Введение к работе
Актуальность работы. В технологических процессах добычи и подготовки и транспорта нефти и газа образуется значительное количество нефтегазопромышленных отходов, представляющих собой экологически агрессивные образования, техногенное обезвреживание которых до настоящего времени не получило комплексного решения. Утилитарный подход (например, сжигание, биоразложение или захоронение) предполагает одновременно физическое уничтожение полезного продукта, содержащегося в нефтегазопромышленных отходах в виде органических и неорганических составляющих. При этом возникают невозвратные потери уже добытого минерального сырья, а сами процессы экологического обезвреживания отходов зачастую не являются завершенными, они лишь частично снижают экологическую нагрузку на технологический процесс или территорию нефтегазодобычи (например, хранение углеводородных отходов в открытых или закрытых земляных сооружениях, сжигание в топках или на факелах, разбавление и т.п.). Такой подход к решению утилизационных проблем нефтегазопромышленных отходов нельзя признать экологически корректным, но в большинстве случаев это расточительство объясняется отсутствием окупаемых технологий с безотходно завершенным циклом преобразования некондиционных и опасных для природной среды нефтезагрязненных образований в технологически полезный и экологически безопасный продукт. Это означает, что проблему обеспечения комплексности и экологической безопасности при утилизации нефтегазопромышленных отходов с дополнительным извлечением минерального сырья следует рассматривать в аспекте приоритетов развития и создания критических технологий XXI века. При этом решаются три главные задачи, обеспечивающие:
- комплексность утилизационного подхода, предполагающая создание безотходных производственных процессов с замкнутым или оборотным технологическим циклом;
- обеспечение экологической безопасности, предусматривающей перевод всех составляющих нефтегазопромышленных отходов в экологически безопасные или инертные вещества;
- дополнительное извлечение минерального сырья, предполагающее расширение минерально-сырьевой базы за счет трансформации нефтегазопромышленных отходов в полезный товарный продукт.
Разработка такого комплексного подхода к утилизации нефтегазопромышленных отходов для обеспечения экологической безопасности нефтегазодобывающих процессов и дополнительного извлечения минерального сырья является актуальной проблемой.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Исследования проводились в соответствии с:
1. Правительственной программой НИРиОКР на 1987-1991 гг. (Постановление СМ СССР №539 от 08.05.87 г):
- «Усовершенствовать технологию очистки пластовых вод на установке подготовки нефти» Отчет о НИР, ПечорНИПИнефть, Ухта, 1988;
- «Оценка качества и количества попутных вод нефтяных месторождений НГДУ «Тэбукнефть» ПО Коминефть и перспективных объектов для постановки поисково-оценочных работ». Отчет о НИР, Печорнипинефть, Ухта, 1989 г.;
2. Программами НИРиОКР АО «Коминефть» на 1990-1995 гг.
- «Причины формирования сероводорода в продукции скважин нефтяных месторождений». Отчет НИР, Печорнипинефть, Ухта, 1992 г.
- «Анализ работы установок подготовки воды на месторождениях АО Коминефть и рекомендации по интенсификации их работы». Отчет НИР, Печорнипинефть, Ухта 1994 г;
3. Программой комплексного использования гидроминеральных ресурсов и создания производств по извлечению ценных компонентов на месторождениях ОАО «Газпром» на 2000-2005 гг.;
- Договор №29/02 с ООО «Севергазпром» «Оценка запасов нетрадиционного минерального сырья на площадях и месторождениях ООО «Севергазпром». Выработка рекомендаций по их использованию», Ухта, УГТУ, 2002 г.
- Договор №30/03 с ООО «Севергазпром» «Разработка технологической схемы и технологии переработки конденсата и утилизации смоло-парафинистых его составляющих для нужд ГРР», Ухта, УГТУ, 2003 г.
4. Темплан госбюджетных НИР УГТУ на 2000-2009 гг.
- «Разработка и совершенствование системы жизнеобеспечения, контроля объектов окружающей среды в условиях Крайнего Севера.
Работа базировалась на результатах, полученных в трудах таких известных ученых, как: Айнштейн В.Г., Бондаренко С.С., Быков И.Ю., Варфоломеев Б.Г., Гельперин Н.И., Дьяконов В.П., Закгейм А.Ю., Иовчев Р.И., Карелин А. Я., Касаткин А.Г., Липатов Л.Н., Литвиненко В.И., Молоканов Ю.К., Пебалк В.Л., Романков П.Г., Скобло А.И.
Целью диссертационной работы является научное обоснование принципов комплексной утилизации нефтегазопромышленных отходов для обеспечения экологической безопасности и дополнительного извлечения минерального сырья.
