石油生产厂采用不同的方法来产生用于注入载有石油的地层的蒸汽。注入地 质构造的蒸汽通过直接接触的热交换冷凝，因此加热石油并降低其粘度。冷凝蒸 汽和石油收集在生产油井中，泵送到地面。从这种油/水混合物分离出石油后，在 石油工业该混合物被称作“开采水”。
由于从地层获得的油/水混合物每桶可包含最高90％的水，需要回收并再使用 这些水，以控制操作成本，并使消耗新鲜水以及随后产生的处置用废水对环境的 影响最小。过去曾作出回收水的决定，需要对这些开采水进行处理，以降低水的 结垢和/或有机物积垢的倾向。这种处理通常需要除去蒸汽中存在的硬性离子和其 它离子，这些硬性离子和其它离子接近零为佳。如本领域所理解的，造成“硬性” 的离子是要在蒸汽产生设备中使用的水中的混合钙盐和镁盐，虽然可以采用其它 术语表示，但通常表示为ppm。虽然不认为二氧化硅会增加硬度值，但是，如果 二氧化硅的存在量较大，也可能导致结垢问题。
在改进的石油采收中产生蒸汽的传统方法是利用单程蒸汽发生器(OTSG)，在 该发生器中，处理后的进料水通过被煤气或石油燃烧器加热的管产生蒸汽。OTSG 进料水中溶解的固体总浓度可高达12,000ppm(按CaCO3当量)，但要求硬度水平 接近零。这种方法产生低质或湿的蒸汽，是80％水蒸汽和20％液体，压力在600 磅/英寸2表压(psig)至最高2000psig范围。将这种80％质量蒸汽与20％水分离， 然后注入地层。将这20％泄料(blowdown)的一部分或全部作为废水进行处置。提 出的另一种达到高质量蒸汽要求的方法是使用水管锅炉替代OTSG来产生蒸汽。 但是，水管锅炉需要比OTSG更大量的进料水预处理来确保不发生操作问题。为 比较OTSG与水管锅炉对进料水的要求，可参见图6和图7。有许多方法可以达 到蒸汽发生所要求的进料水质量，下面说明其中的一些方法。
将来自生产油井的油/水混合物送到初级油-水分离器，在该分离器中基本上所 有的石油与开采水分离。该分离器可包括任何已知的设备，但通常包括一个或多 个游离-水-挡板式气液分离器(free-water-knock-outs)(FWKO)，这种挡板式气液分 离器能够通过重力来分离石油与水。分离出的石油进一步处理，除去最后的水， 然后送去储存。
分离出的开采水送入一个锥形底槽，在该槽中，使重质固体如砂子沉降，剩 余的石油全部上升到顶部后除去。如果该步骤后基本上所有的石油保留，可以采 用一个或多个诱导气体浮选装置，从开采水中除去基本上所有的石油。或者，可 以使用脱油的聚合物，得到废油/固体的浆料，它们需要进一步处置。
脱油后的开采水蒸汽进一步处理供再使用。其组成可以变化，但通常其溶解 的固体总量(TDS)相对较高，总有机碳(TOC)、硬度和二氧化硅也相对较高。在脱 油区下游和蒸汽注入油井的上游，以及需要或要求达到600psig或更高的高质量 蒸汽的设备中，迄今一直使用的水处理装置的配置是本说明书将说明和描述的改 进的重点。
参见图1，该图示出典型的现有技术的方法，该方法用来获得用于下孔注入 的高质量蒸汽，将开采水原料6送入脱油加工区8，然后至热石灰软化器310。根 据所需的反应，在该石灰软化器中加入诸如Ca(OH)2、Na2CO3、MgO和NaOH的 化学品以及凝结剂，产生包括硬性物(hardness)和二氧化硅的沉淀。在石灰软化器 之后，使用一个介质型过滤器324，除去未被捕捉在石灰浆料中的小的悬浮固体。 然后，部分软化但仍对钙饱和(按CaCO3)的开采水在弱酸阳离子(WAC)交换器18 中进行去离子，该交换器基本上除去了所有残留的二价离子。软化后的开采水流 过通过预热交换器(4和76)的盘管，送入单程蒸汽发生器230，产生80％质量的蒸 汽236。蒸汽分离器240除去夹带的20％水，产生可在蒸汽溢流工艺中用于井下 注入的高质量蒸汽100。然后将来自该分离器的高温泄料96送至一系列的闪蒸罐， 提供逐渐降低的蒸气压供其它用途。如果要求零液体排放，则闪蒸蒸汽134可以 用于蒸汽驱动的多效蒸发器和结晶器140，以获得零液体排放(ZLD)系统。
这种现有技术方法是已知的技术并被认作工业标准。然而，这种方法存在以 下一些缺陷。即：
1.具有任意选择的最高化学品成本。
2.为浆料和盐饼处置要求的最高成本。
3.OTSG受到水成为蒸汽的80％转化率的限制。
4.OTSG在管湿润、积垢和结垢方面固有的设计问题。
5.在寒冷气候下操作，来自石灰软化器的浆料变得很硬而不能处理。
6.在发生计划外的维修停工时，石灰软化器中的浆料迅速凝结成类似混凝 土的形式，并变得很硬而难以从该系统中除去。
图2示出本领域的另一种方法，该方法中，石灰苏打软化、介质过滤器和抛 光WAC被机械蒸汽压缩器蒸发器(MVC)244替代。脱油后的开采水14用诸如氢 氯酸(HCl)的酸进行处理，以降低pH并消除存在的任何非氢氧化物的碱性物 (alkalinity)。存在的任何不冷凝的气体(NCG)58在脱气器56中除去。然后可以加 入苛性碱如氢氧化钠(NaOH)62，升高pH至约10或更高。MVC蒸发器244产生 低TDS的馏出液246，可用于输入OTSG 230，按照和图1相同的方式完成产生用 于下孔注入的高压蒸汽的工艺。这种情况下，来自蒸汽分离器240的泄料96闪蒸 到蒸汽驱动的结晶器252，该结晶器将来自MVC蒸发器244的泄料的盐水248浓 缩，因此提供ZLD系统。在结晶器162中产生的低TDS水蒸汽通过管道166发 送，在管道中与闪蒸罐130排出的部分液体138合并，然后至OTSG原料储槽36。
