СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРИ ПОМОЩИ ДИОКСИДА ХЛОРА ПЛАСТОВОЙ ВОДЫ И ТЕКУЧИХ СРЕД ДЛЯ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
METHOD AND SYSTEM FOR THE TREATMENT OF PRODUCED WATER AND FLUIDS WITH CHLORINE DIOXIDE FOR RE-USE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Данное изобретение в целом относится к способам и системам для обработки пластовой воды, связанной с бурением, перекачкой и добычей газа и нефти, включая, но без ограничения этим, способ гидравлического разрыва. В частности данное изобретение относится к улучшенным способу и системе обработки пластовой воды, воды обратного притока, исходной воды или других промышленных водных текучих сред с целью уменьшения загрязнения и приведения обработанной воды в соответствие со стандартами с тем, чтобы обработанную воду можно было повторно использовать для гидравлического разрыва.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] При добыче нефти и газа в качестве части всего процесса используется огромное количество воды. Главный интерес представляет собой большое количество воды, применяемой для образования трещин в нефтяных или газовых скважинах с целью увеличения добычи из заданной формации. Вода, применяемая в этом процессе, не должна содержать загрязнений, которые могут отрицательно влиять на эффективность процесса гидравлического разрыва. В частности углеводородсодержащие металлы, неорганические загрязнения или ионы металлов, фосфаты, летучие органические соединения (VOC), общее количество растворенных твердых веществ (TDS) и другие загрязнения могут отрицательно влиять на эксплуатационные качества полимеров, применяемых для уменьшения трения и/или удержания песка во взвешенном состоянии. Кроме того, большое значение имеет уменьшение или устранение бактериального загрязнения, которое может ухудшить эксплуатационные качества полимера и/или загрязнить производящую формацию. Например, бактериальное загрязнение формации может стать причиной закупорки или снижения добычи и привести к образованию сероводорода, отрицательно влияющего на эксплуатационные качества скважины и ценность произведенного продукта. В данном изобретении предложен процесс для обработки пластовой воды и для выполнения стандартов, обеспечивающий возможность повторного использования обработанной пластовой воды в последующем процессе гидравлического разрыва.
[0003] В уровне техники исследованы и известны различные способы и системы обработки пластовой воды. Примером таких технологий является обратный осмос, микрофильтрация, электрокоагуляция и т.д. Эти технологии имеют строгие ограничения в отношении различных загрязнений, с которыми они могут сталкиваться на протяжении одного этапа, и требуют высоких эксплуатационных расходов при сравнительно низкой скорости обработки. Например, хотя обратный осмос (RO) эффективен при устранении ионных примесей, углеводородные загрязнения могут серьезно закупорить и/или повредить мембрану обратного осмоса (RO), так что в промышленном масштабе соответствующая технология становится нереальной. Аналогично наличие определенных катионов и анионов может вызывать засорение, образование накипи или другие виды помех.
[0004] Сточные воды, связанные с добычей нефти, т.е. промысловые воды, в целом состоят из двух первичных источников: воды обратного притока и пластовой воды. Как правило, из-за слишком большого содержания примесей и бактерий повторное использование этих вод затруднительно. В частности промысловая вода и текучие среды (или трещинная вода) для гидроразрыва могут быть загрязнены, например, бактериями, имеющимися в формации органическими веществами естественного происхождения, органическими химикатами для обработки (например, загустителями, стабилизаторами эмульсий и т.д.) и технологическими химикатами (например, агентами, уменьшающими образование осадков, понизителями трения, антикоррозийными химикатами, модификаторами рН и т.д.), и/или другими загрязнениями, что приводит к высокому общему процентному содержанию растворенных твердых веществ. Наличие этих загрязнений может помешать последующему повторному использованию воды, хранению и/или отведению (например, закачке в скважины для сброса пластовых сточных вод или отправке в муниципальные очистные сооружения).
[0005] Муниципальные очистные сооружения имеют дело с все более строгими нормативными требованиями в отношении сточных вод, связанных с гидравлическим разрывом, при этом выполнение этих требований связано с большими расходами. Аналогично в той мере, в которой загрязненную воду для гидроразрыва и промысловые воды хранят в промысловых ямах, открытых или отстойных бассейнах, высокий остаточный уровень полимеров и нагрузки по твердым веществам в этих ямах могут способствовать генерации большого количества сероводорода, вызывая проблемы, связанные с окружающей средой и безопасностью.
[0006] В последнее время производители переключаются на замкнутые системы в качестве предпочтительного способа обработки воды обратного притока и пластовой воды (т.е. повторно используют эти воды при последующих операциях). Сама по себе вода, применяемая при операциях гидравлического разрыва, часто представляет собой комбинацию пластовой воды и/или воды обратного притока, поверхностных вод и/или муниципальной воды (эта вода известна также как "смешанная вода"). Благодаря успешной обработке загрязненной пластовой воды в промежуточных отстойниках и резервуарах для хранения смешанная вода может содержать более высокий процент пластовой воды, чем обычно, что, в свою очередь, обеспечивает уменьшение расходов на утилизацию, расходов на свежую воду и уменьшение проблем, связанных с применением/повторным применением воды. Низкие расходы и простые технологии необходимы для того, чтобы процессы обработки без труда могли использоваться мелкими производителями или в отдельных производственных зонах.
2+
3+
[0007] Раскрываемый в данном документе процесс представляет собой дешевый, неожиданно эффективный способ обработки, хорошо работающий в сложных технологических условиях, связанных с пластовыми водами, получаемыми при добыче газа и нефти, например, имеющими высокое содержание одного или нескольких следующих веществ: кальция (Са), магния (Mg), бария (Ва), железа (двухвалентного железа Fe или трехвалентного железа Fe), марганца (Mn), а также углеводородов, сульфатов (SO4), общего органического углерода (ТОС), общего количества растворенных твердых веществ (TDS), летучих органических соединений (VOC) и бактериального загрязнения.
3
4
[0008] Раскрытые в данном документе способы и система позволяют уменьшить и/или эффективно устранить бактериальное загрязнение, углеводородсодержащие металлы, неорганические загрязнения или ионы металлов, фосфаты, VOC, TSS, TDS и другие загрязнения, получающиеся из сточных вод, образующихся при добыче нефти и газа, чтобы в конечном итоге уменьшить общее количество воды, прямо или косвенно используемой при добыче нефти, а также обеспечить возможность повторного использования обработанной пластовой воды в качестве текучей среды для гидроразрыва. В частности новый, высокоэффективный способ обработки и система, раскрытые в данном документе, являются чрезвычайно и неожиданно эффективными при обработке сильно загрязненной пластовой воды посредством удаления и/или уменьшения определенных неорганических загрязнений, например, Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, TDS, CaClO, SO, Ва, а также углеводородов, биологического загрязнения и других коллоидов. Кроме того, в результате регулировки физических и химических параметров процесса некоторые загрязняющие вещества можно выборочно задавать в качестве цели с большими скоростями удаления.
[0009] Уникальные химические и физические свойства диоксида хлора делают его идеальным для применения при обработке текучих сред для гидроразрыва. В качестве окислителя он может проникать в углеводороды и разрушать эмульсии, делая возможным отделение и извлечение углеводородов, а также уменьшение и/или устранение биологического загрязнения. Благодаря специфике диоксида хлора его окислительную способность может быть направлена на такие загрязняющие вещества, как сульфиды и остаточные полимеры без образования нежелательных побочных продуктов. Кроме того, в отличие от хлорной извести или хлора, диоксид хлора не приводит к образованию побочных продуктов хлорирования, которые могут вызвать проблемы, связанные с эксплуатацией или с окружающей средой.
[0010] Однако диоксид хлора (и/или хлорит) трудно регулировать, и при его изготовлении, обращении и хранении требуется соблюдать осторожность. Кроме того, диоксид хлора может потребовать больших затрат в зависимости от потребления диоксида хлора при обработке сточных вод и/или исходной воды. В разных вариантах осуществления изобретения используют окислительную способность диоксида хлора вместе с кислородом (или воздухом), чтобы получить неожиданные результаты, неожиданное увеличение эффективности и неожиданную производительность при обработке этих вод, недостижимые при современном уровне техники.
[0011] Кроме того, согласно некоторым различным вариантам осуществления изобретения комбинацию дезинфекции при помощи диоксида хлора и окисления применяют, чтобы обеспечить быстродействующую обработку сточных вод. Такие способы и системы приводят в результате к повышенной производительности диоксида хлора и к повышенной эффективности в отношении объемов обработанной воды, что обеспечивает уменьшение использования химикатов, энергии и уменьшение количества сточных вод, что в свою очередь приводит к уменьшению нагрузки на окружающую среду и к уменьшению расходов.
3
4
[0012] В соответствии с одним или несколькими такими вариантами осуществления изобретения применение диоксида хлора в замкнутой системе для обработки резервуаров, хранящих промысловую сточную воду или пластовую воду, имеет неожиданный потенциал по уменьшению бактериального загрязнения, Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, TDS, CaClO, SO, Ва, нефти, смазки и их комбинаций с обеспечением, таким образом, уменьшение расходов на обработку, утилизацию текучих сред и добавляемой воды (путем обеспечения возможности в большей степени использовать промысловые сточные воды в качестве текучей среды для гидроразрыва), а также уменьшение проблем, связанных с окружающей средой и безопасностью. В альтернативных вариантах осуществления диоксид хлора также может использоваться для предварительной обработки и дезинфекции текучих сред для гидроразрыва перед их использованием при добыче нефти и/или операциях гидроразрыва, включая, но без ограничения этим, поверхностную воду, пластовую воду, муниципальную воду, воду обратного притока, или любую их комбинацию.
[0013] Соответственно необходимо создать способы и системы обработки сточных вод, связанных с бурением, перекачкой и добычей газа и нефти (т.е. пластовой воды), для устранение недостатков, связанных с существующими способами обработки. В частности необходимо создать способы и системы для улучшенной обработки пластовой воды для повторного использования в качестве текучих сред для гидроразрыва.
[0014] Хотя для облегчения описания данного изобретения были рассмотрены определенные аспекты стандартных способов, данное изобретение никаким образом не отказываются от этих технических аспектов, при этом предполагается, что заявленное изобретение может включать в себя один или несколько рассмотренных в данном документе стандартных технических аспектов.
[0015] Если в этом описании имеется ссылка на документ, акт или предмет знания или соответствующее рассмотрение, то эта ссылка или рассмотрение не являются признанием того, что этот документ, акт или предмет знания или любая их комбинация на дату приоритета были общедоступны, общеизвестны, являлись частью общеизвестных сведений, или иным образом образуют уровень техники при соответствующих законодательных положениях, или заведомо относятся к попытке решить любую из проблем, рассматриваемых в данном описании.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] В одном аспекте данное изобретение относится к способу, включающему следующие этапы.
[0017] Этап 1. Пластовые текучие среды перемещают в емкость, обеспечивающей время пребывания от 30 до 60 минут.
[0018] Этап 2. Текучую среду извлекают при помощи насоса из первой емкости, пропускают через трубку Вентури и возвращают в первую емкость обработки. В трубку Вентури вводят воздух, чтобы обеспечить тонко разделенный и/или диспергированный воздушный поток, идущий обратно в первый резервуар. Кроме того, в обратную трубу вводят раствор хлорита натрия или комбинацию хлорита натрия и гидроокиси натрия, или оба этих химиката в качестве отдельных порций. Альтернативно, чтобы сделать возможным обеспечение наличия целевой смеси, могут добавить другое сырье. Питающий поток отбирают на уровне приблизительно 20% от дна емкости. Слив текучей среды осуществляют при помощи распределительной линии, расположенной на средней линии емкости. Первая емкость имеет средства снятия углеводородов или другого материала, имеющего низкий удельный вес, а также средства для удаления твердых частиц, имеющих высокую плотность.
