Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 18
1.1. Современные методы повышения продуктивности нефтяных скважин 19
1.2. Обзор существующих методов снижения вязкости нефти 34
1.3. Существующие способы обессеривания нефтепродуктов 46
1.4. Физико-химические методы очистки нефтезагрязненных вод и грунтов... 62
1.4.1. Существующие методы очистки нефтезагрязненных вод 62
1.4.2. Существующие методы извлечения нефтепродуктов из нефтеносных пород и очистке нефтезагрязненных грунтов 80
1.5. Выводы по состоянию вопроса и постановка задачи исследования 90
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 94
2.1 Оборудование и методика измерения акустических характеристик 94
2.2. Оборудование и методика экспериментов влияния ультразвука на скорость фильтрации и реологические характеристики нефтей 98
2.3. Оборудование и методика экспериментов обессеривания нефтепродуктов в ультразвуковом поле 102
2.4 Оборудование и методика экспериментов флотационной очистки нефтезагрязненных вод с ультразвуковой активацией реагентов 109
2.5. Оборудование и методика очистки воды от нефтепродуктов с помощью гальванокоагулянта после УЗ обработки 111
2.6. Оборудование и методика экспериментов извлечения нефтепродуктов из нефтеносных пород и очистки нефтезагрязненных грунтов 117
2.7. Методика регрессионной обработки экспериментальных данных 118
ГЛАВА 3. Научные и технологические основы создания ультразвуковых комплексов нового поколения 122
3.1. Разработка нового поколения УЗ комплексов технологического назначения. Принципиальная схема и режимные параметры УЗ комплексов 122
3.2. Разработка нового поколения ультразвуковых скважинных аппаратов и комплекса оборудования для добычи вязкой нефти и их стендовые испытания 133
3.3. Экспериментальное исследование эффективности передачи ультразвуковых колебаний в жидкофазную нагрузку 147
3.4. Выводы 154
ГЛАВА 4. Ультразвук в процессах восстановления продуктивности низкодебитных нефтяных скважин 56
4.1. Лабораторные эксперименты исследования влияния УЗ воздействия на вязкость и проницаемость нефтей 157
4.2. Опытно-промышленные испытания ультразвуковых скважинных аппаратов на скважинах Гун-Ёганского и Самотлорского месторождений и Green River Formation компании Эль-Пасо 158
4.3. Модельный расчет влияния ультразвуковой обработки добывающей скважины на величину коэффициента извлечения и динамику добычи нефти 177
4.4. Выводы 186
ГЛАВА 5. Комбинированное воздействие ультразвука и химических реагентов на реологические свойства тяжелых нефтей 188
5.1. Лабораторные исследования комбинированного воздействия 188
5.2. Оценка влияния ультразвукового поля на вязкость нефти и методика расчета вязкости нефти после УЗ обработки 203
5.3. Определение конструктивных и режимных парметров гидродинамического излучателя. Расчет параметров процесса комбинированной обработки нефти ультразвуком и химическими реагентами 207
5.4. Выводы 218
ГЛАВА 6. Оценка эффективности процессов обессеривания нефтепродуктов при ультразвуковом воздействии 219
6.1. Экспериментальные исследования каталитического окисления органических соединений серы в нефтепродуктах ультразвуковом поле 220
6.2. Экспериментальные исследования каталитического окисления дизельной
фракции в ультразвуковом поле 224
6.3. Модернизация каталитической гидроочистки дизельного фракции за счет его предварительной ультразвуковой активации 232
6.4. Выводы 241
ГЛАВА 7. Флотационная очистка нефтезагрязненных вод с предварительной ультразвуковой активацией реагентов 242
7.1. Лабораторные исследование ультразвуковой активации химических реагентов на эффективность флотационной очистки нефтезагрязненных вод 242
7.2. Принципиальная аппаратурно-технологическая схема и рациональные режимы реагентной флотации нефтезагрязненных вод 253
7.3. Модернизация технологии флотационной очистки поверхностных вод на основе предварительной УЗ активацией химических реагентов на очистных сооружениях у Студенец-Ваганьковского ручья на Краснопресненской набережной г. Москва 260
7.4. Выводы 265
ГЛАВА 8. Очистка нефтезагрязненных вод на основе ультразвуковой активации гальванокоагулянта 268
8.1. Математическое описание эффективности ультразвуковой обработки гальванокоагулянта в процессе очистки нефтезагрязненных вод 268
8.2. Экспериментальные исследования влияния ультразвуковой активации гальванокоагулянта на эффективность процесса очистки 273
8.3. Аппаратурно-технологическая схема ультразвуковой гальвано-коагуляционной очистки сточных вод. Методика расчета процесса очистки нефтезагрязненных с предварительной ультразвуковой активацией гальванокоагулянта 281
8.4. Ультразвуковой гальванокоагуляционной комплекс очистки нефтезагрязненных сточных вод. Аппаратурно-технологические решения по созданию очистных сооружений участка мойки вагонов депо «Невское» Санкт-Петербургского метрополитена 285
8.5. Выводы 291
ГЛАВА 9. Применение ультразвука в процессах извлечения нефтепродуктов из твердых нефтеносных пород и очистки нефтезагрязненных почв 293
9.1. Экспериментальные исследования эффективности извлечения нефтепродуктов из твердых нефтеносных пород и нефтезагрязненных грунтов с использованием УЗ воздействия 293