虽然这种方法提供了一种向OTSG供给高质量水的简便方法，但限制了应用， 因为造成硬性的离子如钙和镁在开采水原料中必须足够低。如果硬性离子不够低， 则MVC在可达到的浓度因素方面受到限制，需要控制结构的化学品，或者必须 在接种-浆料模式下操作，以避免硫酸钙和二氧化硅结垢。在这种接种-浆料模式中， 氯化钙(CaCl2)和/或硫酸钠(Na2SO4)必须加入进料流中，保证在MVC蒸发器244 中保持硫酸钙(CaSO4)晶体，通常为3-10％悬浮固体(SS)的稠液循环。该循环稠液 用作对引入的钙离子的沉淀位点以及对二氧化硅的共沉淀位点。这种接种-进料操 作模式在美国专利No.4,618,429中适当揭示。
该系统的缺陷如下：
1.因为MVC蒸发器压缩机而使能耗较高。
2.需要大量的电基础设施，向MVC蒸发器压缩机供给能量。
3.即使有高质量的进料水，OTSG设备供应商也不情愿设计大于80％质量的 蒸汽。
4.OTSG管湿润问题
5.由于二氧化硅溶解度所需的高pH，应用被限制于低钙和低镁的开采水， 即使较低时，仍需要酸清洗除去形成的CaCO3水垢来保持蒸发器的效率。
6.去除在蒸发器进料中的低溶解度组分，如锶，钡和在高pH操作下形成的 金属配合物。
图3是另一个现有技术的方法，该方法按照与图2所示相同的方式，采用MVC 蒸发器244来预处理脱油的开采水。这种情况下，来自MVC 244的高质量馏出液 246在热交换器280中冷却，并通过管道284被送至反渗透装置(RO)290，该装置 从该馏出液中除去挥发性TOC。RO渗透液294适合由高效水管锅炉110使用， 该锅炉产生高质量蒸汽。消除了对蒸汽分离器系统和泄料冷凝系统的需要。同样， 因此消除了OTSG固有的问题，从而达到较高的水至蒸汽的转化率。来自锅炉的 泄料被导向MVC(262)。由于来自水管锅炉的排放料量不足以维持蒸汽驱动的蒸 发器，必须取消前面图中的蒸汽驱动的ZLD系统，有利于MVC驱动系统。由于 压缩机的限制，还需要MVC结晶器用于最后的浓缩。对某些开采水，特别是低 非挥发TOC的那些，不需要RO系统290，MVC馏出液246不需要进一步的处理 就可以导向水管锅炉110。但是，这种变体在水管锅炉中产生积垢和结垢的潜能 大于采用馏出液后处理的情况。
与图2的MVC/OTSG工艺相比，该系统的优点是，加入了水管锅炉，并且由 于燃料消耗低而降低了操作成本。
该系统的缺点包括：
1.最高的能耗和最高的电基础设施要求。
2.与其它设想相比总成本较高。
3.需要多种类型的MVC蒸发器(预处理/泄料和结晶器)，它们使操作复杂化。
4.TOC都进行预处理/泄料，结晶器MVC很可能引起发泡问题，发泡问题会 使操作复杂化，并使MVC压缩机处于受损的危险中。
5.预处理MVC蒸发器的馏出液在进行RO处理之前必须冷却，然后再加热。
总之，目前用于处理重质油田开采水的现有技术由于下面的原因，还不能完 全满足将处理的水用于产生在下孔蒸汽溢流应用中使用的高质量蒸汽：
1.物理化学处理法通常较贵，需要高的维护和操作者界面，并产生大量需要 按照严格的环境规则进行处理的淤浆以及再生流体。
2.需要大量贵的处理用化学品，这些化学品需要特定的安全/处理程序。
3.依靠以80％回收率产生高质量蒸汽的低效OTSG，水成为蒸汽以及相关的 蒸汽分离器和泄料冷凝处理系统。
4.固有的OTSG问题，即低的管润湿、高热交换速率以及管堵塞。
5.由于使用蒸汽压缩机导致的高能耗需要和电基础设施。
6.处理全部的开采水流，以满足能用于工业水管锅炉的ASME级水的要求。
随着水处理费用日益提高，或供水短缺或这两者，希望能简化产生高质量的 高压蒸汽所需的处理过程并降低成本。最后，明确希望能以比当今通常能达到系 统更有效并且运转时间更长的的系统，来满足可能日益增加的水处理目标。
相信迄今还可以未提出以去离子水操作水管锅炉，该锅炉与高pH和高压的蒸 发器系统相连，其pH和压力之高足以提供能直接用于蒸汽溢流工程的蒸汽。常规 的工程方法一直是设计诸如现有技术的图1-3所示的那些系统，或者将最后浓度 限制到不会引起结垢问题的水平。
因此，至今在重油工业存在要解决上述缺陷和不足的需要。因此，能够解决 目前实践中的这些缺陷将是有益的，它将有助于环境，并有助于生产设施所有权 和操作区的控制成本。
发明概述
本发明提供一种新的生产用于开采水的高压蒸汽的方法，该方法使用工业高 TDS盐水浓缩技术，无需单程蒸汽发生器和耗能蒸汽压缩机。
在制备高压蒸汽的独特工艺中，在低硬度和低的非氢氧化物碱度的脱油的开 采水中注入苛性溶液，在产生高压蒸汽(HiPVap)前升高pH。在开采水的进料流中 存在引起结垢的非氢氧化物的碱度情况，使用酸注入系统来降低碱度，然后再升 高在HiPVap中产生蒸汽的pH。
本发明使用的优选设计提供一种开采水的蒸汽发生装置，这种装置解决了许 多重要且严重的问题。第一，不再需要使用有问题的低效单程蒸汽发生器用于生 产高压蒸汽。第二，在生产高压蒸汽之前，减少对开采水进行预处理的需要或完 全取消。消除了与热石灰软化相关的淤浆流。第三，本文揭示的工艺完全由蒸汽 驱动，不需要高能耗的机械蒸汽压缩机或电基础设施。第四，控制了多价阳离子 量，结合控制了非氢氧化物碱度水平，因此基本上消除了与硫酸根、碳酸根或硅 酸根阴离子相关的形成水垢的化合物的沉淀。因此，将清洁要求降至最小。这点 在工业上很重要，因为这可以使水处理装置避免停止水生产，否则会不合要求地 需要增大处理装置的尺寸来弥补在清洁周期内的水生产停工。第五，优选的高pH 操作条件能够对不同物质达到高的离子化程度，这些物质如二氧化硅在中性或接 近中性pH下在水溶液中喷射(sparingly)离子化，使这些物质在沉淀前浓缩到较高 浓度。第六，HiPVap操作的另一个益处是可以使用工业能接受的水管锅炉，其进 料是不含有机物的水。最后，HiPVap蒸汽发生工艺具有对蒸发速率比有利的高盐 水循环速率；与对同样的开采水的OTSG操作相比，能产生更好的热交换表面润 湿，温度差较低，并且热交换面上的热交换速率更低。结果是一种结垢潜能较小 且允许的浓度因素较高的设计。
