、和Koch膜系統(tǒng)(例如流徙系統(tǒng)TFC-系列螺旋卷繞式反滲透膜單元)提供的。

在一種或多種實施方式中，反滲透膜單元設(shè)置成接受納濾液并由此生成基本不含溶解固體的滲透液。在另外的一種或多種實施方式中，反滲透膜單元設(shè)置成接受至少一部分超濾液從而由此生成基本不含溶解固體的滲透液。如本文所用，術(shù)語“基本不含溶解固體”是指滲透液包含小于2重量％的溶解固體。在一種或多種實施方式中，滲透液包含小于1重量％的溶解固體。在另一組實施方式中，滲透液包含小于0.5重量％的溶解固體。在另一組實施方式中，滲透液包含小于0.1重量％的溶解固體。

在一種或多種實施方式中，在海底加工系統(tǒng)中使用水下?lián)Q熱器來冷卻或加熱水或含烴流體。在海底生成的含烴的流的溫度一般較熱，通常在30-150℃的溫度 范圍內(nèi)。為了加工或傳輸這樣熱的烴流體流，在一種實施方式中使用換熱器通過將該流冷卻或加熱到一特定溫度來調(diào)節(jié)該流的溫度。在另一種實施方式中，通過換熱器加熱或冷卻水流(例如海水或產(chǎn)生的水)。使用海水來直接冷卻相對較熱的含烴流體以及加熱或冷卻水流如海水或油氣田采出水會導(dǎo)致結(jié)垢和生物污染，從而要求對換熱器中的表面進行清潔。

因此，在本發(fā)明的第一方面中，海底水加工系統(tǒng)簡單地包括電化學(xué)單元，該單元利用原始或經(jīng)處理的海水來產(chǎn)生高PH和低PH的溶液，在清潔周期過程中，通過使這些溶液經(jīng)由就地連接電化學(xué)單元和海底工藝設(shè)備的酸或堿流動管路而循環(huán)通過至少一個海底工藝設(shè)備來清潔至少一個海底工藝設(shè)備。

在本發(fā)明的一些實施方式中，至少一個海底工藝設(shè)備是膜分離元件。

在本發(fā)明的一些實施方式中，至少一個海底工藝設(shè)備是換熱器。

在本發(fā)明的一些實施方式中，至少一個海底工藝設(shè)備是碳氫化合物如油氣生成系統(tǒng)的組件。

在本發(fā)明的一些實施方式中，至少一個海底工藝設(shè)備是管路。

在本發(fā)明的一些實施方式中，至少一個海底工藝設(shè)備是注入或生產(chǎn)井。

在本發(fā)明的一些實施方式中，至少一個海底工藝設(shè)備是用于將酸注入儲油層中以促進烴生產(chǎn)儲油層烴生產(chǎn)的泵。

在本發(fā)明的一些實施方式中，海底水加工系統(tǒng)是一種水注入系統(tǒng)。

在本發(fā)明的一些實施方式中，高PH溶液的PH高于9.5，低PH溶液的PH低于4。

在本發(fā)明的一些實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元是一種沒有膜的電解單元。

在本發(fā)明的另一些實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元是一種具有膜的電解單元。

在本發(fā)明的一些實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元是一種雙極膜電滲析(BPED)單元。

在本發(fā)明的一些實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元是一種具有二室設(shè)計或三室設(shè)計的雙極膜電滲析單元。

在本發(fā)明的一些實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元能供應(yīng)低PH溶液，用于注入到儲油層地層中以便促進烴生產(chǎn)。

在本發(fā)明的一種或多種實施方式中，向電化學(xué)單元供給的水具有低于10000毫克/升、優(yōu)選低于5000毫克/升、更優(yōu)選低于200毫克/升、更優(yōu)選低于50毫克/升、甚至更優(yōu)選低于10毫克/升的Ca²⁺和Mg²⁺離子總濃度。

在本發(fā)明的一種或多種實施方式中，向電化學(xué)單元供給的水經(jīng)過了納濾、離子交換、或其組合方法的處理從而基本除去了Ca²⁺和Mg²⁺離子。

在一個具體的方面中，本發(fā)明涉及一種海底水加工系統(tǒng)，其包括至少一個水下膜分離元件，該元件設(shè)置在從海水引入口到水注入泵的供給管路中。提供了一個酸和堿產(chǎn)生單元，利用海水或油氣田采出水在電化學(xué)過程中產(chǎn)生高PH和低PH的清潔溶液，在膜清潔周期過程中，使這些溶液經(jīng)由酸或堿流動管路以及就地連接酸/堿產(chǎn)生單元與該海底水加工系統(tǒng)的至少一個膜分離元件的閥而循環(huán)通過至少一個膜分離元件。