9.2. Опытно-промышленные испытания пилотного стенда, оснащенного УЗ техникой промышленного масштаба, на образцах нефтезагрязненного грунта промышленной площадки Самарского комплекса Приволжского филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Уралнефтепродукт» 302
9.3. Выводы 306
Библиографический список
- Существующие способы обессеривания нефтепродуктов
- Оборудование и методика экспериментов обессеривания нефтепродуктов в ультразвуковом поле
- Разработка нового поколения ультразвуковых скважинных аппаратов и комплекса оборудования для добычи вязкой нефти и их стендовые испытания
- Опытно-промышленные испытания ультразвуковых скважинных аппаратов на скважинах Гун-Ёганского и Самотлорского месторождений и Green River Formation компании Эль-Пасо
Введение к работе
Актуальность темы. Ультразвук (УЗ), является экологически безопасным средством повышения эффективности технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства. Активно воздействуя на кинетику химических реакций и обеспечивая стимуляцию тепло- массообменных процессов, он способствует увеличению производительности различных технических систем, снижению их энергоемкости и повышению качества конечной продукции. Решению проблем интенсификации технологических процессов с помощью УЗ колебаний посвящены работы Розенберга Л.Д., Казанцева В.Ф., Бергмана Л., Маргулиса М.А., Новицкого Б.Г., Мейсона Т., Накорякова В.Е., Абрамова О.В., Монахова Б.Н., Кардашева Г.А. др.
В результате постоянно увеличивающейся индустриальной активности человека возникают крупномасштабные экологические проблемы, связанные с процессами добычи, транспортировки и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и грунтов.
Вследствие низкой эффективности применяемых технологий извлечения нефти, а также ростом освоения залежей с тяжелыми и вязкими нефтями наблюдается заметное уменьшение дебитов добывающих скважин. В настоящее время в России коэффициент извлечения нефти (КИН) находится в пределах 0,25 - 0,45, что является одним из наиболее низких значений этого показателя промышленно развитых стран. Мировые ресурсы тяжёлых и вязких нефтей оцениваются в 700 млрд. тонн, в России запасы таких нефтей достигают 7,2 млрд. тонн, что составляет 28,6 % от балансовых запасов, сосредоточенных на 267 месторождениях. Они представляют собой высококонцентрированные дисперсные системы, что отражается на энергоемкости их добычи, транспортировки и переработки. Интенсификация этих процессов достигается за счет применения химических и физических методов целенаправленного изменения баланса сил межмолекулярного взаимодействия.
В связи ужесточением европейских нормативов к техногенным выбросам важнейшей задачей НПЗ России является переход на производство экологически чистого дизельного топлива. Широко известными и распространенными методами обессеривания являются гидроочистка (ГО), сернокислотная и щелочная очистка, а также окислительное обессеривание. Их недостатками являются высокая стоимость, сложность аппаратурного оформления, значительный расход реагентов и образование трудноутилизируемых стоков, загрязняющих окружающую среду.
Увеличение объемов добычи нефти приводит к усилению техногенной нагрузки на все компоненты экосистемы: на почву, воду и атмосферу. По оценкам экспертов в России добыча нефти в 2010г составила 505 млн. т. Потери нефти и нефтепродуктов при этом - 25 млн. т и 12 млн. т, соответственно. Более 3 млн. га земель выведено из оборота из-за замазученности.
Учитывая изложенное, необходимость создания новых комбинированных физико-химических методов повышение эффективности добычи и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и грунтов приобретает важное народнохозяйственное значение. Экологически безопасное УЗ воздействие представляется при этом весьма актуальным для решения практически всего комплекса этих проблем.
Цель работы
Разработка научных и технических решений, обеспечивающих повышение эффективности добычи и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и почв на основе использования современных комбинированных технологий с ультразвуковым воздействием.
Задачи исследований
Разработать новое поколение компактных, ПК-совместимых УЗ комплексов в составе универсальных генераторов, электроакустических преобразователей, волноводных систем, скважинных аппаратов и экспериментально определить их рациональные эксплуатационные параметры.
Экспериментально исследовать характер развития нелинейных акустических эффектов при введении УЗ колебаний в жидкофазную нагрузку, обеспечивающих необходимую степень развития кавитации и получение технологического эффекта.
Изучить влияние УЗ обработки на динамику процессов восстановления продуктивности низкодебитных скважин, изменения реологических свойств вязких и тяжелых нефтей, каталитического окисления органических соединений серы (ОСС) в нефтепродуктах.
Оценить воздействия УЗ обработки на величину коэффициент извлечения нефти (КИН) и динамику добычи нефти, а также коэффициента ее вязкости.
Исследовать эффективность предварительной УЗ - активации химических реагентов при очистке нефтезагрязненных вод и грунтов.