К основным задачам исследования относятся:
- анализ существующих методов экологического обезвреживания , дополнительного извлечения минерального сырья и утилизации нефтегазопромышленных отходов;
- формирование методологии исследования процессов комплексной утилизации нефтегазопромышленных отходов и дополнительного извлечения минеральных компонентов;
- совершенствование технологии утилизации водных нефтегазопромышленных отходов;
- разработка методов утилизации углеводородосодержащих отходов нефтегазодобычи;
- обоснование способов капсулирпования твердых нефтегазопромышленных отходов;
- исследование условий нейтрализации газообразных агрессивных веществ;
- создание технологий извлечения дополнительного минерального сырья из нефтепромышленных отходов;
- оценка экономической и практической полезности выполненных исследований.
Методы исследований. В работе использован комплекс исследований, включающий аналитические методы, стандартные методы химических, теплофизических и количественных определений, методы математической статистики, математического моделирования химико-технологических процессов с использованием лабораторных и полупромышленных установок, известные математические методы.
Научная новизна выполненной работы.
1.В пластовых водах нефтяных месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции установлены кондиционные концентрации бора, магния, лития, стронция, йода и брома;
2.Обнаружена трендовая тенденция изменения геохимического состояния водных коллекторов в процессе эксплуатации углеводородных месторождений, что является ранним признаком нарождающегося экологического неблагополучия;
3.Предложены методы повышения эффективности очистки попутной воды за счет упорядочения структуры потоков в отстойниках и дополнительного использования гидрофобных материалов, реагентов и адсорбентов;
4.Получена эмпирическая зависимость Др = - 0,8Gн2 + 1,7Gн – 0,0072 для расчета необходимой дозы модифицированной извести (Др) при обезвреживании нефтезагрязненных шламов до уровня 92±3% в зависимости от содержания нефтепродуктов (Gн ) в нем;
5. Определены технологические параметры режима непрерывной, противоточной экстракции бора из пластовых вод нефтяных месторождений со степенью извлечения 77% в распылительных колонных аппаратах;
6. Установлена возможность извлечения магния из пластовых вод нефтяных и газовых месторождений в виде гидроксида с применением известковой технологии, при этом использование акрилового флокулянта в концентрации 0,15 мг/л позволяет увеличить размеры частиц осадка более чем в 7 раз и уменьшить удельное сопротивление фильтрации более чем в 10 раз при степени извлечения полезного продукта 98-99%;
7. Получены технологические характеристики процесса осаждения лития свежеприготовленной гидроокисью алюминия из пластовой воды в виде алюмината при атомном соотношении Li:Al=(1:61:8), температуре процесса tпр= 60 0С и активной реакции среды рН=8,5; показано, что извлечению лития предшествует удаление ионов магния Mg+2 из состава пластовых вод ;
8. Адаптирован метод расчета теплофизических свойств некондиционного углеводородного сырья для получения равновесных характеристик, являющихся основой для выбора технологии и определения технологических параметров утилизации жидких нефтяных отходов;
9.Разработана физическая модель неизотермической хемосорбции сероводорода и двуокиси углерода водными растворами метилдиэтаноламина (МДЭА), положенная в основу расчета предложенной технологии очистки природного и попутного газа системой струйных абсорберов.
Основные защищаемые положения
1. Комплексность утилизационного подхода, обеспечивающего экологическую безопасность нефтегазодобывающих процессов и дополнительное извлечение минерального сырья.
2. Методология исследования процессов комплексной утилизации нефтегазопромышленных отходов, включающая аналитический контроль компонентов нефти и газа, физико-химические исследования сред, определение равновесных значений исследуемых объектов для расчета массообменных процессов.
3. Технологические принципы утилизации водных нефтегазопромышленных отходов для снижения негативного воздействия на объекты окружающей среды и предотвращения экологических нарушений в подземных резервуарах пластовых вод.
4. Утилизация жидких углеводородосодержащих отходов нефтедобычи методом ректификации с целью получения товарного продукта.
5. Метод капсулирования твердых нефтегазопромышленных отходов на финишной стадии их экологического обезвреживания с получением инертного материала для строительных подсыпок или наполнителя для асфальтовых и цементных составов.
6.Технология нейтрализации газообразных агрессивных компонентов попутного и природного газа системой прямоточных струйных абсорберов водным раствором МДЭА .
7. Техника и технология дополнительного извлечения минерального сырья из нефтегазопромышленных отходов.
Практическая ценность
1. На основе экологического мониторинга установлен основной и микрокомпонентный состав попутно добываемых пластовых вод всех разрабатываемых месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции. Установлена идентичность состава попутных вод для нефтяных и газовых месторождений.
2. Сформирована методология исследования процессов комплексной утилизации нефтегазопромышленных отходов.
3. Разработаны технологии утилизации некондиционных отходов жидких углеводородов методом ректификации с получением разных видов топлива; экологического обезвреживания твердых нефтезагрязненных отходов с превращением их в гидрофобный мелкодисперсный капсулированный материал; нейтрализации сероводорода и углекислого газа на струйном абсорбционном массообменном аппарате прямоточного типа с использованием водного раствора.
