CC BY
102
© Е.С. Буслаев, И.А. Мутугуллина УДК 620.9:628.16
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СВЕРХВЯЗКОЙ НЕФТИ
Е.С.Буслаев1, И.А. Мутугуллина2
1 ООО «НТЦ Татнефть», г. Бугульма, Россия 2БФ «Казанский научный исследовательский государственный университет»,
г. Бугульма, Россия
vedgaeva@mail.ru
Резюме: В статье приводится обоснование рациональности замены водного источника для подпитки парогенераторов на месторождениях сверхвязкой нефти ПАО «Татнефть» с речной на попутно добываемую пластовую воду, а также приводится описание принципиальной технологической схемы комплексной подготовки попутно добываемой воды, разработанной на основе проведенных лабораторных исследований и пилотных испытаний.
Ключевые слова: котельная, производство пара, сверхвязкая нефть, рациональное использование водных ресурсов, попутно добываемая вода, очистка сточных вод, мембранные методы очистки воды, сероводород.
RATIONAL USE OF WATER RESOURCES DURING THE DEVELOPMENT OF EXTRA-VISCOUS OIL DEPOSITS
E.S. Buslaev1, I.A Mutugullina2
1 LTD «NTC Tatneft», Bugulma, Russia 2 Bugulma branch of Kazan national research technological University,
Bugulma, Russia
vedgaeva@mail.ru
Abstract: The article deals with justification of rationality of replacement of water source for feeding steam to the heavy oil fields of JSC "Tatneft" with the river on the produced formation water, as well as describes the basic technological schemes of integrated produced water treatment, developed on the basis of the laboratory tests and pilot tests.
Keywords: boiler, steam production, heavy oil, water management, produced water, wastewater treatment, membrane methods of water purification, hydrogen sulfide.
Рациональное использование воды в любом производственном процессе является актуальной задачей, в том числе в теплоэнергетике и добыче полезных ископаемых.
Разработка компанией ПАО «Татнефть» Ашальчинского поднятия Ашальчинского месторождения сверхвязкой нефти (СВН) парогравитационным воздействием показала, что применение пара для добычи СВН ставит проблему подготовки и утилизации значительного количества воды. Так, с начала разработки данного поднятия для производства пара, использовано более 7 млн м3 пресной речной воды, водонефтяное
соотношение за весь период составило порядка 1:5. При этом попутно добываемая с СВН вода (ПДВ) в объеме 5 тыс. м3/сут, а также стоки с химводоподготовки (ХВП) котельной «Ашальчи» в объеме 2 тыс. м3/сут утилизируются путем закачки в нагнетательные скважины (рис. 1).
При развитии проектов разработки месторождений СВН и наращивании объемов добычи СВН в ПАО «Татнефть» до 1,6 млн т/год к 2017 г. потребность в пресной воде для производства пара достигнет порядка 11 млн м3/год уже в 2018 году, а объем утилизации сточных вод - 15 млн м3/год.
Использование ПДВ в виде агента для поддержания пластового давления (ППД) путем закачки в нагнетательные скважины имеет технологические и экономические ограничения, поскольку потребность в закачиваемой воде на разрабатываемых традиционными методами близлежащих месторождениях отсутствует, а для перекачки на отдаленные территории необходимы существенные капитальные и эксплуатационные затраты.
Потребление пресной водьI, м^/сут Объем стоков с котельной "Ашальчи". м^/сут Объем ПДВ, направляемый на закачку, м^/сут
Рис. 1. Использование пресной воды на Ашальчинском поднятии (до 2015 г.)
Учитывая необходимые объемы потребления пресной воды для разработки месторождений СВН и отсутствие объектов для утилизации стоков ХВП и ПДВ, вполне естественно встает вопрос о необходимости поиска путей сокращения как использования речной воды, так и снижения объемов утилизации стоков и ПДВ.
Одним из решений данной проблемы является использование ПДВ после соответствующей подготовки для выработки пара. По состоянию на 2017 г. в ПАО «Татнефть» добываемая продукция с разрабатываемых поднятий СВН поступает на три установки подготовки (УПСВН): «Ашальчи», «Каменка», «Кармалка». Результаты мониторинга свойств ПДВ на выходе с вышеперечисленных объектов представлены в таблице 1, из которой видно, что их составы по большинству определяемых параметров на каждом объекте схожи друг с другом [1, 2].
