CC BY
335
УДК 628.169.7:628.168:54-058 Балашова Е.Ю., Фарносова Е.Н.
АНАЛИЗ СОСТАВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ И ПЛАСТОВЫХ ВОД
Балашова Евгения Юрьевна, студентка 1 курса магистратуры факультета инженерной химии
РХТУ им Д. И. Менделеева, e-mail: [email protected];
Фарносова Елена Николаевна, к.т.н., доцент кафедры мембранной технологии
РХТУ им Д. И. Менделеева;
Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл. 9
Проанализированы возможные составы попутно добываемых и пластовых вод трех месторождений Тимано-Печорской нефтяной провинции. Оценены перспективные методы очистки и извлечения ценных компонентов из попутных нефтяных и пластовых вод. Предложен план лабораторных исследований.
Ключевые слова: попутно добываемые воды, пластовые воды, нефтехимическая промышленность, мембранная технология, керамические мембраны, полимерные мембраны, ультрафильтрация, нанофильтрация, осаждение, флотация, фильтрация
ANALYSIS OF THE COMPOSITION AND PROSPECTS OF PROCESSING OF ASSOCIATED PETROLEUM AND STRATAL WATERS
Balashova E.Y., Farnosova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Phisico-chemical composition of produced and stratal waters generated at the Timan-Pechora oil province have been analyzed. The most prospective purification and extraction of valuable components methods have been determined. The experimental working plan have been formulated.
Keywords: produced water, stratal water, petrochemical industries, membrane technology, ceramic membranes, polymeric membranes, ultrafiltration, nanofiltration, deposition, flotation process, filtration system
Нефтяная отрасль в России является одной из ведущих. За последние семь лет добыча нефти в стране преодолела планку в 500 млн. тонн в год и увеличивается с каждым годом. Пластовые воды являются постоянным спутником нефти. Увеличение добычи нефти приводит к неизбежному увеличению добываемой попутной и пластовой воды (ПДВ), количество которой по отношению к самой нефти может достигать 90%, а порой и 95% [1].
Уже долгое время ПДВ считается одним из серьезных источников загрязнения окружающей среды и обводненных территорий, так как содержит в себе значительное количество токсичных элементов, таких как стронций, бор, бром, йод, рубидий и других микрокомпонентов, а также остатков нефтепродуктов и химических реагентов, которые используются в процессе нефтедобычи.
Кроме того, утилизация ПДВ является большой проблемой в нефтедобывающем деле. Во-первых,
попутные воды обладают высоким
солесодержанием, что является одной из основных причин коррозии буровых установок. Во-вторых, современные предприятия стремятся к ZLD-технологии (технологии нулевого сброса), а именно-стараются по максимому возвратить в цикл все технологические потоки. Именно поэтому попутные воды стараются использовать в самом процессе нефтедобычи, например, в качестве базы для приготовления буровых растворов, а также для поддержания давления в пластах.
С другой стороны, попутно добываемые воды обладают высокой минерализацией и могут служить источником ценных компонентов.
В таблице 1 представлены составы трех нефтяных месторождений Тимано-Печорской провинции, расположенной на территории республики Коми Ненецкого автономного округа, обладающих наибольшей минерализацией [2].
Таблица 1. Состав ПДВ некоторых нефтяных месторождений Тимано-Печорской провинции [2]
№ Компонент\Месторождение Расьюское Мичаюское Верхне-Омринское
1 Минерализация, г/л 235,9 240,3 140
2 Mg , мг/л 3040 3465,6 3040
3 Ca2+, мг/л 22000 23200 14200
4 K+, мг/л 1112 600 580,2
№ Компонент\Месторождение Расьюское Мичаюское Верхне-Омринское
5 №+, мг/л 64047,18 794 37054
6 С1-, мг/л 146615 63745,6 91235
7 SO4^ мг/л 213,98 149200 21,8
8 НС03-, мг/л 12,2 - 36,6
9 В3+, мг/л 35,2 55 -
10 Вг", мг/л 540,3 663,4 938,4
11 J", мг/л 30,45 63,4 32,8
12 Sг2+, мг/л 669,6 700 491,5
13 Cs+, мг/л 0,5 0,5 0,02
14 Rb+, мг/л 1,91 1,0 0,53
15 Li+, мг/л 6,5 6,0 4,43
Анализ таблицы показал, что ПДВ имеет высокое солесодержание, которое по всем компонентам превышает ПДК.
