CC BY
40
УДК 66.081.6
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10308
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА НА ПРИМЕРЕ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF USING HIGHLY MINERALIZED GROUNDWATER AT OIL AND GAS TRANSPORT AND STORAGE FACILITIES ON THE EXAMPLE OF THE REPUBLIC OF BASHKORTOSTAN
А.В. Колчин, Е.А. Локшина, А.А. Локшин, Б.Н. Мастобаев
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6581-0045, E-mail: kolchin-alexander@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: ealokshina@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9156-122X, E-mail: alokshin@ufanet.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: mastoba@mail.ru
Резюме: Статья посвящена подготовке высокоминерализованных подземных вод для систем транспорта и хранения нефти и газа на образцах, отобранных на территории Республики Башкортостан. Актуальность статьи обоснована развитием трубопроводного транспорта в целом и общемировым трендом на рациональное использованиие ресурсов и энергосберегающие технологии. Целью работы является оценка технической применимости метода электродиализной очистки на основе предварительных лабораторных испытаний.
Ключевые слова: электродиализ, водоподготовка, подземная вода, высокая минерализация, техническая вода.
Для цитирования: Колчин А.В., Локшина Е.А., Локшин А.А., Мастобаев Б.Н. Оценка возможности использования высокоминерализованных подземных вод на объектах транспорта и хранения нефти и газа на примере Республики Башкортостан // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 3. С. 40-43.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10308
Alexander V. Kolchin, Evgeniya A. Lokshina, Alexander A. Lokshin, Boris N. Mastobaev
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6581-0045, E-mail: kolchin-alexander@ mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: ealokshina@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9156-122X, E-mail: alokshin@ufanet.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: mastoba@mail.ru
Abstract: The article is devoted to the preparation of highly mineralized groundwater for transportation and storage systems of oil and gas on samples collected in the territory of the Republic of Bashkortostan.The relevance of the article is justified by the development of pipeline transport in general and the global trend towards rational use of resources and energy-saving technologies. The aim is to assess the technical applicability of the electrodialysis treatment, based on preliminary laboratory tests.
Keywords: electrodialysis, water treatment, underground water, high mineralization, industrial water.
For citation: Kolchin A.V., Lokshina E.A., Lokshin A.A., Mastobaev B.N. ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF USING HIGHLY MINERALIZED GROUNDWATER AT OIL AND GAS TRANSPORT AND STORAGE FACILITIES ON THE EXAMPLE OF THE REPUBLIC OF BASHKORTOSTAN . Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 3, pp. 40-43
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10308
В местах добычи нефти и газа, трубопроводного транспорта, а также в районах, расположенных в тяжелых климатических условиях, поддержание нормальной хозяйственной деятельности требует большого количества технической воды надлежащего качества. При эксплуатации систем транспорта и хранения нефти и газа требуется вода для технологического оборудования, энергетических установок, хозяйственно-бытовых нужд.
По всей территории Республики Башкортостан проходит развитая сеть магистральных нефтепроводов и газопроводов. Нефтяная карта республики представлена на рис. 1. Нефтеперекачивающие станции, находящиеся в удаленных частях республики, сталкиваются с проблемой обеспечения качественной технической водой. Чаще всего подземная вода не удовлетворяет требованиям к технической воде (солесодержание не более 500 мг/л, рН (7-8), нитраты (2-4) мг/л, нитриты (0,03-0,06) мг/л, хлориды и сульфаты не
более 120 мг/л, жесткость не более 7 мг-экв/л, железо не более 0,3 мг/л).
В данной работе рассмотрена возможность опреснения высокоминерализованных подземных вод различных районов республики с помощью установки электродиализа и проведены оценочные лабораторные испытания для оценки технической применимости метода.
Обоснование метода исследования
Электродиализ - метод разделения растворов электролитов путем их избирательного переноса через ионосе-лективные мембраны под действием электрического поля. Электродиализ относится к электромембранным процессам и сочетает в себе черты как электрохимического, так и мембранного процессов. Основные параметры электродиализных систем, а также требования к исходному качеству воды отображены в табл. 1-2.
| Рис. 1. Нефтяная карта Республики Башкортостан
I
Таблица 1
Основные параметры электродиализных систем
Восстановление, % В основном 85-90, до 94
Предварительная обработка Зачастую достаточно только песчаной фильтрации
Удаление отложений Благодаря изменению полярности более высокая устойчивость к образованию отложений
Уровень концентрирования До 150 г/л
Потребление энергии(на 1 м3 продукта) Выше, чем у обратного осмоса, но зависит от солесодержания исходной воды
Потребление химикатов Для очистки и регенерации мембран обычно ниже, чем для обратного осмоса
Регенерация мембран Изменение полярности, химически, вручную
Срок службы мембран 5-10 лет
1 Таблица 2
| Ограничения по качеству исходной воды
Параметры Требования для электродиализа
Солесодержание, г/л До 8 для однопроходного режима
рН 5-9
Температура, °С До 40
Мутность 0,5-2,0
Свободный С1, мг/л 1
Fe2(3)+, мг/л 0,3
Мп2+, мг/л 0,1
А13+, мг/л 0,1
Н^, мг/л 0,1
F-, мг/л 1
Масла, мг/л 1
Для проведения процесса электродиализа используются специальные мембраны, называемые ионоселектив-ными. Они делятся на катионообменные и анионообмен-ные. Первые избирательно пропускают ионы с положительным зарядом (катионы), а вторые - ионы с отрицательным зарядом (анионы). Данный тип мембран изготавливается из ионообменных смол - органических полимеров искусственного происхождения.