Таблица 1
Физико-химические свойства ПДВ_
Показатель Значение показателя
УПСВН «Ашальчи» ПДВ УПСВН «Каменка» ПДВ УПСВН «Кармалка»
рН 7,5 7,2 7,1
Плотность, кг/м3 1000,7 1000,9 1001,6
Концентрация ионов, мг/дм3
HTO3" 1958,3 2135,4 2127,0
а- 226,5 300,7 228,8
SO42" 262,0 153,6 124,8
Ca2+ 48,6 29,6 40,7
Mg2+ 42,9 22,6 35,3
^ + №+ 874,0 996,7 896,1
Минерализация, мг/дм3 3412,2 3638,5 3452,8
Жесткость, мг-экв/дм3 5,9 3,3 4,9
Концентрация НД мг/дм3 264,5 276,4 53,7
Концентрация нефти, мг/дм3 58,0 55,3 43,3
Концентрация ТВЧ, мг/дм3 5,2 2,4 0,6
Принимая во внимание физико-химический состав ПДВ и нормы качества питающей воды для котлов с рабочим давлением пара до 4,0 МПа (табл. 2), подготовка ПДВ для производства пара должна содержать в себе следующие стадии: предварительная очистка от нефти и взвешенных частиц, удаление сероводорода и его сульфидных форм, глубокая очистка от остаточной нефти и последующие обессоливание и глубокое умягчение.
Таблица 2
Свойства попутно добываемой и камской воды, требования к питательной воде для котлов
Показатель ПДВ (усредненный состав) Требования к питательной воде для водотрубных котлов с естественной циркуляцией и рабочим давлением пара до 4 МПа (40 кгс/см2) [1]
рН 7,3 8,5-10,5
Плотность, кг/м3 1001,1 не нормируется
Минерализация, мг/дм3 3501,2 не нормируется
Жесткость, мг-экв/дм3 4,7 0,01
Щелочность, мг-экв/дм3 34,0 0,02
Концентрация SiO2, мг/дм3 97,3 не нормируется
Концентрация Н2S, мг/дм3 198,2 0
Концентрация нефти, мг/дм3 52,2 не нормируется
Концентрация ТВЧ, мг/дм3 2,7 не нормируется
Однако в России на сегодняшний день опыт решения подобных задач отсутствует, однако крупные зарубежные нефтедобывающие компании (например, Devon Canada Corporation, Worley Parsons Canada, Wintershall AG и др.), разрабатывающие месторождения высоковязких нефтей и природных битумов в Канаде и Германии с нагнетанием пара в пласт уже реализуют подобные схемы водооборотного использования [3-6]. Однако апробированная термодистилляционная технология подготовки ПДВ предполагает сравнительно высокие начальные капиталовложения, поскольку использует в качестве своей основы дорогостоящее испарительное и компрессорное оборудование, и кроме того имеет высокие эксплуатационные затраты, связанные с расходованием электроэнергии для компрессии пара [7].
Учитывая уникальный физико-химический состав ПДВ потребовалась разработка новой технологии подготовки воды ПДВ для производства пара, использующая мембранные методы очистки и обессоливания воды.
Основные требования, предъявляемые к комплексной технологии подготовки ПДВ следующие:
- возможность работы установки на пресной воде на первом этапе разработки месторождения;
- стабильность работы в широком диапазоне входящих параметров и свойств ПДВ (температура, концентрация нефтепродуктов, сероводорода, солесодержание);
- минимизация привозных химических реагентов;
- минимизация сточных вод и твердых шламов, отсутствие вредных выбросов в атмосферу.
На основании проведенных многочисленных лабораторных исследований и технико-экономических расчётов [8] была разработана технологическая схема комплексной подготовки ПДВ, показанная на рис. 2.
Рис.2. Технологическая схема комплексной подготовки ПДВ на основе мембранных методов разделения
Очистка ПДВ от нефтепродуктов включает в себя отстойники с жидкостным гидрофобным фильтром (ОГЖФ), отстойники с коалесцентно-фильтрующими устройствами (КФУ) и резервуар.
Результаты проведенных ранее исследований [9] показали, что для ПДВ Ашальчинского поднятия, имеющей высокое содержание сероводорода и высокое значение щёлочности, наиболее предпочтительным методом удаления из нее сероводорода является его окисление кислородом в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре с последующей доочисткой химическими реагентами, например, сильным окислителем.