在一種實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元經(jīng)由水力環(huán)路、經(jīng)由專用泵與至少一個水下膜分離元件水力連接。

在一種實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元經(jīng)由水力環(huán)路與升壓泵水力地連接，該升壓泵在正常操作中將海水供給通過水下膜分離元件，在膜清潔周期過程中選擇性地將酸或堿清潔溶液供給通過至少一個膜分離元件。

在海水注入系統(tǒng)中就地產(chǎn)生酸/堿清潔溶液的實現(xiàn)方式包括酸/堿產(chǎn)生單元，該單元經(jīng)由水力環(huán)路可就地與至少一個水下膜分離元件連接，該元件包括水下粗過濾膜(CF)、多介質(zhì)過濾膜(MMF)、微濾過濾膜(MF)、超濾過濾膜(UF)、納濾過濾膜(NF)、反滲透過濾膜(RO)、或者以上兩種或更多種的組合中的任一種。

酸/堿產(chǎn)生單元可經(jīng)由水力環(huán)路就地與至少一個水下膜分離元件連接，該元件包括單孔或多孔中空纖維膜、板框膜、管狀膜、或螺旋卷繞式膜中的任一種。

酸/堿產(chǎn)生單元還可經(jīng)由水力環(huán)路就地與至少一個水下膜分離元件連接，設(shè)置該元件以按從外向里或從里向外流動模式以及按閉端或交叉過濾模式進行操作。

本發(fā)明的一些實施方式包括酸/堿產(chǎn)生單元，該單元可經(jīng)由水力環(huán)路就地與至少一個水下分離元件連接，該元件位于海床上、或水下靠近表面處、或附連于浮式平臺。

在另一個方面中，本發(fā)明涉及一種在海底就地清潔海底水加工系統(tǒng)的方法，該方法包括：

·將酸和堿產(chǎn)生單元與海底加工設(shè)備水力連接，

·在酸/堿產(chǎn)生單元中就地從海水或油氣田采出水產(chǎn)生高PH和低PH的清潔溶液，

·在清洗周期過程中使清洗溶液經(jīng)由酸和堿溶液的流動管路和閥而循環(huán)通過海底加工設(shè)備。

在一種實施方式中，本發(fā)明涉及一種用于清潔海底水加工系統(tǒng)的膜的方法，該系統(tǒng)包括至少一個水下膜分離元件，該元件設(shè)置在從海水或油氣田采出水引入口到水注入泵的供給管路中，該方法包括：

·將酸和堿產(chǎn)生單元與至少一個水下膜分離元件水力連接，

·在酸/堿產(chǎn)生單元中就地從海水產(chǎn)生低PH和高PH的清潔溶液，

·在清潔周期過程中使清潔溶液經(jīng)由酸和堿溶液的流動管路和閥而循環(huán)通過至少一個水下膜分離元件的膜。

在一種優(yōu)選的實施方式中，該方法還包括：

·設(shè)置并操作升壓泵，以正常操作方式將海水供給通過水下膜分離元件，

·將酸/堿產(chǎn)生單元與升壓泵水力地連接，以及

·任選地操作升壓泵，以在膜清潔周期中將就地產(chǎn)生的低PH或高PH的溶液供給通過至少一個水下膜分離元件。

在用于清潔海底工藝設(shè)備的方法的另一種優(yōu)選的實施方式中，可以在管路中或在容器中將高PH和低PH的清潔溶液合并，從而互相中和后再排放。

在該方法的另一種優(yōu)選的實施方式中，海底工藝設(shè)備的高PH和低PH清潔作為“一次性通過過程”進行，不需要再循環(huán)。

附圖說明

以下參考附圖進一步討論本發(fā)明的一些實施方式和細節(jié)，其中：

圖1-13示出海底水加工系統(tǒng)的一些不同的實施方式，

圖14(a)是顯示由實驗室規(guī)模的雙極膜電滲析單元(BPED)產(chǎn)生的酸和堿流的PH值的圖，

圖14(b)是顯示產(chǎn)生的NaOH溶液的濃度的圖，

圖14(c)是顯示實驗室規(guī)模的酸和堿產(chǎn)生系統(tǒng)的電流效率的圖。圖14a-c中的所有數(shù)據(jù)都在25℃和以合成海水作為給水的條件下獲得，