目的、优点和新颖特征
本文揭示一种从开采水生产高压高质量蒸汽的新颖方法，所述的方法以及各 种实施方式可应用于重油工业。这些实施方式特别有利，因为这些实施方式消耗 的电能较少，废物产生量小，利用废热，减少维护，优于目前从油砂和其它重油 操作中回收油时所采用的水处理工艺。
由上面所述，观察到的一个明显且主要的目标在于一种新的处理开采水的方 法的规则，包括其各种变体，使这种水可以回收并再用于生产在重油回收操作中 所用的蒸汽。
另一个重要目标是是通过减少水处理链中所需的单元处理的数量，来简化处 理装置的流程图，简化操作和降低重油回收操作中的成本。
其它重要但更具体的目标在于一种改进的水处理方法的各种实施方式的规 则，该处理方法用于生产在重油回收中的井下用途所用的高质量蒸汽：该方法
(a)无需单程蒸汽发生器以及将高压蒸汽与残留热冷凝物分离；
(b)无需产生软化器淤浆；
(c)通过使用蒸汽作为能源来替代机械蒸汽压缩机而降低电能消耗；
(d)操作和维护所需要的劳动力最少；
(e)降低水处理设备的投资和操作成本；
(f)化学添加剂和相关处理的需要最小。
本领域的技术人员由前面所述以及所附权利要求书并结合下面的说明以及附 图，本发明的其它重要目的、特征和另外的优点将是显而易见的。
附图简要说明
附图中：
为比较目的，在此所示的所有现有技术的例子都结合了零液体排放(ZLD)概念 作为说明的一部分，虽然在许多目前的装置的中，废物处置是通过注入深井中来 完成的。本领域的技术人员会认识到，在一定的情况，不使用脱水设备，仅仅使 泄料最少也能满足ZLD系统的要求。本文定义的高压、高效蒸发方法是专门针对 特定场所的，其中，各处理步骤都是特定的，以适应特定的进料水以及消费者的 需要。为此目的，对这种新的水处理方法的所有可能的实施方式不再说明，如本 领域技术人员理解的，其它说明性实施方式只是反映了某些组分的变化和重设置， 而不影响本发明的精神或理念。
同样的标识代表在以下各附图中所示的相同的特征。
附图中：
图1所示是现有技术一种方法的流程示意图，具体是在蒸汽协助的重力排泄 (SAGD)的重油回收操作中使用的典型的物理-化学水处理方法的流程图。
图2所示是现有技术的一种方法的流程示意图，具体是一种通用化工艺的流 程图，其中，物理-化学水处理方法被机械蒸汽压缩工艺替代，来向蒸汽协助的重 力排泄(SAGD)的重油回收操作中使用的单程蒸汽发生器(OTSG)提供纯化水。
图3所示是现有技术的一种流程示意图，其中，来自机械蒸汽压缩方法的馏 出液在反渗透(RO)设备中进一步处理，该设备能够用市售小型锅炉替代单程蒸汽 发生器(OTSG)用于蒸汽协助的重力排泄(SAGD)的重油回收操作。
图4所示是本文揭示并要求的新的蒸汽发生法的一个实施方式的流程示意 图，说明用低硬度和低碱度的开采水生产高压蒸汽的工艺在蒸汽协助的重力排泄 (SAGD)的重油回收操作中的应用。
图5所示是本文揭示并要求的新的蒸汽发生法的另一个实施方式的流程示意 图，说明HiPVap工艺在分类为高硬度和高碳酸根碱性离子的开采水中的应用。
图6是一个表，列出了对蒸汽发生器常规进料水的质量要求，所述蒸汽发生 器在单程蒸汽发生器设施中产生1000磅/英寸2或1000磅/英寸2左右的表压(PSIG) 的蒸汽。
图7是一个表，列出了对水管锅炉常规进料水的质量要求，所述水管锅炉产 生1000磅/英寸2或1000磅/英寸2左右的表压(PSIG)的蒸汽。
图8详细说明二氧化硅的离子化随pH变化的图。
前面的附图只是用来举例，包含根据情况在实际的工艺实施中存在的或被删 除的各部件。曾经做出努力以绘出附图，来至少说明对理解本发明的各实施方式 和方面有重大意义的那些部件。
发明详述
重油回收操作日益结合蒸汽协助的重力排泄(SAGD)方法来从油砂和其它生 产网络回收油品。这种方法中，注入的蒸汽能以100％质量更有效地使用(即，蒸 汽中没有夹带液体水)，这与老的方法不同，老的方法中使用80％蒸汽/20％水混 合物用于油田的蒸汽溢流。然而，标准用途中的单程蒸汽发生器(OTSG)被设计为 产生80％质量蒸汽，然后需要使用蒸汽分离器来除去夹带的水部分，以为井下注 入提供100％质量的蒸汽。OTSG在为蒸汽溢流提供所需的100％质量蒸汽的应用 留下了高压高温液体部分，这部分需要进行处理和处置。在某些情况，通过使用 串联的闪蒸罐可以将这部分高压高温液体用于其它蒸汽消耗装置，每个闪蒸罐提 供较低压力蒸汽，但最后产生需进行处置的液体。
重油回收处置器目前着重于工业水管锅炉，以产生所需质量的100％蒸汽。 这成为需要的下一步骤，因为水管锅炉被设计成提供高纯蒸汽，其压力为蒸汽压 力所需的压力，而其装置、操作和维护费用小于OTSG，而水管锅炉的高效率产 生需要处置的泄料流量小。然而，使用水管锅炉需要更大的水预处理工艺，因为 对进料水的要求比对OTSG更严格。参见图6和图7，以比较水管锅炉设施与OTSG 所需的进料水特性。工业上认为达到水管锅炉所需的水质量的唯一方式是除去开 采水中存在的溶解的溶质和TOC(总有机碳)。这种预处理水平需要膜分离和/或蒸 发工艺。膜系统由于其温度限制，需要对开采水进行冷却，随后进行再加热。已 经考虑到的蒸发工艺(参见图2和3)也是高能耗的。
