WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

На правах рукописи

ТИМЕРБАЕВ Александр Сифхатович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ

ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА



ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Таранова Любовь Викторовна Тюмень – 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….. 4

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

ТЕХНОЛОГИЙ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ……….. 9

1.1 Анализ физико-химических свойств жидкостей нефтяных месторождений России……………………………………………………... 9

1.2 Требования к очистке воды для систем поддержания пластового давления……………………………………………………………………… 13

1.3 Существующие схемы подготовки попутно добываемых пластовых вод к закачке………………………………………………………………… 15

1.4 Методы и аппараты подготовки попутно добываемых пластовых вод……………………………………………………………………………. 19

1.5 Сравнительный анализ технологий очистки нефтесодержащей воды и выбор наиболее перспективной…………………………………………. 34

1.6 Современное состояние и тенденция развития конструкций гидроциклонных аппаратов с крыльчаткой……………………………….. 37

1.7 Выводы по разделу……………………………………………………… 42

РАЗДЕЛ 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ

МНОГОФАЗНЫХ СРЕД В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ………………. 44

2.1 Методы расчетов гидроциклонных аппаратов……………………….. 44

2.2 Особенности расчета прямоточных цилиндрических гидроциклонных аппаратов………………………………………………... 59

2.3 Кинетические закономерности и методы расчета процесса разделения в аппаратах с вращающейся крыльчаткой………………….. 64

2.4 Описание постановки задачи численного моделирования аппарата с крыльчаткой………………………………………………………………… 66

2.5 Выводы по разделу……………………………………………………... 69

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА С

КРЫЛЬЧАТКОЙ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ….. 70

3.1 Разработка конструкции аппарата с крыльчаткой…………………... 70

3.2 Результаты численного моделирования……………………

–  –  –

РАЗДЕЛ 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА

ПОКАЗАТЕЛИ РАЗДЕЛЕНИЯ……………………………………………….. 77

4.1 Описание опытного образца сепаратора и экспериментальной установки…………………………………………………………………… 77

4.2 Методика экспериментального исследования процесса центробежного разделения………………………………………………... 79

4.3 Результаты экспериментальных исследований..…………………….. 80 4.3.1 Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными……………………………………….. 80 4.3.2 Исследование гидродинамики в аппарате…………………….. 84 4.3.3 Исследование влияния подачи на входе и частоты вращения крыльчатки на расходные характеристики аппарата………………. 87 4.3.4 Исследование осевой зоны разрежения в аппарате………….. 90 4.3.5 Исследование влияния конструкции крыльчатки на эффективность разделения эмульсии……………………………….. 92

4.4 Выводы по разделу…………………………………………………….. 97

РАЗДЕЛ 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОЗДАНИЮ И

ВНЕДРЕНИЮ РАЗРАБОТАННОГО АППАРАТА………………………….. 99

5.1 Совершенствование технологической схемы предварительного обезвоживания высокообводнённой нефти……………………………….. 99

5.2 Совершенствование технологической схемы очистки подтоварной воды для систем поддержания пластового давления……………………... 103

5.3 Рекомендации по созданию производства на машиностроительном предприятии и проведения ОКР аппаратов с крыльчаткой……………… 107

5.4 Выводы по разделу……………………………………………………… 108 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………………………. 110 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………… 112 ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………….





ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Процесс разработки нефтяных месторождений и поддержание заданного уровня добычи нефти сопровождается ростом обводнённости продукции скважин, которая в настоящее время превышает в среднем по отрасли 80 %. Общий объём извлекаемой из недр пластовой воды превышает один миллиард кубических метров в год [88], очистка которой требует значительных материальных, энергетических и трудовых затрат.

Достигнутая в целом по нефтедобывающей отрасли степень очистки подтоварных вод (50-60 мг/л остаточной нефти и 40-50 мг/л твердых взвешенных частиц (ТВЧ)) позволяет использовать их в системе поддержания пластового давления (ППД) нефтяных месторождений в качестве вытесняющего агента, но не является оптимальной [120].

Требование более глубокой очистки подтоварных вод (до 5…10 мг/л остаточной нефти и ТВЧ с минимальными размерами дисперсных частиц) диктуется необходимостью увеличения нефтеотдачи, вовлечения в разработку низкопроницаемых пластов и увеличения межремонтного периода эксплуатации нагнетательных скважин [146, 149].

Для обеспечения более глубокой очистки подтоварных вод необходимо создание эффективных технологий, новых аппаратов и установок, а также интенсификация и совершенствование существующих технологических процессов. Отсюда вытекает важность и актуальность рассматриваемой проблемы [18, 19, 63, 88, 65, 101, 104 – 106, 108, 117, 120, 124, 136 – 138,

– 145, 157].

Значительный вклад в изучение процессов разделения многофазных сред, в том числе водонефтяных эмульсий, при добыче и сборе нефти и газа, внесли А.А. Адельшин, А.Б. Адельшин [23-29], В.Г. Перевалов [109], Г.К. Борисов [40], Е.И. Ишемгужин, А.В. Тронов [18-20, 63-65, 136-139], В.П. Тронов [136-139], В.Ф. Шаякберов [101] и другие.

В последнее время значительное внимание уделяется развитию наиболее дешёвого механического способа разделения несмешивающихся жидкостей, разработке и внедрению новых конструкций сепарационной техники, основанных на этом способе. Одним из широко применяемых типов сепарационных устройств являются гидроциклоны, перспективным среди которых относят центробежные сепараторы с вращающейся крыльчаткой.