圖15(a)是顯示由實驗室規(guī)模的BPED單元產(chǎn)生的酸和堿流的PH值的圖，

圖15(b)是顯示產(chǎn)生的NaOH溶液的濃度的圖，

圖15(c)是顯示實驗室規(guī)模的酸和堿產(chǎn)生系統(tǒng)的電流效率的圖。圖15a-c中的所有數(shù)據(jù)都在4℃和以合成海水作為給水的條件下獲得，以及

圖16是實驗室試驗中所用的BPED單元的示意圖。

具體實施方式

參考圖1，以水注入系統(tǒng)1為形式的海底水加工系統(tǒng)的一種實施方式包括浸沒式水過濾站2、泵3將海水或油氣田采出水從水入口4供給通過過濾站到達水注入泵5，通過水注入泵5將處理后的水注入到注入井6中的含油和/或氣的地層7中。系統(tǒng)1可經(jīng)由臍帶管路9從頂部控制站8控制水注入。水注入系統(tǒng)1的控制中也可包括海底控制元件10。

浸沒式水過濾站2可包括水下膜分離元件，沿著水通過系統(tǒng)1的供給方向，過濾站2元件包括依次更細等級的能分離越來越小顆?；螂x子的水下膜分離元件。過濾器可包括粗過濾元件11和細過濾元件12。

在本文中，從海水中分離微粒物質(zhì)和微生物通常包括使用不同種類的過濾器或膜在若干階段中進行過濾。在海水處理工藝中應(yīng)用的過濾器或分離膜的范圍涵蓋了海底粗過濾器(CF)元件和多介質(zhì)過濾器(MMF)，元件以及微濾(MF)元件、超濾膜(UF)元件、納濾(NF)和反滲透(RO)元件中使用的膜。在膜過濾中，壓力迫使水通過半透膜并從水中分離出顆?；螂x子類物質(zhì)(主要通過尺寸排阻或溶解擴散)。除了過濾單元的孔尺寸及其保留的物質(zhì)(如顆粒、離子)的尺寸以外，這些單元互相之間大體上沒有很大的區(qū)別。一般來說，超濾膜的孔尺寸或物質(zhì)尺寸排除容量在0.005-0.1微米的范圍內(nèi)，而納濾膜在0.001-0.01微米的范圍內(nèi)，反滲透膜能排除低至0.0001微米范圍尺寸的物質(zhì)。

本發(fā)明水下分離元件中包括的過濾膜并不限于上述精確的數(shù)字和范圍。以上內(nèi)容只是一般性描述和舉例說明可應(yīng)用于海水注入系統(tǒng)1中的不同種類的過濾器。

例如，粗過濾器11可使用濾網(wǎng)(strainer)或作為多介質(zhì)過濾器，而細過濾階段12可由許多如圖1所示設(shè)置的超濾元件13組成。可適當(dāng)?shù)厥褂眉{濾器元件14和/或反滲透元件15所提供的納濾和/或脫鹽來補充細過濾階段。在附圖中，標號RS是指從膜分離元件11-15排出的濃縮或排放液。

在水注入系統(tǒng)1中，酸和堿產(chǎn)生單元16與至少一個水下分離元件11-15水力地連接并且利用環(huán)境海水或油氣田采出水作為輸入就地產(chǎn)生酸和堿清潔溶液。在附圖中，輸入到酸和堿產(chǎn)生單元16(在本文中也指酸/堿產(chǎn)生單元16)中的海水或油氣田采出水用附圖標記17表示。酸/堿產(chǎn)生單元16可經(jīng)由酸和堿溶液流動管路18和19以及閥20和21與一個或多個膜分離元件連接，在膜清潔周期過程中，這些流動管路和閥用于選擇性供給酸和堿清潔溶液?？赏ㄟ^升壓泵3或經(jīng)由專用泵22來促使酸和堿清潔溶液循環(huán)通過膜，這種泵為此目的經(jīng)由水力環(huán)路23以及閥24、 25和26而與酸/堿產(chǎn)生單元16水力地連接。如圖1中的虛線所示，水力環(huán)路23可延伸到水注入系統(tǒng)中的其他膜分離元件。