在此揭示的本发明提供了一种新的综合方法，用来从开采水生产高压蒸汽。 在产生注入蒸汽中只使用一次的能量在该方法中被使用两次。该能量第一次的用 途是从水管锅炉中的高纯度水产生蒸汽。第二次用途是从开采水产生注入蒸汽。 从开采水产生注入蒸汽是通过使用高压高效的HiPVap工艺完成的。该方法解决了 低效OTSG的缺陷，对水管锅炉处理全部开采水进料流的要求达到ASME质量标 准的要求，以及克服MVC装置高能耗的缺陷。在一个实施方式中，当结合零液 体排放(ZLD)时，以其有效成本价格以及在无液体需要处置下，可回收大于98％ 的开采水进料流。
蒸汽发生领域当前的状况是，OTSG或水管锅炉能回收多少水受到废物流中 固有的引起结垢的离子如硬性物和二氧化硅、总有机碳(TOC)和进料流中溶解总固 体(TDS)允许的最大量的限制。加入高价结垢抑制剂或控制结垢的方法是有益的， 但是它们的有效性仍受到限制。用作工业盐水浓缩器的蒸发器以其形成的高固体 容量和热交换面的润湿设计克服了TDS限制。它们也可以处理高TOC负荷，但 是挥发性TOC保留在产生的蒸汽中，当蒸汽冷凝时进入所产生馏出液的任何下游 用户，引起结垢和/或积垢问题。
本发明提供一种新的方法，该方法克服了这些限制，与以前可能回收的开采 水相比，通过在高压高效的HiPVap工艺中提供无结垢的高pH环境，能回收更多 的开采水用于蒸汽发生，该工艺结合了工业盐水浓缩器的高溶质容量。挥发性TOC 不存在问题，因为它可以和高压蒸汽一起被带出，并被送至锐孔(borehole)，用于 蒸汽注入。此外，与常规OTSG系统相比，HiPVap工艺不需要任何额外能量来 产生高压注入蒸汽，并且使用的能量明显少于目前的MVC蒸发器技术。
虽然使用蒸汽来产生蒸汽似乎是不切实际的，但如本文揭示的进行应用时， 这种实践有着正面的益处。重要的一点是工业高压蒸发器和水管锅炉都要在原来 设计的环境中操作，即高TDS盐水浓缩蒸发器与高压高纯度ASME级水管锅炉结 合。这样，设备可靠，且成本降低。成本降低可分解成降低操作成本，因为不需 要机械蒸汽压缩机，降低水预处理的投资成本，因为不需要将开采水改变为ASME 质量水有关的大量水调节。
表征高压、高效蒸发器(HiPVap)工艺设计和操作的特性如下：
不使用低效单程蒸汽发生器(OTSG)，产生压力在200-1600psig范围的高质量 蒸汽。
HiPVap单元内开采水的蒸发与再循环的比值很低，因此，热交换表面保持 良好润湿，使与干燥点一起结垢的潜能最小。
因为不需要电力驱动的蒸汽蒸发压缩机，因此能耗低，电基础设施成本低。
定期检查用于蒸发高有机物量的高TDS液流的保守工业设计。
消除了在寒冷气候难以处理的石灰软化器的废物流。
简化了在蒸汽发生之前的对脱油的开采水的预处理工艺。
在高pH下操作时，弱酸阴离子如二氧化硅很高的溶解度。
可达到的高浓度因子(回收--可达到90％或更高的回收率)。
明显降低了清洁频率。
最终无需添加结垢抑制剂。
通过在高pH下操作，降低了腐蚀潜能，因此可以使用低成本的构造材料。
与常规开采水的回收和蒸汽发生系统相比，降低了总的操作成本。
与常规开采水的回收和蒸汽发生系统相比，降低了总的投资成本。
HiPVap工艺是地点特异性的。各处理步骤都是特定的，以适应给定地点的具 体开采水。与不同地点的预处理工艺中的差异无关，一个工艺参数对所有的应用 是公用的，即HiPVap系统在最可行的泄料pH下操作。这种因素能够使该循环溶 液提供低的腐蚀潜能，高的二氧化硅容许量，以及在热交换表面上无积垢有机物 的环境。
参见各图，开采水进料流14通常含有可溶的、不溶的有机和无机组分。无机 组分可以是盐，例如，氯化钠、硫酸钠、氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、氯化钡、硫 酸钡等化合物。还可以包含金属，如铜、镍、铅、锌、砷、铁、钴、镉、锶、镁、 硼、铬等。有机组分通常是可溶解和乳化的烃，例如苯、甲苯、苯酚等。
用来生产蒸汽的开采水另外还包含以一种形式或另一种形式存在的二氧化硅 (也称作SiO2)，取决于pH以及水中存在的其它物质。对蒸发器系统，必须避免热 交换表面上结垢二氧化硅。这是因为：(a)二氧化硅形成相当硬的结垢，会降低蒸 发器的生产率，(b)结垢通常很难除去，(c)结垢除去工艺产生不希望量的废的清洁 化学品，(d)清洁周期导致设备不希望的非生产性的脱机时间。因此，不考虑进料 的原料水中的二氧化硅量，常规的蒸发工艺操作没有结垢控制方法如优选的沉积 接种淤浆，通常会涉及高固体物流中SiO2的浓度量略超过了150ppm二氧化硅(作 为SiO2)。这需要在降低浓度的因素(回收速率)下操作的蒸发器系统，来防止泄料 流中二氧化硅浓度超过溶解度限度。接种的淤浆系统可被取作浓度因素，它抑制 二氧化硅的溶解度，但取决于晶种处理方法，并且仍倾向于在蒸发器的热交换表 面上结垢。
通常理解二氧化硅的溶解度随pH升高而增加，二氧化硅在高pH水溶液中完 全溶解。二氧化硅溶解度的增加基本上与离子化改变成比例，因为离子化提高使 可溶硅酸根离子成为主导物质。溶解度不直接成比例，因为即使不离解的二氧化 硅在水溶液中也显示一定的溶解度，通常可高达120ppm至160ppm，取决于温 度和其它因素。比较中，已证实二氧化硅在室温，pH为11时的溶解度超过1,500 ppm；二氧化硅溶解度随温度和/或pH升高而增加。