Разработать экономическое обоснование предлагаемых решений.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Научно-технические решения, направленные на повышение эффективности производственных процессов и уровня экологической безопасности нефтегазового комплекса, в том числе:
создание нового компактного ПК-совместимого поколения УЗ техники;
УЗ стимуляция скважин с целью повышения их продуктивности;
снижение вязкости тяжелых нефтей за счет комбинированного воздействия ультразвука и химических реагентов;
комплексная УЗ обработка сырья и катализаторов при каталитической гидроочистке дизельной фракции;
УЗ активация реагентов при очистке нефтезагрязненных вод и грунтов методами гальванокоагуляции, флотационного и центробежного разделения.
Научная новизна
1.Экспериментально установлена эффективность воздействия УЗ колебаний:
в сочетании с гидродинамической обработкой призабойной зоны пластов (ПЗП) нефтяных скважин;
совместно с применением химических реагентов на снижение вязкости нефтей с различным структурно-групповым составом;
с использованием с катализатором на обессеривание дизельной фракции,
в сочетании с реагентными методами обезвреживания нефтезагрязненных вод и грунтов на степень их очистки.
2. Оценочные расчеты влияния УЗ обработки:
на величину КИН и динамику добычи нефти;
на изменение вязкости нефти на основе усталостного механизма;
на активацию химических реагентов при очистке нефтезагрязненных вод.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Разработаны и защищены патентом следующие технические решения:
устройство воздействия на призабойную зону пласта с использованием УЗ колебаний;
комплекс оборудования для добычи высоковязкой нефти;
комплекс сорбционной очистки загрязненных вод.
2. Созданы и испытаны:
новое поколение компактного, ПК- совместимого УЗ оборудования – универсальные генераторы, электроакустические преобразователи, волноводные системы, скважинные аппараты;
автономная установка промышленного типоразмера с гидродинамическим кавитационным модулем для снижения вязкости и температуры застывания нефтей в сочетании традиционно применяемыми реагентами;
блок УЗ активации сырья и катализатора промышленного типоразмера в составе установки гидроочистки для обессеривания прямогонной дизельной фракции;
модульный блок УЗ активации реагентов в процессах очистки загрязненных вод;
мобильный комплекс УЗ гальванокоагуляционной очистки загрязненных вод.
3. Проведены опытно-промышленные испытания УЗ скважинных аппаратов на Самотлорском месторождении в ОАО «Самотлорнефтегаз» и месторождении Green River Formation компании Эль-Пасо, в результате которых установлена и перспективность их использования. Указанное оборудование введено в опытную эксплуатацию.
4. Предложены технические решения:
по модернизации технологии каталитической гидроочистки дизельной фракции, за счет ее предварительной УЗ активации на разработанной установке и проведены промышленные испытания на опытном заводе ОАО ВНИИ НП (г. Москва).
по реконструкции очистных сооружений депо «Невское» Санкт-Петербургского метрополитена на основе комбинированного использования гальванокоагуляционного способа обезвреживания загрязненных вод и УЗ воздействия.
по модернизации блоков реагентной флотации очистных сооружений поверхностных стоков в кессоне р. Москвы с использованием УЗ оборудования в рамках проекта «Узел головных сооружений у Студенец–Ваганьковского ручья на Краснопресненской набережной г. Москвы».
5. Разработаны необходимые методики и программное обеспечение для специалистов по инженерной защите окружающей среды и нефтепереработке.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении экспериментальных и теоретических исследований, разработке и испытании лабораторных и промышленных установок, внедрении результатов исследований. Обсуждение экспериментальных данных проводились совместно с соавторами публикаций. Анализ, обработка и научная трактовка результатов выполнена автором самостоятельно.
Апробация работы. Материалы работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку специалистов на 15-ти Международных и Всероссийских научных конференциях, приведенных в списке публикаций соискателя.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 53 работы, в том числе 32 в журналах ВАК, получено 4 патента, свидетельство об отраслевой регистрации разработки и государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов, списка литературы из 633 наименований. Основное содержание изложено на 391 странице, содержит 133 рисунка и 63 таблицы.
Существующие способы обессеривания нефтепродуктов
В 30-40-х годах 20-го века под руководством Л.Д. Розенберга были проведены систематические исследования физики воздействия интенсивных УЗ колебаний на вещество [1]. Согласно (6), за рубежом работы, связанные с исследованием особенностей распространения УЗ в веществе, успешно развивают Т. Mason [2] и Price [3] (Англия), J. Gallego (Испания), Т. Ando (Япония), A.Gedanken (Израиль), L.Crum и К. Suslick (США) [4], W. Lautenborn и U. Neis [5] (Германия), C.Petrie (Франция) и др.
Широкому внедрению УЗ в промышленность препятствует отсутствие надежных в эксплуатации и достаточно экономичных УЗ генераторов с современной системой управления [7, 11, 12].
Огромный вклад в разработку электроакустических преобразователей (ЭАП) и волноводно-излучающих систем внес В.Ф. Казанцев [8]. В настоящее время в качестве ЭАП широкое распространение получили пьезокерамические (ПКП) и магнитострикционные преобразователи (МСП).
