Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД 8
1.1 Флотация 8
1.1.1 Основы флотационного метода очистки 8
1.1.2 Электрофлотация 9
1.2 Жидкостная фильтрация 21
1.2.1 Гидрофильный фильтр 21
1.2.2 Гидрофобный фильтр 21
1.3 Методы электрообработки 24
1.3.1 Электрохимические процессы и их организация 24
1.3.2 Электрокоагуляторы, гальванокоагуляторы,электрохимические коагуляторы 29
1.3.3 Электрокоагуляция и флотация 30
1.3.4 Сочетание электрохимической коагуляции и флотации 32
1.4 Фильтрация в зернистых материалах 33
1.5 Вывод 46
ГЛАВА II. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И АППАРАТУРА ИССЛЕДОВАНИЙ 47
2.1 Метод анализа оптической плотности 47
2.2 Метод анализа концентрации нефти 48
2.3 Метод анализа концентрации взвешенных веществ 54
2.4 Метод определения рН 56
2.5 Электрофлотатор 58
2.6 Гидрофобный фильтр 61
2.7 Фильтр зернистый 62
2.8 Фильтр сорбционный 68
ГЛАВА III. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 73
3.1 Качественный состав нефти и воды месторождений нефти юга Ирака 73
3.2 Краткая характеристика нефтяных месторождений юга Ирака 75
3.3 Исследование эффективности очистки воды жидкостными (гидрофобными) фильтрами 77
3.4 Определение эффективности очистки воды электрофлотацией 79
3.5 Интенсификация метода электрофлотации 90
3.6 Доочистка воды зернистыми фильтрами 94
3.7 Определение размера частиц механических примесей и эффективности очистки воды 97
3.8 Вывод 101
ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ВОД 102
4.1 Многоступенчатая технология очистки нефтепромысловых вод 102
4.2 Результаты опытов по очистке нефтепромысловых вод по многоступенчатой схеме 105
4.3 Технико-экономическое обоснование выбранной технологии 106
4.3.1 Расчет мощности источника энергии для электрофлотатора 107
4.3.2 Расчет себестоимости подготовки сточных вод 108
4.4 Выводы 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
ЛИТЕРАТУРА 111
- Электрофлотация
- Метод анализа концентрации нефти
- Краткая характеристика нефтяных месторождений юга Ирака
Введение к работе
Ирак - одна из самых богатых нефтью стран мира и в будущем может стать ведущей по объему ее добычи. Сегодня Ирак занимает второе место в мире по запасам углеводородного сырья, уступая лишь Саудовской Аравии. Доказанные запасы нефти в Ираке превышают 100 млрд баррелей, т.е. составляют около 10% мировых ресурсов нефти. Прогнозные же запасы оцениваются более чем в 100 млрд баррелей. До 90-х годов двадцатого столетия Ирак входил в число крупнейших производителей и экспортеров нефти [1].
На большинстве нефтяных месторождений Ирака нефть добывается из недр, как мире в целом, и России, с помощью заводнения нефтяных пластов [2].
По среднемировым данным метод заводнения пластов позволяет достичь роста добычи нефти на 20-50%. Поэтому можно полагать, что для Ирака даже при минимальном росте добычи нефти 15-20% увеличение ее добычи составит более 7 млрд тонн нефтегазового сырья [3].
В связи с этим в настоящее время на большей части нефтяных месторождений юга Ирака нефть добывается с поддержанием пластового давления нагнетанием воды в пласты. Поэтому использование нефтепромысловых вод в системах поддержания пластового давления (ППД) позволяет иметь постоянный источник воды и одновременно решать проблемы защиты водоемов от загрязнения сточными и пластовыми водами. Подготовка воды для закачки в продуктовые пласти на месторождениях нефти Ирака осуществляется на основе разработки и усовершенствования методов и технологии глубокой очистки промысловых вод.
Систему ППД следует рассматривать как систему оборотного водоснабжения со всеми вытекающими из этого последствиями. Вода должна быть стабильна по отношению к конструкционным материалам, стабильна при контакте с породой коллектора и при смешении с пластовой водой, очищена от взвешенных веществ и нефти, бактериально безопасна для пласта. В то же время закачиваемая в пласт вода является нефтевытесняющим агентом, от свойств которого зависит нефтедобыча, а также растворителем и средством доставки в пласт и в продукцию скважин необходимых реагентов.