二氧化硅在中性或接近中性的水溶液中极弱离子化，通常认为在pH最高约为 8的天然存在的水中存在非离解的(偏/正)硅酸(H4SiO4)。曾报道，二氧化硅离解的 第一阶段的离解常数(pKa)值约为9.7，它表明二氧化硅在pH为9.7时约50％离子 化；其它50％保持非离解的(正)硅酸。pH与二氧化硅离子化百分比之间的关系示 于图8。很清楚，需要二氧化硅离子化时在pH大于10条件下操作有利，优选超 过11，更优选超过12，此时整个二氧化硅分子以可溶的硅酸根离子存在。
因此，提高HiPVap工艺的pH，可提供增加二氧化硅溶解度的益处。为从高 pH下二氧化硅离子化获得最大益处，HiPVap系统应在尽可能高的pH下操作。蒸 发器系统优选在pH大于或等于约10.5下操作，更优选在大于或等于11下操作。
通过将硬度和非氢氧化物碱度保持在一定水平，HiPVap工艺在选择的pH下 能有效避免形成结垢，HiPVap泄料流中SiO2的浓度可以安全地增加到至少5500 ppm，或更高。这可以通过升高输入HiPVap系统的开采水的pH来完成，并且不 需要使用二氧化硅结垢抑制剂或控制方法。
本文揭示的新工艺位于各图中的油分离区8与在油回收设施中蒸汽溢流的蒸 汽注入井之间。分离并脱油后的开采水14通常含有10-20ppm残留油，使用诸如 Langelier饱和指数、Stiff-Davis指数以及其它溶解度表，分析所述开采水形成碳 酸钙结垢的潜能。这些指数如为本领域技术人员已知，并且在本说明书中指出， 这些指数取钙、镁、碱度、pH以及操作时的温度作为输入值，来决定在要求没有 结垢的操作中如果开采水中存在任何引起结垢的离子时离子量必须降低多少。也 可以使用基于硫酸钙和二氧化硅的其它表来决定开采水流中这些化合物的溶解度 水平和浓度因素。确定了开采水的结垢潜能后，选择这种新颖工艺的一种实施方 式，全部在所需的浓度因素下的无结垢操作。
参见图4或图5，任何开采水如按适当指数和溶解度图表测定的进行调节后， 本文揭示的新的高压高效HiPVap 84必须以这种方式操作，即泄料的pH大约但 较好不大于12.5。所选择的pH是基于开采水进料流中二氧化硅量以及所需的浓 度因素，并且可以较低，但不低于10.5，取决于地点特异性设计条件。
图4代表HiPVap工艺，它可结合到典型的含低硬度和低碱度溶质的SAGD 应用。在HiPVap工艺之前必须进行热处理和调节，这可以通过添加如硫酸或盐酸 的酸52来完成，需要和或适当地降低pH，使结合的碳酸盐碱度充分转变为气态 二氧化碳。二氧化碳与其它不可冷凝的气体(NCG)如氧气和氮气一起在HiPVap脱 气器56中除去。在脱气器56之后，通过添加苛性物62如氢氧化钠或氢氧化钾， 调节开采水进料流的pH至预先选定的pH，然后至HiPVap 84工艺。
在HiPVap 84中，处理并调节后的开采水78与管道88中的浓缩的高固体流 混合并稀释该固体流。该物流用高压循环泵90进行循环，在每次通过HiPVap 84 时一小部分作为HiPVap泄料通过管道96除去。当开采水进料通过热交换面时从 管道94中的稀释循环溶液中除去水，使开采水进料中的溶质在HiPVap 84中浓缩。 如图4所示，HiPVap利用降膜蒸发，其中，通过管道94循环的物流较薄地铺展 在热交换管的内表面。以被管道124中高压蒸汽驱动的蒸汽形式，从稀的循环物 流中除去一小部分水，它们在热交换管的外面冷凝。已除去的水以注入需要的高 压下高温蒸汽的形式通过管道100直接送到蒸汽注入井，这种水的非挥发性溶质 通常小于10ppm。
以高质量ASME额定的进料水进行操作的工业水管锅炉110提供高压蒸汽通 过管道124，即需要驱动高压高效的HiPVap 84，在84中，高压蒸汽通过在所述 许多热交换面的第二表面上冷凝来传递热量。冷凝蒸汽通过重力下降到管式热交 换表面的底部并收集为冷凝物流120，然后返回到该工业水管锅炉，在该锅炉中， 供给能量，冷凝液再回到其蒸汽形式，保持蒸发工艺的进行。
通过管道114从水管锅炉110取出的少量锅炉泄料物流被输入HiPVap 84用 于回收。泄料物流114需要防止由于排放和确保补充水的要求而在锅炉中构成总 溶解固体(TDS)，泄料物流114量通常小于该锅炉容量的2％。
用于水管锅炉110的补充水可由产生去离子水的各种装置提供。如图4所示， 补充水由一个通常大于90％的高回收的小型反渗透(RO)装置200提供，该装置以 高质量工业用水或饮用水运行。这些情况下，RO装置200提供高质的ASME级 渗透，与工业标准的常规高压锅炉的化学程序112一起确保水管锅炉110无故障 运行。其它实施方式中，RO装置200可以被各种类型的离子交换柱替代，提供水 管锅炉110所需的ASME品质的水。
上述的新HiPVap工艺在一定压力下生产高质蒸汽，所述压力取决于各地点的 设计，通常在200-1600psig范围，与OTSG和MVC工艺相比，该工艺满足在降 低成本下操作的SAGD需要的100％质量蒸汽的要求。理想地，如图4和5所示， 只有一个物流，即HiPVap泄料96需要进行处理。在允许和/或可能的场外处置设 施，或较好通过零液体排放(ZLD)系统的区域，管道96中来自HiPVap84的泄料 经闪蒸130至大气压后，通过称作深井注入的方进行处理。闪蒸后蒸汽134然后 送入冷凝器30进行回收。
对ZLD的实施方式说明