Помимо стандартных компонентов, таких как магний, кальций, натрий в ПДВ присутствуют и достаточно редкие компоненты как цезий, стронций, рубидий, йод, бром и другие, которые имеют перспективы в промышленности.
Вопрос о полном химическом и физико-химическом анализе попутно добываемых вод является весьма актуальным в нефтяной отрасли. Большинство источников приводят в основном поэлементный состав. Такие данные, возможно, будут интересны в случае очистки и утилизации ПДВ, но не в выделении из нее конкретных компонентов, где важны исследования возможных форм существования солей в «нефтяной воде» и других соединений. Например, важно учитывать, что стронций, кальций, литий, натрий очень сложно выделить из водных растворов в следствии сильного электроотрицательного характера. А в России объем производства этих компонентов гораздо меньше, чем потребность промышленности в них [3,4].
В качестве «классических» методов очистки ПДВ в основном применяют, отстаивание, флотацию, коагуляцию, адсорбцию.
Отстаивание является традиционным методом очистки попутно добываемых вод, которое в свою очередь можно подразделить на реагентное (с применением флокулянтов) и безреагентное [2]. Последнее обычно в нефтепромышленности не применяется. Данный метод является наиболее дешевым и простым в исполнении. В то же время он достаточно громоздкий и недостаточно эффективный для современного производства. Более того, как самостоятельный метод переработки ПДВ, оно не решает поставленную задачу по выделению из воды компонентов.
В зарубежной практике часто применяют флотацию в качестве методов очистки ПДВ. Она хорошо справляется с удалением остаточных нефтепродуктов и взвесей. В качестве примера показаны технологические схемы очистки попутных нефтяных вод с использованием индукционного газового флотатора (рис.1) и с гидроциклонами (рис.2) [5,6].
Рис.1. Схема очистки попутной воды с индукционным газовым флотатором [5,6] 1 - горизонтальный отстойник; 2 - пластинчатый сепаратор; 3 - индукционный газовый флотатор; 4 - двухслойные фильтры
Рис.2. Схема очистки попутной воды с гидроциклонами
[5,6] 1 - трехфазный сепаратор; 2 - гидроциклоны отделения нефти от воды; 3 - гидроциклон отделения взвешенных веществ
Эффективность флотационной очистки не позволяет получить воду качества,
соответствующего нормам ПДК. Помимо того все компоненты, в том числе и ценные, удаляются в виде шлама.
Для интенсификации отстаивания и флотации применяют коагуляцию. Она проста и доступна. Повысить эффективность можно, используя в качестве коагулянта сернокислого алюминия. Применяя коагуляцию вместе предворительным остаиванием, можно добиться достоточно чистой технической воды.
Адсорбционные методы очистки обычно применяют для удаления органических примесей, ароматических нитросоединений. Несравненным преимущество данного метода в его способности очищать стоки с достаточно низкими концентрациями примесей. В качестве сорбентов в основном используют глину, селикогель, активированный уголь, реже-золу, опилки.
Фильтрация также является достаточно распространненым методом очистки ПДВ. В
качестве фильтрующего элемента применяется песок, полимерные волокна. Были попытки заменить загрузочный материал на диатомит. Качество очистки было значительно выше, но вместе с тем увеличились расходы на исходный материал и время фильтрации. Хорошо показали себя пористые наполнители (кварцевые фильтры с направлением фильтрации сверху вниз).
В связи с повышением требований к качеству переработки ПДВ необходимо внедрение современных методов. Мембренная технология достаточно давно используется в промышленной водоподготовке.
В основном для очистки воды и выделения из нее компонентов применяют баромембранные методы разделения, а именно, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос.