К преимуществам ПКП относятся их высокая эффективность (до 80%) и добротность, к недостаткам - низкий уровень пластичности (хрупкость), трудности охлаждения и старение материала.
Достоинствами МСП являются высокие механические свойства, техническая простота охлаждения, высокая единичная мощность, недостатками - низкий КПД и необходимость принудительного охлаждения.
В работах И.И. Теумина [9], Ю.И. Китайгородского [10], были предложены методы расчета волноводных систем, предназначенных для передачи колебаний высокой интенсивности в нагрузку.
Анализ форм, применяемых в УЗ технике волноводных звеньев, показал, что наиболее часто используются следующие типы волноводов: сонотроды, концентраторы, цилиндрический стержень с присоединенной массой, излучатель трубчатого типа, мембраны [10, 15]. 1.1. Современные методы повышения продуктивности нефтяных скважин
В последние годы в России сложилась критическая ситуация с извлечением нефти. Так, средние величины коэффициента извлечения нефти (КИН), характеризующего отношение извлекаемой нефти к геологическим запасам, в мире в настоящее время варьируют в пределах от 0.4 до 0.5. В США с 1990 года КИН вырос с 0.35 до 0.41. В России за тоже время КИН снизился с 0.39 до 0.31 и продолжает падение.
В 2000-2008 годах, когда добыча нефти в России быстро росла, российские компании увеличивали объёмы производства за счёт старых активных запасов. Одновременно в России, как и во всём мире, росла доля трудноизвлекаемых запасов, которая к настоящему времени уже превысила 65%. Прогнозы динамики структуры запасов показывают, что к 2015 году доля трудноизвлекаемых запасов в РФ превысит 70%, в то время как активные запасы будут выработаны на 80% [1 - 17].
В подавляющем большинстве случаев, при оценке проектного КИН в качестве методов, позволяющих повысить нефтеотдачу пласта, рассматривается только заводнение. Современные методы увеличения нефтеотдачи применяются в недостаточной степени.
В то же время, при увеличении дебита за счет внедрения наиболее передовых технологий на 30-50% экономический эффект составит 8-20 млрд. долл. США в год или 225-580 млрд. руб.[17].
В передовых нефтедобывающих компаниях проводятся работы по внедрению современных методов увеличения нефтеотдачи, однако выбор метода для обработки скважин носит скорее случайный, а не научно обоснованный характер. Так, в настоящее время практически в 80% случаев для улучшения нефтеотдачи используют либо метод гидроразрыва пласта (ГРП), либо химическую обработку скважины. Оба этих метода позволяют получить быстрый, но относительно краткосрочный эффект, нанося при этом зачастую невосполнимый ущерб, как самому месторождению, так и экологической ситуации в регионе нефтедобычи.
ГРП, используемый в среднем в 60% случаев, помогает в единичной скважине, но в результате его массового применения на месторождении остается много не выработанных зон скопления нефти [18]. Кроме того, значительным недостатком ГРП является то, что при распространении трещины по пласту ориентация и направление её распространения обусловлены напряжениями в окружающих породах и не контролируется технологически. В результате чего трещина часто уходит за пределы продуктивного пласта, что снижает эффективность обработки. В случае наличия водоносного пласта вблизи залежей нефти это вызывает также быстрое обводнение скважины. Высокая эффективность ГРП достигается только при определенных горно-геологических условиях (дебит менее 10 м7сут., перфорируемая мощность не менее Зм3, обводненность не более 30%, остаточные извлекаемые запасы не менее 70% от начальных). Скважины, в которых имел прорыв нагнетаемых вод после ГРП, навсегда остаются потерянными объектами нефтедобычи. Несмотря на многолетний опыт применения ГРП, каких-либо научно обоснованных подходов и принципов выбора скважин при планировании операций проведения ГРП до сих пор не выработано.
Этот метод хоть и позволяет увеличить нефтеотдачу пласта в 2-3 раза, однако, в связи с высокой стоимостью работ от 3,5 до 5-6 млн. руб. за скважинную операцию, относительно непродолжительным эффектом и невозможностью повторного применения на одной и той же скважине, экономическая эффективность метода невысока.
При использовании химических методов (в 20% случаев), в землю закачивается большое количество различных химических реагентов, в том числе и таких агрессивных как плавиковая, хлорная кислота и др., которые не всегда эффективно извлекаются из скважин, а некоторые, закачиваемые в нагнетательные скважины, вообще не извлекаются. Последствия их воздействия на природу, в частности, на подземные воды, пагубны. Утилизация агрессивных отходов после обработки скважин также приводит к дополнительной нагрузке на окружающую среду. Помимо этого агрессивные реагенты сокращают срок службы металлических частей скважин, причиняя прямые убытки добывающим компаниям. Химические методы позволяют увеличить нефтеотдачу на 25-30% и имеют экономическую эффективность -648 руб./т.
В последние годы стали комбинировать уже известные методы с целью получения синергетического эффекта и снижения энергоёмкости: ГРП с применением химических реагентов, термохимические методы, реагентно-гидроимпульсно-виброструйная обработка и т.п.