参见图5，所示是本发明对开采水的高压高效HiPVap工艺的另一个实施方式。 该图是对从蒸汽溢流工艺回收的开采水的流程图，所述蒸汽溢流工艺中硬性物量 和碳酸盐碱度都很高，需要进行预调节来降低至HiPVap操作能接受的量。还说明 了零液体排放(ZLD)的概念，以进一步理解该工艺的广度(breadth)。
来自井口的生产物流2含有油和水的混合物(如75％水和25％的油)，该物流 通常在约330温度，通过开采水的预热器4后流向油分离区8。通过前面所述的 方式除去基本上所有油，通常残留含量为10-20ppm后，开采水在约190温度 通过管道14流向去离子化区18，该区结合了以钠形式操作的弱酸阳离子(WAC) 树脂。在该WAC中，钙和镁离子通过被钠离子取代降低到不结垢的水平。
在去离子化区18除去钙和镁后，软化的开采水24流向与冷凝器30直接接触。 在冷凝器30中，开采水与来自多效ZLD系统的结晶作用162的蒸汽混合并冷凝 该蒸汽。
冷凝器30之后，混合蒸汽34被输入缓冲罐36，在该罐中加入来自ZLD的馏 出液186。
来自缓冲罐36的出料42处于约205温度，被加压以抑制沸腾，并通过管 道42送入开采水的预热器4，被升高约100的温度，然后通过管道50至脱气器 56。由不同结垢指数决定，适当加入酸52至来自开采水的预热器4的流出液50， 以增强非氢氧化物的碱度破坏(destruction)。加入足够的酸以降低pH，使结合的碳 酸盐转变为游离气态二氧化碳。然后，优选在闪蒸型脱气器56中除去加入酸形 成的二氧化碳与其它不冷凝的气体(NCG)58，如氧气和氮气，虽然也可以使用强 制通风型脱气器。
较好地，可以使用盐酸或硫酸来降低pH，虽然也可以使用其它的酸。在其它 实施方式中，不同的结垢指数表明，在升高pH下，对无结垢操作不需要除去碱性 物，可以不采用加入酸52和脱气器56。
应遵守的一种防范措施是碱度的硬度和非氢化物形式都应在开采水的不结垢 水平，然后向上调节pH至选择的HiPVap操作条件。满足这些条件后，可以用常 规的苛性源如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)按照要求升高pH。完成该预处理 后，则HiPVap系统能在高pH水平操作，以利用上述二氧化硅溶解度耐腐蚀性。
处理和调节后的开采水用高压泵70加压至选定的操作压力，通常为1000psig 或更高，并导入高压高效蒸汽发生器(HiPVap)84，通过泄料热交换器76。较好通 过泵压注入液体溶液来加入苛性物62(碱)，以提高开采水进料的pH至预选定的水 平。开采水的pH升高至选定的pH，至少约为10.0，或较好在10-11范围，或者 常规11，最好是12或更高，并在HiPVap工艺中保持在选定的操作范围。
上面已详细说明了HiPVap 84和水管锅炉110的操作，即使结合了本文所述 的其它实施方式，因为这些操作本身没有改变，对此不再重复。
通过一个高回收率的(通常大于90％)的小型反渗透(RO)装置200，通过管道 204向水管锅炉110供应补充水，该反渗透装置用来自多效ZLD系统的馏出液进 行操作。这些情况下，RO装置200提供高质ASME级渗透，该渗透与工业标准 常规供应锅炉化学程序112一起确保水管锅炉110无故障运行。来自RO装置200 的注入流通过管道208输入ZLD系统的结晶器162。
管道96中的高压高效HiPVap的泄料被输送通过泄料热交换器76，在该热交 换器中所述泄料释放热量给管道74中输入的开采水进料。管道104中冷却的泄料 通常在500温度，为输入的开采水流的90％或更少，含有原来存在于开采水14 中的浓缩溶质，该泄料与用来降低和升高pH用的任何化学品一起可以在各自地点 采用标准方法进行处置。该处置包括闪蒸回收用于其它目的低温蒸汽，然后在废 物蒸发池中就地保持液体部分，卡车运输至废物地点或注入深井中。
如本文所述的运行实施方式中，在管道104中的泄料物流被输入如图5所示 的多效ZLD系统，在该系统可提高回收率。ZLD工艺的第一步涉及在闪蒸罐130 中闪蒸泄料104至较低压力。闪蒸罐130将HiPVap液体泄料104分离成低温蒸汽 134和液流138，它们被送入作用段(1)142，它构成主要的浓缩蒸发器。作用段(1)142 是作用段(1)、作用段(2)等至作用段(N)(其中N是等于作用段数量的正整数)的第 一作用段，由这些作用段连续回收一系列的低压蒸汽流，这些蒸汽流可用来驱动 在后一作用段中的蒸发。ZLD构成的第一作用段对来自蒸发器84的泄料进行逐步 浓缩，然后，在作用段(N)162中溶质结晶。浓缩作用段1、2等可以是降膜或升膜 型蒸发器，而N作用段或结晶器通常是强制循环型。
在管道138中的再循环泄料物流中的溶质在其通过作用段142的热交换面时 从再循环溶液中除去水后被浓缩。如图5所示，该蒸发器利用降膜蒸发，其中， 管道138中的再循环物流薄铺展在许多热交换管的内表面上。以被管道134中闪 蒸的蒸汽驱动的蒸汽形式，从稀的循环物流中除去一小部分水，它们通过在热交 换管的外面冷凝来传递热量。冷凝的蒸汽通过重力下降到管式热交换表面的底部， 并收集为冷凝液流160。
冷凝液流160被输入通过作用段(2)152，在152中，冷凝液流与来自作用段 (2)152的馏出液合并，然后通过作用段(N)162。来自所有作用段的合并的馏出液/ 冷凝液166被输入馏出液热交换器182，然后通过管道186至储槽36。