Достоинства:
- экологичность: электродиализ не требует для своего осуществления дополнительных реагентов или иных расходуемых веществ;
- технологичность: устройство электродиализаторов обеспечивает простоту их обслуживания и надежность при эксплуатации;
- низкое энергопотребление;
- возможность возврата в производство компонентов очищаемой воды.
Исходя из табличных данных, можно сделать вывод, что у технологии достаточно гибкие требования к качеству исходной воды и технически привлекательный набор эксплуатационных параметров, что делает электродиализ наиболее предпочтительным процессом для обеспечения технологических систем транспорта и хранения нефти и газа технической водой, и в частности для организации циркуляционных схем, при соответствующих требованиях.
Лабораторные исследования проводились на электродиализной установке, (фото 1).
Установка электродиализа Р ЕDR-Z является установкой, которая в комбинации с модулем электродиализа EDR-Z служит для технологического применения в процессе электродиализа при очистке растворов различного характера.
В состав установки входят следующие элементы:
- модуль ED-Y/25-0.8 с мембранами CM-PES, AM-PES;
- блок питания;
- блок управления;
- ротаметры;
- запорная арматура;
- насосы;
- баки дилуата, концентрата, электродного раствора.
Каждый раствор в установке имеет свою емкость, насос и систему трубок. Гидравлическая часть содержит три циркуляционных насоса (для дилуата, концентрата и электродного раствора), трехходовые вентили, ротаметры, камеры для измерения рН и зонды проводимости. Установка также содержит источник постоянного электрического тока и электрический распределитель с системой измерения (преобразователи). Важной частью является собственный
I
электродиализатор типа EDR-Z. Насосы обеспечивают циркуляцию растворов, при помощи потенциометров можно регулировать их мощность, а за потоком насосов следят ротаметры. Исходный раствор после прохода через установку электродиализа, камеру для измерения рН и проводимости возвращается назад в емкость. При помощи потенциометра можно установить требуемое напряжение, которое отображается на дисплее так же, как и актуальный ток, проходящий через модуль.
Описание методологии и обсуждение результатов
Исследование было проведено в два этапа.
Этап 1. Исследование образцов подземной воды из скважины Белорецкого района Республики Башкортостан.
Этап 2. Исследование образцов подземной воды из скважины в Уфимском районе.
В ходе лабораторных исследований определялись:
1) индекс стабильности Ланжелье исходного сырья;
2) показатели установки, поддерживаемые в процессе очистки;
3) показатели жесткости и щелочности очищенной воды (дилуата).
Этап 1
Исследование образцов из скважины Белорецкого района Республики Башкортостан.
Характеристика скважины: дебит 6,3 м3/ч, глубина 53 м.
Образец воды содержал взвеси железа, поэтому вода была отфильтрована для обеспечения сохранности и стабильной работы мембраны. Состав исходной и фильтрованной воды сведен в табл. 3.
Для исходной и фильтрованной воды индекс стабильности Ланжелье составил
LSI1 = 7,3 - (9,3 + 1д(19437) ■
I 1. Лабораторная установка электродиализа
Таблица 3
Состав подземной высокоминерализованной воды
рН Жесткость общая, мг-экв/л Щелочность общая, мг-экв/л Температура, °С Солесодержание, мг/л
Исходная вода 7,30 60 2 20 19437
Фильтрованная вода 7,28 49 2 20 17453
I
Таблица 4
Показатели при обессоливании подземной высокоминерализованной
воды
рН Проводимость, ^/ст Температура, °С Сила тока I, А Напряжение и, В
Исходная вода 7,7 1711 20 0,2 6,0
Дилуат 7,9 760 25 - -
Концентрат
7,6
3,11103
25
I
Таблица 5
Состав дилуата и концентрата
рН Жесткость, мг-экв/л Щелочность, мг-экв/л Температура, °С Солесодержание, мг/л
Дилуат 6,8 0,8 0,2 20 345
Концентрат 7,4 117,3 5,2 20 39729
- 1)/10 - 13,12^ 1д(20 + 273) + + 34,55) - (1д(60-20) - 0,4 + + !д(2-61)) = - 0,15;
LSI2 = 7,28
,3 + !д(17453) - 1)/10 - 13,12- !д(20 + 273) + + 34,55) - (!д(49-20) - 0,4 + !д(2-61)) = - 0,25.