[0019] Этап 3. Текучую среду подают из первой емкости к средней линии второй емкости. По трубопроводу перекачки вводят газ диоксида хлора. Дозировка диоксида хлора достаточна для получения остаточного содержания во второй емкости.
[0020] Этап 4. Время пребывания во второй емкости составляет приблизительно от 30 до 60 минут. Вторая емкость имеет нижний слив к третьей емкости. Вторая емкость имеет средства снятия материала флокулянта, имеющего низкий удельный вес.
[0021] Этап 5. Время пребывания в третьей емкости составляет приблизительно от 10 до 30 минут. Эта емкость имеет верхний слив в третью емкость или чистый резервуар. Кроме того, эта емкость имеет средства для удаления со дна емкости твердых частиц, имеющих высокую плотность.
[0022] Нижеприведенные термины, применяемые в данном документе, означают следующее значение.
[0023] Потребление или потребление диоксида хлора - количество диоксида хлора (или другого окислителя), расходуемого фоновыми химически активными загрязнениями (как неорганическими, так и органическими материалами) в данной пробе сточной воды (т.е. промысловой воды), текучей среды для гидроразрыва, текучей среды для обработки или других целевых текучих сред. Потребление диоксида хлора определяют, вычитая количество диоксида хлора, оставшегося по истечении определенного времени, из количества диоксида хлора, первоначально добавленного в систему.
[0024] Свободное остаточное содержание или остаточное содержание -количество диоксида хлора (или другого окислителя), имеющееся на данный момент времени для реакции с биологическими веществами после того, как были переработаны фоновые загрязнения (или "потребление"). Другими словами, количество диоксида хлора (или другого окислителя), имеющегося для бактериального контроля.
[0025] Биоцид - реагент, способный убивать живые микроорганизмы, обычно избирательно (его также называют бактерицидным агентом или антибактериальным препаратом).
[0026] Биологическое загрязнение - любой живой микроорганизм или побочный продукт живого микроорганизма, находящийся в сточных водах (т.е. в промысловых водах), текучих средах для гидроразрыва, текучих средах для обработки, в исходной воде или других целевых текучих средах.
[0027] Биологически эффективное количество - количество, контролирующее, убивающее или уменьшающее иным образом содержание микробов в сточных водах (т.е. в промысловых водах), текучих средах для гидроразрыва, текучих средах для обработки, исходной воде или других рассматриваемых целевых текучих средах.
[0028] Скважинная текучая среда или текучая среда для гидроразрыва - любая текучая среда, применяемая при бурении, заканчивании, ремонте и эксплуатации подземных нефтяных и газовых скважин. Как правило, она включает в себя подаваемую исходную воду (или неочищенную воду, или грунтовые воды, например, воду для гидроразрыва) плюс любые добавки.
[0029] Вода для гидроразрыва - подаваемая исходная вода, применяемая в процессе гидравлического разрыва от любого источника, в частности, поверхностные воды, муниципальная вода, обработанная вода обратного притока или обработанная пластовая вода.
[0030] Пластовая вода - вода, естественно залегающая в подземной формации и извлекаемая на поверхность в качестве части операции гидравлического разрыва или добычи нефти.
[0031] Вода обратного притока - утилизируемая текучая среда для гидроразрыва, которая течет назад на поверхность после закачки в подземную формацию в качестве части операции гидравлического разрыва или добычи нефти.
[0032] Промысловая вода - в контексте изобретения эта вода включает в себя пластовую воду, воду обратного притока и другие текучие среды, являющиеся побочными продуктами добычи нефти, гидроразрыва или других процессов нефтедобычи.
[0033] Кроме того, в контексте изобретения слова "содержит", "имеет" и "включает в себя", а также все соответствующие грамматические вариации в каждом случае имеют открытое, неограничивающее значение, которое не исключает дополнительные элементы или части узла или конструктивного элемента.
[0034] Специалисту в данной области техники без труда будут понятны отличительные признаки данного изобретения при прочтении нижеследующего описания вариантов его осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0035] Изобретение в частности показано и ясным образом определено в формуле изобретения, следующей после описания. Вышеупомянутые и прочие признаки и преимущества данного изобретения могут быть бет труда поняты из нижеследующего более подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками с прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
[0036] Фиг. 1 представляет собой схематический вид типичной водоочистной системы в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения.
[0037] Фиг. 2. представляет собой схематический вид другого варианта осуществления изобретения.
[0038] Фиг. 3. представляет собой схематический вид еще одного варианта осуществления изобретения.
[0039] Фиг. 4. представляет собой схематический вид еще одного варианта осуществления изобретения.
[0040] Фиг. 5. представляет собой схематический вид еще одного варианта осуществления изобретения.
[0041] Фиг. 6. представляет собой схематический вид еще одного варианта осуществления изобретения.
[0042] Фиг. 7. представляет собой схематический вид еще одного варианта осуществления изобретения.
[0043] Фиг. 8. представляет собой схематический вид еще одного варианта осуществления изобретения.
[0044] Фиг. 9 иллюстрирует один из вариантов осуществления изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0045] Для облегчения понимания принципов данного изобретения даны ссылки на варианты его осуществления, изображенные на чертежах, при этом при его описании используются специфические формулировки. Очевидно, что никаких ограничений объема изобретения это не означает, при этом предполагается, что специалист в области техники, к которой относится изобретение, может выполнить любые изменения и дополнительные модификации описанных вариантов осуществления изобретения, как и любые дополнительные применения описанных здесь принципов.
[0046] Используемая при этом терминология служит лишь для описания отдельных вариантов осуществления изобретения и не предназначена для его ограничения. Используемые формы единственного числа предполагают также включение форм множественного числа, если в контексте недвусмысленным образом не выражено обратного. Кроме того, ясно, что выражения "заключать в себе" (и любые его формы, например, "заключает в себе" и "заключающий в себе"), "иметь" (и любые его формы, например, "имеет" и "имеющий"), "включать в себя" (и любые его формы, например, "включает в себя" и "включающий в себя", и "содержать" (и любые его формы, например, "содержит" и "содержащий") представляют собой свободные глаголы-связки. Следовательно, способ или устройство, которое "заключает в себе", "имеет", "включает в себя" или "содержит" один или несколько этапов или элементов, содержит один или несколько этих этапов или элементов, но не ограничено содержанием только этого одного или этих нескольких этапов или элементов. Аналогично этап способа или элемент устройства, который "заключает в себе", "имеет", "включает в себя" или "содержит" один или несколько отличительных признаков, обладают одним или несколькими этими отличительными признаками, но не ограничены обладанием только этим одним или этими несколькими отличительными признаками. Кроме того, устройство или конструкция, конфигурированная определенным образом, конфигурирована по меньшей мере этим образом, но она может быть конфигурирована таким образом, который не перечислен.
[0047] Гидравлический разрыв и другие процессы, связанные с бурением на нефтяных месторождениях и с добычей нефти, требуют больших количеств воды и, в свою очередь, создают большие количества сточных вод. К тому же многие другие виды промышленной эксплуатации основаны на применении больших количеств воды и приводят к образованию больших количеств сточных вод, причем все эти воды требуют обработки. Эти отрасли, в частности, включают в себя сельское хозяйство, химическую, фармацевтическую, горную промышленность, покрытие металлом, текстильную, пивоваренную, пищевую промышленность, производство напитков и полупроводниковую промышленность. Наличие биологического загрязнения и других органических загрязняющих веществ приводит к уменьшению эффективности и может вызвать ущерб (т.е. коррозию, засорение, рост вредных бактерий). Аналогично воды, имеющие высокий уровень остаточного органического или биологического загрязнения, не подходят для использования в работах на нефтяных месторождениях и нуждаются в обработке, прежде чем их закачают под землю и введут в подземную формации.
[0048] В соответствии с вариантами осуществления данного изобретения с целью обработки промысловой воды (в том числе пластовой воды, воды обратного притока и поверхностной воды) можно использовать диоксид хлора, чтобы как снизить биологическую нагрузку, так и способствовать распаду в воде остаточного органического загрязнения. Например, но без ограничения этим, один или несколько вариантов осуществления изобретения могут использоваться для обработки пластовой воды или воды обратного притока, прежде чем ее отводить или повторно использовать. Как пластовая вода, так и вода обратного притока проявляют тенденцию к тому, чтобы иметь существенное содержание органических загрязняющих веществ (например, углеводороды нефти, масло и смазки, органические вещества, связанные с дизельным топливом, бензол, толуол, этилен, ксилол), полимеров (например, полиакриламиды), железа (Fe), VOC, неорганических переходных металлов или ионов металлов, взвешенных твердых частиц и других загрязнений.
[0049] В примерном варианте осуществления изобретения предлагаемый способ может использоваться в замкнутой системе непрерывного действия для обработки пластовой воды или воды обратного притока, прежде чем повторно использовать эту воду при последующей операции гидравлического разрыва. Однако, и все еще в соответствии с изобретением, эти способы также могут использоваться в качестве предварительной обработки воды для гидроразрыва, в частности, для предварительной обработки "на лету", прежде чем поместить воду в промежуточные отстойники, резервуары или отстойные бассейны, или в качестве части большого количества других различных систем на нефтяных месторождениях.
[0050] Например, один из вариантов осуществления представляет собой процесс обработки пластовой воды, обеспечивающий значительное уменьшение бактериального загрязнения, углеводородсодержащих металлов, неорганических загрязнений или ионов металлов, фосфатов, VOC, TDS и других загрязнений в сточных водах, возникающих при добыче нефти и газа, по сравнению с обычными способами обработки. Благодаря этому процессу окончательное содержание диоксида хлора в обработанной пластовой воде может составлять приблизительно от 0,1 до 50 мг/л, в результате обработанную пластовую воду можно повторно использовать, например, в качестве текучей среды для гидроразрыва, без необходимости применения дополнительных технологий обработки (например, систем обратного осмоса). В частности, предлагаемая система и способ привели к неожиданному и недостижимому в промышленных масштабах уменьшению содержания ионов металлов, в том числе железа, кальция, марганца, магния и бария.
[0051] В некоторых вариантах осуществления количество диоксида хлора, необходимое для обработки пластовой воды, значительно меньше того количества, которое мог бы ожидать специалист в данной области, и значительно меньше того количества, которое потребовалось бы, если диоксид хлора использовался отдельно, что также обеспечивает существенные финансовые и экономические выгоды при промышленном применении в широких масштабах.
[0052] На фиг. 1 показан один из вариантов осуществления замкнутой системы 150 обработки сточных вод в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Во время работы, и как показано в качестве примера на фиг. 1, неочищенная пластовая текучая среда 2 при помощи насоса 18 подается или поступает через входное отверстие 17 системы обработки в первую емкость 101 обработки. В частности, но без ограничения этим, как показано на фиг. 1, первая емкость 101 обработки представляет собой цистерну для гидроразрыва, установленную в местоположении добычи нефти и газа. Перед подачей в первую емкость 101 текучую среду 2 можно хранить в одной или нескольких цистернах 500 хранения для гидроразрыва (как показано на фиг. 1). В альтернативных вариантах осуществления текучую среду 2 можно подавать в первую емкость 101, например, непосредственно с грузовой машины, из насоса, ямы или колодца с использованием различных способов подачи и устройств, известных в данной области.