應(yīng)注意圖1僅簡要描述水注入系統(tǒng)和示出設(shè)置有就地操作且水力連接的酸/堿產(chǎn)生單元16的布局。在實際情況中，向水下分離元件供給酸和堿清潔溶液的水力環(huán)路可適當(dāng)?shù)匕~外的流動管路、方向性控制閥、和截止閥。如連續(xù)線27所示，可經(jīng)由臍帶管路9和頂部控制元件8或海底控制元件10來實現(xiàn)動力供給以及對酸/堿產(chǎn)生單元16的操作和膜清潔周期的監(jiān)測和控制。

水注入系統(tǒng)的一些實施方式包括一個或多個水下膜分離元件，這些元件包括水下粗過濾膜(CF)、多介質(zhì)過濾膜(MMF)、微濾過濾膜(MF)、超濾過濾膜(UF)、納濾膜(NF)、或反滲透過濾膜(RO)中的任一種。

圖2顯示圖1的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于圖1的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。圖2的實施方式包括額外的混合或貯存容器31和32。利用容器31來貯存產(chǎn)生的酸和堿清潔溶液。通過供給納濾(NF)滲透液流35來控制酸和堿流的PH值和濃度?？衫萌萜?1和32來貯存CIP廢物，然后再進行中和和排放。在圖2中，附圖標記33和34指向排放閥。

圖3顯示圖2的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于圖1和2的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。圖3的實施方式包括利用超濾(UF)滲透液流37來供給酸和堿產(chǎn)生單元16(與圖1和2的實施方式中利用原始海水或油氣田采出水供給酸和堿產(chǎn)生單元的情況進行比較)。

圖4顯示圖3的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于圖1-3的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。圖4的實施方式包括利用納濾(NF)滲透液流38來供給酸和堿產(chǎn)生單元16(與圖1-3中原始海水或超濾滲透液流來供給酸和堿產(chǎn)生單元的情況進行比較)。

由于納濾膜能從供給到酸和堿產(chǎn)生單元池的水中除去二價和反應(yīng)性的鈣和鎂離子，碳酸鈣CaCO₃和氫氧化鎂Mg(OH)₂晶體在電化學(xué)裝置器中或在下游過濾器和膜中結(jié)垢和沉積的問題將明顯減輕或完全避免。納濾膜濾液所含的已知會污染電化學(xué)池的物質(zhì)諸如Ca²⁺和Mg²⁺之類的二價離子較少。因此，供給到酸和堿產(chǎn)生單元中的納米濾液所含的Ca²⁺和Mg²⁺較少，而可以利用的鹵化物鹽例如氯化鈉較多。

圖5顯示圖4的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。在圖5的實施方式中，還通過第 二級納濾膜元件40進一步過濾一級納濾的滲透液38以進一步降低Ca和Mg濃度，從而防止在酸和堿產(chǎn)生單元16中結(jié)垢。

原始海水的Ca²⁺和Mg²⁺離子的總濃度約為1500-2000毫克/升。一個納濾膜元件之后，其總濃度為80-120毫克/升，該濃度仍然可能污染電極和膜。第二級納濾膜元件之后，Ca²⁺和Mg²⁺的總濃度在20-40毫克/升的范圍內(nèi)，能顯著降低污染電化學(xué)池的可能性。

來自納濾膜元件40的濃排水流可作為RO進水、或直接排放、或可注入井中采油。

圖6顯示圖5的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。在圖6的實施方式中，通過第三級納濾膜元件41進一步過濾NF滲透液38以進一步降低Ca²⁺和Mg²⁺濃度，從而防止在酸和堿產(chǎn)生單元16中結(jié)垢。

第三級納濾之后，Ca²⁺和Mg²⁺離子的總濃度小于10毫克/升，有效地減輕了酸和堿產(chǎn)生單元池中的電極和膜的污染。

來自納濾膜元件40和41的濃排水可作為RO進水、或直接排放、或注入到井中采油。

圖7顯示圖6的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。在圖7的實施方式中，使RO濃縮液(即濃排水)流39(而不是NF滲透液流38)通過三級濾膜元件40-42以除去Ca²⁺和Mg²⁺離子，并隨后供給到酸和堿生產(chǎn)單元16中。

利用RO濃縮液流供給酸和堿產(chǎn)生單元的一個優(yōu)點在于，這種濃縮液流富含有用的鹵化物鹽例如氯化鈉(是普通海水的2倍)，在納濾處理之后作為污染物質(zhì)的Ca²⁺和Mg²⁺較少。

圖8顯示海底水加工系統(tǒng)的一種實施方式，其中僅將經(jīng)過粗過濾和超濾產(chǎn)水水注射到油井中，即，在主要處理序列中不包括納濾和反滲透單元。