Цель работы. Достижение глубокой очистки нефтепромысловых вод от нефти и взвешенных веществ до остаточной концентрации не более 5мг/л с размером частиц менее 5мкм для последующей закачки в продуктивные пласты с целью охраны окружающей среды.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить эффект очистки нефтепромысловых вод реагентной и безреагентной электрофлотацией;
- определить эффект очистки нефтепромысловых вод жидкостной фильтрацией и коалесценцией;
- определить оптимальный тип фильтрующей зернистой загрузки, установить связь между эффектом очистки воды и скоростью фильтрация;
- рассмотреть возможность применения метода электрохимического фильтрования для доочистки нефтепромысловых вод.
Научная новизна. Проведенными исследованиями впервые показана
возможность подготовки нефтепромысловых вод Ирака многоступенчатым методом до содержания остаточной нефти в воде ниже 5 мг/л, взвешенных веществ 1-5 мг/л с размерами твердых частиц менее 5 мкм. Закачка воды данного качества в нефтеносные пласты позволяет дополнительно получить на месторождениях нефти Басра 10 — 15 % нефти.
Приведенное выше качество воды достигнуто за счет:
- результатов исследований водоподготовки с применением метода реагентной и безреагентной электрофлотации, выбора типа флокулянтов и коагулянтов («Праестол» и A SO ), экспериментального установления оптимальных доз реагентов;
- исследования и применения на последней стадии подготовки нефтепромысловой воды силицированного кальцита в качестве фильтрующего материала, что позволило достичь степени очистки воды от нефти - 99,9%, взвешенных веществ - 99,6%, минимального размера твердых частиц - менее 5 мкм и рН воды - в пределах 6-8.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в глубокой очистке сточных вод от загрязнений и закачке высоко минерализированных вод в продуктивные пласты, что одновременно решает проблему поддержания пластового давления и очистки сточных вод с высоким солесодержанием до нормативных значений (до содержания остаточной нефти в воде ниже 5 мг/л, взвешенных веществ 1-5 мг/л с размерами твердых частиц менее 5 мкм).
Реализация научно-технических результатов.
Результаты исследований , проведенных нами по очистке нефтесодержащих сточных вод, использованы в проекте реконструкции нефтяного месторождения Басра. Внедрение рекомендаций автора позволяет увеличить добычу нефти на 10-15% из низкопроницаемых коллекторов.
На защиту выносятся:
- анализ и характеристика месторождений нефти Басра (Ирак), состава и свойств нефтепромысловых вод, особенности и требования к воде для. закачки в пласты;
- научно-экспериментальные материалы, полученные автором при многоступенчатой подготовке воды методами реагентной и безреагентной электрофлотации и фильтрования на силицированном кальците;
- результаты исследований размеров частиц взвешенных веществ в воде после многоступенчатой очистки воды до нормативных значений, полученные на рентгенофлуоресцентном спектрометре RW 1480 Philips;
- предлагаемая технология месторождений для закачки в пласты нефтепромысловых вод и экономическая оценка ее эффективности.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научной практической конференции «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса» (Уфа, 2007 г.); XII Международной научной-технической конференции при XII специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Насосы. Трубопроводы» (Уфа, 2008 г.); научно-практической конференции «Всемирный День охраны ресурсов» (Уфа, 2008 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 работах, в том числе в 2 статьях по списку ВАК, 4 статьях, материалах и тезисах докладов 6 конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 105 наименования. Основная часть диссертации изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 27 таблиц.
Электрофлотация
Электрохимическая флотация (ЭФ) - один из наиболее интенсивно развиваемых процессов разделения веществ в водоочистке. Термин «электрохимическая флотация», как будет ясно из последующего текста, имеет более широкий смысл, чем электрофлотация. Перспективность ЭФ связана с образованием при электролизе воды высокодисперсных пузырьков газа, что позволяет извлекать гидрофильные частицы без применения реагентов - собирателей. Крупность пузырьков, выделяющихся в результате электролиза, зависит от условий их получения и составляет 15 - 200 мкм [17, 18, 19], т.е. размеры практически не отличаются от размеров пузырьков, выделяющихся из пересыщенной жидкости.
Существенным преимуществом ЭФ перед напорной флотацией является возможность неограниченного насыщения очищаемой жидкости пузырьками, а также простота осуществления процесса газонасыщения, что допускает (в отличие от напорной флотации) частые перерывы в этом процессе. Более того, возможность чередования периодов газонасыщения и пауз позволяет интенсифицировать флотационное извлечение примесей в условиях усиленного насыщения воды пузырьками газа в результате их импульсной подачи в жидкость.