在作用段(1)142产生的蒸汽被收集并通过管道144输入作用段(2)152，通过蒸 发的驱动力。管道148中是来自作用段(1)142的浓缩泄料，如对前面作用段所述 的，该泄料再循环在作用段(2)152的热交换面上。产生的蒸汽154被输入作用 段(N)162，蒸汽在此冷凝，并在强制循环热交换器中加热再循环的溶液。来自作 用段(2)的泄料158通过作用段(N)162中热交换器进行再循环，然后闪蒸到一个 室，该室中高度浓缩的溶质从溶液沉淀出来。
管道178中是来自作用段(N)162的浓缩泄料，含有沉淀固体，该泄料可以 通过送入现场废物保存区进行处置或较好在固体脱水装置进行处置。常规脱水设 备包括各种类型过滤压机或离心机，这些设备中，通过过滤或离心力从混合溶液 中除去悬浮的固体。脱水后的固体然后运出在填埋地点进行处置，或者在某些情 况作为无机盐销售。滤液然后返回结晶作用段(N)，进行进一步处理。在其它设施 中，适当时泄料178被送入喷雾干燥器，通过施加热量从混合溶液除去所有的水， 只留下各种类型的盐。
在结晶作用段(N)162中产生的蒸汽通过管道174输入冷凝器30，在该冷凝器 中，蒸汽与输入的脱油开采水14直接接触，然后至储存缓冲罐36。
本发明新方法的最后一个步骤包括，取通过热交换器192之后的一部分低温 溶质冷凝液和馏出液物流186用作RO的进料196。高质量RO进料196不含任何 挥发性有机物，能够使RO装置200生产ASME质量的渗透水，作为水管锅炉110 的进料。
应注意，提供管式降膜蒸发器设计在设备84、142和152的用途只是为了本 领域技术人员能够理解这种蒸发方法的目的，并不有意将该方法限制于这些设计 的用途。本领域的技术人员应理解，还可以采用其它的设计，例如升膜蒸发器或 天然、机械或强制循环蒸发器，伴随有这些设计固有的益处和/或缺陷。
在其它实施方式中，以及适合满足对选定的开采水化学性的特定需要时，可 以采用各种形式的硬性物去除，只要能满足对在HiPVap中产生无结垢环境的要 求。这些形式包括钠形式的强酸阳离子(SAC)交换或采用SAC交换法，随后是抛 光钠形式的WAC或SAC，除去部分硬性物。与两步的钠形式WAC法相比，由 SAC交换获得的益处是使用氯化钠作为再生剂，WAC法需要使用酸和苛性物来对 所需的钠形式实施再生。SAC法的缺陷是效率较低，其中需要过量的氯化钠进行 再生，产生的处置的废物流比WAC法多10-15％，在TDS应用中硬性物去除的 限度常规约3000ppm。但是，有许多应用中，氯化钠的容易使用以及相对低廉的 成本，使得SAC法相对于WAC法被优先选择，只要流出物能满足对HiPVap方 法的无结垢环境的要求。
在另一个实施方式中，开采水14首先在弱酸阳离子(WAC)的离子交换装置中 处理，以氢的形式操作，硬性物和碳酸氢盐的碱性物被同时除去。对开采水14硬 性物大于碱性物的情况，弱酸阳离子交换装置的操作必须通过添加碱性物源来实 施，例如添加碳酸钠水溶液。
树脂再生可通过使用方便易得的低成本酸来完成。本领域技术人员皆知， WAC离子交换树脂的再生可以高效即接近化学计量量进行(通常，不大于理想水 平的120％)。优选使用盐酸，因为使用盐酸时会产生高度溶解的氯化钙，这种再 生方法不会引起形成不溶硫酸盐如硫酸钙沉淀的潜在危险，即使用高强酸。但是， 使用多段的再生工艺，即使用低浓度酸，随后是高浓度酸，能够可靠地使用其它 酸，包括硫酸(H2SO4)，同时仍能避免树脂上的不希望的沉淀。按这种方式，硬性 离子被溶解，形成可溶性盐，这些盐可以从树脂床上洗脱。
HiPVap蒸汽发生法的经济性
比较现有技术系统与本文揭示的新方法的优选实施方式(图5)的经济分析，进 一步证实，在产生高压蒸汽时实现了降低成本。所述研究包括四种系统，如图1、 2、3和5中所示，以及以下对所有情况的工艺设想。
进口水分析，按mg/L CaCO3，除了pH及注意的：   钙(Ca)   13   碳酸氢根(HCO3)  188   镁(Mg)   5   碳酸根(CO3)  0.3   钠(Na)   1579   硫酸根(SO4)  0.3   钾(K)   0.51   氯阴离子(Cl)  1410   二氧化硅(SiO2)   180   铁(总量为mg/L离子)  1.1   TDS   2179，为mg/L离子   pH   7.3   温度  80℃   油   10-20mg/L   流速  3750GPM
设定：
来自回收井的开采水在164℃可用于热交换目的的不同工艺中。
所有系统为零液体排放(ZLD)。
单程蒸汽发生器(OTSG)的水至蒸汽的转化率为80％。
水管锅炉以2％泄料速率操作。
操作成本设定：
石灰和氧化镁的成本是相同的。
OTSG和水管锅炉以同样的燃料吸收热效率操作。OTSG和水管锅炉的传递到 水的每单位热量的燃料消耗在所有情况下都相同。
投资成本设定：
所有情况下的供应品范围包括所有设备，仪器，阀，管和在流程图边界之内 所示的结构性钢材。
不包括在成本估价内的设备和成本：
储水罐
控制系统(PLC，DCS，等)
电机控制中心(MCC)变压器、开关设备等。
安装成本
用于基础、地下管道、动力系统等的基础设施成本。
装置寿命为30年。
                             表1
                            功用   图1   图2   图3   图5   功率(kw-hr/hr)   3871   18665   19289   3528
                             表2