Такие сепараторы имеют преимущества перед напорными цилиндроконическими гидроциклонами, в частности, более высокую производительность и широкий диапазон регулирования режимов очистки.

Разработке конструкций и исследованию гидродинамики в центробежных сепараторах с вращающейся крыльчаткой посвящены работы таких российских ученых, как В.И. Батуров [37], А.Д. Бочков [39, 41-44], Г.М. Косой [68-71], А.М. Кутепов [79-86], Е.А. Непомнящий [96-100], П.И. Пилов [110-113], И.Г. Терновский [128-135] и других. Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод о том, что в настоящее время существует множество конструкций центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой, отличающихся конструкцией крыльчатки, способом подачи смеси и отбором продуктов разделения. Однако, в основном, известные исследования посвящены созданию аппаратов только для разделения суспензий. Практически полностью отсутствуют какие-либо расчетные зависимости для нахождения рабочих характеристик этих аппаратов и конкретные рекомендации по их проектированию. Отсутствие закономерностей процесса разделений эмульсий не позволяет широко внедрить эти аппараты в промышленность без проведения опытных испытаний на каждом конкретном объекте.

Таким образом, настоящее диссертационное исследование посвящено решению важной и актуальной проблемы машиностроительной отрасли, обеспечивающей эффективное функционирование нефтегазодобывающих производств.

Объект исследования – технологический процесс разделения водонефтяных эмульсий типа «нефть в воде».

Предмет исследования – закономерности гидродинамических и сепарационных процессов, протекающих в центробежном сепараторе с вращающейся крыльчаткой.

Цель исследования – совершенствование технологического процесса разделения водонефтяных эмульсий на основе использования разработанного центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой и установленных закономерностей протекающих в сепараторе гидродинамических и сепарационных процессов.

Задачи исследования:

анализ методов и конструкций аппаратов для разделения 1) водонефтяных эмульсий; сравнение эффективности разделения в аппаратах различных типов; обоснование перспективности использования центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой;

анализ методов моделирования турбулентных течений в 2) аппаратах гидроциклонного типа, существующих математических моделей для описания гидродинамики закрученных потоков; анализ известных методик расчета центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой;

разработка компьютерной модели центробежного сепаратора с 3) вращающейся крыльчаткой; изучение особенностей протекания гидродинамических и сепарационных процессов в аппарате и оптимизация режимных параметров с помощью методов численного моделирования;

разработка и изготовление опытного образца центробежного 4) сепаратора с вращающейся крыльчаткой; экспериментальные исследования по оценке влияния конструктивных и режимных параметров на основные показатели процесса разделения эмульсий; верификация результатов численного моделирования и экспериментальных данных;

совершенствование конструкции с учётом результатов экспериментов;

оценка эффективности применения разработанного аппарата в 5) схемах промыслового сбора и подготовки нефти, и разработка рекомендаций по освоению производства центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой.

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

компьютерная модель центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой и закономерности протекающих в нём гидродинамических и сепарационных процессов, позволяющие определить оптимальные значения параметров процесса разделения водонефтяной эмульсии (концентрация нефти в воде, объёмный расход потока на входе в аппарат и частота вращения крыльчатки) и их влияние на эффективность очистки;

выявленные закономерности влияния конструктивных параметров разработанного сепаратора с вращающейся крыльчаткой (количество, форма и угол атаки лопаток крыльчатки, соотношение диаметров разгрузочных патрубков нефти и воды), позволяющие определить область рациональных значений конструктивных параметров, обеспечивающих эффективное разделение водонефтяных эмульсий;

установленное явление рециркуляции потока в центробежном сепараторе, снижающее эффективность сепарационного процесса, условия его возникновения и рекомендации по устранению путем модернизации конструкции и оптимизации режимов работы сепаратора.

Практической значимостью работы являются:

разработанная конструкция центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой и рекомендации по регулированию частоты вращения крыльчатки и расхода жидкости для эффективного разделения водонефтяных эмульсий;

научно-обоснованные рекомендации по освоению производства разработанного центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой на машиностроительных предприятиях нефтегазовой отрасли;

практические рекомендации по использованию центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой в схемах промыслового сбора и подготовки нефти нефтегазовых месторождений для решений задач очистки промысловых вод (эскизные проекты технических устройств и результаты исследований переданы в конструкторское бюро ОАО «ГМС Нефтемаш», г. Тюмень);

основные результаты использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на 2 ой Международной научнопрактической конференции молодых специалистов ООО «УК «Группа ГМС»

(Нижневартовск, 2012 г.), где работа была отмечена дипломом первой степени, Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии – нефтегазовому региону»

(Тюмень, 2012, 2013, 2014 гг.), 19 – ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2013 г.), Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2013 г.), Международной научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2013 г.), семинаре–совещании «Сбор, подготовка и транспорт продукции скважин» филиала ООО «Лукойл-Инжиниринг»

«КогалымНИПИНефть» (Тюмень, 2014 г.).

Основные результаты исследований получены при выполнении НИОКР «Разработка инновационной технологии и конструкции центробежного сепаратора для разделения водонефтяных эмульсий», проводимого в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по Государственному контракту №1684ГУ1/2014 от 13.03.2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в числе которых 3 статьи в рецензируемых научных журналах из «Перечня…»

ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников (168 наименований) и приложений. Объём диссертации составляет 146 страниц, включает 44 рисунка, 20 таблиц и 4 приложения.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ

ЭМУЛЬСИЙ

1.1 Анализ физико-химических свойств жидкостей нефтяных месторождений России Физико-химические свойства и химический состав попутно добываемых вод нефтяных месторождений широко освещены в литературе [23 – 27, 37, 48, 59, 66, 75, 91, 109, 118, 141, 142]. Ниже кратко изложены основные сведения о промысловых сточных водах, необходимые в условиях постановки настоящих исследований.

Нефтепромысловые сточные воды (НСВ) образуются на объектах добычи и подготовки нефти на промыслах и представляют собой смесь пластовых сточных вод (80-95 %), промышленных стоков (4-15 %) и ливневых вод (1-3 %) [91]. Определяющими физико-химические свойства НСВ являются подтоварная вода (ПСВ).

Минерализация подтоварной воды для различных районов изменяется от 15 до 300 г/л; плотность гидрокарбонатнонатриевых (щелочных) пластовых вод не превышает 1,07 г/см3, а хлоркальциевых (жестких) достигает 1,2 г/см3; содержание растворенных газов 15-180 л/м3; активная реакция (рН) 4-8; прозрачность 0-5 см по Снеллену; цветность - от бледножелтой до темно- коричневой. Вязкость в зависимости от температуры и концентрации дисперсной фазы в воде изменяется от 0,7 10-3 до 2 10-3 Пас;

поверхностное натяжение на границе раздела фаз «нефть-вода» низкое, в пределах 0,01-0,014 Н/м, что обусловлено наличием в воде поверхностноактивных веществ. Температура подтоварной воды в зависимости от температуры пласта и технологии подготовки нефти составляет 10-70 °С, а в отдельных случаях достигает до 80 °С [141, 142].

Нефть в нефтепромысловой сточной воде может находиться в различном состоянии: растворенном до 10 мг/л, эмульгированном до 500-600 мг/л, плавающем до 10000 мг/л и в отдельных случаях может до нескольких десятков граммов на литр. В подтоварной воде в основном содержатся частицы нефти (84-97,5 %) размером не более 10 мкм. Встречаются частицы взвеси размером 95-115 мкм (0,3 %) [48, 123]. Например, на промыслах ОАО «Татнефть» фракционный состав частиц нефти в воде представлен частицами размером до 10 мкм (55-73 %), 10-30 мкм (18-27 %), 30-90 мкм (4-19 %) и более 90 мкм (3-5 %) [123], но основная масса частиц нефти (60-85 %) имеет размер 5-15 мкм [48].

Механические примеси образуются, в основном, в результате нарушения солевого равновесия, коррозии металлов, окисления закисного железа и вносятся с технической водой. Содержание механических примесей составляет 80 - 1000 мг/л, а фракционный состав представлен частицами размером до 10 мкм (90-99 %). Встречаются частицы взвеси размеров 95-115 мкм (0,3 %) [48, 123].

Согласно литературным данным, вокруг частиц нефти, содержащихся в НСВ, образуются адсорбционные (бронирующие) оболочки. Состав оболочек отличается разнообразием, и в них входят: асфальтены, смолы, парафины, соли нафтеновых кислот и тяжелых металлов, твердые частицы минеральных и угленосных примесей состоят в основном из глины (аргелиты), алевролитовых, мергелевых и кварцевых песчинок размером не более 10-15 мкм. В формировании оболочки основную роль играют растворенные коллоидные и тонкодиспергированные примеси, содержащиеся в НСВ. При этом происходит увеличение механической прочности оболочек; НСВ становится более устойчивой и плохо разделяется отстаиванием. Происходит ее «старение» в начальный период - интенсивно, постепенно замедляется и часто через сутки прекращается. Например прочность адсорбционных пленок на границе «нефть-вода» по удельному давлению для девонских нефтей достигает 500-700 дин/см2 (0,8 Н/м2); при температуре 200С и времени старения 1-24 ч прочность в пределах 600-1100 дин/см2 (0,6-1,1Н/м2) [141, 142]. Устойчивость НСВ понижается с повышением температуры, это объясняется изменением плотности, вязкости фаз и уменьшением прочности адсорбционных оболочек, что способствует коалесценции капель нефти, расслоению НСВ. Увеличение рН воды так же приводит к снижению прочности оболочек, что также способствует коалесценции, расслоению НСВ.

В связи с этим можно заключить, что стойкость эмульсии зависит от физико-химического свойства содержащейся в воде нефти. В таблице представлены основные параметры нефти России.

–  –  –

Если поверхность раздела «нефть-вода» уменьшается под действием поверхностного натяжения (), то капли НСВ расслаиваются. Чем меньше, тем меньше интенсивность коалесценции капель нефти и расслоения НСВ.

При 1 дин/см образуется стойкая эмульсия. В НСВ поверхностное натяжение на границе «нефть-вода» достигает 5-19,4 дин/см [23, 91].

В формировании различных типов и стойкости НСВ, упрочнении оболочек частиц дисперсной фазы существенную роль играют твердые механические примеси (взвешенные вещества) - эмульгаторы, которые образуются в результате суффозии минералов из продуктивных пластов при добыче нефти, загрязнения продукции скважин утяжеленными глинистыми растворами, баритом, продуктами коррозии, осадка гидрата окиси железа;

последний находится в НСВ в виде хрупких хлопьевидных пластинок размером от микрона и меньше до 1 мм. Твердые механические примеси НСВ имеют различные плотность, форму, смачиваемость в воде и нефти и могут находиться как в составе содержимого оболочек, так и в адсорбированном состоянии на поверхности частиц дисперсной фазы, стабилизируя их, обуславливая большую стойкость НСВ.

НСВ относят к тонкодисперсным системам по основному количеству капель, содержащихся в них, но в них содержатся также капли грубодисперсные (100-1000 мкм) и коллоидные (1-0,001 мкм), в целом НСВ полидисперсны. Уменьшение размеров капель приводит к стабилизации и увеличиванию кинетической устойчивости НСВ. Высокая стойкость НСВ наблюдается даже при значительно больших размерах капель нефти (20-30 мкм и более) вследствие стабилизации капель или адсорбции примесей на поверхности капель, а также при относительно небольшой концентрации капель нефти, характеризующейся как следствие, малой вероятностью столкновения капель и низкой эффективностью коалесценции капель. В связи с этим разбавленные эмульсии, в которых содержание нефти составляет не более 100-1000 мг/л, могут быть практически устойчивы даже при отсутствии специальных эмульгаторов или при действии слабых стабилизирующих факторов [66].

В НСВ могут содержаться растворенные газы: азот, сероводород, углекислый газ, кислород, метан, этан, пропан и др. в количестве 15-180 л/м3 воды.

Загрузка...
При отведении и очистке НСВ из 1 м3 воды выделяется 6-25 л газов; а в открытых очистных сооружениях 6-100 л из 1 м3 воды за время от нескольких часов до двух суток.. В НСВ отстойников, работающих под давлением 2-6 кгс/см, содержится в 3-4 раза больше газа, чем в НСВ из безнапорных нефтяных резервуаров [91]. Растворенные газы ухудшают санитарное состояние среды, взрывоопасны, повышают агрессивность воды к металлу, бетону, могут быть использованы для флотационной очистки НСВ [91].

В НСВ содержатся также различные ПАВы - деэмульгаторы (ионогенные, неионогенные, водорастворимые и нефтерастворимые), которые добавляются в сырую нефть в системах добычи и подготовки нефти.

Применение водорастворимых деэмульгаторов способствует образованию тонкодисперсной НСВ, трудно поддающейся очистке.

Практически все НСВ имеют супсензионно-эмульсионный характер и относятся к полидисперсным микрогетерогенным системам. Свойства их, особенно состояние бронирующих оболочек на каплях дисперсной фазы определяют методы разрушения и очистки НСВ.

1.2 Требования к очистке воды для систем поддержанияпластового давления

С развитием [20] системы ППД, изменением представлений о существе процессов изменились и требования к качеству закачиваемой воды.

В 1947 г. в нефтяной промышленности фактически без привязки к коллекторским свойствам пласта были установлены временные нормы, согласно которым:

- содержание ТВЧ не должно было быть более 1 мг/л;

- растворенного кислорода – до 1 мг/л;

- железа (на устье скважины) – до 0,5 мг/л;

- общая щелочность – не более 50 мг.

В 1961 г., учитывая опыт закачки воды в пласты различных месторождений, требования были изменены:

- содержание ТВЧ допускалось до 2 мг/л;

- нефтепродукты должны отсутствовать;

- содержание железа до 0,5 мг/л;

- содержание кислорода не регламентировалось;

- умягчение воды не требовалось.

В дальнейшем было признано, что к нормированию качества воды следует подходить дифференцированно в зависимости от местных условий и коллекторских свойств пласта.

Требования к нефтепромысловым сточным водам как рабочему агенту для заводнения предъявляются по трем основным показателям: содержанию эмульгированной нефти (нефтепродуктов) и частиц твердых механических примесей, микробиологической и химической совместимости ее с пластовой водой и породой коллекторов. Из-за разнообразия характеристик и свойств пластов нефтяных месторождений до сих пор нет единых нормативных требований, регламентирующих содержание в воде нефти, механических примесей и других показателей воды.

В настоящее время практически каждое нефтедобывающее предприятие руководствуется своими собственными временными нормами, исходя из тех или иных экономических соображений, которые можно в целом выделить в две группы. Первая - максимально длительное использование заводнения с минимальными темпами снижения приемистости скважин и достижение максимально возможного коэффициента охвата пласта. Вторая - нормирование на основе реальных темпов затухания приемистости скважин в зависимости от качества воды, стоимости ремонтов, стоимости электроэнергии и объемов недозакачанной воды, т.е. подход, напрямую не связанный с конечным значением нефтеотдачи пласта.

Основные требования по качеству подготовки воды соответствуют отраслевому стандарту ОСТ 39-225-88 «Вода для заводнения нефтяных пластов. Требования к качеству» (таблица 2).

–  –  –

В данном стандарте жестко регламентируется допустимое содержание в воде нефти и механических примесей, в зависимости от проницаемости пористой среды коллектора. К сожалению, на текущий момент все выпускаемое отечественными предприятиями оборудование не может подготовить воду до наиболее жестких требований стандарта, т.е.

допустимое содержание в воде механических примесей до 3 мг/л, нефти до 5мг/л.

1.3 Существующие схемы подготовки попутно добываемых пластовых вод к закачке Для подготовки сточных вод на промыслах используют схемы открытого и закрытого типа.

До недавнего времени исключительно широкое распространение имели установки подготовки пластовых сточных вод открытого типа, которые долго еще будут эксплуатироваться на старых площадях месторождений.

[20]. Схема водоподготовки открытого типа позволяет очищать пластовые ливневые сточные воды в одном потоке независимо от состава, давления и газонасыщенности воды, а также совместно закачивать их в нагнетательные скважины. Обычно ее рекомендуют использовать для сточных вод с большим содержанием сероводорода и углекислого газа, а кроме того, для более глубокой очистки воды от капелек нефти и механических примесей. Однако на сооружение нефтеловушек и прудов-отстойников затрачиваются значительные средства. Кроме того, в результате контакта с кислородом воздуха увеличивается коррозионная активность воды.

На практике наиболее широкое применение нашли закрытые системы очистки, которые позволяют интенсифицировать процесс подготовки воды с применением отстоя и фильтрования под давлением, существенно снизить агрессивность сточной воды путем исключения ее контакта с кислородом воздуха, использовать остаточное давление, существующее в системе подготовки нефти. К недостаткам закрытых систем относится необходимость строительства блока для параллельной очистки поверхностных ливневых стоков.

Ранее, в 70-х годах, например, на промыслах Башкирии, подготовку сточных вод производили отстаиванием и фильтрацией через песчаные фильтры [41]. В настоящее время используют только отстой. Применяются отстойники различных конструкций: напорные горизонтальные (200 м 3) и вертикальные (до 10000 м3).

Расчеты эффективной работы промышленных отстойников базировались на определении скорости всплывания глобул нефти размерами 50-80 мкм и оседания взвешенных веществ размерами 20-30 мкм [45, 47].

Однако практика показывает, что ориентироваться надо на меньшие размеры, которые необходимо определять экспериментальным путем.

Следует кратко остановиться на зарубежном опыте подготовки нефтепромысловых сточных вод.

В современной зарубежной практике обычно применяют две основные технологические схемы: с использованием индукционного газового флотатора (рис. 1) и с гидроциклонами (рис. 2) [49 – 51].

1 – горизонтальный отстойник; 2 – пластинчатый сепаратор;

3 – индукционный газовый флотатор; 4 – двухслойные фильтры Рис.1 - Схема очистки попутной воды с индукционным газовым флотатором

–  –  –

При работе по схеме с флотатором (рис. 1) попутная вода сначала поступает в горизонтальный отстойник, в котором полностью отделяются частицы нефти с размером dн 150 мкм. Далее попутная вода с содержанием нефти 2500 мг/л и взвешенных веществ 100 мг/л поступает в пластинчатый сепаратор, где в качестве пластинок используются гофрированные плиты из пластмассы со стеклом или из нержавеющей стали, плиты имеют угол наклона 45о. Критерий Рейнольдса поддерживается Re 1400, скорость воды между пластинками –Wв 20 см/с. Сепаратор удаляет частицы нефти dн 60 мкм, время пребывания жидкости в аппарате 20-50 мин.

Из сепаратора вода с содержанием нефти 200 мг/л поступает в индукционный газовый флотатор, где насыщается нефтяным газом при помощи циклотурбин. Последующее разгазирование приводит к образованию мелких пузырьков газа размером 30-120 мкм, которые флотируют нефть и взвешенные вещества. Время пребывания жидкости во флотаторе составляет 20-40 мин. Гидравлическая нагрузка составляет 0,56 м/ч без применения коагулянтов и 0,976 м/ч с коагулянтом для флотатора прямоугольной формы и 4,88 м/ч и 9,76 м/ч для флотатора цилиндрической формы соответственно. Коэффициент расхода газа по взвешенным веществам составляет 0,02 - 0,1 кг газа/ кг взвешенных веществ. Обычно добавляют 20-150 мг/л коагулянта и 1-5 мг/л флокулянта. Флотатор секционирован на 5 камер, в 4-х из которых установлены циклотурбины с многолопастными роторами. Пятая камера используется для дегазации потока.

Попутная вода из флотатора с содержанием нефти 25 мг/л и взвешенных веществ 10 мг/л после добавления полиэлектролита поступает в двухслойные фильтры. Фильтры представляют собой сосуды под давлением, содержащие слой антрацита размером 750 мкм над слоем более мелкого гранита (250 мкм). Нагрузка на фильтр по воде составляет от 25 до 80 м3/(м2ч). Время подключения фильтра в рабочий цикл составляет 8-12 час, после чего фильтр подвергается обратной промывке. Вода на выходе имеет следующие характеристики: содержание эмульгированной нефти – 5 мг/л;

растворенной нефти – 5 мг/л; взвешенных веществ – 2 мг/л. В случае необходимости очистки до 1 мг/л применяются фильтры со сменными полипропиленовыми элементами.

При очистке попутной воды гидроциклонами (рис. 2) жидкость сначала поступает в трехфазный сепаратор, откуда с содержанием нефти 2500 мг/л и взвешенных веществ 100 мг/л – в цепь гидроциклонов (2 – для отделения нефти от воды и 1 – для отделения взвешенных веществ). Гидроциклоны обычно работают под давлением 1-2 атм., удаляют частицы нефти dн 5-10 мкм. После гидроциклонов вода содержит 5-10 мг/л нефти и 2-5 мг/л взвешенных веществ.

–  –  –

В мировой практике водоотведения известны следующие методы очистки нефтесодержащих сточных вод:

механическая очистка (отстаивание, фильтрование, центрифугирование);

- физико-химическая очистка (флотация, коагуляция, флокуляция и сорбция);

- химическая очистка (хлорирование, озонирование);

- биологическая очистка.

Так как химическая и биологическая очистки применяются в основном для очистки канализационных стоков, то в данной работе не рассматриваются.

Механические методы. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65 %, а из некоторых производственных сточных вод - на 90-95 %. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом очистки, поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами [92].

Механические способы очистки основаны на процессах отстаивания и фильтрования грубодисперсных примесей, находящихся в потоке очищаемой жидкости. Для этого очищаемую жидкость пропускают через решетки сложной конструкции и сита.

При необходимости отделения от потока воды веществ имеющих меньшую плотность, к примеру, масло или нефть, применяют процесс гидростатического отстаивания, при котором производит всплытие и осаждение частиц с меньшей и большей плотностью соответственно.

Применение же механической очистки как самостоятельного метода целесообразно в случае низких требований к качеству очищаемой воды. В других случаях этот способ может быть использован только в качестве первой ступени очистки [40]. Особенностью механических способов очистки является высокая производительность при относительно низкой себестоимости, что важно при условиях сброса воды на площадках кустов добывающих скважин.

К механическим способам очистки относятся песколовки, отстойники (статические, динамические, тонкослойные трубчатые и пластинчатые), гидроциклоны (напорные, безнапорные, центрифуги), фильтры (микрофильтры, каркасные фильтры, с каркасной загрузкой) [40, 92]. Из механических методов очистки наибольшее применение нашло отстаивание, в меньшей мере – фильтрование и центрифугирование.

Гравитационное разделение. Применяются отстойники различных конструкций: напорные горизонтальные (до 200 м3) и вертикальные (до 10000 м3) [87]. Технико-технические параметры отстойников и технологий известных фирм производителей, используемых в производственном процессе, представлены в таблице 3.

Как видно из представленных выше технико-технологических характеристик, из динамических отстойников хорошие показатели по качеству подготавливаемой пластовой воды имеют аппараты АГОВ компании ООО НПП «Контекс» и ОВМ фирмы ЗАО НТК «МодульНефтеГазКомплекг».

–  –  –

Также хорошие показатели у аппаратов ОГВ-Г производства ОАО «Салаватнефтемаш», но применение в нем в качестве фильтрующего элемента чистой нефти обязывает к повышенному контролю за режимом работы аппарата и таким образом ставит под сомнение его автономную работу. Аппараты ОВК компании ООО НПП «Контекс» и ОВ компании ОАО «Курганхиммаш» показывают приемлемые результаты по качеству очищаемой воды, но их показатели хуже упомянутых выше и поэтому их применение зависит от требований заказчика по качеству очистки воды.

Тонкослойные отстойники менее распространены в нефтяной промышленности и среди отечественных производителей можно выделить компанию ЗАО НТК «МодульНефтеГазКомплект» с аппаратом ОВТ с гарантией подготовки воды по содержанию механических примесей до 30 мг/л. Значительный интерес вызывает разработка компании Facet, предлагающая проводить подготовку воды с помощью специализированной насадки М-РАК®. Насадка может устанавливаться, как в трубный вариант, так и в емкостной. Размеры насадки (расстояние между полками и их геометрические характеристики) определяются производителем по запросу.

При этом производитель гарантирует качество подготавливаемой воды, как по содержанию нефтепродуктов, так и по содержанию механических примесей на уровне не более 10 мг/л.

Если рассматривать резервуары, то в настоящее время на нефтяных промыслах применяют два типа: РВС-5000 с лучевым распределителем и РВС-10000 с колпачковым устройством распределения потока жидкости (УРПЖ). В РВС-10000 отбор уловленной нефти производится с 9 м при высоте «нефтяной подушки» 3-4 м, в РВС-5000 – с 6-8 м при высоте «нефтяной подушки» 1-2 м [52, 54, 55]. Паспортное время пребывания жидкости в отстойниках составляет 8 час (при принятом размере капель нефти 80 мкм), фактическое (по нашим данным) для РВС-5000 – 3,5 час, для РВС-10000 – 2,3 час. По проектной документации степень очистки пластовых вод в резервуарах-отстойниках составляет: по нефти – до 30-50 мг/л; по взвешенным веществам – до 20-40 мг/л. Фактическое экспериментально [87] определенное содержание примесей до и после очистки приведено в табл. 4.

–  –  –

Из данных табл. 4 видно, что очистные сооружения на промысле не обеспечивают необходимой степени очистки ни для использования сточной воды в системе поддержания пластового давления, ни для последующей переработки ее на ценные компоненты. Причины неудовлетворительной работы отстойников заключаются в неправильно заданном гидродинамическом режиме.

Разделение с помощью центробежной силы. Для интенсификации механического выделения дисперсных примесей из нефтесодержащих сточных вод можно применять центрифугирование. В его основе лежит процесс разделения суспензий и эмульсий в поле центробежных сил.

Центрифугирование может быть осуществлено в аппаратах, называемых центрифугами и гидроциклонами (рис. 3).

–  –  –

Рис.3 - Аппараты, в которых процесс разделения основан на центробежной силе В центрифугах вращательное движение жидкости передается от вращающихся с большой скоростью элементов механизма, в гидроциклонах оно обеспечивается потоком жидкости, поступающей на разделение через тангенциально расположенный входной патрубок. Центрифуги наибольшее применение получили при сгущении суспензий высокой концентрации, и в технологии очистки сточных вод их целесообразно применять для обезвоживания осадков.

Гидроциклон - один из типов сепарационных устройств, который широко применяется для решения таких задач. Существует множество конструкций гидроциклонов (статические и динамические) [136].

К статическим гидроциклонам относят аппараты, в которых вращательное движение жидкости обеспечивается потоком жидкости, поступающей на разделение через тангенциально расположенный входной патрубок. Из большого многообразия конструкций гидроциклонов можно выделить четыре основные группы аппаратов:

Конические гидроциклоны (открытые и закрытые), 1.

предназначенные главным образом для разделения грубых суспензий.

Цилиндроконические гидроциклоны, применяемые для 2.

осветления, сгущения, обогащения, классификации.

Цилиндрические (прямоточные и противоточные) гидроциклоны 3.

используемые чаще всего для проведения процессов двухфракционной или многофракционной классификации, осветления и сгущения суспензии.

При необходимости увеличения общей производительности единичные гидроциклоны объединяют в батареи (рис.4), причем количество элементов в батареях может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен штук (мультугидроциклоны) Батареи гидроциклонов [34, 67, 77, 115].

изготавливаются в виде одноярусных или многоярусных секций с блочным или поэлементным расположением аппаратов при круговом и линейном размещении их относительно главной оси батареи.

Рис.4 - Батарейный гидроциклон

Но наиболее перспективными являются динамические гидроциклоны, которые имеют множество преимуществ перед статическими (напорными цилиндроконическими) гидроциклонами, например, более высокую производительность, широкий ряд технологических режимов [2]. В динамических гидроциклонах вращательное движение жидкости обеспечивается потоком жидкости, «разгонными» вращающимися устройствами.

В технической литературе [137 – 143] встречаются лишь отдельные фрагменты-упоминания о подобных аппаратах, но к ним можно отнести:

Турбоциклоны - аппараты гидроциклонного типа с «разгонными»

1.

вращающимися устройствами (турбниками) (рис.5);

Роторные гидроциклоны с вращающейся со скоростью потока 2.

стенкой корпуса (рис.6).

–  –  –

Различия между наиболее традиционными статическими (напорными цилиндроконическими гидроциклонами) и динамическими гидроциклонами существенны.

Первое отличие заключается в способе образования вращательного движения потока. В гидроциклоне статического типа – за счет энергии потока при его тангенциальном вводе, в гидроциклонах динамического типа за счет механического принудительного закручивания с помощью вращающегося устройства.

От расположения выхода потока из гидроциклона (1 - точечный центральный, 2 - распределенный, 3 - так же центральный) зависит профиль тангенциальной скорости потока, что влияет на эффективность разделения несмешивающихся жидкостей, но так же и накладывает определенные ограничения на размеры капель дисперсной фазы в исходной жидкости. В первом случае интересна подкупающая простота конструкции и возможность использования для создания необходимого подпора гидроциклона типовых насосов. Во втором случае – сложное устройство, обеспечивающее закрутку потока за счет вращения непосредственно канала, в котором движется поток.

Но с другой стороны, необходимость иметь малые размеры самих напорных гидроциклонов (в силу ряда причин, которые будут рассмотрены ниже), собирая их в пакеты (мультигидроциклон) с малым временем пребывания потока в закрученном состоянии и возможность пребывания потока в ротационных гидроциклонах в течение нескольких секунд и десятков секунд.

Иными словами, необходимо внимательно оценить положительные и отрицательные стороны гидроциклонного оборудования с позиции использования гидроциклонов для извлечения из воды эмульгированной нефти в концентрациях менее 1 % или, по-другому, с позиции очистки нефтепромысловых вод.

В целом, авторы [116] заключают, что гидроциклоны сложных конструкций (динамические гидроциклоны) не имеют существенных преимуществ по сравнению с обычными цилиндроконическими гидроциклонами и центрифугами. Сравнение технологий, в которых процесс разделения основан на центробежной силе, представлено в таблице 5.

–  –  –

А.Д. Бочков н В.И. Батуров [44], проведя исследование технологических показателей цилиндроконических гидроциклонов (статических) и турбоциклонов(динамических), делают следующий вывод: качество осветления и степень сгущения, полученные в турбоциклоне лучше, чем у типовых гидроциклонов и производительность последних выше.

Обычно турбоциклоны применяются в режиме подачи исходной суспензии самотеком, Вместе с тем в реальных производственных условиях часто возникает необходимость проведения разделительного процесса, когда имеющегося в наличии рабочего давления и коммуникациях технологических линии явно недостаточно для стабильной работы напорных 105 Па). Кроме того, в некоторых производствах гидроциклонов (Рвх 0,5 требуется обработка малых количеств суспензий при нестабильной подаче рабочей среды на разделение. Иногда задача ставится так: либо установка дополнительного насосного оборудования (что не всегда осуществимо, а при малых расходах экономически нецелесообразно) и применение напорных гидроциклонов, либо проведение процесса в турбоциклоне. Сравнительной технико-экономической оценки работы гидро- и турбоциклонов в условиях их включения в низконапорные нагнетательные линии (Рвх 0,5 105 Па) не проводилось.

Таким образом, имеющихся в технической литературе данных по результатам сравнительных исследований статических и динамических гидроциклонов явно недостаточно для какого-либо окончательного суждения о технологических возможностях динамических гидроциклонов.

Физико-химическая очистка. Из физико-химических методов серьезное внимание привлекает флотация, которую иногда относят и к механическим методам. Важную роль при очистке нефтесодержащих вод выполняют коагуляция и флокуляция. В отдельных случаях используется сорбция с применением активированных углей.

Коагуляция. Под коагуляцией понимается процесс образования в системе из мелких частиц более крупных агрегатов, легко удаляемых из воды механическими методами.