Особенности, присущие ЭФ, значительно расширяют область ее применения. Возможность неограниченного газонасыщения воды пузырьками высокой дисперсности позволяет использовать ЭФ для извлечения мелких частиц, а простота процесса газонасыщения обеспечивает ей существенные преимущества перед другими видами флотации:
- высокая дисперсность газовых пузырьков, сопоставимая с дисперсностью извлекаемых загрязнений;
- возможность регулирования процесса путем изменения насыщения жидкости пузырьками газа;
- возможность создания полидисперсной газовой фазы выбором конструкции электродных блоков;
- возможность одновременного извлечения примесей, имеющих различный фазово-дисперсный состав;
- высокая скорость процесса;
- экономичность;
- отсутствие перемещений деталей аппарата;
- получение химически чистого водорода, использование которого значительно увеличивает КПД аппарата;
- увеличение эффекта очистки воды за счет окислительно-восстановительных реакций на электродах;
- обеззараживающий эффект за счет образования окислителей в приэлектродной области (атомарного кислорода, хлорит-хлоратных соединений):
- экологичность процесса;
- возможность раздельной обработки воды водородом и кислородом.
Этим, видимо, объясняется интерес ряда исследователей к методу ЭФ для очистки нефтесодержащих вод [20, 21, 22, 23]. Пузырьки газа, полученные электролитическим путем при ЭФ, обладают высокой адсорбционной и адгезионной способностью, поднимаясь вверх захватывают диспергированные твердые и жидкие частицы, образуя на поверхности воды устойчивую пену - флотошлам. Кроме того, во время обработки на аноде и в растворе присходит деструкция растворенных органических веществ, изменяя химический состав воды и физико-химические свойства извлекаемых соединений. При исходной концентрации НЗВ в сточных водах до 1000 мг/л остаточная концентрация после электрофлотационной обработки составляет 1-10 мг/л, что, как правило, обусловлено присутствием в воде примесей, находящихся в коллоидном состоянии.
Электрохимические флотаторы выполняют однокамерными, двухкамерными и многокамерными. В любом аппарате газонасыщение очищаемой воды происходит в электролитическом газогенераторе. Разработано значительное количество газогенераторов, отличающихся конструкцией электродной системы. Варианты выполнения газогенераторов представлены на рисунок 1.1 [ 17].
Гидравлическая нагрузка на поверхность установки зависит от свойств очищаемой воды и выбирается в пределах 3-6 м /(м ч). Катод изготовлен из нержавеющей стали, анод - из титановых пластин, покрытых диоксидом свинца.
Технологическая схема очистки нефтепромысловых вод, включающая предварительный отстой, электрофлотацию и флотоотстой, испытана в НГДУ «Уфанефть» [11]. Нефтепромысловая вода из напорной ёмкости (рис. 1.2) поступает в камеру ввода потока 8, из которой переливом через перегородку 1 поступает во флотационную камеру 7, отделенную от флотоотстойника 2 направляющей перегородкой 5. Через перегородку 3 вода поступает в камеру вывода потока. Полупогружные перегородки 6 и 4 служат для равномерного распределения потока на входе и на выходе из флотационной камеры.
Метод анализа концентрации нефти
Концентрацию взвешенных веществ определяли весовым методом [74]. Методика предназначена для выполнения измерений массовой концентрации взвешенных веществ (более 2 мг/дм ) и общего содержания примесей (более 10 мг/дм ) в природных и очищенных сточных водах. Руководящий документ может применяться специально уполномоченными органами Российской Федерации, обеспечивающими государственный контроль за качеством вод и распределение водных ресурсов между потребителями.
Отбор проб производили в соответствии с ГОСТ 17.1.5.05 и НВН 33 -5.3.01 Пробы не консервируют. Определение взвешенных веществ следует проводить в возможно более короткий срок после отбора. При невозможности этого пробы хранят в холодильнике не более 7 суток [74].
Бумажные фильтры "синяя лента" раскладывают по одному в бюксы и высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 С в течение 1 часа, затем закрывают бюксы крышками и переносят их в эксикатор. После охлаждения, бюксов с фильтрами в течение 30 минут их взвешивают на аналитических весах с точностью 0,0004 грамм. Повторяют операции высушивания и охлаждения бюксов. с фильтрами до тех пор, пока расхождения между двумя последовательными взвешиваниями не будут превышать 0,0004 грамм [74]. фильтр "синяя лента"
Собирали устройство для фильтрования под вакуумо, подготовленный бумажный фильтр помещают в воронку Бюхнера, смачивают водой, расправляют края фильтра таким образом, чтобы при фильтровании пробы воды не было пропусков и присасывают к воронке Бюхнера.