3
4
[0053] В примерных вариантах осуществления, хотя это не требуется, неочищенная пластовая текучая среда 2 представляет собой поток сильно загрязненных сточных вод, получаемых при добыче нефти и газа и имеющих большое содержание загрязнений, выбранных из группы, включающей в себя бактериальное загрязнение, Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, TDS, CaClO, SO, Ва, масло, смазку и их комбинации. В некоторых вариантах осуществления, прежде подачи в первую емкость 101 обработки текучая среда 2 подвергается известным в данной области способам начального отделения углеводородов. Перед поступлением в емкость 101 текучая среда 2 (например, неочищенная необработанная пластовая вода) имеет первое начальное потребление 200, которое можно определить с использованием известных в данной области способов измерения.
[0054] В контексте данного описания и со ссылкой на фиг. 1 обрабатываемые сточные воды, например, пластовая вода, содержащаяся в емкости 101, носят название "текучая среда 2а". Первая емкость 101 обработки обеспечивает время пребывания текучей среды 2а, составляющее приблизительно от 15 до 60 минут. Общее время пребывания, необходимое для текучей среды 2а, может варьироваться и зависеть от свойств текучей среды и других факторов окружающей среды. Например, в некоторых вариантах осуществления время пребывания составляет 15, 18, 20, 22, 25, 27, 30, 35, 40, 45, 50, 55 или 60 минут, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 15 до 60 минут, от 18 до 55 минут, от 15 до 30 минут, от 20 до 30 минут, от 15 до 20 минут, от 20 до 25 минут, от 18 до 25 минут, от 25 до 50 минут и т.д.)
[0055] Как только текучая среда 2а подается в емкость 101, ее извлекают из первой емкости 101 при помощи циркуляционного насоса 3, проводят через трубку 4 Вентури, а затем возвращают в первую емкость 101 обработки. Питающий поток текучей среды 2а отбирают на уровне приблизительно 20% от дна первой емкости 101 обработки весь по трубопроводу перекачки или распределительному трубопроводу 5. Когда текучая среда 2а проходит через трубку 4 Вентури, в трубку 4 Вентури вводят окислитель 40, который в данном показанном варианте осуществления представляет собой воздух, чтобы обеспечить тонко разделенный или диспергированный поток воздуха в возвратной текучей среде 2а, когда она возвращается в первую емкость 101. Воздух (или окислитель 40) вводят с таким расходом, чтобы предотвратить извлечение посредством аэрации, так что удаление летучих восстановителей (т.е. сероводорода) происходит скорее не в результате физической обработки или физического удаления, а путем окисления. Посредством выбора расхода воздуха, который предотвращает или не допускает выделение в виде газа сероводорода или других летучих компонентов, имеющихся в текучей среде 2а, эти восстановители скорее не очищают, а окисляют на месте посредством обеспечения возможности контакта окислителя с сульфидами и возможности окисления. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, окислитель 40 представляет собой воздух. Однако в альтернативных вариантах осуществления окислитель 40 может представлять собой кислород, обогащенный кислородом воздух или любой химический источник кислорода или комбинацию, стабильную с хлоритом. Если, хотя это не предпочтительно, применяют озон, то на первом этапе его не следует использовать в комбинации с диоксидом хлора, так как озон расходует диоксид хлора. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления окислитель 40 можно вводить в текучую среду 2а не при помощи трубки 4 Вентури, а посредством других средств, например, распылительной штанги, находящегося под давлением источника, аэратора, механического перемешивания, распределителя воздуха, диффузора, распылителя или других средств распыления воздуха, известных в данной области.
[0056] Величина требуемой дозировки окислителя 40 зависит от свойств текучей среды 2 (например, от начального потребления 200), системы обработки и предполагаемого использования или применения, а также от других свойств, известных специалистам в данной области. В примерных вариантах осуществления окислитель 40 добавляют в общий объем обрабатываемой текучей среды 2а в соответствующей дозировке и в течение соответствующего времени, чтобы получить общую дозировку в диапазоне приблизительно от 20 мг/кг до 2000 мг/кг окислителя 40, причем предпочтительной является дозировка приблизительно от 20 до 1000 мг/кг окислителя 40 на весь объем обрабатываемой текучей среды 2а.
[0057] Например, в некоторых вариантах осуществления дозировка включает в себя 20, 30, 50, 100, 250, 300, 500, 750, 800, 900, 1000, 1250, 1500, 1800, 2000 мг/кг окислителя на весь объем обрабатываемой текучей среды, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 20 до 2000 мг/кг, от 100 до 2000 мг/кг, от 300 до 2000 мг/кг, от 500 до 2000 мг/кг, от 1000 до 2000 мг/кг, от 20 до 1000 мг/кг, от 50 до 1000 мг/кг, от 100 до 1000 мг/кг, от 500 до 1000 мг/кг, от 20 до 500 мг/кг и т.д.).
[0058] Когда текучую среду 2а извлекают из первой емкости 101 при помощи циркуляционного насоса 3 и пропускают через трубку 4 Вентури, прежде чем она вернется в первую емкость 101 обработки, либо одновременно с окислителем 40, либо по существу одновременно с ним вводят раствор хлорита натрия (хлорит 30b). Альтернативно одновременно с воздухом или по существу одновременно с ним вводят комбинацию хлорита натрия (хлорит 30b) и гидроокиси натрия (каустической соды 90) в качестве одной порции, или альтернативно хлорит натрия (хлорит 30b) и гидроокись натрия (каустическую соду 90) в качестве двух отдельных порций (на чертеже не показано). В предпочтительном варианте осуществления в качестве хлорита 30b применяют 25-процентный раствор хлорита натрия, поставляемый фирмой Sabre Oxidation Technologies, Inc под названием DiKlor. Впрочем, специалисту доступны и известны и другие источники хлорита 30b. В примерных вариантах осуществления хлорит 30b добавляют в соответствующей дозировке и в течение соответствующего времени, чтобы получить в обрабатываемой текучей среде 2а дозировку в пределах приблизительно от 10 мг/кг до 500 мг/кг. Например, в некоторых вариантах осуществления дозировка хлорита 30b включает в себя 10, 20, 23, 27, 30, 50, 100, 120, 180, 230, 250, 300, 420, 500 мг/кг, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 10 до 500 мг/кг, от 25 до 500 мг/кг, от 25 до 300 мг/кг, от 10 до 300 мг/кг, от 10 до 100 мг/кг, от 25 до 200 мг/кг, от 50 до 500 мг/кг, от 50 до 420 мг/кг, от 23 до 420 мг/кг, от 27 до 420 мг/кг, от 23 до 300 мг/кг, от 27 до 300 мг/кг, от 23 до 230 мг/кг и т.д.).
[0059] В соответствии с фиг. 1 после дозировки при помощи комбинации воздуха, хлорита натрия и каустической соды (опционально), возвратную текучую среду 2а подают назад в емкость 101 через распределительный трубопровод 5 и/или другое распределительное средство, известное в данной области техники и предназначенное для равномерного распределения текучей среды 2а в первой емкости 101. В данном конкретном варианте осуществления возвратную текучую среду 2а подают назад в емкость 101 по осевой или средней линии 8а (на половине высоты по вертикали объема текучей среды, содержащейся в емкости), или по существу по средней линией первой емкости 101. Чтобы распределить текучую среду 2а во время этого этапа, можно использовать ряд различных средств, включая, но без ограничения этим, погружную штангу 19 (стационарную или подвижную) с отверстиями для выпуска текучей среды 2а, как показано на фиг. 1, или механизм аналогичного типа, предназначенный для разбрызгивания или равномерного распределения и известный в области техники, связанной с обработкой сточных вод.
[0060] Благодаря непрерывной циркуляции или рециркуляции текучей среды 2а из емкости 101, через трубку 4 Вентури и затем по распределительному трубопроводу 5 назад, в емкость 101, текучая среда 2а может в достаточной мере диффундировать с окислителем 40 и хлоритом 30b. В конечном итоге это обеспечивает, что текучая среда 2а в первой емкости 101 обработки может быть полностью насыщена и подвергнута воздействию окислителя 40 и хлорита 30b, по существу равномерно распределенных по емкости 101. Следует отметить, что неожиданно оказалось, что результатом этого первого этапа или фазы, на которых объединяют окислитель 40 и хлорит 30b (и опционально - каустическую соду), является сильное уменьшение начального потребления 200 или высокий процент уменьшения загрязнений по сравнению с окислением или аэрацией, осуществляемых только при помощи воздуха/кислорода. Например, в течение фазы 1 описываемого процесса уменьшение начального потребления 200 в емкости 101 обработки практически может составлять 70-80%. В некоторых вариантах осуществления, и как показано на фиг. 1, систему 150 обработки можно настроить так, что в течение фазы 1 диоксид хлора (30а) можно вводить в текучую среду 2а вместо хлорита 30b или в сочетании с ним.
[0061] В одном или более вариантов осуществления в первой емкости 101 обработки имеется средства 6 снятия для удаления плавающих загрязнений, предназначенное для удаления углеводородов или другого материала, имеющего низкий удельный вес и всплывшего на поверхность текучей среды 2а. Средства 6 снятия хорошо известны в области техники, связанной с обработкой сточных вод. Они включают в себя скиммеры (например, лопаточного типа), конвейерную ленту, пневматическую флотацию или другое оборудование, известное в области удаления более легкой твердой фазы, углеводородов или флокулянта с поверхности реактора. В некоторых вариантах осуществления количество углеводородов, удаляемых в этой фазе, может составить приблизительно 1-2% текучей среды 2а.
[0062] В одном или более вариантов осуществления в первой емкости 101 обработки также имеется разделительная система 7 (или средства удаления) для удаления со дна емкости 101 обработки выпавших в осадок или осажденных твердых частиц, имеющих высокий удельный вес. Разделительная система или средства 7 удаления содержат механическое оборудование, известное в области техники, связанной с обработкой сточных вод, которое может удалять осажденные твердые частицы со дна реактора и может содержать, например, шнековый или скребковый механизм. В примерном варианте осуществления шнековый или скребковый механизм, установленный на дне емкости 101, сгребает осажденные твердые частицы к центру емкости, где имеется выемка, затем твердые вещества откачивают через эту выемку из емкости 101.
[0063] На второй фазе вариантов осуществления предлагаемого изобретения, и как показано на фиг. 1, обработанную текучую среду 2а при помощи насоса 27 и трубопровода 9 перекачки извлекают или подают из первой емкости 101 обработки к осевой линии 8b второй емкости 102 обработки. Газ диоксида хлора вводят в текучую среду 2а в области инжекторного отверстия 29 при помощи трубопровода 9 перекачки, перед распределением во вторую емкость 102 в качестве текучей среды 2b. Доза диоксида хлора, вводимая в текучую среду 2а, является достаточной для получения остаточного содержания диоксида хлора в текучей среде 2b во второй емкости 102 обработки и зависит от количества биологического загрязнения в текучей среде. В некоторых вариантах осуществления дозировка диоксида 30 хлораа составляет приблизительно от 10 до приблизительно 500 мг/л, например, 10, 20, 25, 47, 50, 100, 120, 150, 210, 230, 250, 300, 335, 350, 400, 500 мг/л, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 10 до 500 мл/л, от 10 до 335 мл/л, от 25 до 500 мл/л, от 25 до 335 мл/л, от 25 до 230 мл/л, от 45 до 335 мл/л, от 45 до 500 мл/л, от 47 до 335 мл/л, от 50 до 400 мл/л, от 20 до 230 мл/л, от 20 до 47 мл/л, от 10 до 50 мл/л и т.д.).