В качестве коагулянтов наибольшее распространение получили сульфаты, хлориды алюминия и железа, а также их смеси в различных соотношениях.

В качестве товарных коагулянтов при очистке производственных сточных вод в нашей стране больше всего применяются: сульфат алюминия;

сульфат двухвалентного железа. При использовании в качестве коагулянта солей железа (II) необходимо применять известь и хлор для окисления железа до трехвалентного. В противном случае сильно замедляется хлопьеобразованне.

Существенным недостатком использования солей железа (II) в качестве коагулянта являются коррозионная активность растворов, большой расход хлора и необходимость тщательного дозирования применяемых реагентов.

Незначительные отклонения в дозировках приводят к существенному нарушению технологического режима, обусловленному неполным окислением железа, и, как следствие, к неполному протеканию гидролиза. В результате этого наблюдаются проскоки железа (II), благодаря чему повышается цветность и мутность воды. При применении в качестве коагулянта солей железа отдают предпочтение солям железа (III). Поэтому обычно двухвалентное железо окисляют до трехвалентного.

Поскольку степень гидролиза солей железа (III) больше, чем солей железа (II), то процесс хлопьеобразования протекает интенсивнее. При этом формируются крупные, легко оседающие хлопья гидроксида железа, и очистка достигается при значительно меньших дозах коагулянта.

Дозы коагулянтов в каждом отдельном случае устанавливаются экспериментальным путем.

Большой эффект при очистке воды дает применение коагулянтов, представляющих собой смесь солей алюминия и железа. При очистке воды смешанным коагулянтом даже при низкой температуре не наблюдается «отлежки» (осадков оксида железа), что обусловлено образованием и осаждением хлопьев до фильтров. Хлопья осаждаются равномернее, чем в случае применения коагулянтов порознь, и в отстойниках достигается более полное осветление. Эффект обработки воды при температуре 20 °С смешанным коагулянтом близок эффекту коагуляции сульфатом железа при 50 °С и сульфатом алюминия при 80 °С.

Флокуляция. Под флокупяцией понимается процесс хлопьеобразования с помощью некоторых высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами. Достоинство флокулянтов заключается в том, что они не увеличивают солесодержания стока, что особенно значимо при очистке нефтесодержащих сточных вод. Флокулянты представляют собой растворимые в воде линейные полимеры, состоящие из большого числа групп, с длиной цепочки до 1 мкм. Относительная молекулярная масса флокулянтов может достигать нескольких миллионов. По происхождению флокулянты могут быть неорганические, природные высокомолекулярные вещества и синтетические органические полимеры. При растворении в воде одни из них диссоциируют на ионы, а другие нет.

С этой точки зрения флокулянты делятся на группы:

- неионогенные (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилнитрил и др.);

- анионные (активная кремневая кислота, полиакрилат натрия, лигносульфонаты и др.);

- катионные (полнэтиленамин, четвертичные аммониевые соли на основе полистирола и поливннилтолуола: BA-2, BA-3, BA-102, ВА-212);

- амфотерные. т.е. содержащие одновременно анионные и катионные группы (полиакриламид, белки и др.).

Для очистки нефтесодержащих сточных вод наибольшее распространение получил полиакриламид, который, как правило, используется совместно с электролитами-коагулянтами, чаше всего с сульфатом алюминия или хлоридом железа (III).

Эффективность флокулянтов и коагулянтов существенно возрастает при их совместном применении в процессе очистки сточных вод. При этом дозировка флокулянтов в десятки или даже в сотни раз меньше, чем коагулянтов. Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Их дозы принимаются обычно в пределах 0,1-10 г/м.

Также эффективность применения флокулянтов зависит от условий и места введения их в дисперсионную среду. Большое значение имеет последовательность введения реагентов. Так, введение флокулянта рекомендуется производить через 0,5-5 мин после введения коагулянта. При этом должно обеспечиваться быстрое и равномерное смешивание полимера с обрабатываемой водой с образованием прочных и крупных хлопьев, легко отделяемых от воды. Для равномерного и быстрого распределения флокулянтов используют интенсивное перемешивание, предотвращая возможность деструкции полимеров.

Выделение хлопьевидных примесей из нефтесодержащих вод осуществляется путем отстаивания, фильтрования и напорной флотации.

Сорбция. Сорбция издавна применяется как эффективный метод очистки вод. Она представляет собой метод глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой. Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения.

В широком понимании сорбция представляет собой процесс поглощения веществ из той или иной среды с помощью других веществ, называемых поглотителями или сорбентами. Различают три разновидности сорбции: адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию. При адсорбции поглощение осуществляется поверхностью твердого или жидкого сорбента, при абсорбции - всей массой жидкого сорбента. Сорбция (адсорбция, абсорбция), сопровождаемая химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией. Для очистки воды от нефтепродуктов основное практическое значение имеет адсорбция.

При адсорбции молекулы растворенного вещества из жидкости под действием силового поля поверхности переходят на поверхность сорбента.

Сила, с которой удерживается извлеченное из воды вещество на поверхности сорбента, определяется разностью двух сил межмолекулярного взаимодействия: 1) молекул извлекаемого растворенного вещества с молекулами (атомами) поверхности сорбента и 2) молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе вследствие гидратации. Чем больше энергия гидратации поверхности молекул извлекаемого вещества, тем слабее адсорбируется вещество из раствора.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 
Похожие работы:

«Осколков Илья Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ (на примере предприятий машиностроения) Специальность 08.00.05 – Экономика и управление...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.