Анализируемую воду фильтровали, наливая её на поверхность фильтра. Оставшийся на стенке цилиндра осадок смывали небольшой порцией дистиллированной воды на фильтр, повторяя данную операцию еще два раза для промывки использовали. 100 см3 дистиллированной воды. Фильтр с осадком высушивали, просасывая через него воздух в течение 5-10 минут; промывали осадок 3 раза порциями по 15-20 см3 четыреххлористого углерода, затем повторно его высушивали воздухом. Помещали фильтр с осадком в бюкс и высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 С не менее 1 часа. Затем бюкс закрывали крышкой, охлаждали в эксикаторе в течение 30 минут и взвешивали с погрешностью 0,0004 грамм. Операции высушивания, охлаждения и взвешивания повторяли до получения расхождения между двумя последовательными взвешиваниями не более 0,0004 грамм [74].
Краткая характеристика нефтяных месторождений юга Ирака
Приток жидкости и газа к забоям добывающих скважин вызывается разностью давлений между пластом и забоем скважины. Источниками пластовой энергии для поддержания этой разности давлений являются: энергия напора пластовых вод;
упругая энергия сжатых пород и жидкостей;
энергия гравитации.
Естественная пластовая энергия не обеспечивает полноту отбора нефти и необходимые темпы разработки нефтяных месторождений. Для повышения степени извлечения нефти из пласта и достижения необходимых темпов разработки широко применяют метод поддержания пластового давления (ГШД) нагнетанием в залежь воды.
Опыт разработки нефтяных месторождений с применением заводнения показывает, что нагнетание воды в пласт не только увеличивает темпы разработки, но и обеспечивает наибольший коэффициент нефтеотдачи — 50 ... 60 % от начальных запасов.
Для заводнения пластов используют пресные, морские, пластовые, подтоварные, поверхностные, дренажные воды, промышленные и хозбытовые сточные воды, а также промстоки некоторых промышленных предприятий.
Сточные нефтепромысловые воды являются смесью пластовых вод, добываемых вместе с нефтью; пресных вод, добываемых в процессе обессоливания нефти; промстоков от различных эксплуатационных служб, подтоварных и поверхностных вод. В некоторых случаях очищенные и обеззараженные хозбытовые сточные воды уединенных населенных пунктов также подают в систему ППД.
Содержание пластовых вод в сточных водах составляет 80 ... 90 %, что определяет качество сточных вод. Как правило, пластовые воды относятся к хлоркальциевому типу с общим солесодержанием от 1 до 100 г/л.
Нефтепромысловые воды характеризуются высоким содержанием эмульгированной нефти 3000...5000 мг/л и твердых взвешенных частиц до 2000...3000 мг/л. Вследствие контакта твердых взвешенных частиц с нефтью их поверхность в некоторой степени гидрофобизуется, что изменяет их молекулярно-поверхностные свойства.
Размер взвешенных частиц изменяется в широких пределах от долей мкм до 100 мкм [13]. Наличие мелких капель (глобул) нефти в закачиваемой в пласт воде приводит к загрязнению фильтрующей среды и увеличению сопротивления фильтрации. В отличие от взвешенных веществ глобулы нефти имеют широкий диапазон размеров, так как они легко дробятся под воздействием силовых полей и могут коалесцировать при определенных условиях. Дисперсность нефтяных глобул определяется концентрацией водо- и маслорастворимых поверхностно-активных веществ (ПАВ), коллекторскими свойствами пласта, типом насосного оборудования, физико-химическими свойствами воды и нефти. Размер эмульгированных капель нефти изменяется от 0,01 до 1000 мкм [13].
На основании многочисленных лабораторных и промысловых исследований ведущих научных коллективов страны сформулированы требования к качеству воды, закачиваемой в нефтяные пласты [96,97,98]. Из отраслевого стандарта следует, что при контакте в пластовых условиях закачиваемой воды с пластовой водой и породой коллектора допускается снижение фильтрационной характеристики на 20%. Размер частиц взвешенных веществ и глобул нефти не должен на 90 % превышать 5 мкм для коллекторов проницаемостью свыше 0,1 мкм" и 1 мкм для коллекторов проницаемостью ниже 0,1 мкм".