[0064] В некоторых вариантах осуществления величину биологического загрязнения можно определять или контролировать перед вводом неочищенной текучей среды 2 в емкость 101 обработки, сразу же после извлечения текучей среды 2а из емкости 101 обработки, или в обоих этих случаях. Например, из цистерн 500 хранения для гидроразрыва, входного отверстия 17, емкости 101, распределительного трубопровода 5 или некоторую их комбинацию можно взять одну или несколько проб и опробовать их на бактериальное загрязнение. В альтернативных вариантах осуществления для обеспечения возможности непрерывного контроля биологического загрязнения в нескольких точках вдоль системы обработки можно присоединить оборудование поточного контроля. Опробование можно выполнять посредством пробы, известной специалистам в данной области техники и предназначенной для определения биологической потребности и/или уничтожения микробов.
[0065] Целевая остаточная концентрация диоксида хлора в обработанной воде 2b зависит от предполагаемой продолжительности хранения перед повторным использованием, например, в качестве рабочей текучей среды. Например, в случае непосредственного применения в качестве воды для гидроразрыва в системе гидравлического разрыва необходимое остаточное содержание диоксида хлора в текучей среде 2b составляет приблизительно от 0,1 до 20 мл/л, предпочтительно приблизительно от 0,5 до 5 мл/л. С другой стороны, если текучую среду 2b предполагают хранить в течение нескольких дней или дольше, целевая остаточная концентрация диоксида хлора перед повторным использованием текучей среды 2b в качестве рабочей текучей среды должна составлять приблизительно от 5 до 50 мл/л, предпочтительно приблизительно от 20 до 50 мл/л. Специалист в данной области техники может рассчитать и определить требуемое целевое остаточное содержание и, следовательно, требуемую дозировку, в зависимости от свойств текучей среды 2b, предполагаемой продолжительности хранения, предполагаемого применения и других факторов.
[0066] Например, в некоторых вариантах осуществления целевое остаточное содержание включает в себя 0,1 мг/л, 0,2 мг/л, 0,3 мг/л, 0,5 мг/л, 1,0 мг/л, 1,5 мг/л, 3 мг/л, 5 мг/л, 10 мг/л, 15 мг/л, 20 мг/л, 25 мг/л, 40 мг/л или 50 мг/л, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 0,1 до 50 мг/л, от 0,1 до 20 мг/л, от 0,1 до 10 мг/л, от 0,1 до 5 мг/л, от 0,1 до 2 мг/л, от 0,5 до 20 мг/л, от 0,5 до 10 мг/л, от 0,5 до 5 мг/л, от 1,0 до 20 мг/л, от 1,0 до 10 мг/л, от 5 до 10 мг/л, от 5 до 40 мг/л, от 5 до 50 мг/л, от 10 до 50 мг/л, от 20 до 50 мг/л и т.д.).
2
2
2
[0067] Чтобы приготовить диоксид хлора, подходящий для использования в данном изобретении, можно использовать любой подходящий способ приготовления диоксида хлора, известный в данной области техники. В общем случае растворы диоксиды хлора можно изготовить путем обработки солевых растворов хлорита (например, NaClO), при помощи кислотного раствора, чтобы приготовить кислотные растворы, содержащие ClO, которые после этого можно ввести в виде газа в воду, чтобы приготовить водный раствор ClO. Также можно использовать другие предшественники, например, хлорат натрия. Например, в предпочтительном варианте осуществления данное изобретение обеспечивает процесс, включающий в себя изготовление диоксида хлора путем применения, например, такого устройства, как генератор диоксида хлора, например, как описано и заявлено в патенте US 6,468,479, описание которого включено в данный документ путем ссылки. Диоксид хлора генерируют либо непосредственно в виде газа, либо предпочтительно в виде смеси диоксида хлора с водой (или другой подходящей текучей средой-носителем). Предпочтительно этот генератор работает с избытком хлорита натрия, чтобы уменьшить вероятность генерации газообразного хлора в качестве примеси.
[0068] В соответствии с фиг. 1 генератор 75 диоксида хлора расположен поточно с системой обработки, при этом предшественники диоксида хлора (соляная кислота, хлорит натрия и гипохлорит натрия) хранят соответственно в баках 76, 77 и 78. Трубка 28 Вентури имеет поток воды, текущей через него, при помощи которого создается вакуум, вытягивающий диоксид хлора из реакционной колонны генератора в поток воды для образования водного диоксида хлора.
[0069] В примерном варианте осуществления время пребывания текучей среды 2b во второй емкости 102 обработки составляет приблизительно от 10 до 30 минут, хотя время реакции может варьироваться в зависимости от свойств текучей среды 2b. Например, в некоторых вариантах осуществления время пребывания составляет 10, 13, 15, 18, 20, 22, 25, 27 или 30 минут, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 10 до 30 минут, от 12 до 30 минут, от 15 до 30 минут, от 20 до 30 минут, от 10 до 20 минут, от 10 до 25 минут, от 15 до 25 минут и т.д.). Вторая емкость 102 имеет средство 13 нижнего слива в третью емкость 103 обработки. Средство 13 нижнего слива может содержать канал, трубу, трубопровод перекачки или любое другое средство, благодаря которому текучая среда 2b, имеющаяся у дна емкости 102, может течь в емкость 103, и которое хорошо известно в области техники, связанной с системами обработки сточных вод. В примере осуществления вторая емкость 102 также содержит средства 14 снятия (на чертеже не показаны) для удаления легкого материала флокулянта или других материалов, имеющих низкий удельный вес, с поверхности или верхней части второй емкости 102 обработки. Примеры средств 14 снятия, применяемые в изобретении, хорошо известны в области техники, связанной с обработкой сточных вод. Они могут включать в себя скиммеры (например, лопаточного типа), конвейерную ленту, пневматическую флотацию или другое оборудование, известное в области техники, связанной с удалением более легких твердых веществ, углеводородов или флокулянтов с поверхности реактора.
[0070] Третья емкость 103 обработки содержит текучую среду 2с. Время пребывания в емкости 103 составляет приблизительно от 10 до 30 минут, хотя время реакции может варьироваться в зависимости от свойств текучей среды 2с. Например, в некоторых вариантах осуществления время пребывания составляет 10, 13, 15, 18, 20, 22, 25, 27 или 30 минут, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 10 до 30 минут, от 12 до 30 минут, от 15 до 30 минут, от 20 до 30 минут, от 10 до 20 минут, от 10 до 25 минут, от 15 до 25 минут и т.д.).
[0071] Третья емкость 103 имеет средства 15 верхнего слива (на чертеже не показаны) в четвертую емкость 104 или чистый резервуар. Средства 15 верхнего слива, применяемые в данном изобретении, хорошо известны и, например, могут содержать канал, трубу, трубопровод перекачки или любое другое средство, благодаря которому текучая среда 2 с, имеющаяся в верхней части емкости 103, может течь в емкость 104, и которое хорошо известно в области техники, связанной с системами обработки сточных вод. Третья емкость 103 также имеет средства для удаления из обрабатываемой текучей среды 2d у дна емкости 103 твердых веществ, имеющих высокую плотность, примеры которых хорошо известны в данной области техники и которые, например, могут включать в себя скребки или шнеки, расположенные у дна бака.
[0072] В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, емкости 101-104 обработки представляют собой емкости для гидроразрыва, расположенные в месте добычи нефти и газа, при этом описываемая система обработки пластовой воды согласно изобретению интегрирована в замкнутую систему, уже имеющуюся в этом месте. В альтернативных вариантах осуществления вышеописанные способ и систему можно модифицировать, тем не менее, они по-прежнему будут находиться в объеме раскрытого в данном документе изобретения и соответствовать ему. Например, в более общем случае, в альтернативных вариантах осуществления, изображенных в качестве примера на фиг. 2, показана замкнутая система 150 обработки, соответствующая формуле данного изобретения. На фиг. 2 замкнутая система 150 обработки содержит трубку 20 Вентури, поток 100 обрабатываемой текучей среды (например, сточных вод 15), емкость или систему 50 и обработки/хранения, окись 30 хлора и окислитель 40.
[0073] Поток 100 текучей среды содержит сточные воды 15, например, поток текучей среды из сточных вод, поступающий из месторождения нефти или газа. Например, на фиг. 1 сточные воды 15 представляют собой неочищенную пластовую воду 2. В поток 100 вводят комбинацию, состоящую из окиси 30 хлора и окислителя 40. Окись 30 хлора предпочтительно включает в себя хлорит 30b, но она также может содержать диоксид 30а хлора или комбинацию, состоящую из хлорита 30b и диоксида 30а хлора, которые вводят в поток 100. Например, как было рассмотрено в связи с фиг. 1, хлорит натрия (т.е. хлорит 30b) можно ввести путем выпуска с использованием трубки 20 Вентури (или трубки 4 Вентури, как показано на фиг. 1), причем трубка 20 Вентури является частью обрабатываемого потока 100 текучей среды, или с использованием других средств, хорошо известных в данной области техники. В альтернативных вариантах осуществления специалист может применить технологию, известную в данной области техники и предназначенную для ввода, смешения и/или диффузии химикатов в системе обработки, - либо прямо в бак, либо в трубопровод для текучей среды, включая, кроме прочего, инжекторные насосы, инжекторы высокого давления, насосы, сточные трубопроводы, каналы, смесители, разбрызгиватели или их комбинацию.
[0074] В вариантах осуществления изобретения окислитель 40 может представлять собой воздух, кислород, обогащенный кислородом воздух или любой химический источник кислорода или комбинацию, стабильную с диоксидом хлора (30а) и/или хлоритом (30b), или некоторую комбинацию этих веществ. Кроме того, в одном или более вариантов осуществления изобретения окислитель 40 вводят посредством прямой инжекции в сточные воды в виде небольших пузырьков (т.е. при помощи воздушного барботажа, находящегося под давлением источника, аэратора, механического перемешивания, диффузора, распыления или вывода через трубку 20 (4, 28) Вентури (см. например, фиг. 1-9). Если в качестве окислителя применяют озон 40, то на первом этапе его не следует применять в комбинации с диоксидом хлора, так как озон расходует диоксид хлора. Диоксид хлора скорее следует применять на второй фазе или на втором этапе и только после того, как остаточное содержание озона в сточных водах или в водном объеме исчерпается или почти исчерпается.
[0075] В соответствии с примерами осуществления изобретения на нефтяных промыслах и с целью гидравлического разрыва формации емкость 50 хранения или обработки (или система 50) содержит сточные воды 15, поступающие от источника 10. Источник 10 содержит источник пластовой воды. В альтернативных вариантах осуществления источник 10 содержит воду обратного притока, наземную воду, муниципальную воду, воду для гидроразрыва, сточные воды или любую их комбинацию. Специалист в данной области техники также поймет, что сточные воды 15 могут представлять собой любую воду или целевую водную текучую среду, которая загрязнена (например, органическими веществами и/или микроорганизмами), и которую утилизируют или обрабатывают с целью повторного использования, хранения и/или сброса назад в окружающую среду независимо от отрасли промышленности. В одном или более вариантов осуществления перед обработкой потребление окислителя загрязняющих веществ в сточной воде 15 составляет приблизительно от 30 до 5000 мг/л, предпочтительно приблизительно от 50 до 500 мг/л. Это потребление окислителя включает в себя реагенты-восстановители, включающие в себя, без ограничения этим, восстановленные сернистые соединения, биомассу и другие биологические побочные продукты, и восстановленные металлы, включая, кроме прочего, железо (Fe) II.
[0076] Например, в некоторых вариантах осуществления потребление окислителя составляет 30, 50, 100, 250, 300, 500, 750, 800, 900, 1000, 1250, 1500, 2000, 3000, 4000 и 5000 мг/л, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 30 до 5000 мг/л, от 100 до 2000 мг/л, от 300 до 2000 мг/л, от 500 до 2000 мг/л, от 1000 до 2000 мг/л, от 30 до 1000 мг/л, от 50 до 1000 мг/л, от 100 до 1000 мг/л, от 500 до 5000 мг/л, от 50 до 500 мг/л и т.д.).
