CC BY
38
УДК622.691.24:551.247 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10207
ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАССОЛОВ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ ГАЗОХРАНИЛИЩ В СОЛЯНЫХ ПЛАСТАХ
REPEATED USE OF DISCHARGES WITH THE DEVICE OF UNDERGROUND GAS STORAGES IN SALT LAYERS
Б.Н. Мастобаев, Е.А. Локшина
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: mastoba@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: ealokshina@mail.ru
Резюме: Статья посвящена повторному использованию рассолов при разработке подземных газохранилищ в соляных пластах. Актуальность статьи обоснована необходимостью минимизации потерь при хранении природного газа. Целью статьи является определение опытным путем возможности и эффективности повторного использования концентрата при размытии пласта. Такой метод позволяет снизить количество использованной пресной воды.
Ключевые слова: соляной пласт, обессоливание, рассол, растворимость, хранилище, природный газ.
Для цитирования: Мастобаев Б.Н., Локшина Е.А. Повторное использование рассолов при устройстве подземных газохранилищ в соляных пластах // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 2. С. 36-39.
D0I:10.24411/0131-4270-2019-10207
Boris N. Mastobaev, Evgenia A. Lokshina
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: 0000-0001-5379-9520, E-mail: mastoba@mail.ru ORCID: 0000-0001-5444-5812, E-mail: ealokshina@mail.ru
Abstract: The article is devoted to the reuse of brines in the development of underground gas storage facilities in salt formations. The relevance of the article is justified by the need to minimize losses during storage of natural gas. The purpose of the article is to present empirically the possibility and efficiency of re-use of the concentrate when the formation is diluted. This method allows to reduce the amount of used fresh water.
Keywords: salt layer, desalination, brine, solubility, storage, natural gas.
For citation: Mastobaev B.N., Lokshina E.A. REPEATED USE OF DISCHARGES WITH THE DEVICE OF UNDERGROUND GAS STORAGES IN SALT LAYERS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 2, pp. 36-39.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-10207
На сегодняшний день хранение добытого природного газа является актуальной проблемой, так как необходимо свести потери при хранении к минимуму. Одним из решений данной проблемы служит подземное газохранилище в соляных пластах (хлорида натрия), получаемое путем их размытия.
Подземные газохранилища в каменной соли имеют очень плотную структуру, что способствует минимальным потерям газа. Хранилища разрабатываются путем растворения солей.
Растворение производится путем подачи пресной воды в пласт и растворения хлорида натрия. Подача пресной воды может осуществляться в верхнюю или нижнюю часть пласта.
При подаче растворителя (пресная вода) через буровую скважину в верхнюю часть соляной залежи и отборе раствора из нижней части в силу законов гравитации выработка будет иметь форму конуса с основанием вверху и вогнутыми внутрь фигуры образующими.
Данная схема подачи растворителя называется проти-воточной (рис. 1).
Преимущества подобной схемы рассолодобычи состоят в наиболее быстром наращивании концентрации добываемого рассола вплоть до его насыщения.
Недостатками метода являются малый объем добычи соли из скважины из-за быстрого зашламовывания нижней части выработки; опережающее развитие плоской потолочины выработки, приводящее к обнажению значительных площадей соляной залежи, которая способствует просадкам поверхности над выработками, вывалам из потолочин
вплоть до обрушения вышележащих пород с выходом на поверхность земли.
При подаче растворителя в нижнюю часть соляной залежи и отборе раствора из верхней части вначале выработка развивается в форме висячей капли, затем превращается в цилиндр, а в дальнейшем - в усеченный конус с развитым основанием в верхней части выработки, то есть в фигуру, практически аналогичную создаваемой на противотоке.
Такая схема подачи растворителя называется прямоточной (рис. 2). Она при значительных размерах диаметра выработки и небольших производительностях подачи растворителя обладает недостатками противоточной, к которым добавляется еще один - концентрация рассола в этом случае ниже, чем при противоточной. Преимуществом прямоточного метода по сравнению с противоточным является более равномерное развитие выработки по высоте в начальный период процесса растворения соли.
К настоящему времени при строительстве подземных резервуаров применяется в основном технология, основанная в принципе на комбинированной схеме, когда значительная часть выработки отрабатывается послойно снизу вверх, а остальная сверху вниз при заглубленной водопо-даче. Такая схема применяется в основном при строительстве резервуаров в пластах средней и большой мощности.
Однако устройство подземных газохранилищ требует больших затрат пресной воды и имеет проблему утилизации рассола. Решение данного вопроса возможно путем обессоливания рассола. В результате получаем дилуат (пресную воду с солесодержанием около 200 мг/л) и
Рис. 1. Подземное выщелачивание каменной соли
противоточным методом: 1 - камера выщелачивания; 2 - водоподающая колонна; 3 - тампонажный цемент; 4 - рассолоподъемная колонна
Вода
1 Рассол
У////////Л*
Ш1§ мЩШШш
Рис. 2. Подземное выщелачивание каменной соли
прямоточным методом: камера выщелачивания; 2 - водоподающая колонна; 3 - тампонажный цемент; 4 - рассолоподъемная колонна
Рассол
.. V/ *' '* * *."** 9 1 \
Вода
У/////У/////А
\ ШШШ&
\.,. ¡-:Ьгл
:*/' .... ., .7,;,1
ш4
+ 1 -ь
концентрат. Дилуат направляется повторно в пласт, а концентрат направляется на выпарку для получения сухой соли (товарного продукта). Это позволяет сократить потребление свежей воды и получать товарный продукт - хлорид натрия.
Скорость устройства полости в соляном пласте напрямую зависит от процесса растворения.
Растворимость - это предельная концентрация вещества в растворе, при которой раствор находится в состоянии равновесия (то есть химический потенциал растворенного вещества равен химическому потенциалу вещества в твердой фазе).
Основной закон кинетики растворения формулируется следующим образом: удельный поток вещества с единицы площади поверхности растворения пропорционален концентрационному недосыщению раствора.
Процесс растворения многих природных соединений в реальных гидрогеологических и геохимических ситуациях часто зависит от скорости движения подземных вод. Связано это с тем, что увеличение скорости движения имеет следствием более активный отвод продуктов растворения.
В итоге концентрация растворяющегося вещества в подземных водах уменьшается, что приводит к увеличению разности концентрации насыщения и концентрации реального раствора. Следовательно, величина недосыщения, являющаяся движущей силой процесса растворения, увеличивается. Однако минерализация воды при этом снижается, так как увеличение скорости воды приводит к уменьшению времени контакта «вода - порода» и активному отводу продуктов растворения. С уменьшением растворимости минералов все большее значение в кинетике их растворения приобретают внутридиффузные механизмы растворения. Это означает, что динамика подземных вод уже не может существенно влиять на скорость растворения
■ Рис. 3. Кривые растворимости веществ
° 160 "
^ 150 -0 0
Я 140 -
I
130
о
§ 120 -
О.
|| 110 -
о
^ 100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 20 -10 -0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
?, °С
твердой фазы. Поэтому чем менее растворимо соединение, тем меньше влияет динамика подземных вод на кинетику его растворения. Кривые растворимости некоторых веществ изображены на рис. 3.
Чем ниже концентрация солей исходной воды, тем эффективнее проходит растворение в ней твердого вещества и
тем быстрее происходит образование полости при размытии пласта каменной соли.
Для опреснения рассола возможно использование процесса электродиализа. Этот процесс основан на изменении концентрации электролита в растворе под действием электрического тока.
Для проверки эффективности данного способа были проведены испытания на пилотной электродиализной установке (фото).
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 электродиализатор типа EDR-Z.
Пилотная установка
Таблица 1
Показатели при обессоливании 1%-го раствора NaCl
Проводимость/ солесодержание рН Сила тока I, А Напряжение ^ В
Исходный раствор (1000 мл) 17,9 мСм/см 10 г/л 7,3 2,1 19,7
Дилуат спустя 10 мин (310 мл) 2,77 мСм/см 1,78 г/л 6,1 1 18,2
Концентрат спустя 10 мин (390 мл) 37,6 мСм/см 24 г/л 7,6
Дилуат спустя 15 мин (400 мл) 209 мкСм/см 146,3 мг/л 5,8 - -
Концентрат спустя 15 мин (430 мл) 38,9 мСм/см 27,2 г/л 7,6
Таблица 2
Показатели при обессоливании 5%-ного раствора NaCl
Для проведения опытов были приготовлены 1%-й и 5%-й растворы Проводимость/ солесодержание рН I, А ^ В
хлорида натрия ^аС1). С помощью этих растворов был Исходный раствор (1000 мл) 73,5 мСм/см 50 г/л 7,6 2,3 19,7
смоделирован процесс получения пресной воды для повторного Дилуат спустя 25 мин (300 мл) 24 мСм/см 16,8 г/л 7,2 1,8 18,4
направления на размытие пласта и концентрата для подачи на выпарную Концентрат спустя 25 мин (450 мл) 102 мСм/см 71,4 г/л 7,6
установку. Растворы были пропущены через Дилуат спустя 42 мин (370 мл) 220 мкСм/см 154 мг/л 5,8 - -
пилотную установку электродиализа. Проводились начальные, проме- Концентрат спустя 42 мин (410 мл) 111,3 мСм/см 77,91 г/л 7,6
жуточные и конечные измерения рН, проводимости, солесодержания, также были записаны показания амперметра и вольтметра, встроенных в установку.
Показания по обессоливанию 1%-го раствора сведены в табл. 1, а по обессоливанию 5%-го раствора NaCl - в табл. 2.
Проведенные опыты показали, что рассол возможно обессоливать и повторно использовать обессоленный дилуат. Количество обессоленной воды составляет 90% и более от исходного рассола. Концентрат возможно
направлять на выпарную установку и получать товарную соль - хлорид натрия. Принципиальная схема оборота воды при разработке газохранилища показана на рис. 4.
Преимуществами использования электродиализной установки являются: толерантность мембран к хлорид-ионам, большой процент восстановления (более 90%), устойчивость мембран к солям и различным рН.
После установки электродиализа концентрат направляется на выпарную установку, где происходит выпаривание
I Рис. 4. Блок-схема оборота воды при размыве пласта
соли. На выходе мы получаем рапу (влажную соль) с приблизительной влажностью 70%, которая идет в центрифугу для избавления от избыточной влаги. После центрифуги соленая вода возвращается обратно в цикл процесса и
повторно подается на выпарную установку со следующей порцией концентрата, а влажную соль направляют на сушку. В конечном счете на выходе мы получаем сухую товарную соль ^аС1).
Проделанные опыты и приведенная блок-схема показали возможность использования электродиализной обессоливающей установки при разработке газохранилищ в пластах каменной соли. С помощью применения процесса электродиализа возможно организовать замкнутый цикл с минимальной подпиткой свежей водой, так как основой для размытия пласта будет служить обессоленный рассол (дилуат). Также будет минимизирована необходимость утилизации продуктов растворения и на выходе получим товарный продукт - сухую соль хлорида натрия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Киреева Т.А. Нефтегазопромысловая гидрогеохимия и гидрогеодинамика: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 2016. С. 57-74.
2. Накагаки М. Физическая химия мембран. М.: Мир, 1991. 253 с.
3. Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей. М.; Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2006. 432 с.
4. Коротаев Ю.П., Ширковский А.И. Добыча, транспорт и подземное хранение газа. М.: Недра, 1984. 487 с. REFERENCES
1. Kireyeva T.A. Neftegazopromyslovaya gidrogeokhimiya i gidrogeodinamika [Oil and gas hydrogeochemistry and hydrogeodynamics]. Moscow, MGU Publ., 2016. pp. 57-74.
2. Nakagaki M. Fizicheskaya khimiya membran [Physical chemistry of membranes]. Moscow, Mir Publ., 1991. 253 p.
3. Kazaryan V.A. Podzemnoye khraneniye gazov i zhidkostey [Underground storage of gases and liquids]. Moscow, Izhevsk, NITS «Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika» Publ., 2006. 432 p.
4. Korotayev YU.P., Shirkovskiy A.I. Dobycha, transport i podzemnoye khraneniye gaza [Production, transport and underground gas storage]. Moscow, Nedra Publ., 1984. 487 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Мастобаев Борис Николаевич, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Локшина Евгения Александровна, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Boris N. Mastobaev, Dr. Sci (Tech.), Prof., Head of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Evgenia A. Lokshina, Undergraduate of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