                 化学品消耗(磅/天，按100％化学品)   图1   图2   图3   图5   盐酸(HCl)   6500   6200   6200   8000   氢氧化钠(NaOH)   7000   10200   12200   12100   石灰(Ca(OH)2)   7695   -   -   -   氧化镁(MgO)   12000   -   -   -   凝结剂   50   -   -   -   RO防结垢剂   -   -   200   -
                            表3
                        投资成本比值   图1   图2   图3   图5   投资成本   1.20   1.25   1.30   1.0
                            表4
                       淤浆和盐饼   图1   图2   图3   图5   吨/天   115   63.6   64.7   65.7
                              表5
                  蒸汽发生法所需的单元工艺步骤   图1   图2   图3   图5  热石灰软化   ×  介质过滤   ×  离子交换系统   ×   ×  机械蒸汽压缩   ×   ×  主要反渗透系统   ×  开采水冷却器   ×  开采水的蒸发   ×   ×   ×  高压开采水泵   ×   ×   ×   ×  单程蒸汽发生器   ×   ×  用于100％质量蒸汽的蒸汽分离器   ×   ×  水管锅炉   ×   ×
由表1和表3可知，将本文提出蒸汽发生的高压高效HiPVap方法结合到目 前采用的蒸汽溢流的石油回收方法中，降低了能耗和投资成本。当HiPVap工艺的 其它益处包括较低成本时，如降低操作的复杂性，图6中所示的单元工艺越少并 且提高耐腐蚀性，很明显，本文揭示的这种方法是克服了上述的目前现有技术限 制和问题成本有效的新颖方法。
HiPVap工艺设计和操作的益处
上面列出了HiPVap工艺设计和操作提供的许多示例和希望的工艺益处。这些 益处的具体说明包括：
(A)较少的单元工艺
由表5可知，HiPVap工艺由几个单独的单元操作组成，而不是蒸汽发生工艺。 在图5所示的优选实施方式中，HiPVap工艺只包括高压蒸发器和其附带的工业水 管锅炉作为驱动蒸发工艺的热源。这种特征降低了开采水回收用于蒸汽发生的复 杂性，并使操作和维护所需的时间(小时)较短。
消除了对单程蒸汽发生器(OTSG)的需要带来了额外的益处，主要是其设计的 水至蒸汽的效率较低。这种设计因素是基于在目前设备中的热交换面上显示较差 的润湿，而这又导致因为干的斑点使管在高温和回收时烧尽，并导致管堵塞。相 反，HiPVap被设计用于高盐分的高结垢可能性的水，这种水必要时要求任何时间 都被完全润湿的热交换面。因此，在热交换面上的水再循环速率比蒸汽发生的速 率快得多，以确保不发生干的斑点并使结垢可能性最小。
(B)降低了投资成本
由于HiPVap工艺在高pH下在浓缩的循环溶液中操作的结果降低了腐蚀潜 能，这样就能够使用较低成本的材料用于热交换管或热交换板和其它与浓溶液接 触是润湿表面，如机油箱壁。这是一个重要的优点，因为这些材料的成本显著影 响到蒸发器的投资成本。大多数情况，可以取消使用高成本的两相和AL6XN(6 ％最小的钼)型不锈钢，有利于较低级别的材料如碳钢，上述的不锈钢材料通常用 于高氯化物盐溶液。此外，较少的单独单元工艺导致取消设备和安装基础设施的 成本。
(C)降低的操作成本
HiPVap工艺较其它蒸发工艺基于显著的优点，因为在蒸汽发生相和零液体排 放区都不需要高能耗的机械蒸发压缩机。本文揭示的这种新颖设计能完全以热量 和泄料液流中的废热进行操作。其它系统需要大量的电能输入用于操作。
开采水的装置的操作成本也由于减少或取消高成本的专用防结垢剂和/或分 散剂而降低。通过取消对在装置中接种淤浆操作的需要能有另外的节约事项，装 置中，开采水进料流中有高浓度的钙和硫酸离子。与有硫酸钙结晶的接种蒸发器 的成本一起还有注入氯化钙和/或硫酸钠的化学品以提供足够的沉淀离子来维持 在许多装置中的晶种层的相关成本。通过降低清洗操作频率，使用价廉的清洁化 学品，较短的用于清洁的停工期以及不需要高成本的为了清洁操作来达到进一步 的节约。如果结合了ZLD选择，可清洗处置废物泄料的成本以及维持工艺流体所 需的新水补充的需要。
因此，可以知道有效地达到了上面所述的目的，包括由前面描述能清楚理解 的那些，并且由于在实施上述方法和在实施这些方法并生产本文提出的所需产品 的合适设备的构建中构成了一定的变化，因此应理解本发明包括了不偏离本发明 的精神或主要特征的其它特定形式。例如，虽然描述并说明了对降膜高压蒸发器 与硬度和碱度控制方法的示例设计，其它实施方式也能达到本文揭示的方法的原 理的结果。因此，应理解，前面提供的本发明代表性实施方式的描述只是用于说 明目的以及提供对本发明的理解，而不是详尽的或限制性的，或将本发明限于所 揭示的确切形式。正相反，其意图是覆盖在权利要求书表示的本发明的精神和范 围之内的所有修改，等价体和选择体。同样，权利要求书旨在涵盖在此所述的方 法和结构，不仅是其等价体或结构等价体，也包括等价的结构或方法。因此，按 权利要求书所示的本发明的范围旨在包括来自提供的实施方式的变动，然而这些 变动由适当供给权利要求书的表达方式或其等价体的广义的范围描述。