[0077] В некоторых вариантах осуществления трубку 20 Вентури применяют как для генерации, так и для ввода окиси 30 хлора (например, диоксида хлора (30а)) и/или комбинации диоксида хлора (30а) и хлорита (30b) в поток 100 текучей среды и, кроме того, для последующего ввода окислителя 40. В других вариантах осуществления применяют отдельные трубки Вентури (например, на фиг. 1 трубки 4 и 28 Вентури). В предпочтительном варианте осуществления текучая среда-носитель 33 для трубки 20 Вентури поступает прямо из емкости 50 хранения. Емкость 50 содержит сточные воды 15, т.е. обрабатываемые сточные воды, или комбинацию обработанных сточных вод (или другой целевой текучей среды) и обрабатываемых сточных вод. Специалист в данной области техники поймет, что, несмотря на это, текучая среда-носитель 33 может поступать от любого имеющегося в распоряжении источника воды, расположенного поточно с системой 150.
[0078] Как показано на фиг. 2-8, система 50 хранения и обработки содержит один бак или емкость. Несмотря на это, в соответствии с изобретением система 50 емкостей содержит несколько баков, ям или водоемов, или любые другие средства хранения (например, резервуар, контейнер или отстойный бассейн), в которых хранят, держат, транспортируют или содержат сточные воды 15, полученные из источника 10. Система 50 емкостей может включать в себя один или несколько баков, емкостей, контейнеров или другие системы обработки сточных вод, подходящие для обработки сточных вод 15. Например, как описано в связи с фиг. 1, в действительности емкость 50 включает в себя четыре емкости 101-104 обработки и четыре цистерны 500 хранения.
[0079] В вариантах осуществления данного изобретения окись 30 хлора и окислитель 40 подают с таким расходом, что удаление летучих восстановителей (т.е. сероводорода) происходит скорее не в результате физической обработки или физического удаления, а путем окисления. Выбирая такой расход воздуха, который предотвращает выделение в виде газа сероводорода (или других летучих восстановителей), имеющихся в сточных водах 15, эти восстановители скорее не очищаются, а окисляются на месте. Цель заключается в том, чтобы добавить окислитель 40 в текучую среду с таким расходом, при котором текучая среда входит в контакт с сульфидами для обеспечения возможности окисления. Таким образом, следует избегать расхода, результатом которого является добавление сильного воздушного потока, удаляющего сульфиды прежде, чем они смогут окислиться. Объем текучей среды, обрабатываемой в системе 50 емкостей, непосредственно влияет на диапазон расхода, который может использоваться для того, чтобы избежать выделения газа и очистки. Таким образом, соответствующий диапазон является широким. Например, небольшой бак требует гораздо меньшего расхода воздуха, чем глубокий водоем. Однако специалист в данной области техники сможет определить расход, подходящий для того, чтобы предотвратить обработку или удаление летучих восстановителей, в зависимости от объема, глубины и/или размера системы 50 емкостей (или обрабатываемой текучей среды), системы обработки в целом и потребления окислителя.
[0080] На фиг. 3 для ввода окислителя 40 применяют диффузор 70. В одном или более вариантов осуществления, как показано на фиг. 4, окислитель 40 при помощи находящегося под давлением источника 80 добавляют прямо в сточные воды 15 возле дна емкости 50, причем, чтобы усилить перемешивание сточных вод 15 в емкости 50, можно использовать механическое действие. Если применяют способ ввода в одной точке, то является предпочтительным, чтобы инжектор мог перемещаться в горизонтальной плоскости емкости 50 (на чертеже это не показано).
[0081] В одном или более вариантов осуществления данного изобретения окись 30 хлора и окислитель 40 вводят в сточные воды 15 следующим образом. Сначала окись 30 хлора вводят в течение достаточного времени и в дозе, достаточно для уменьшения потребления диоксида хлора при обработке сточных вод 15 в диапазоне приблизительно от 10 до 20 процентов, включая все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, 12, 15 процентов и т.д.). Требуемое время и дозировка зависят от свойств сточных вод 15 (например, от потребления диоксида хлора), системы обработки и предполагаемого использования. В одном или более вариантов осуществления в течение начального (или первого) этапа обработки окись 30 хлора содержит только хлорит 30b. В тех вариантах осуществления, в которых окись 30 хлора содержит только хлорит 30b, этап ввода окислителя 40 можно выполнить (и во многих случаях это является предпочтительным) сразу после этого, синхронно, по существу синхронно или по существу одновременно (см. например, фиг. 1, описание фиг. 1 и приведенные в данном документе примеры). В примерных вариантах осуществления хлорит 30b добавляют в соответствующей дозировке и в течение соответствующего времени, чтобы получить в текучей среде 2а дозировку в диапазоне приблизительно от 10 до 500 мг/кг. Например, в некоторых вариантах осуществления дозировка хлорита 30b составляет 10, 20, 23, 27, 30, 50, 100, 120, 180, 230, 250, 300, 420, 500 мг/кг, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 10 до 500 мг/кг, от 25 до 500 мг/кг, от 25 до 300 мг/кг, от 10 до 300 мг/кг, от 10 до 100 мг/кг, от 25 до 200 мг/кг, от 50 до 500 мг/кг, от 50 до 420 мг/кг, от 23 до 420 мг/кг, от 27 до 420 мг/кг, от 23 до 300 мг/кг, от 27 до 300 мг/кг, от 23 до 230 мг/кг и т.д.).
[0082] В альтернативных вариантах осуществления окись 30 хлора может представлять собой диоксид 30а хлора, хлорит 30b или их комбинацию. Так как диоксид хлора реагирует как свободный радикал и, следовательно, почти мгновенно, диоксид хлора нельзя добавлять с большим расходом или в большой концентрации одновременно с добавлением большого объема окислителя 40. Следовательно, если в течение первого этапа окись 30 хлора содержит диоксид 30а хлора (или комбинацию хлорита 30b и диоксида 30а хлора), то нельзя одновременно добавлять окислитель 40, пока весь диоксид 30а хлора не превратится в хлорит 30b или, если это осуществляют одновременно, окислитель 40 необходимо добавлять с расходом, достаточно низким для того, чтобы быть уверенным в том, что диоксид хлора не будет удален или очищен из сточных вод 15 прежде, чем он диспергирует через текучую среду.
[0083] Кроме того, в некоторых вариантах осуществления либо перед обработкой при помощи диоксида 30 хлора, либо одновременно с этой обработкой можно добавлять каустическую соду (90) (на чертеже это не показано), чтобы увеличить рН сточных вод 15 приблизительно до значения от 7 до 10. Например, в варианте осуществления, описанном в связи с фиг. 1, чтобы получить значение рН, составляющее приблизительно 8,5, добавляют гидроокись натрия (каустическую соду 90). Благодаря применению для сточных вод 15 более высокого значения рН загрязняющие металлы (например, железо (Fe)) выпадают из раствора, при этом предотвращается образование некоторых комплексных соединений металлов, проявляющих тенденцию к образованию низкого рН. В других вариантах осуществления, предусмотренных в объеме изобретения, первый этап добавления окиси 30 хлора можно пропустить, в зависимости от потребления диоксида хлора, применения или имеющейся системы.
[0084] Окислитель 40 вводят в сточные воды 15 либо перед обработкой при помощи окиси 30 хлора, либо параллельно с этой обработкой. Окислитель 40 добавляют в соответствующей дозировке и в течение соответствующего времени, чтобы получить общую дозировку приблизительно в пределах от 20 до 2000 мг/кг окислителя 40 на весь объем обрабатываемых сточных вод 15, включая все соответствующие диапазоны и поддиапазоны, причем предпочтительной является дозировка приблизительно от 20 до 1000 мг/кг окислителя 40 на весь объем обрабатываемой текучей среды. Требуемое время и дозировка опять-таки зависят от свойств сточных вод 15 (например, от потребления диоксида хлора), системы обработки и предполагаемого использования, наряду с другими соображениями относительно механического оборудования, которые известны специалисту в данной области техники. В одном или более вариантов осуществления в результате применения окислителя 40, в общей сложности, расходуют приблизительно от 10 до 90 процентов общего потребления диоксида хлора, предпочтительно приблизительно от 60 до 90 процентов потребления диоксида хлора. Например, в некоторых вариантах осуществления окислитель потребует расхода, составляющего 10, 20, 25, 40, 50, 60, 65, 70, 80 или 90 процентов потребления диоксида хлора, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (например, от 10 до 25, от 10 до 70, от 15 до 90, от 20 до 80, от 50 до 85, от 60 до 80, от 60 до 90 процентов и т.д.).
[0085] Этап ввода окислителя 40 в течение первого этапа обработки можно выполнять по существу одновременно, синхронно или сразу же после первого этапа добавления окиси 30 хлора, в частности, если окись 30 хлора представляет собой только хлорит (30b). Как описано выше, синергическое действие окислителя и окиси хлора может снизить начальное потребление приблизительно на 70-80% или более.
2
[0086] На следующем этапе (или этапе второй обработки) окись 30 хлора вводят в количестве, достаточном для получения в текучей среде целевого остаточного содержания ClO, которое зависит от потребления окислителя в текучей среде. Например, в случае фиг. 1, после того как в течение определенного периода времени (т.е. приблизительно от 15 до 60 минут) на этапе 1 процесса обработки в емкость 101 обработки вводят хлорит натрия, воздух и каустическую соду, на втором этапе диоксид хлора вводят во вторую емкость 102 обработки до тех пор, пока не получат целевое остаточное содержание диоксида хлора. Несмотря на это, в альтернативных вариантах осуществления в течение этого второго этапа окись 30 хлора может содержать диоксид 30а хлора, хлорит 30b или их комбинацию. Она может представлять собой, но не обязательно, окись хлора, которую применяли на первом начальном этапе.
[0087] Целевая остаточная концентрация диоксида хлора в обработанной текучей среде или сточных водах зависит от предполагаемой продолжительности хранения перед повторным использованием, например, в качестве рабочей текучей среды. Например (и как показано на фиг. 7-9), в случае непосредственного применения в качестве воды для гидроразрыва в системе гидравлического разрыва необходимое остаточное содержание диоксида хлора в текучей среде 200, выходящей из системы, составляет приблизительно от 0,1 до 20 мл/л, предпочтительно приблизительно от 0,5 до 5 мл/л (см. абзац 64 и 65). В еще одном примере (см. например, фиг. 2-6), если обработанную текучую среду предполагают хранить в емкости 50 в течение нескольких дней или дольше, целевая остаточная концентрация диоксида хлора должна составлять приблизительно от 5 до 50 мл/л, предпочтительно приблизительно от 20 до 50 мл/л, включая любые и все соответствующие диапазоны и поддиапазоны (см. абзац 64 и 65). Как рассмотрено выше, в примерных вариантах осуществления изобретения в течение последнего этапа процесса обработки окись 30 хлора содержит только диоксид 30а хлора. Во время этого этапа обработки окись 30 хлора (в виде диоксида 30а хлора) и окислитель 40 нельзя одновременно добавлять в поток 100.