在所示實施方式中，通過單獨一個極板的較小的納濾膜單元40進一步過濾超濾滲透液37以降低Ca²⁺和Mg²⁺濃度，從而防止酸和堿產(chǎn)生單元16中結(jié)垢。如同之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清洗。來自納濾元件40的濃縮液流可作為反滲透RO進料、或排放、或注入到IOR井中采油。

圖9顯示圖8的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清洗。在圖9的實施方式中，通過雙級 納濾膜單元40和41進一步過濾UF滲透液37以降低Ca²⁺和Mg²⁺濃度，從而防止酸和堿產(chǎn)生單元16中結(jié)垢。

來自納濾膜單元40和41的濃縮液流可作為RO進水、或直接排放、或注入到井中采油。

圖10顯示圖9的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清洗。在圖10的實施方式中，通過三級納濾膜單元40-42進一步過濾UF滲透液37以降低Ca²⁺和Mg²⁺濃度，從而防止BPED結(jié)垢。來自單元40、41和42的濃縮液流可作為RO進水、或直接排放、或注入到I井中采油。圖11顯示圖8的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清洗。在圖11的實施方式中，通過離子交換單元50(而不是納濾膜單元)進一步處理納濾滲透液38以降低Ca²⁺和Mg²⁺濃度，從而防止酸和堿產(chǎn)生單元16中結(jié)垢。

圖12顯示圖8的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。類似于之前的實施方式，利用產(chǎn)生的酸和堿來對膜進行化學(xué)清潔。在圖12的實施方式中，通過納濾膜單元40和離子交換單元50的組合進一步過濾超濾滲透液37以降低Ca和Mg濃度，從而防止酸和堿產(chǎn)生單元16中結(jié)垢。

圖13顯示圖7的海底水加工系統(tǒng)1的一種改進的實施方式。在圖13的實施方式中，海底水加工系統(tǒng)包括換熱器60。海水通過粗過濾器11、超濾過濾器13、納濾過濾器40，隨后供給到酸和堿產(chǎn)生單元16中。利用產(chǎn)生的酸和堿來對換熱器60進行化學(xué)清洗。

在海底水加工系統(tǒng)的一些實施方式中，酸/堿產(chǎn)生單元可經(jīng)由水力環(huán)路就地與至少一個水下膜分離元件元件連接，該元件包括單孔或多孔的中空纖維膜、板框式膜、管狀膜、或螺旋卷繞膜中的任一種。

水注入系統(tǒng)的一些實施方式包括可經(jīng)由水力環(huán)路就地與至少一個水下膜分離元件連接的酸/堿產(chǎn)生單元，該元件設(shè)置成以從外向里或從里向外的模式以及以閉端或交叉過濾模式操作。

水注入系統(tǒng)的另一些實施方式包括可經(jīng)由水力環(huán)路就地與至少一個水下分離元件連接的酸/堿產(chǎn)生單元，該元件位于海床上、或水下靠近表面處、或附連于浮式平臺。

本發(fā)明的一些實施方式包括酸/堿產(chǎn)生單元作為獨立單元、或以組合件方式操作的一些應(yīng)用，作為組合件時，過濾元件位于上游處，僅用于酸/堿產(chǎn)生單元。一 些實施例包括以下的任意組合：酸/堿產(chǎn)生單元和上游粗過濾膜，或者上游粗過濾和超濾膜，或者粗過濾、超濾和納米過濾膜，它們都按順序設(shè)置在酸/堿產(chǎn)生單元的給水上游中。

還設(shè)想可以在組合件內(nèi)的任意所需位置處設(shè)置用于將海水供給通過膜或其他海底工藝設(shè)備的一個或多個泵。對于儲油層驅(qū)動而言可能需要高壓注入泵。還設(shè)想可以對酸/堿產(chǎn)生單元進行配置，從而產(chǎn)生其濃度適合于特定工藝的高濃縮或更為稀釋的酸或堿溶液。

以上任意選項都可用于化學(xué)品的就地產(chǎn)生，以用于海底過濾膜、海底換熱器、管道和流動管路、以及其他海底工藝設(shè)備，用于注入井和生產(chǎn)井等。

實驗

實驗室的概念驗證試驗已經(jīng)證明能就地按需從海水產(chǎn)生酸和堿。圖14和15顯示使用雙極膜電滲析單元(BPED)并以合成海水作為進料在室溫和深海底溫度(4℃)下獲得的實驗室規(guī)模的試驗結(jié)果。