1. Обратный осмос (ОО) является наиболее эффективным методом обессоливания воды. Но, в случае переработки ПДВ, его нельзя считать оптимальным, так как не выполняется задача выделения отдельных компонентов. Более того, ПДВ имеет высокое общее солесодержание (таблица 1). Следовательно для очистки ее ОО необходимы высокие рабочие давления, создание которых требуют больших затрат.
2. Нанофильтрация (НФ) с точки зрения выделения компонентов является более эффективным методом переработки ПДВ, чем ОО. Посредством НФ выделяют двухвалентные ионы, такие как магний, кальций, стронций. Недостатком такого метода в нефтепромышленной области является отсутствие на мембранном рынке керамических нанофильтрационных мембран. Полимерные мембраны получили большую популярность в основном из-за относительно невысоких цен, простоты изготовления и удобства эксплуатации. Но, несмотря на все положительные аспекты, у них есть значительный недостаток: они обладают низкой температурной и химической стойкостью.
Даже пройдя все стадии предварительной очистки, попутная вода не перестает иметь в своем составе следы нефти, которая в течении нескольких часов работы мембранной установки успевает осесть на мембране, тем самым загубив весь процесс.
3. Ультрафильтрация (УФ) имеет преимущество в данном вопросе, так как мембраны для этого процесса могут изготавляваться как из полимерных, так и неорганических материалов (например керамики), а керамика в процессе переработки ПДВ является на данный момент оптимальным метериалом. Несмотря на свою дороговизну, керамика практически лишена всех недостатков полимерных аналогов: устойчива к высоким температурам и окислителям. Эти качества значительно упрощают процесс регенерации мембраны, и увеличивают срок ее службы.
Совмещением технологических процессов можно добиться не только высокого качества очищенной воды, но и выделения в качестве
продуктов отдельных ценных компонентов. Например, при очистке ПДВ методом УФ можно ввести специальные реагенты, образующие комплексы с различными ионами. Такой метод называется реагентной УФ.
Зная физико-химию каждого компонента ПДВ, можно добиться фракционирования исходных веществ ПДВ.
На основании анализа литературных данных был разработан следующий план эксперимента.
1. Проанализировав возможные составы ПДВ месторождений нефти, выбрать модельные растворы, имитирующие особенности физико-химического взаимодействия в системе.
2. Провести физико-химический анализ компонентного состава ПДВ. Выявить существоввание возможных форм соединений, солей. Изучить факторы, влияющие на состав в целом и на каждый компонент в отдельности. Подобрать вещества, селективно связывающие отдельные компоненты.
3. Выявить оптимальные параметры проведения эксперимента.
4. Определить эффективность процессов УФ, НФ, ОО в задачах очистки и фракционирования ПДВ.
5. Предложить возможные варианты технологических схем, с использованием мембранных методов.
Список литературы
1. Валовский К.В., Басос Г.Ю., Валовский В.М., Рахманов А.Р., Ахмадиев Р.Н. Новые технологие по повышению рентабельности высокообводненных скважин оборудованных УЭЦН / Георесурсы.-2012.-№3(45).
2. Ланина, Т.Д. Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов: монография /Т.Д. Ланина, В.И. Литвиненко, Б.Г. Варфоломеев. - Ухта: УГТУ, 2006. - 172 с.
3. Виноград Н.А. Современное производство йода из гидроминерального сырья в странах СНГ / Вестник СПбГУ.-2003.-3(23).-С. 104-107.
4. Ланина Т.Д., Карманова О.А., Комиссарова Е.С. Интенсификация процесса выделения магния из пластовых вод месторождений углеводородного сырья / Известия Коми научного центра УРО РАН.-2010.-№2(2).-С. 70-72.
5. Мубарак А. Обзор используемого оборудования и химикатов при очистке воды, используемой в нефтяной промышленности / П. Михалюк., В. Эванс // Международная Каспийская выставка и конференция по нефти и газу.: Мат. Конференции. - Баку, 1994. - С. 44.
6. Михалюк П. О последних достижениях в области очистки подтоварной воды для ее дальнейшего использования в системах нагнетания или сброса в окружающую среду / П. Михалюк, А. Мубарак // Англоказахский семинар по нефти, газу и нефтехимическим продуктам.: Мат. Конференции. - Алма- Ата, 1994. - С. 26.