[0088] В одном или более вариантов осуществления изобретения, если система хранения и обработки или емкость 50 содержит бак, яму, водоем или отстойный бассейн, общее время обработки, необходимое для того, чтобы сточные воды 15 достигли окисления и/или дезинфекции, составляет менее 24 часов, предпочтительно менее 8 часов. В еще одном варианте осуществления общее время обработки, необходимое для того, чтобы сточные воды 15 достигли окисления и/или дезинфекции, составляет приблизительно менее 60 минут, предпочтительно приблизительно менее 15 минут, если система или емкость 50 представляют собой трубопровод или комбинацию трубопровода и бака, например, применяемые для операций, осуществляемых на месте "на лету" (см. например, фиг. 1, 6-8), если время пребывания ограничено, а обработанную текучую среду 200 необходимо использовать немедленно.
[0089] На фиг. 2-5 показаны различные варианты осуществления системы 150 обработки. На фиг. 3 для ввода окислителя 40 в емкость 50 при помощи диффузора 70 и находящегося под давлением источника 71, применяют нагнетание воздуха. На фиг. 4 для ввода окислителя 40 применяют бак для химикалий и находящийся под давлением источник 80. На фиг. 5 для ввода окислителя 40 в поток 100 применяют поточно расположенные диффузор 70 и источник 71, находящийся под давлением. В некоторых вариантах осуществления применяют механическую мешалку 92. На фиг. 6-8 (а также на фиг. 1) показаны различные варианты осуществления системы 250 обработки. В частности, в этих вариантах осуществления система 150 обработки содержит "поточную" систему 250 обработки, например, систему обработки текучей среды для гидроразрыва "на лету" или любую другую промышленную систему обработки воды, устанавливаемую поточно для немедленного применения. На фиг. 6 окислитель 40 из источника 72 химикалий вводят поточно при помощи трубки 20 Вентури. На фиг. 7 для ввода окислителя 40 в поток 100 поточно применяют бак 80 для химикалий. На фиг. 8 для ввода окислителя 40 в поток 100 применяют нагнетание воздуха при помощи диффузора 70 и находящегося под давлением источника 71. Хотя на чертежах это не показано, система 150/250 обработки также может содержать источник, средство ввода каустической соды 90, а также другие способы обработки сточных вод, известные в данной области техники, например, механические мешалки, системы верхнего слива, пеноподавляющие агенты, электронные датчики и контрольные устройства.
2
2
2
[0090] Как указано выше, чтобы приготовить диоксид хлора, подходящий для использования в данном изобретении, можно применить любой подходящий способ приготовления диоксида хлора, известный в данной области техники. В общем случае растворы диоксида хлора можно изготовить путем обработки солевых растворов хлорита (например, NaClO), при помощи кислотного раствора, чтобы приготовить кислотные растворы, содержащие ClO, которые после этого можно ввести в виде газа в воду с целью приготовления водного раствора ClO. Также могут использоваться другие предшественники, например, хлорат натрия.
[0091] В данной области техники известны различные средства для образования диоксида хлора и соответствующих химикалий предшественников диоксида хлора, при этом специалист может выбирать подходящие средства и химикалии. Примеры химических средств для образования диоксида хлора раскрыты в патентах US 4,689,169 (Mason et al.), US 5,204,081 (Mason et al.), US 5,227,306 (Eltomi et al.), US 5,258,171 (Eltomi et al.), US 5,965,004 (Cowley et al.) и US 6,645,457 (Mason et al.), описания которых включены в данный документ посредством ссылки.
[0092] В предпочтительных вариантах осуществления диоксид хлора должен быть как можно более чистым. В частности, газообразный хлор должен присутствовать во введенном газе диоксида хлора на уровне приблизительно менее 5%, предпочтительно приблизительно менее 0,5%. Например, в предпочтительном варианте осуществления данное изобретение обеспечивает процесс, включающий в себя обеспечение наличия диоксида хлора путем применения, например, такого устройства, как генератор диоксида хлора, например, как описано и заявлено в патенте US 6,468,479, описание которого включено в данный документ посредством ссылки. Диоксид хлора генерируют либо непосредственно в виде газа, либо предпочтительно в виде смеси диоксида хлора с водой (или другой подходящей текучей средой-носителем). Предпочтительно этот генератор работает с избытком хлорита натрия для уменьшения вероятности генерации газообразного хлора в качестве примеси. Другие обычно применяемые способы приготовления диоксида хлора, например, можно найти в патентном документе US 2006/0068029 (U.S. Pat. Арр. No. 11/131021), описание которого включено в данный документ путем ссылки. Кроме того, генератор предпочтительно использует сточные воды 15 в качестве текучей среды-носителя для генерирования диоксида хлора и вводит газ диоксида хлора в контакт со сточными водами 15 при вакуумном давлении, так что газ диоксида хлора втягивается в сточные воды 15 с образованием водного раствора диоксида хлора.
[0093] В некоторых вариантах осуществления обрабатываемая вода циркулирует в замкнутой системе и повторно очищается на месте в соответствии с описанными в данном документе способами и системами до тех пор, пока загрязняющие вещества не будут окислены и не будет достигнуто соответствующее остаточное содержание диоксида хлора прежде выпуска из системы 150. В других вариантах осуществления после обработки при помощи окиси 30 хлора и второго окислителя 40 обработанные текучие среды остается в емкости 50 в течение соответствующего периода времени, чтобы твердые частицы могли осесть, а свободную нефть можно было удалить прежде повторного использования или выпуска с применением способов обработки сточных вод, известных в данной области техники. В других вариантах осуществления обрабатываемую текучую среду применяют (или повторно используют) сразу же после обработки при добыче нефти, гидравлическом разрыве или других промышленных применениях. Фиг. 9 схематично иллюстрирует другой вариант осуществления изобретения.
[0094] Разумеется, описываемую здесь систему и способ можно соединить выше или ниже по потоку с уже установленными устройствами или системами для обработки или перемещения пластовой воды. Например, предлагаемую систему обработки можно включить в систему, уже установленную в месте добычи нефти и газа. Кроме того, в примерных вариантах осуществления и в соответствии с фиг. 1 в качестве одного из примеров, когда обработанная текучая среда 2d выходит из емкости 104 и/или системы обработки, можно контролировать концентрацию биологических загрязнений, размер твердых частиц, летучие соединения, TDS и химикаты. Этот контроль может быть непрерывным или периодическим. Если параметры текучей среды, выходящей из системы обработки, не находятся в определенном допустимом диапазоне, то ее можно снова подавать в систему обработки, и/или можно изменить количество окислителя и/или диоксида хлора, вводимого в систему обработки. Аналогично в некоторых вариантах осуществления весь поток или часть потока, текущего из системы обработки, можно повторно пропустить через систему обработки при помощи одного или более рециркуляционных трубопроводов (на чертежах не показаны). Неоднократное пропускание потока текучей среды через систему может обеспечивать значительное уменьшение концентрации загрязнений. Как показано, в качестве одного из примеров, на фиг. 1, в некоторых вариантах осуществления часть потока, выходящего из системы, можно смешивать с частью потока, поступающего во входное отверстие 17 системы обработки.
[0095] Хотя в вышеприведенных примерах и в описании рассмотрена, по существу, замкнутая система обработки, системы и способы, раскрываемые и заявляемые в данном документе, могут использоваться также в случае систем и способов гидроразрыва "на лету", когда обработанную воду используют сразу же и/или через короткое времени после обработки и гидроразрыва (см. фиг. 6-8). Например, в одном из вариантов осуществлении воду для гидроразрыва, закачиваемую в подземную формацию, можно обрабатывать, применяя раскрываемые здесь способы, за пределами месторождения нефти, перед устьем скважины. В случае такой системы емкость 50 (например, емкости для гидроразрыва, установленные в месте осуществления гидроразрыва или на месторождении нефти) можно непрерывно наполнять исходной водой, которую необходимо обработать прежде ввода в скважину. Эта вода может содержать поверхностные воды, муниципальную воду, пластовую воду, воду обратного притока, или любую их комбинацию ("смешанная вода").
[0096] Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления изобретения описанная в данном документе система или способ могут быть скомбинированы с одним или несколькими традиционными или нетрадиционными биоцидами - окисляющимися или неокисляющимися, с целью получения синергического биологического эффекта. Кроме того, в случае альтернативных вариантов осуществления специалист без труда поймет, что в систему в периодическом или непрерывном режиме могут быть включены дополнительные процессы обработки, известные в данной области техники, поточно или другим способом (либо перед обработкой в соответствии с данным изобретением, либо после нее). Только в качестве примера и без ограничения этим, в систему могут быть включены процессы обработки с целью удаления нефти и/или твердых частиц или, поскольку происходит пенообразование, могут быть включены противовспениватель, совместимый с диоксидом хлора. Аналогично в некоторых вариантах осуществления способ и систему, раскрытые в данном документе, можно присоединить к существующей регенерационной системе или системе обработки или модернизировать эту систему, при этом они могут работать в линии непрерывно или в периодическом режиме в выбранных количествах. Кроме того, специалист без труда поймет, что в одном или более вариантов осуществления в описанные здесь способ и систему могут быть включены соответствующее устройство и/или оборудование для измерения и контроля.
[0097] В случае раскрытых здесь вариантов осуществления специалист в данной области техники поймет, что остаточное содержание диоксида хлора можно определить и/или рассчитать, применяя амперометрический способе II 4500 ClO2 Е, описанный в документе "Standard Methods the Analysis of Water and Wastewater" или его модифицированные варианты, причем в стандартном амперометрическом способе II 4500 ClO2 Е используют следующие расчеты:
,
где титрование А титрует хлор и одну пятую имеющегося диоксида хлора, титрование В титрует четыре пятых диоксида хлора и хлорита, титрование С титрует не улетучившийся хлор (газообразный азот очищает пробу диоксида хлора), но при расчетах не применяется, а титрование D титрует хлор. В других вариантах осуществления остаточное содержание диоксида хлора можно определять способами спектрометрии или измерения окислительно-восстановительного потенциала (ORP), включенными в данный документ, или при помощи их модифицированных вариантов.
Часть формулы изобретения
[0098] Варианты осуществления данного изобретения в частности включают в себя следующее.
1. Способ обработки водной системы, включающий в себя:
обеспечение наличия объема водной текучей среды, имеющего начальное потребление окислителя;
ввод окислителя в водный объем с расходом, предотвращающим выделение в виде газа летучих восстановителей из водного объема, причем окислитель выбирают из группы, включающей в себя кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух и их комбинацию;
объединение водного объема и окислителя в течение минимального времени пребывания, достаточного для уменьшения начального потребления окислителя до пониженного потребления окислителя;
обеспечение наличия по меньшей мере одной окиси хлора; и
объединение водного объема и некоторого количества по меньшей мере одной окиси хлора в количестве, достаточном для устранения пониженного потребления окислителя, причем указанная по меньшей мере одна окись хлора представляет собой диоксид хлора, хлорит и их комбинацию.
2. Способ по п. 1, в котором этап объединения объема водной текучей среды и некоторого количества указанной по меньшей мере одной окиси хлора включает в себя следующие этапы:
a) ввод первой окиси хлора в водный объем либо перед, либо по существу одновременно с этапом ввода окислителя, причем первая окись хлора содержит хлорит натрия; и
b) ввод второй окиси хлора в водный объем после этапа объединения водного объема и окислителя в течение указанного минимального времени пребывания, причем вторая окись хлора содержит диоксид хлора, хлорит или их комбинацию.
3. Способ по п. 2, в котором гидроокись натрия вводят перед этапом ввода окислителя в водный объем либо в комбинации с хлоритом натрия, либо, в качестве отдельной подачи, по существу одновременно с ним.
4. Способ по любому из п.п. 1-3, включающий в себя дополнительный этап измерения и поддержания после обработки остаточного содержания диоксида хлора в водном объеме по меньшей мере приблизительно 0,1 мг/л.
5. Способ по п. 4, в котором остаточное содержание диоксида хлора в водном объеме находится в диапазоне приблизительно от 0,1 до приблизительно 50 мг/л.
6. Способ по любому из п.п. 2-5, включающий в себя дополнительный этап, на котором обеспечивают осаждение или подъем твердых частиц, образовавшихся в водном объеме, и отделяют твердые частицы от содержащихся в нем сточных вод перед этапом ввода в водный объем второй окиси хлора.
7. Способ по любому из п.п. 1-6, в котором источник водного объема выбирают из группы, включающей в себя поток водной текучей среды, емкость, бак, яму, отстойный бассейн или водоем для хранения водосточных вод, водоочистную установку, цистерну для гидроразрыва или часть оборудования, трубопровода или емкости, используемых для гидроразрыва или добычи нефти.
8. Способ по любому из п.п. 1-6, в котором водную система выбирают из группы, включающей в себя гидравлический разрыв, добычу нефти, водораспределительные системы, трубопроводы для перемещения текучих сред, сооружения для обработки сточных вод, резервуары для хранения, технологические линии по производству пищевых продуктов и напитков, системы смазочно-охлаждающих текучих сред для механообработки или для обработки металлов (MWF), угольный и минеральный шлам, текучие среды для выщелачивания металлов, дренаж кислотных шахтных вод или любую водную систему, загрязненную биологическими веществами или сернистыми соединениями.
9. Способ по любому из п.п. 1-8, включающий в себя этап генерации водного раствора диоксида хлора с использованием генератора диоксида хлора, который вводит газ диоксида хлора в контакт с частью обрабатываемого водного объема при вакуумном давлении, так что газ диоксида хлора втягивается в часть обрабатываемого водного объема с образованием водного раствора диоксида хлора.
10. Способ по любому из п.п. 1-9, в котором водная система содержит один или несколько сепараторов для удаления из водного объема выпавших в осадок загрязнений в течение обработки или после обработки, или перед обработкой.
3
4
11. Способ по любому из п.п. 1-10, в котором в водном объеме уменьшают, инактивируют, разрушают, устраняют или удаляют загрязнения, выбранные из группы, включающей в себя Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, CaClO, SO, Ва, углеводороды, общее количество растворенных твердых веществ, биологическое загрязнение и их комбинации.
3
4
12. Способ уменьшения, инактивирования, разрушения, удаления или устранения из водной текучей среды загрязнений, выбранных из группы, включающей в себя Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, CaClO, SO, Ва, углеводороды, общее количество растворенных твердых веществ, биологическое загрязнение и их комбинации, включающий в себя этапы ввода окислителя и ввода по меньшей мере одной окиси хлора, при этом указанный окислитель выбирают из группы, включающей в себя кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух и их комбинацию, и указанную по меньшей мере одну окись хлора выбирают из группы, включающей в себя диоксид хлора, хлорит или их комбинации.
13. Способ по п. 12, в котором этап ввода указанной по меньшей мере одной окиси хлора включает в себя следующие этапы:
a) ввод первой окиси хлора в водную текучую среду либо перед, либо по существу одновременно с этапом ввода окислителя, причем первая окись хлора содержит хлорит натрия; и
b) ввод второй окиси хлора в водную текучую среду после этапа объединения водной текучей среды и окислителя, причем вторая окись хлора содержит диоксид хлора, хлорит или их комбинацию.
14. Способ по п. 13, в котором перед этапом ввода окислителя в водную текучую среду вводят гидроокись натрия либо в комбинации с хлоритом натрия, либо в качестве отдельной подачи, по существу, одновременно с ним.
15. Способ по любому из п.п. 13-14, в котором вторая окись хлора представляет собой водный раствор диоксида хлора.
16. Способ по п. 15, дополнительно включающий в себя этап генерации водного раствора диоксида хлора путем использования части обрабатываемой водной текучей среды.
17. Способ по любому из п.п. 12-16, в котором окислитель вводят с расходом, предотвращающим выделение в виде газа летучих восстановителей из водной текучей среды.
18. Способ по любому из п.п. 12-17, включающий в себя дополнительный этап измерения и поддержания после обработки остаточного содержания диоксида хлора в водной текучей среде в диапазоне приблизительно от 0,1 до 50 мг/л.
19. Способ по любому из п.п. 12-18, в котором источник потока водной текучей среды или водный объем выбирают из группы, включающей в себя емкость, бак, яму, отстойный бассейн или водоем для хранения водосточных вод, водоочистную установку, цистерну для гидроразрыва или часть оборудования, трубопровода или емкости, используемых для гидроразрыва или добычи нефти.
20. Способ обработки водной системы, включающий в себя:
ввод окислителя в водный объем с расходом, предотвращающим выделение в виде газа летучих восстановителей из водного объема, перед вводом в этот объем диоксида хлора, причем окислитель выбирают из группы, включающей в себя кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух и их комбинации, при этом окислитель обеспечивает синергическое окислительное действие в присутствии диоксида хлора, так что диоксид хлора вводят в существенно уменьшенных количествах по сравнению с предварительно заданным потреблением диоксида хлора.
21. Способ по п. 20, включающий в себя дополнительный этап ввода хлорита натрия в указанный объем перед этапом ввода окислителя.
22. Способ обработки водной системы, включающий в себя:
обеспечение наличия водного объема, имеющего начальное потребление окислителя;
ввод окислителя, содержащего кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух или их комбинацию, в водный объем с расходом, предотвращающим выделение в виде газа летучих восстановителей из водного объема;
ввод в водный объем хлорита натрия;
объединение водного объема, окислителя и хлорита натрия с уменьшением, таким образом, начального потребления окислителя до пониженного потребления окислителя;
ввод отдельной порции диоксида хлора в водный объем в количестве, достаточном для устранения пониженного потребления окислителя и обеспечения в водном объеме остаточного содержания диоксида хлора, составляющего по меньшей мере приблизительно 0,1 мг/л.
23. Способ обработки водной системы, включающий в себя:
обеспечение наличия водного объема, имеющего начальное потребление окислителя;
ввод окислителя, содержащего кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух, озон или их комбинацию, в водный объем с расходом, предотвращающим выделение в виде газа летучих восстановителей из водного объема;
объединение водного объема и окислителя в течение минимального времени пребывания, достаточного для уменьшения начального потребления окислителя до пониженного потребления окислителя;
обеспечение наличия по меньшей мере одной окиси хлора; и
объединение водного объема и некоторого количества по меньшей мере одной окиси хлора в количестве, достаточном для устранения пониженного потребления окислителя, причем указанная по меньшей мере одна окись хлора содержит диоксид хлора, хлорит или их комбинацию, при условии, что если по меньшей мере одна окись хлора содержит диоксид хлора, то водный объем не содержит остаточного озона.
24. Способ обработки сточных вод, включающий в себя следующие этапы:
ввод потока сточных вод в систему обработки текучей среды, содержащую по меньшей мере одну первую секцию обработки, по меньшей мере одну вторую секцию обработки и по меньшей мере одну третью секцию обработки;
обеспечение течения потока сточных вод по меньшей мере одному первому трубопроводу для текучей среды к указанной по меньшей мере одной первой секции обработки; извлечение по меньшей мере части сточных вод из указанной по меньшей мере одной первой секции обработки при помощи по меньшей мере одного второго трубопровода для текучей среды;
ввод воздуха в извлеченную часть сточных вод через по меньшей мере одну точку поточной обработки при помощи воздуха в указанном по меньшей мере одном втором трубопроводе для текучей среды в условиях, достаточных для производства полного смешения воздуха в сточных водах, и ввод хлорита натрия в извлеченную часть сточных вод через указанную по меньшей мере одну точку поточной обработки при помощи хлорита натрия в указанном по меньшей мере одном втором трубопроводе для текучей среды, чтобы приготовить обработанные сточные воды;
рециркуляция обработанных сточных вод назад к указанной по меньшей мере одной первой секции обработки;
обеспечение возможности осаждения или подъема твердых частиц, образовавшихся в обработанной воде, в указанной по меньшей мере одной первой секции обработки, и отделение твердых частиц от обработанных сточных вод, содержащихся в этой секции;
слив обработанных сточных вод из указанной по меньшей мере одной первой секции обработки в указанную по меньшей мере одну вторую секцию обработки при помощи по меньшей мере одного третьего трубопровода для текучей среды, причем, прежде чем сливать сточные воды в указанную по меньшей мере одну вторую секцию обработки, через по меньшей мере одну точку поточной обработки в указанном по меньшей мере одном третьем трубопроводе для текучей среды вводят газ диоксида хлора с определенным расходом, достаточным для обеспечения остаточного содержания диоксида хлора в обработанных сточных водах;
обеспечение возможности осаждения или подъема твердых частиц, образовавшихся в обработанных сточных водах, в указанной по меньшей мере одной второй секции обработки, и отделение твердых частиц от сточных вод, содержащихся в этой секции;
обеспечение течения потока сточных вод из указанной по меньшей мере одной второй секции обработки к по меньшей мере одному первому выходному отверстию нижнего слива, обеспечивающему выпуск в указанную по меньшей мере одну третью секцию обработки;
обеспечение возможности осаждения или подъема твердых частиц, образовавшихся в сточных водах, в указанной по меньшей мере одной второй секции обработки, и отделение твердых частиц от сточных вод, содержащихся в этой секции;
и обеспечение течения потока сточных вод из указанной по меньшей мере одной третьей секции обработки к по меньшей мере одному первому выходному отверстию верхнего слива, находящемуся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с четвертой секцией обработки, емкостью или чистым резервуаром.
25. Способ по п. 24, в котором в сточные воды через указанный по меньшей мере один второй трубопровод для текучей среды вводят гидроокись натрия либо в комбинации с хлоритом натрия, либо в качестве отдельной подачи по существу одновременно с ним.
26. Способ по любому из п.п. 24-25, в котором указанная по меньшей мере одна первая секция обработки обеспечивает первое время пребывания приблизительно от 15 до 60 минут.
27. Способ по любому из п.п. 24-26, в котором окислитель вводят с расходом, предотвращающим выделение в виде газа летучих восстановителей из сточных вод.
28. Способ по любому из п.п. 24-27, в котором указанная по меньшей мере одна первая секция обработки содержит один или более сепараторов для удаления из указанной по меньшей мере одной первой секции обработки выпавших в осадок загрязнений.
29. Способ по любому из п.п. 24-27, в котором указанная по меньшей мере одна первая секция обработки содержит одно или более устройств снятия для удаления загрязнений с поверхности сточных вод, содержащихся в указанной по меньшей мере одной первой секции обработки.
30. Способ по любому из п.п. 24-29, в котором указанная по меньшей мере одна вторая секция обработки содержит одно или более устройств снятия плавающих загрязнений с поверхности сточных вод, содержащихся в указанной по меньшей мере одной второй секции обработки.
31. Способ по любому из п.п. 24-30, в котором указанная по меньшей мере одна вторая секция обработки обеспечивает второе время пребывания приблизительно от 10 до 30 минут.
32. Способ по любому из п.п. 24-31, в котором указанная по меньшей мере одна третья секция обработки обеспечивает третье время пребывания приблизительно от 10 до 30 минут.
33. Способ по любому из п.п. 24-32, в котором указанная по меньшей мере одна третья секция обработки содержит сепаратор для удаления из указанной по меньшей мере одной третьей секции обработки выпавших в осадок загрязнений.
34. Способ по любому из п.п. 24-33, в котором сточные воды извлекают при помощи насоса из первой секции обработки посредством указанного по меньшей мере одного второго трубопровода для текучей среды, пропускают через по меньшей мере одну трубку Вентури и возвращают в первую секцию обработки.