4. Предложена технология совершенствования очистки нефтезагрязненных пластовых вод для утилизации их путем закачки в продуктивные пласты или использования в качестве гидроминерального сырья; исследованы гидродинамические характеристики работы очистных сооружений нефтепромыслов, включающие вещественный и дисперсный состав загрязнителей, реальное время пребывания жидкости в промышленных отстойниках
5. Обоснованы технологические схемы, а также методики выбора и расчета оборудования и аппаратов для дополнительного извлечения из попутных вод бора, магния и лития; основные технико-технологические решения положены в основу ряда регламентирующих и методических документов, в т.ч.:
-технологический регламент на технологию извлечения магния из пластовой воды Вуктыльского газоконденсатного месторождения»;
-технологический регламент на переработку некондиционного конденсата, вытесняемого из газопроводов при их плановой очистке для нужд ГРР;
-учебное пособие «Структура потоков в технологических аппаратах», методические указания по очистке нефтесодержащих и промышленных сточных вод»,
- лекционный курс для студентов Ухтинского государственного технического университета по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»;
- монография «Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов» (соавторы д.т.н. Б.Г. Варфоломеев, д.т.н. В.И. Литвиненко), предназначенная для студентов высших учебных заведений, слушателей институтов повышения квалификации и инженерно-технических работников нефтегазодобывающих предприятий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по проблемам охраны окружающей среды в нефтяной и газовой промышленности (Калининград, Миннефтепром СССР, 1985, Ухта, Печорнипинефть, 1987); заседаниях научно-технических советов ПО Коминефть (Ухта, 1988, 1989 гг.); I и II Всесоюзных совещаниях по проблемам комплексного использования попутных и пластовых вод нефтяных и газовых месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции в качестве гидроминерального сырья (Ухта, УГТУ, 1990, 1992 гг.); Втором Республиканском научно-практическом семинаре-выставке «Современные технологии, проектирование и энергосбережение в условиях Крайнего Севера» (Ухта, УГТУ, 2001г.); Третьей Республиканской научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности в XXI веке» (Ухта, УГТУ, 2002 г.); IV Международной научно-практической конференции «Биосфера и человек. Проблемы взаимодействия» (Пенза, МНИЦПГСХА, 2002 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Разработка, производство и применение химических реагентов для нефтяной и газовой промышленности» (Москва, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002 г.); III Всероссийском совещании комплексного использования попутных и пластовых вод нефтяных и газовых месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции в качестве гидроминерального сырья (Ухта, УГТУ, 2003 г.); Международном контактном форуме по сохранению месторождений в Баренцевом регионе (IV совещание; Сыктывкар, 2006 г.); XI Международной научно-технической конференции при специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство.» (Уфа, 2007 г.); Региональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (Ухта, УГТУ, 2008 г.); Совместном заседании ученых Коми научного центра УрО РАН и УГТУ (Ухта, УГТУ, 2009 г.); ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников УГТУ (Ухта, УГТУ, 2000-2009 гг.); на научном семинаре Научно-технического Совета УГТУ (Ухта, УГТУ, 2009 г.)
Публикации. Содержание диссертации изложено в 44 публикациях, в том числе 1 монография и 43 научных статьи, при этом в журналах, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 13 статей.
Структура работы и объем. Диссертация включает введение, 8 глав и заключение; содержит ….. стр. машинописного текста, в т.ч. …. рис., ……. таблиц, ….. наименований списка литературы и …….приложений.
Отдельные разделы диссертации и вопросы промышленного использования обсуждались автором с благодарностью на разных этапах работы с В. Ф. Буслаевым, И.Ю. Быковым, Б.Г. Варфоломеевым, Ю.М. Гержбергом, В.И. Литвиненко, Н.Н. Прохоренко, Н.Д. Цхадая, В.М. Юдиным. Особую благодарность автор выражает ученым Ухтинского государственного технического университета, д.г-м.н. профессору О.С. Кочеткову, д.х.н. профессору В.И. Крупенскому, д.г-м.н., профессору Л.В. Пармузиной, д.т.н., профессору Л.М. Рузину, доценту, к.т.н. Т.С. Крестовских за внимательное рассмотрение диссертационной работы и полезные замечания и помощь по ее существу.
Автор сердечно благодарен доктору технических наук, профессору В. Н. Землянскому, доктору технических наук В. Ю. Близнюкову, доктору технических наук, профессору Г.А. Носову, принявшим на себя труд по оппонированию диссертационной работы.
Автор благодарит своих коллег доцента, к.т.н. С.К. Ким, старших преподавателей О.А. Карманову, И.В. Заремба, ассистента О.А.Амосову за поддержку и помощь в работе над диссертацией. Неоценимый вклад в подготовку и оформление диссертации внесли работники кафедры МОН и ГП Е.В. Парфентьева и Т.П. Мыльникова.