По оценкам специалистов РГУНГ им. И.М.Губкина [19], в комплексе современных МУН все более значимое место приобретают геофизические методы, характерной особенностью которых является то, что все они в качестве «рабочего агента» воздействия на пласт используют не вещество (пар, газы, химические реагенты, и т.п.), а физические поля разной природы (электромагнитные, упругих колебаний, ядерно-физические и т.д.), а также используют оборудование, аппаратуру и технологии, практически не отличающиеся от традиционных для геофизических исследований и работ в скважинах.
Наиболее экономически эффективными и безопасными в настоящее время являются акустические методы, которые имеют экономическую эффективность 222 рубля вложений на 1 тонну дополнительно добытой нефти (табл. 1.1). Однако и они имеют ряд ограничений, сужающих область применения.
В таблице 1.2 представлен сравнительный анализ применения различных способов интенсификации притока из скважины, отражены как сильные стороны технологии, так и ограничения в ее применении. В этой группе методов, наиболее развитых сегодня в теоретическом и аппаратурно-технологическом аспектах, особенно при воздействии на пласт и ПЗП из скважин, являются методы акустического воздействия, среди них -акустические в УЗ диапазоне [19 - 22].
Оборудование и методика экспериментов обессеривания нефтепродуктов в ультразвуковом поле
Установка включает в себя реакционную камеру, УЗ блок и блок подачи воздуха. Реакционная камера представляет собой, цилиндр из нержавеющей стали объемом 60 мл, снабженный трубкой для подвода газа. Во избежание потери реакционной смеси линия отвода газа снабжена холодильником.
В термостатированную реакционную камеру загружался катализатор, а затем заливалась модельная смесь в количестве 40 мл. Окисление сырья проводили при температурах 20С и 50 С. После обработки отбирались пробы и подвергались хроматографическому анализу.
Упругие колебания вводились в реакционную камеру с помощью стержневого волновода с диаметром рабочего торца инструмента 12 мм. В качестве источника УЗ колебаний использовался МСП, соединенный с УЗ генератором мощностью 3 кВт. Амплитуда колебаний излучателя при УЗ обработке составляла 10 мкм при частоте 25 кГц. Блок подачи воздуха состоит из воздушного компрессора (5 мл/мин) и регулятора подачи воздуха.
Методика приготовления модельной реакционной смеси В лабораторных экспериментах по удалению меркаптанов в качестве модельных углеводородов использовалась смесь декана и нонана, в которую добавляли гексил и додецил-меркаптаны и использовался порошкообразный катализатор - оксид алюминия (АЬОзЛ, ТУ-6-09-3916-75).
В мерный цилиндр на 100 мл заливались 20 мл декан (хч) и нонан (хч) и, после переливания в стакан с крышкой, перемешивались на магнитной мешалке в течение 3 минут, после чего при помощи микрошприца впрыскивались по 20 мкл гексил и додецил-меркаптаны. Смесь снова перемешивалась в течение 3 минут на магнитной мешалке. Модельная смесь приготовлялась для каждого эксперимента отдельно. Лабораторная установка окисления ОСС дизельной фракции в УЗ поле Лабораторные эксперименты окисления ОСС дизельной фракции в УЗ поле проводились на разработанной экспериментальной установке, представленной на рис. 2.7. УЗ блок установки включает в себя УЗ генератор MUG 425, мощностью 4 кВт, МСП 2/25, с резонансной частотой 25 кГц и стержневой волновод с диаметром рабочего торца инструмента 12 мм. Амплитуды колебаний торца волновода регистрировалось электродинамическим "проходным" датчиком EDP-6 в диапазоне 1-25 мкм с погрешностью ±10%.
В ходе экспериментальных работ реакционная камера 4 с крышкой 6 и сливным патрубком 9, установленная на коническом волноводе 3, заполнялось смесью ДФ и воды в объеме 200 мл (соотношение компонентов 1:1). Волновод закреплен на преобразователе МСП 2, зафиксированном на кронштейне 1. Сетчатая кассета 5, помещенная внутри реакционной камеры 4, использовалась для осуществления контакта смеси с катализатором. Катализатор брался в избытке - в количестве 2 г. Необходимая температура поддерживалась нагревательным элементом 7 и контролировалась термопарой 8.
Лабораторная УЗ установка, которая включала в себя УЗ генератор MUG 3/18-27 мощностью 2 кВт, преобразователь МСП 1/22, снабженный волноводом стержневого типа с площадью рабочей поверхности 5 см . Интенсивность колебаний при УЗ обработке варьировалась от 0,4 до 4 Вт/см при резонансной частоте колебаний излучателя 22 кГц. В качестве реакционной камеры использовалась охлаждаемая водой стеклянная ячейка объемом 100... 1000 мл.
Разделение загрязненных вод, обработанных реагентами, осуществляли на лабораторной флотационной установке, состоящей из стеклянной ячейки с рабочим объемом 1000 мл и рассеивателя, помещенного на дне этой ячейки с целью равномерного образования мелких пузырей с расходом воздуха в диапазоне от 20 до 100 л/ч.
Концентрация нефтепродуктов определялась с помощью спектрофотометра СФ-2000, позволяющего измерять спектральные коэффициенты направленного пропускания света образцов в спектральном диапазоне от 200 до 1100 нм, с абсолютной погрешности спектрофотометра -1,0 и значением среднего квадратичного отклонения - 0,2 %. Для анализа исследуемой воды на содержание нефтепродуктов, была построена калибровочная кривая, используя набор различных растворов нефтепродуктов в четыреххлористом углероде.
Изменение свойств эмульсии контролировалось с помощью фотоэлектрического колориметра КФК-2МП, измерением коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете, а также активности растворов в спектральном диапазоне от 315 до 980 нм, с погрешностью измерений коэффициентов пропускания -1,0 % и значением среднеквадратического отклонения отдельного наблюдения -0,3 %.
Изучение кристаллической структуры реагентов осуществляли с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа (МБС) с увеличением в 140 раз и цифрового фотоаппарата FUJYIFILM FINE PIX S7000. Основные элементы флотационной установки: флотационная камера, сатуратор и портативный компрессор ABAC BOXY соединены между собой пластмассовыми трубками с запорной и регулировочной арматурой. Общий вид флотационной установки представлен на рис. 2.8 а, а сатуратор в комплекте с трубными сборками представлен на рис. 2.8 б.
Разработка нового поколения ультразвуковых скважинных аппаратов и комплекса оборудования для добычи вязкой нефти и их стендовые испытания
Показано, что во всех случаях, как при кавитации, так и под давлением, когда кавитации нет, волноводы с развитой поверхностью система В позволяют ввести в жидкую нагрузку больше акустической энергии.
В качестве первого шага найдены рациональные режимы работы волноводно - излучающих систем по частоте и мощности. В экспериментах использовались четыре гидрофона, которые располагались под углом 90 относительно центральной оси барокамеры.
В первой серии экспериментов гидрофоны были помещены в слой фильтрующего гравия на глубину 32 см, на дистанции 16 см от волноводно -излучающей системы и 5 см от фильтров, как показано на рисунке 3.16. При интерпретации результатов использовались максимальные значения акустических давлений, наблюдаемые во всем спектральном диапазоне.
Для волноводной системы В экспериментальные результаты приведены табл. 3.7а и 3.76. Для данного типа устройств максимальное акустическое давление наблюдалось для частоты 21,2 кГц и токе через обмотку МСП преобразователя
В следующей серии экспериментов оценивалось зависимость акустического давления от избыточного давления в барокамере, в зависимости от расстояния гидрофонов до экранных фильтров в камере (рис. 3.10).
Вертикальными линиями на рисунке обозначены давления в барокамере, для которых для каждого гидрофона наблюдаются максимальные значения акустического давления. Здесь же приведена вертикальная линия соответствующая давлению, при котором наблюдается максимальная сумма показаний всех четырех гидрофонов.
Таким образом, эксперименты в барокамере однозначно показали значительное преимущество систем использующих сонотроды с развитой излучающей поверхностью (система В) и именно такие системы должны быть использованы для УЗ обработки низкодебетных скважин, особенно для нефтей обладающих высокой вязкостью.
Проведенные предварительные эксперименты позволили разработать два типа скважинных приборов [401], в которых продольные колебания преобразовываются в радиальные колебания, излучаемые в нагрузку.
Скважинный аппарат СП- 42/1300 выполнен в виде цилиндрической конструкции с наружным диаметром 0 42 мм и длиной 1300 мм (рис. 3.11).
Схема скважинного прибора СП- 42/1300: 1 - волновод с внутренним каналом для активации и впрыска реагентов, 2 -подвод питания магнитостриктора, 3-преобразователь, 4 - Подвод реагентов для активации, 5 -гидрокомпенсатор. типа 16-В-00430-29. Через преобразователя МСП, припаянного к торцу волновода. Возникающие радиальные колебания волновода создают упругое высокочастотное поле в окружающей среде, с частотой колебаний 20 кГц.
К верхней части волновода приварен кожух, в который с помощью гайки устанавливается корпус. В корпусе расположены два электроввода типа 16-13-01878-00 с уплотнителями электровводы обмоточные провода магнитострикторов соединяются с жилами каротажного кабеля посредством кабельной головки НК-42-00-00. Корпус закрывается транспортировочным колпаком.
Отличительной особенностью созданного скважинного прибора от предыдущих модификаций является то, что волновод имеет осевой канал с радиальными разветвлениями по оси для подачи химических реагентов в ПЗП с одновременной их УЗ активацией, что приводит к снижение вязкости флюида в зоне УЗ воздействия, увеличению эффективности использования химических реагентов и уменынаение их расхода.
Скважинный аппарат выполнен из коррозионностойких материалов. Спуск прибора СП- 42/1300 в скважину осуществляется с помощью каротажного подъемника.
Скважинный аппарат СП 108/1410 СП 108/1410 выполнен в виде цилиндрической конструкции диаметром 0 108 мм и длиной 1410 мм и предназначен в основном для работы с высокопарафинистыми нефтями. Основные технические характеристики аппаратов СП- 42/1300 и СП- 42/1300 представлены в табл. 3.8, общий вид на рис. 3.12.
Очистка ПЗП осуществляется полем упругих высокочастотных колебаний, которое создается преобразователями МСП, расположенными в скважинном приборе.
В нижней части прибора расположены четыре стержневые магнитострикционные преобразователи, которые попарно развернуты друг по отношению к другу на 90. Преобразователи крепятся на шпильке гайками. Верхним концом шпилька закреплена в гайке, а нижним в корпусе.
Преобразователи МСП закрыты цилиндрической перфорированной обечайкой, которая с помощью гаек крепится четырьмя шпильками к сердечнику. Плоский торец обечайки закрывается конусом с помощью колпака. Наличие конусов на этих деталях обеспечивает безаварийный спуск прибора в скважину.
Обмоточные провода МСП через отверстие в гайке и центральную трубу проходят в верхнюю полость скважинного прибора и крепятся с помощью скоб к центральной трубе.
Центральная труба имеет продольный паз шириной 37 мм. В этот паз устанавливается муфта. Муфта служит для электрического соединения 3-жильного кабеля и обмоточных проводов МСП. Электрическое соединение кабеля и обмоточных проводов осуществляется пайкой посредством переходников. После пайки внутренняя полость муфты заполняется герметиком Permatex и крепится с помощью сухарей и хомутов к центральной трубе сердечника.
После монтажа муфты 3-жильный кабель крепится к центральной трубе с помощью лент. После крепления муфты монтируется труба, втулка резьбовая, конус и гайка. Резьбовая втулка позволяет осуществить силовое замыкание конструкции скважинного прибора, ослабленное пазом в центральной трубе сердечника.
Переходник служит для крепления скважинного прибора к НКТ. Генератор соединен со скважинным аппаратом 3-жильным кабелем, который обычно используется для питания электропогружных насосов. (КПсПБ П-130 производства России или типа 6AWG EPDM/6POM-5KV 400 F, 10 мм2 фирмы BAKER HUGHES). Спуск скважинного прибора в скважину осуществляется с помощью НКТ, к которым крепится скважинный прибор.
Созданы модификации скважинного прибора, которые позволяют проводить кобинированную обработку УЗ и химическими реагентами ПЗП в Химический реагент из специальной емкости находящиюся на устье скважины с помощью насосов подается в ПЗП в двух вариантах: используя волновод, имеющий осевой канал с радиальными разветвлениями по оси для подачи химических реагентов в ПЗП с одновременной их УЗ активацией; использовать простой волновод и подавать химические реагенты через специальную полимерную трубку через НКТ в ПЗП.
Кроме того, конструкция скважинного прибора позволяет его использовать в 2-х вариантах. В первом, основном, варианте предполагается использовать один скважинный аппарат, закрепленный на НКТ. Во втором варианте к скважинному аппарату, закрепленному на НКТ, можно подсоединить второй скважинный аппарат.
Для подсоединения второго скважинного аппарата со скважинного аппарата, установленного на НКТ, снимается колпак, вместо него устанавливается переходник к которому крепится НКТ, на которой устанавливается второй скважинный аппарат.
Скважинные приборы прошли государственную сертификацию (Приложение Б-2) и полевые испытания, результаты которых отражены в акте и протоколе испытаний, приведенные в Приложение В-3 и В-4 соотвественно.
Опытно-промышленные испытания ультразвуковых скважинных аппаратов на скважинах Гун-Ёганского и Самотлорского месторождений и Green River Formation компании Эль-Пасо
Сложность использования УЗ для интенсификации процессов очистки сточных вод заключается в том, что приходится подвергать УЗ обработке весьма большие объемы воды, содержащей небольшое количество примесей, в частности, нефтепродуктов, а очистка осуществляется до весьма малых содержаний загрязнений, отвечающих ПДК. В таких условиях потери энергии на создание УЗ колебаний среды непомерно велики по сравнению с достигаемым эффектом, а аппаратурное оформление громоздкое и сложное.
Идея работы состояла в том, чтобы создать технологию, позволяющую подвергать кратковременной УЗ обработке лишь малые объемы концентрированных растворов реагентов, которые затем вводятся в поток очищаемых стоков и многократно разбавляются, что позволяет резко сократить энергетические затраты и аппаратурное оформление.
В данной главе приведены результаты исследований УЗ воздействия, направленных на повышение эффективности реагентной флотации нефтезагрязненных вод (раздел 7.1), представлена принципиальная аппаратурно-технологическая схема и определены рациональные режимы процесса очистки (раздел 7.2). Предложены проектно-технологические решения по модернизации технологии флотационной очистки поверхностных вод на очистных сооружениях у Студенец-Ваганьковского ручья на Краснопресненской набережной г. Москвы на основе предварительной УЗ активацией химических реагентов (раздел 7.3).
Лабораторные исследование ультразвуковой активации химических реагентов на эффективность флотационной очистки нефтезагрязненных вод
С целью подбора реагентов, существенно повышающих эффективность очистки при кратковременном УЗ воздействии на их концентрированные растворы до контакта со сточными водами, были проведен комплекс лабораторных исследований с применением коагулянтов, флокулянтов и их смесей.
В опытах использовались алюмосодержащие коагулянты типа Аква-Аурат марки АЗО [424], хорошо растворимые в воде, гидроксохлорид алюминия марки Б, а также флокулянты типа Праестол [425] - катионные марок 852, 853 и 857 и анионные марки 2540 полиэлектролиты на основе полиакриламида, а также алюмокремниевый коагулянт-флокулянт АКФК [426].
Подвергаемые очистке отдельные пробы загрязненных нефтепродуктами вод представляли собой достаточно стойкие модельные эмульсии, полученные при диспергировании смеси бензина, мазута, моторного масла (в соотношении 1:1:1) в дистиллированной и водопроводной воде, а также пробы поверхностного стока в районе Краснопресненской набережной г. Москвы, в том числе и искусственно дополнительно загрязненные указанной смесью нефтепродуктов.
Результаты экспериментов свидетельствуют о заметном повышении эффективности применения коагулянтов при относительно непродолжительном УЗ воздействии на них. Степень очистки модельных эмульсий при использовании коагулянтов, предварительно обработанных УЗ в течение 2 минут, возрастает не менее чем на 20 % по сравнению со значением этого параметра, полученным без УЗ воздействия.
Наилучший результат по степени очистки, достигающий 89 %, получен при использовании Аква-Аурат марки АЗО (10 мг/л по AI2O3) после УЗ активации реагента в течение 120 с. Концентрация нефтепродуктов в загрязненной воде после флотационного разделения снизилась за 20 мин с 109 до 12 мг/л.
Гидроксохлорид алюминия марки Б (10 мг/л по АІ2О3) оказался менее эффективным. При соблюдении подобного указанному выше технологического режима в результате применения этого реактива концентрацию нефтепродуктов удалось снизить с 90 до 26,7 мг/л, что соответствует степени очистки около 70 %.
В экспериментах по очистке вод загрязненных нефтепродуктами с применением флокулянта Праестол при концентрации полиэлектролита 4 мг/л было установлено, что при кратковременной УЗ обработке наиболее эффективны реагенты марок 852 и 857. Наилучший результат по степени очистки около 80 % был получен при использовании Праестола марки 857 после его УЗ обработки в течение 10 с и последующего флотационного разделения смеси в течение 20 мин. Содержание нефтепродуктов в загрязненной воде снизилось с 69,8 до 14 мг/л.
На рис. 7.1 представлены графики, характеризующие зависимость эффективности реагентной флотации нефтепродуктами вод от продолжительности предварительного УЗ воздействия на ряд изученных коагулянтов и флокулянтов.
Если принять во внимание приведенные выше результаты экспериментов с Аква-Ауратом и гидроксохлоридом алюминия марки Б, обработанных УЗ в течение 120 с, становится очевидным, что дальнейшее увеличение времени подобной активации этих реагентов имеет определенную перспективу для повышения степени очистки загрязненных нефтепродуктами вод. Однако, увеличение продолжительности предварительной УЗ обработки наиболее эффективного флокулянта Праестол марки 857 свыше 10... 15 с. нецелесообразно, вследствие заметного снижения при этом его активности.
Возможно, это объясняется особенностями механизма коллоидной активации связанной с интенсификацией второй стадии флокуляции за счет образования и увеличения числа межчастичных «мостиков». Чем выше молекулярная масса полиэлектролита, интенсивней межмолекулярное взаимодействие «первичная флокула - макромолекулярный клубок», тем выше эффективность коллоидной активации [427-429]. Важно отметить, что в зависимости от концентрации полимера эффективность коллоидной активации проходит через максимум: при низком содержании полимера с ростом числа флокуляционных «мостиков» эффективность увеличивается, тогда как при повышенном содержании флокулянта первичные флокулы не агрегируют из-за их образования на их поверхности стабилизирующей «шубы» адсорбированного полимера [427-429].
Эксперименты по очистке Праестолом марки 857 загрязненных вод с повышенной концентрацией нефтепродуктов, равной 116 мг/л, при сопоставлении кривых 7 и 6 на рис.7.1 свидетельствуют, что при соблюдении прочих равных условий характер зависимости степени очистки от времени его УЗ обработки сохраняется.
Наиболее высокая, в приведенных на рис.7.1 опытах с Праестолом, степень очистки 77 % соответствует (кривая 6) УЗ активации в течение 10 с. Содержание нефтепродуктов в загрязненной воде в этом случае снизилось до примерно 27 мг/л. К сожалению, оказалось, что Праестол характеризуется плохой растворимостью в воде даже при весьма интенсивном перемешивании. УЗ интенсификация процесса растворения этого полиэлектролита оказалась возможной лишь применительно к марке 853. При УЗ активации растворение этого реагента происходит всего за 6 мин без дополнительного перемешивания. Без УЗ растворение реагента осуществляется примерно в течение часа.
Следует отметить, что после растворения Праестола марки 853 с применением УЗ воздействия, его активность возрастает в 2 раза по сравнению с данными кривой 4 на рис. 7.1 и достигает максимального уровня наиболее активного изначально флокулянта этого типа марки 857.
Похожие диссертации на Ультразвуковая интенсификация технологических процессов добычи и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и грунтов