制備這個試驗的合成海水所使用的鹽包括KCl、MgCl₂、CaCl₂、NaCl、和NaHCO₃(都來自中國醫(yī)藥化學(xué)試劑有限公司(Sinopharm Chemical Reagent Co.，Ltd)。從經(jīng)濃縮的鹽酸溶液和固體NaOH(中國醫(yī)藥化學(xué)試劑有限公司)制備酸和堿溶液。

使用從GE發(fā)電與水處理公司獲得的BPED電解池組進行試驗。圖16顯示BPED電解池組中包括的一個單元的示意圖，該電解池組包括6個這樣的單元。單個BPED單元由一片陰離子交換膜(AM)、一片陽離子交換膜(CM)、和一片復(fù)合雙極膜(BP)組成，該復(fù)合雙極膜由陽離子交換膜和陰離子交換膜制成。在操作過程中，對該電解池組充電在雙極膜的表面處誘發(fā)水裂解反應(yīng)，并且產(chǎn)生質(zhì)子和氫氧根離子。此外，在陰極表面處發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣和氫氧根離子，在陽極表面處發(fā)生相應(yīng)的氧化反應(yīng)生成氧氣和質(zhì)子。

對于實驗室規(guī)模的裝置，將電化學(xué)充電系統(tǒng)(德國Digatron能源電子有限公司(Germany Digatron power electronics Co.，Ltd))連接至BPED電解池組的兩個電極以提供特定的電流和電壓。使用SevenMulti的PH和電導(dǎo)計(Metler Toledo)確定產(chǎn)生的堿和酸的PH值。其還用于確定試驗過程中合成海水的電導(dǎo)率。當(dāng)試驗過程中電導(dǎo)率下降時，向系統(tǒng)中加入新鮮的合成海水。使用泵(LongerPump)將合成海水泵送至BPED電解池組中并將酸/堿泵出BPED 電解池組以形成再循環(huán)體系。使用帶溫度調(diào)節(jié)的水浴(Fisher Scientific)將合成海水保持在恒定溫度。最后使用攪拌器(Heidolph儀器公司(Heidolph instruments))保持合成海水的濃度均勻。

圖14a和15a中顯示的結(jié)果表明，堿性產(chǎn)水的PH快速達到10-12及以上；酸性產(chǎn)水的PH在幾分鐘內(nèi)達到2-3.5或以下，足以用于膜清潔目的。圖14b和15b顯示，堿濃度可達到2-18克/升，或0.2-1％重量百分比，具體取決于反應(yīng)時間、電流密度和溫度。充電電流和溫度的增大會加快堿/酸產(chǎn)生速率，原因在于電場更強且離子遷移率更快。電流密度提高會使能量消耗增大。在試驗中采用了100、250、400毫安/平方厘米的條件。對于所有試驗發(fā)現(xiàn)，電流效率在60-85％的范圍內(nèi)。在4℃和較高電流密度條件下，電流效率比室溫條件下略有降低，原因在于離子遷移率較慢。

實驗室試驗證明，能夠使用電滲析單元來為膜和其他海底工藝設(shè)備的CIP(在線清潔)就地按需地產(chǎn)生堿和酸。顯然，引用的實驗室試驗在BPED單元上進行，該單元具有較小的膜面積，并且該系統(tǒng)為再循環(huán)模式。商用BPED單元具有明顯更大的膜面積，因此通常以一次通過模式(與再循環(huán)相對比)進行給水，從而直接產(chǎn)生酸和堿，不需要再循環(huán)。

已經(jīng)證明能從海水就地產(chǎn)生酸和堿，與照搬傳統(tǒng)岸上或頂上(平臺或FPSO)的CIP系統(tǒng)設(shè)計并使之適合海底環(huán)境相比，本發(fā)明提供了很多優(yōu)點。這些優(yōu)點包括對生態(tài)友好、重量和占地面積都小得多、明顯降低的CAPEX(capex)和OPEX(運行費用)、以及極佳的穩(wěn)健性。而且，酸/堿產(chǎn)生單元的元件化設(shè)計能保證規(guī)模放大的可行性。

以上所述和附圖僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，而不能以此限定本發(fā)明實施的范圍。所附權(quán)利要求涵蓋所揭示的實施方式以及能在本發(fā)明范圍內(nèi)推導(dǎo)出的修改。即凡依本發(fā)明的權(quán)利要求及發(fā)明說明內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍。