CC BY
6
УДК622.691.24:551.247
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-5-6-80-84
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСТВОРЕНИЯ СОЛЕЙ И СОКРАЩЕНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ГАЗОХРАНИЛИЩ В СОЛЯНЫХ ПЛАСТАХ
INCREASING THE EFFICIENCY OF SALT DISSOLUTION AND REDUCING WATER CONSUMPTION DURING THE DEVELOPMENT OF GAS STORAGE FACILITIES IN SALT FORMATIONS
Локшина Е.А., Мастобаев Б.Н.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: [email protected]
Резюме: Статья посвящена повторному использованию рассолов при разработке подземных газохранилищ в соляных пластах. Актуальность статьи обоснована необходимостью сокращения водопотребления путем повторного использования рассолов. Целью статьи является представление 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: Локшина Е.А., Мастобаев Б.Н. Повышение эффективности растворения солей и сокращение потребления воды при разработке газохранилищ в соляных пластах // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 5-6. С. 80-84.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-5-6-80-84
Lokshina Evgeniya A., Mastobaev Boris N.
Ufa State Petroleum Technological University, 450064, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: [email protected]
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 reducing the amount of used fresh water.
Keywords: salt layer, desalination, brine, solubility, storage, natural gas.
For citation: Lokshina E.A., Mastobaev B.N. INCREASING THE EFFICIENCY OF SALT DISSOLUTION AND REDUCING WATER CONSUMPTION DURING THE DEVELOPMENT OF GAS STORAGE FACILITIES IN SALT FORMATIONS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2023, no. 5-6, pp. 80-84.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-5-6-80-84
На сегодняшний день хранение добытого природного газа является актуальной проблемой, так как потребление газа неравномерно по сезонам, а добыча условно постоянна. Одним из решений данной проблемы служит подземное газохранилище в соляных пластах (хлорида натрия), получаемое путем их размытия [1].
Подземные газохранилища в каменной соли имеют очень плотную структуру, что приводит к минимальным потерям газа. Хранилища разрабатываются путем растворения солей [2].
Растворение производится путем подачи пресной воды в пласт и растворения хлорида натрия. Разработка полости проводится путем подачи воды в верхнюю или нижнюю часть пласта, но время, затрачиваемое на устройство полости в соляном пласте, напрямую зависит от скорости растворения соли [3].
Основной закон кинетики растворения формулируется следующим образом: удельный поток вещества с единицы площади поверхности растворения пропорционален концентрационному недосыщению раствора. Насыщенным является раствор, в котором при данной температуре вещество больше не растворяется, недонасыщенным - раствор, в котором растворенного вещества меньше, чем в его насыщенном растворе, а перенасыщенным - раствор, в котором
растворенного вещества больше, чем в его насыщенном растворе при тех же физических условиях [4].
Процесс растворения многих природных соединений в реальных гидрогеологических и геохимических ситуациях часто зависит от скорости движения воды [5].
Связано это с тем, что увеличение скорости движения имеет следствием более активный отвод продуктов растворения.
Следовательно, величина недосыщения исходной воды является движущей силой процесса растворения. Однако минерализация воды при этом снижается, так как увеличение скорости воды приводит к уменьшению времени контакта вода-порода и уменьшению массы твердого вещества, переходящего в раствор.
Чем ниже концентрация солей в исходной воде, тем эффективнее проходит растворение в ней твердого вещества. Тем быстрее происходит образование полости при размытии пласта каменной соли.
Одна из задач, которая встает при разработке подземных газохранилищ, сводится к тому, чтобы вода, подаваемая на размыв пласта, имела минимальную концентрацию растворимых солей. Обеспечить низкую минерализацию воды на входе возможно двумя путями:
- использование «свежей» пресной воды;
- обессоливание раствора, извлеченного из пласта, с получением низкоминерализованной воды.
Второй путь является более экологичным и позволяет минимизировать потребление «свежей» пресной воды.
В связи с этим стоит необходимость расчета оптимального значения концентрации рассола, выводимого из процесса растворения и подаваемого на обессоливающую установку. Так как установки обессоливания (электродиализа или обратного осмоса) имеют свои ограничения по концентрации и при достижении концентрации насыщения процесс растворения протекает уже не так эффективно, как с пресной водой.
Основной закон кинетики растворения формулируется следующим образом: удельный поток вещества с единицы площади поверхности растворения пропорционален концентрационному недосыщению раствора.
Он имеет следующее выражение
Q = к • (Сн - Ср), (1)
где Q - удельный поток вещества с единицы площади поверхности растворения; к - коэффициент скорости растворения, зависящий от кинетического механизма растворения, принимаем к = 453,6 г/(мин-м2); Сн - концентрация при насыщении раствора, для NaCl Сн = 371 г/дм3 при температуре 60 °С; Ср - концентрация реального раствора.
Масса растворенного вещества за определенное время рассчитывается по формуле
т = КтПАЬн -Щу
(2)
АЬ АЬ АЬ
к3
371 - 1 = 370 г/л 371 - 2 = 369 г/л 371 - 5 = 366 г/л
АЬк4 = 371 АЬк5 = 371 АЬк6 = 371 АЬк7 = 371 АЬШ = 371 АЬкд = 371
■ 10 = 361 г/л
■ 20 = 351 г/л
■ 30 = 341 г/л
■ 40 = 331 г/л
■ 50 = 321 г/л
■ 100 = 271 г/л
По формуле 2 произведем расчет массы растворенного вещества для девяти выбранных конечных концентраций:
т1 =
т2 =
т3 =
т4 =
= Km•F•(Abн -АЬк1К = 453, 61(370,8-370)1 =
т,
'5 =
тк =
т7
т8
т9 =
31п(АЬн - " АЬк1) 31п(370,8 - 370)
Кт^ •(АЬн -АЬк 2) • 1 4453,6 • 1(370,8-369) • 1
31п(АЬн - - АЬк2) 31п(370,8 - 369)
Кт^ •(АЬн -АЬк 3) • 1 453,6• 1(370,8-366) • 1
31п(АЬн - -АЬк3) 31п(370,8-366)
Кт ■ F• (АЬн -АЬк 4) • 1 453,64(370,8-361)1
31п(АЬн - -АЬк 4) 31п(370,8-361)
Кт^ (Ар -АЬ 5) • Г 453,61(370,8 -351)1
■ 31п(АЬн - -АЬк5) = 31п(370,8 - 351) =
(АЬн -АЬк 6) • 1 453,6-1(370,8-341)1
31п(АЬн - -АЬк6) 31п(370,8-341)
Кт ■ F• (АЬн -АЬк1) • 1 453,6-1(370,8 - 331)1
31п(АЬн - ~АЬкТ) 31п(370,8-331)
(АЬн -АЬк 8) • • 453,6-1(370,8 - 321)1
- 31п(АЬн - -АЬк8) = 31п(370,8 - 321)
Кт ■ F • (АЬн -АЬк 9) • • 453,6-1(370,8 - 271)1
31п(АЬн -АЬк)
где т - масса растворенного вещества, г; Кт - коэффициент скорости растворения, принимаем Кт = 453,6 г/(мин-м2); F - площадь растворяемой соли, контактирующей с раствором, м2; V - время растворения, мин; АЬн - разность концентрации насыщения Сн и начальной концентрации; АЬк - разность концентрации насыщения Сн и конечной концентрации.
Расчет оптимального значения концентрации рассола, выводимого из процесса растворения
Был произведен расчет оптимального значения конечной концентрации, при которой следует выводить рассол на установку электродиализа. Чтобы сохранилась эффективность процесса растворения, необходимо не перенасыщать раствор.
Для расчета приняли условную площадь растворяемой соли, контактирующей с раствором, 1 м2 и время растворения 1 мин. Были рассмотрены конечные концентрации 1 г/л, 2 г/л, 5 г/л, 10 г/л, 20 г/л, 30 г/л, 40 г/л, 50 г/л и 100 г/л.
Приняли, что при растворении пласта каменной соли подается пресная вода с концентрацией солей 200 мг/л, поэтому разность концентрации насыщения и начальной концентрации для всех шести случаев одинакова и равна
АЬн = 371 - 0,200 = 370,8 г/л.
Вычислим разность концентрации насыщения Сн и конечной концентрации для различных случаев;
31п(АЬн - АЬк9)
= 541, 47 г;
= 462, 51 г;
= 462, 17 г;
648 5 г;
1002, 71 г;
= 1327, 37 г;
= 1633, 54 г;
31п(370, 8 - 271)
По рассчитанным данным построен график зависимости массы растворенного вещества от конечной концентрации рассола (рис. 1) [6].
По графику видно, что при выводе рассола с малыми концентрациями масса выводимой соли не очень велика. С увеличением конечной концентрации (начиная с 20 г/л) возрастает и масса растворенного вещества. Зона эффективной работы установки электродиализа находится в пределах от 2 до 50 г/л. Следовательно, наиболее оптимальные концентрации рассола, который следует выводить на установку электродиализа, располагаются в промежутке (20 - 50) г/л.
При разработке подземного газохранилища в пластах каменной соли происходит растворение соли пресной водой для получения полости для хранения. Насыщенный раствор, полученный при растворении, называется рассолом. При
|Рис. 1. Зависимость массы растворенного вещества от конечной концентрации рассола
Рис. 2. Конструкция пилотной установки электродиализа: 1 - комплект мембран; 2 -камера для измерения рН и проводимости; 3 - емкость для дилуата; 4 - емкость для электродного раствора; 5 - емкость для концентрата; 6 - подставка; 7 - перекладина с направляющими стержнями; 8, 9, 10 - трехходовые вентили; 11,12 - проток; 13 -источник тока; 14, 15, 16 - насосы; 17, 18, 19 - ротаметры; 20 - кожух
I
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 2,77 мСм/см 6,1
(310 мл) 1,78 г/л
1 18,2
Концентрат спустя 10 мин 37,6 мСм/см 7,6
(390 мл) 24 г/л
Дилуат спустя 15 мин 209 мкСм/см 5,8
(400 мл) 146,3 мг/л
Концентрат спустя 15 мин 38,9 мСм/см 7,6
(430 мл) 27,2 г/л
Таблица 2
| Показатели при обессоливании 5%-го раствора ШС1
Проводимость/ солесодержание рН Сила тока I, А Напряжение ^ В
Исходный раствор (1000 мл) 73,5 мСм/см 50 г/л 7,6 2,3 19,7
Дилуат спустя 25 мин 24 мСм/см 7,2
(300 мл) 16,8 г/л
1,8 18,4
Концентрат спустя 25 мин 102 мСм/см 7,6
(450 мл) 71,4 г/л
Дилуат спустя 42 мин 220 мкСм/см 5,8
(370 мл) 154 мг/л
Концентрат спустя 42 мин 111,3 мСм/см 7,6
(410 мл) 77,91 г/л
обессоливании рассола произойдет его разделение на дилуат (пресную воду) и концентрат (сильно минерализованный остаток) [7]. Из концентрата возможно получение товарного продукта - поваренной соли, а дилуат можно использовать для повторного растворения каменной соли. Таким образом, можно сделать замкнутый водооборотный цикл с минимальной подпиткой пресной водой и товарным продуктом на выходе. Помимо этого, увеличивается скорость разработки полости в соляном пласте.
При использовании низкоминерализованной исходной воды, увеличивается разность концентраций насыщения и начальной концентрации, что увеличивает массу растворенного вещества (по расчетным формулам) за одну и ту же единицу времени, следовательно, возрастает скорость растворения.
Для опреснения рассола возможно использование процесса электродиализа. Этот процесс основан на изменении концентрации электролита в растворе под действием электрического тока [8].
Для проверки эффективности данного способа были проведены испытания на пилотной электродиализной установке (рис. 2).
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 [9].
Для проведения опытов были приготовлены 1%-й и 5%-й растворы хлорида натрия ^аС1).
С помощью этих растворов был смоделирован процесс получения пресной воды для повторного направления на размытие пласта и концентрата для подачи на выпарную установку.
Растворы были пропущены через пилотную установку электродиализа.
Проводились начальные, промежуточные и конечные измерения рН, проводимости, солесодержания, также были записаны показания амперметра и вольтметра, встроенных в установку.
Рис. 3. Блок-схема оборота воды при размыве пласта
Масса соли, которую необходимо растворить для получения полости объемом 200 тыс. м3:
т(ЫаС1) = ^р = 200 000-2165 = = 433 000 т;
АЬн = 371
Показания по обессоливанию 1%-го раствора сведены в табл. 1, а по обессоливанию 5%-го раствора ЫаС1 - 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. 3.
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 соли. На выходе мы получаем рапу (влажную соль) с влажностью приблизительно 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 итоге на выходе мы получаем сухую товарную соль (ЫаС1) [10].
Для примера расчета потребления воды и электроэнергии было взято газохранилище объемом 200 тыс. м3, расход циркуляционной воды 200 м3/ч, солесодержа-ние воды на входе 200 мг/л, поверхность принята за шар. Следовательно, конечная площадь контакта F = 16 532 м2.
■ 0,200 = 370,8 г/л.
Принято решение, выводить из процесса растворения рассол с концентрацией не более 50 г/л, так как концентрации выше находятся вне зоны эффективной работы установки электродиализа.
АЬк5 = 371 - 50 = 321 г/л.
Возьмем 4 условные точки процесса растворения со следующими площадями поверхности контакта: 1000 м2, 5000 м2, 10000 м2 и 16532 м2, масса растворенной соли с этими площадями контакта за 1 ч составит: 115,6 т, 578, 1156 и 1911 т соответственно.