По рассчитанным данным видно, что вода в целом стабильна, но при изменении температуры может возникнуть опасность коррозии.
Исходная вода содержит очень большое количество ионов кальция и магния, а также железа (взвеси), что не позволяет ее использовать на производстве.
Далее отфильтрованная подземная вода была пропущена через пилотную электродиализную обессоливающую установку. Цель - получить воду, которую возможно использовать в системах технического водоснабжения.
Полученные данные сведены в табл. 4.
Далее были проведены измерения жесткости и щелочности дилуата и концентрата титриметрическим методом. Данные сведены в табл. 5.
Таблица 6
Состав подземной скважинной воды Уфимского района
Исходная вода 7,7
Жесткость общая, мг-экв/л
16
Щелочность общая, мг-экв/л
5
Температура, °C
20
Солесодержание, мг/л
888
I
Таблица 7
Показатели при очистке образца воды Уфимского района
рН Проводимость, mS/cm Температура, °С Сила тока I, А Напряжение U, В
Исходная вода 7,3 26,2 20 1 17,7
Дилуат 6,8 54310-3 25 - -
Концентрат
7,4
43,2
25
I
Таблица 8
Состав дилуата и концентрата
рН Жесткость, мг-экв/л Щелочность, мг-экв/л Температура, °С Солесодержание, мг/л
Дилуат 7,9 3,6 2,2 20 330
Концентрат 7,6 17,2 6,4 20 1620
Этап 2
Исследование образцов из скважины в Уфимском районе.
Характеристика скважины: дебит 2,1 м3/ч, глубина 21 м.
Образец воды не содержал взвеси железа, поэтому вода после грубой предварительной фильтрации оценивалась как исходная. Состав воды сведен в табл. 6.
Индекс стабильности Ланжелье для отобранного образца воды составил
LSI1 = 7,7 - (9,3 + 1д(888) - 1)/10 -- 13,12^ 1д (20 + 273) + 34,55) -
- (1д(16-20) - 0,4 + 1д(5-61)) = 0,27.
По рассчитанным данным видно, что вода в целом стабильна, но при изменении температуры может возникнуть опасность солеотложений.
Далее подземная вода была пропущена через пилотную электродиализную обессоливающую установку. Цель - получить воду качества технической воды.
Полученные данные сведены в табл.
7.
Далее были проведены измерения жесткости и щелочности дилуата и концентрата титриметрическим методом. Данные сведены в табл. 8.
Выводы
Полученные в ходе экспериментов дилуаты имеют следующие качественные показатели:
- дилуат подземной воды Белорецкого района: жесткость 0,8 мг-экв/л, солесодержание 345 мг/л, щелочность 0,2 мг-экв/л, рН 6,8;
- дилуат подземной воды Уфимского района: жесткость 3,6мг-экв/л, солесодержание 330 мг/л, щелочность 2,2 мг-экв/л, рН 7,9.
Оба дилуата удовлетворяют требованиям к качеству технической воды (солесодержание не более 500 мг/л, рН (7-8), жесткость не более 7 мг-экв/л, железо не более 0,3 мг/л), что позволяет ее дальнейшее использование для производственных нужд.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1 ГОСТ17.1.1.04-80 Классификация подземных вод по целям водопользования.
2 Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004. C. 328.
3 Абрамов Н.Н. Водоснабжение: Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1974. С. 480.
4 Пилат Б.В.Основы электродиализа. М.: Аваллон, 2004. 456 с.
5 СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84* (с Изменениями N 1, 2, 3, 4).
REFERENCES
1. GOST17.1.1.04-80 Klassifikatsiyapodzemnykh vodpo tselyam vodopol'zovaniya [State Standard 17.1.1.04-80. Underground waters classification according to wateruseage].
2. Ryabchikov B.YE. Sovremennyye metodypodgotovki vody dlya promyshlennogo ibytovogo ispol'zovaniya [Modern methods of water preparation for industrial and domestic use]. Moscow, DeLi print Publ., 2004. p. 328.
3. Abramov N.N. Vodosnabzheniye [Water supply]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1974. p. 480.
4. Pilat B.V. Osnovy elektrodializa [Fundamentals of electrodialysis]. Moscow, Avallon Publ., 2004. 456 p.
5. SP 31.13330.2012 Vodosnabzheniye. Naruzhnyye seti i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.04.02-84* (s Izmeneniyami № 1, 2, 3, 4) [SP 31.13330.2012. Water supply. Outdoor networks and structures. Updated version of SN&P 2.04.02-84* (with amendments no. 1, 2, 3, 4)].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Колчин Александр Владимирович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Локшина Евгения Александровна, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Локшин Александр Адольфович, к.т.н., доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Мастобаев Борис Николаевич, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Alexander V. Kolchin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Evgeniya A. Lokshina, Assistant of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Alexander A. Lokshin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department ofWater supply and sewerage, Ufa State Petroleum Technological University.
Boris N. Mastobaev, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