Далее вода поступает на узел рекуперативного теплообмена, предназначенного для охлаждения воды, подаваемой на последующие ступени мембранной подготовки за счёт нагревания пермеата, получаемого на установке обратного осмоса.
Охлажденная до температуры 33-35°С вода направляется через приемную емкость на узел ультрафильтрации, где очищается от нефтепродуктов, адсорбированных свежеобразованной серой, коллоидной серы, прочих взвешенных частиц и далее подается на сорбционный фильтр для удаления остатков активного хлора и следов растворенных нефтепродуктов.
Очищенная на ультрафильтрации и сорбционном фильтре вода поступает на узел обратноосмотического обессоливания воды. При необходимости глубокого умягчения вода подается на узел контрольного натрий-катионирования и далее на теплообменник охлаждения потока предварительно очищенной после реактора окисления воды, где подготовленная вода нагревается до температуры 60-65°С и подается в котельную. Все сточные воды (концентрат обратного осмоса, продувочная вода котлоагрегатов, промывная вода узла натрий-катионирования) подлежат дальнейшей переработке либо утилизации.
Вышеописанный технологический процесс был испытан на пилотной установке, представляющей собой блок-контейнер с технологическим оборудованием и средств контроля, позволяющих проводить испытания в непрерывном режиме на реальной воде с производительностью 500 л/ч по исходной ПДВ. Достигнутый общий коэффициент использования воды составил порядка 70-72%. Пилотные испытания показали стабильность работы установки в широком диапазоне входящих параметров и свойств ПДВ (температура, концентрация нефтепродуктов, сероводорода, солесодержание).
Одним из преимуществ разработанной технологии является отсутствие в необходимости подведения охлаждающей воды, а основная часть теплоты исходной воды сохраняется до конца технологического процесса, так температура подготовленной воды на 5-7°С ниже исходной ПДВ.
Таким образом, разработана и апробирована на реальной ПДВ технологическая схема ее подготовки до требований, предъявляемых к питательной воде для котлов. Удаление взвешенных частиц, частично нефтепродуктов и растворимых солей проведено с использованием мембранных технологий. Тем самым осуществлен качественный переход от общепризнанной и апробированной на месторождениях битуминозных песков в Канаде термодистилляционной технологии, использующей в качестве своей основы дорогостоящее испарительное и компрессионное оборудование.
Реализация концепции использования ПДВ для производства пара начата компанией ПАО «Татнефть» в 2017 г. с пуском в эксплуатацию двух промышленных установок, которые на первом этапе будут использовать речную воду, а в дальнейшем переведены на ПДВ расположенных вблизи поднятий СВН.
Результаты расчетов показывают, что объем среднегодового потребления речной воды при этом в итоге по всему проекту добычи СВН снизится на 63, а суммарный объем утилизации жидкости в систему ППД - на 48% [10], что позволит значительно уменьшить воздействие на окружающую среду и сэкономить значительные объемы воды наземных источников.
Литература
1. Голованева Н.В., Каграманов Г.Г., Фарносова Е.Н. Нанофильтрационная очистка воды от солей жесткости // Вода: химия и экология. 2014. № 5. С. 36-41.
2. Войкина Г.Р, Стратилатова И.В., Магсумова Р.С., Нурутдинов А.С., Хабибуллин И.Я. Особенности физико-химических свойств попутно добываемых вод месторождений сверхвязкой нефти ПАО «Татнефть» // Сборник научных трудов «ТатНИПИнефть». Выпуск № LXXXV. Набережные Челны: ООО «Экспозиция Нефть Газ, 2017. С. 392-395.
3. Уильям, Ф. Хайнс, Роб МакНейлл. Эксплуатационные данные по первой в мировой практике установке SAGD, использующей испарители для подготовки подпиточной воды для котлов// World Oil. 2007. № 10.
4. Technical Advancements in SAGD Evaporative Produced Water Treatment // JCPT, 2009, т. 48 № 11.
5. Evaporator choice critical for effective steam production in SAGD operations / Keith Minnich and Dorothy Neu // Oil & Gas Product News. 05-06.2008. Vol. 12. No. 3, pp. 22-23.
6. Интернет-ресурс: https://ru.scribd.com/document/128699264/ Guidelines-for-Produced-Water-Evaporators-in-SAGD-2007.
7. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением» от 25 марта 2014 года № 116 // Российская газета.
8 Буслаев Е.В., Лойко А.В., Ицков С.В., Сахабутдинов Р.З., Абрамов М.А. Исследование свойств попутно добываемой воды на месторождениях сверхвязкой нефти и разработка технологии ее подготовки для повторного использования // Сборник научных трудов «ТатНИПИнефть». Выпуск № LXXXIV. М.: ЗАО «Издательство «НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО», 2016. С. 247-254.
9. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. Москва: ДеЛи плюс, 2015. 680 с.
10. Сборник докладов научно-технической конференции, посвященной 60-летию ТатНИПИнефть ПАО «Татнефть». Наб. Челны: «Экспозиция Нефть Газ», 2016. 460 с.
Авторы публикации
Буслаев Евгений Сергеевич - канд. техн. наук, заведующий лабораторией «Техника и технологии глубокой очистки воды» ООО «НТЦ Татнефть».
Мутугуллина Ирина Александровна - канд. техн. наук, заведующий кафедрой «Технологии машин и оборудования» (ТМО) Бугульминского филиала Казанского национального исследовательского технологического университета (БФ КНИТУ).
References
1. Golovaneva N.V., Kagramanov G.G., Famosova E.N. Nanofil'tratsionnaya ochistka vody ot soley zhestkosti // Voda: khimiya i ekologiya. 2014. № 5. S. 36-41.
2. Voykina G.R, Stratilatova I.V., Magsumova R.S., Nurutdinov A.S., KHabibullin I.YA. Osobennosti fiziko-khimicheskikh svoystv poputno dobyvayemykh vod mestorozhdeniy sverkhvyazkoy nefti PAO «Tatneft'» // Sbornik nauchnykh trudov «TatNIPIneft'». Vypusk № LXXXV. Naberezhnyye CHelny: OOO «Ekspozitsiya Neft' Gaz, 2017. S. 392-395.
3. Uil'yam, F. KHayns, Rob MakNeyll. Ekspluatatsionnyye dannyye po pervoy v mirovoy praktike ustanovke SAGD, ispol'zuyushchey ispaiiteli dlya podgotovki podpitochnoy vody dlya kotlov// World Oil. 2007. № 10.
4. Technical Advancements in SAGD Evaporative Produced Water Treatment // JCPT, 2009, t. 48 № 11.
5. Evaporator choice critical for effective steam production in SAGD operations / Keith Minnich and Dorothy Neu // Oil & Gas Product News. 05-06.2008. Vol. 12. No. 3, pp. 22-23.
6. Internet-resurs: https://ru.scribd.com/document/128699264/ Guidelines-for-Produced-Water-Evaporators-in-SAGD-2007.
7. Federal'nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Pravila promyshlennoy bezopasnosti opasnykh proizvodstvennykh ob"yektov, na kotorykh ispol'zuyetsya oborudovaniye, rabotayushcheye pod izbytochnym davleniyem» ot 25 marta 2014 goda № 116 // Rossiyskaya gazeta.
8 Buslayev E.V., Loyko A.V., Itskov S.V., Sakhabutdinov R.Z., Abramov M.A. Issledovaniye svoystv poputno dobyvayemoy vody na mestorozhdeniyakh sverkhvyazkoy nefti i razrabotka tekhnologii eye podgotovki dlya povtornogo ispol'zovaniya // Sbornik nauchnykh trudov «TatNIPIneft'». Vypusk № LXXXIV. M.: ZAO «Izdatel'stvo «NEFTYANOE KHOZYAYSTVO», 2016. S. 247-254.
9. Ryabchikov B.E. Sovremennaya vodopodgotovka. Moskva: DeLi plyus, 2015. 680 s.
10. Sbornik dokladov nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, posvyashchennoy 60-letiyu TatNIPIneft' PAO «Tatneft'». Nab.CHelny: "Ekspozitsiya Neft' Gaz", 2016. 460 s.
Authors of the publication
Evgeniy S. Buclaev - сand. sci. (techn.), the head of the laborarory Eqyipment and Technology of Deep water Treatment of LTD "NTC Tatneft".
Irina А Mutygullina - cand. sci. (techn.), head of the Department «Technologies of machinery and equipment», Bugulma branch of the Kazan national research technological University.
Дата поступления 22.01.2018