? _ 31п (АЬН -АЬк6)т _ \Km-F{АЬн -АЬк6) _ 31п(370,8-321) ■433000000000 _ _ 453,6-16532-(370,8 - 321) _ _ 13593,7 мин.
Таким образом, чтобы растворить 433 000 т, необходимо 13 593, 7 мин или 226,56 ч, что соответствует 45 312 м3 воды.
Потребление энергии зависит от солесодержания исходной воды и типа мембран, у электродиализа примерно 0,9 кВт на 1 м3 исходного продукта. То есть расход электроэнергии на 45 312 м3 воды составит 40 780,8 кВт.
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), что, в свою очередь, увеличивает скорость разработки подземных газохранилищ в пластах каменной соли. Также будет минимизирована необходимость утилизации продуктов растворения, и на выходе получим товарный продукт -сухую соль хлорида натрия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Список литературы
1. Басарыгин Ю.М., Мавромати В.Д., Черномашенко А.Н. Теория и практика создания подземных хранилищ газа. Краснодар: Просвещение-Юг, 2012. 518 с.
2. Бузинов С.Н. Подземное хранение газа. Полвека в России: опыт и перспективы: сб. науч. тр. М.: ВНИИГАЗ, 2008. 464 с.
3. Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. М.: Недра, 2006. 428 с.
4. Киреева Т.А. Нефтегазопромысловая гидрогеохимия и гидрогеодинамика: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 2016. С. 57-74.
5. Коротаев Ю.П., Ширковский А.И. Добыча, транспорт и подземное хранение газа. М.: Недра, 1984. 487 с.
6. 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.
7. Пилат Б.В. Основы электродиализа. М.: Аваллон, 2004. 456 с.
8. Смагин В.И. Обработка воды электродиализом. М.: Стройиздат, 1986. 172 с.
9. Накагаки М. Физическая химия мембран. М.: Мир, 1991. 253 с.
10. Lokshina E.A., Kolchin A.V., Mastobaev B.N. Zero-Emission Water Cycle When Developing Underground Gas Storage in Rock Salt Formation // I0P Conference Series: Materials Science and Engineering 1079 072039, 2021 / doi:10.1088/1757-899X/1079/7/072039
REFERENCES
1. Basarygin YU.M., Mavromati V.D., Chernomashenko A.N. Teoriya i praktika sozdaniya podzemnykh khranilishch gaza [Theory and practice of creating underground gas storage facilities]. Krasnodar, Prosveshcheniye-Yug Publ., 2012. 518 p.
2. Buzinov S.N. Podzemnoye khraneniye gaza. Polveka vRossii: opyt iperspektivy [Underground gas storage. Half a century in Russia: experience and prospects]. Moscow, VNIIGAZ Publ., 2008. 464 p.
3. Kazaryan V.A. Podzemnoye khraneniye gazovizhidkostey: RGU neftiigaza im. I.M. Gubkina [Underground storage of gases and liquids: Russian State University of Oil and Gas named after I.M. Gubkin]. Moscow, Nedra Publ., 2006.
428 p.
4. Kireyeva T.A. Neftegazopromyslovaya gidrogeokhimiya i gidrogeodinamika [Oil and gas field hydrogeochemistry and hydrogeodynamics]. Moscow, MGU Publ., 2016. pp. 57-74.
5. Korotayev YU.P., Shirkovskiy A.I. Dobycha, transport ipodzemnoye khraneniye gaza [Gas production, transportation and underground storage]. Moscow, Nedra Publ., 1984. 487 p.
6. Mastobayev B.N., Lokshina YE.A. Reuse of brines in the construction of underground gas storage facilities in salt layers. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2019, no. 2, pp. 36-39 (In Russian).
7. Pilat B.V. Osnovy elektrodializa [Basics of electrodialysis]. Moscow, Avallon Publ., 2004. 456 p.
8. Smagin V.I. Obrabotka vody elektrodializom [Water treatment by electrodialysis]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986. 172 p.
9. Nakagaki M. Fizicheskaya khimiya membrane [Physical chemistry of membranes]. Moscow, Mir Publ., 1991. 253 p.
10. Lokshina E.A., Kolchin A.V., Mastobaev B.N. Zero-emission water cycle when developing underground gas storage in rock salt formation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, vol. 1079. doi:10.1088/1757-899X/1079/7/072039.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Локшина Евгения Александровна, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Мастобаев Борис Николаевич, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Evgenia A. Lokshina, Assistant of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, 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.