35. Способ по любому из п.п. 24-34, в котором во второй трубопровод для текучей среды через трубку Вентури вводят воздух.
36. Способ по п. 35, в котором во второй трубопровод для текучей среды через указанную по меньшей мере одну трубку Вентури вводят раствор хлорита натрия, комбинацию хлорита натрия и гидроокиси натрия или оба этих химиката в качестве отдельных порций.
37. Способ по любому из п.п. 24-36, в котором поток сточных вод, поступающий в систему обработки текучей среды, имеет первое потребление окислителя, а указанные обработанные сточные воды, поступающие в указанную по меньшей мере одну вторую секцию обработки, имеют второе потребление окислителя.
38. Способ по любому из п.п. 24-37, в котором часть сточных вод, извлекаемую из первой секции обработки при помощи указанного по меньшей мере одного второго трубопровода для текучей среды, извлекают с уровня приблизительно 20% от дна указанной по меньшей мере одной первой секции обработки.
39. Способ по любому из п.п. 24-38, в котором обработанные сточные воды сливают из указанного по меньшей мере одного второго трубопровода для текучей среды по существу на средней линии указанной по меньшей мере одной первой секции для обработки.
3
4
40. Способ по любому из п.п. 24-39, в котором удаляют загрязнения, выбранные из группы, включающей в себя Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, CaClO, SO, Ва, углеводороды, общее количество растворенных твердых веществ или биологическое загрязнение.
3
41. Способ по п. 40, в котором содержание кальция и магния в обработанной текучей среды, установленное как СаСо, уменьшают до величины, составляющей меньше приблизительно 2200 мг/л.
3
42. Способ по п. 40, в котором содержание кальция и магния в обработанной текучей среды, установленное как СаСо, уменьшают до 93%.
43. Способ по любому из п.п. 24-39, в котором в водном объеме уменьшают, инактивируют, разрушают или устраняют сернистые соединения, бактерии или их комбинации.
44. Способ по любому из п.п. 24-43, в котором поток сточных вод представляет собой пластовую воду, получаемую в месте добычи нефти и газа.
45. Способ по любому из п.п. 24-44, в котором остаточное содержание диоксида хлора в обработанных сточных водах во второй секции обработки находится в диапазоне приблизительно от 0,1 до приблизительно 50 мг/л.
46. Способ по любому из п.п. 24-45, в котором источник потока сточных вод выбирают из группы, включающей в себя поток водной текучей среды, емкость, бак, яму, отстойный бассейн или водоем для хранения водосточных вод, водоочистную установку, цистерну для гидроразрыва или часть оборудования, трубопровода или емкости, используемых для гидроразрыва или добычи нефти.
47. Способ по любому из п.п. 24-46, в котором первая секция обработки представляет собой емкость, выбранную из группы, включающей в себя резервуар для хранения, цистерну для гидроразрыва или другую расположенную на месте емкость, применяемую для гидроразрыва или добычи нефти.
48. Способ по любому из п.п. 24-47, в котором вторая и третья секция обработки установлены в одной емкости, выбранной из группы, включающей в себя резервуар для хранения, цистерну для гидроразрыва или другую расположенную на месте емкость, применяемую для гидроразрыва или добычи нефти.
49. Способ по любому из п.п. 24-48, включающий в себя этап генерации водного раствора диоксида хлора с использованием генератора диоксида хлора, которой вводит газ диоксида хлора в контакт с частью потока обрабатываемых сточных вод при вакуумном давлении, так что газ диоксида хлора втягивается в часть потока сточных вод с образованием водного раствора диоксида хлора.
50. Система обработки текучей среды, выполненная с возможностью выполнять способ по любому из п.п. 24-49.
51. Система обработки текучей среды для поточного использования в месте расположения скважины для добычи углеводородов, содержащая:
по меньшей мере одну первую секцию обработки, по меньшей мере одну вторую секцию обработки и по меньшей мере одну третью секцию обработки;
по меньшей мере один первый трубопровод для текучей среды, предназначенный для течения потока сточных вод с начальным потреблением окислителя в по меньшей мере одну первую секцию обработки, имеющую по меньшей мере одно выходное отверстие, которое находится в сообщении с ним с возможностью переноса текучей среды;
по меньшей мере один второй трубопровод для текучей среды, предназначенный для циркуляции сточных вод из по меньшей мере одной первой секции обработки, имеющей по меньшей мере одно выходное отверстие и по меньшей мере одно входное отверстие, находящееся в сообщении с ним с возможностью переноса текучей среды;
по меньшей мере один первый эдуктор, находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с по меньшей мере одним вторым трубопроводом для текучей среды и по меньшей мере одним источником окислителя и предназначенный для ввода по меньшей мере одного окислителя в по меньшей мере один второй трубопровод для текучей среды в контролируемых количествах и с контролируемым расходом;
по меньшей мере один второй эдуктор, находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с по меньшей мере одним вторым трубопроводом для текучей среды и с по меньшей мере одним источником окиси хлора и предназначенный для ввода по меньшей мере одной первой окиси хлора в по меньшей мере один второй трубопровод для текучей среды в контролируемых количествах;
по меньшей мере один третий трубопровод для текучей среды, предназначенный для перемещения сточных вод из по меньшей мере одной первой секции обработки к по меньшей мере одной второй секции обработки, причем этот по меньшей мере один третий трубопровод для текучей среды находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с по меньшей мере одним выходным отверстием по меньшей мере одной первой секции обработки и с по меньшей мере одним входным отверстием по меньшей мере одной второй секции обработки;
по меньшей мере один третий эдуктор, находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с по меньшей мере одним третьим трубопроводом для текучей среды и с по меньшей мере одним источником диоксида хлора и предназначенный для ввода диоксида хлора в по меньшей мере один третий трубопровод для текучей среды в контролируемых количествах и с контролируемым расходом;
при этом первая секция обработки содержит по меньшей мере одно устройство снятия, по меньшей мере один сепаратор, предназначенный для удаления выпавших в осадок загрязнений из по меньшей мере одной первой секции обработки, и имеет время пребывания от приблизительно 15 минут до приблизительно 60 минут;
вторая секция обработки содержит по меньшей мере одно устройство снятия, по меньшей мере одно выходное отверстие нижнего слива, обеспечивающее выпуск в по меньшей мере одну третью секцию обработки, и имеет время пребывания от приблизительно 10 минут до приблизительно 30 минут;
и третья секция обработки содержит по меньшей один сепаратор, предназначенный для удаления выпавших в осадок загрязнений из по меньшей мере одной третьей секции обработки и по меньшей мере одно выходное отверстие верхнего слива и имеет время пребывания от приблизительно 10 минут до приблизительно 30 минут.
52. Система по п. 51, в которой первый эдуктор и второй эдуктор скомбинированы и выполнены с возможностью ввода по меньшей мере одного окислителя перед или одновременно с вводом по меньшей мере одной окиси хлора.
53. Система по п. 52, в которой окислитель выбран из группы, включающей в себя кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух и их комбинации.
54. Система по любому из п.п. 52-53, в которой по меньшей мере одна первая окись хлора содержит водный раствор хлорита натрия.
55. Система по любому из п.п. 52-54, в которой контролируемый расход окислителя предотвращает выделение в виде газа летучих восстановителей из сточных вод.
56. Система по любому из п.п. 52-55, в которой первая секция обработки представляет собой емкость, бак или часть оборудования или емкость, применяемые для гидроразрыва или добычи нефти.
57. Водная система по любому из п.п. 52-56, в которой остаточное содержание диоксида хлора в обработанных сточных водах во второй секции обработки находится в диапазоне приблизительно от 0,1 до приблизительно 50 мг/л.
58. Водная система по любому из п.п. 52-57, в которой первый, второй и третий эдукторы представляют собой трубку Вентури.
59. Способ обработки сточных вод, включающий в себя следующие этапы:
ввод потока сточных вод в систему обработки текучей среды, содержащую по меньшей мере одну первую секцию обработки, по меньшей мере одну вторую секцию обработки и по меньшей мере одну третью секцию обработки;
обеспечение течения потока сточных вод по по меньшей мере одному первому трубопроводу для текучей среды к по меньшей мере одной первой секции обработки; извлечение по меньшей мере части сточных вод из по меньшей мере одной первой секции обработки при помощи по меньшей мере одного второго трубопровода для текучей среды;
ввод окислителя в извлеченную часть сточных вод через по меньшей мере одну точку поточной обработки при помощи окислителя в по меньшей мере одном первом трубопроводе для текучей среды в условиях, достаточных для производства полного смешения окислителя в сточных водах, и с контролируемым расходом, причем окислитель выбирают из группы, включающей в себя кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух и их комбинации, и ввод по меньшей мере одной окиси хлора в извлеченную часть сточных вод через по меньшей мере одну точку поточной обработки при помощи окиси хлора в по меньшей мере одном первом трубопроводе для текучей среды, чтобы приготовить обработанные сточные воды;
рециркуляция обработанных сточных вод обратно к по меньшей мере одной первой секции обработки с обеспечением возможности осаждения или подъема твердых частиц, образовавшихся в обработанной воде, в по меньшей мере одной первой секции обработки, и отделение твердых частиц от обработанных сточных вод, содержащихся в этой секции;
слив обработанных сточных вод из по меньшей мере одной первой секции обработки в по меньшей мере одну вторую секцию обработки при помощи по меньшей мере одного третьего трубопровода для текучей среды,
причем, перед сливом в по меньшей мере одну вторую секцию обработки, через по меньшей мере одну точку поточной обработки в по меньшей мере одном втором трубопроводе для текучей среды вводят газ диоксида хлора с определенным расходом, достаточным для обеспечения остаточного содержания диоксида хлора в обработанных сточных водах;
обеспечение возможности осаждения или подъема твердых частиц, образовавшихся в обработанных сточных водах, в по меньшей мере одной второй секции обработки, и отделение твердых частиц от сточных вод, содержащихся в ней;
обеспечение течения потока сточных вод из по меньшей мере одной второй секции обработки к по меньшей мере одному первому выходному отверстию нижнего слива, обеспечивающему выпуск в по меньшей мере одну третью секцию обработки; обеспечение возможности осаждения или подъема твердых частиц, образовавшихся в сточных водах, в по меньшей мере одной второй секции обработки, и отделение твердых частиц от сточных вод, содержащихся в этой секции;
обеспечение течения потока сточных вод из по меньшей мере одной третьей секции обработки к по меньшей мере одному первому выходному отверстию верхнего слива в по меньшей мере одну четвертую секцию обработки, емкость или чистый резервуар.
ПРИМЕРЫ
[0099] Для облегчения понимания данного изобретения приводятся нижеследующие примеры осуществления данного изобретения. При этом следует понимать, что это не приводит к какому-либо ограничению объема изобретения, при этом предполагается, что нижеследующие примеры не ограничивают или не определяют объем изобретения.
[00100] В нижеследующих примерах было изучено действие диоксида хлора на сточные воды, получаемые из месторождений нефти, с обработкой при помощи кислорода и без такой обработки.
[00101] Пример 1. Нижеследующий эксперимент был проведен для того, чтобы определить, как сильно добавление воздуха или кислорода влияет на обработку пробы промысловых сточных вод при помощи диоксида хлора (и/или хлорита). Результаты этого эксперимента показывают, что комбинация воздуха или кислорода с диоксидом хлора или хлоритом дает неожиданный полезный результат, заключающийся в том, что значительно уменьшается доза окислителя, необходимая для окисления сульфидов, имеющихся в сточных водах из месторождений нефти. Кроме того, неожиданно выяснилось, что комбинация воздуха или кислорода с диоксидом хлора обеспечивает уничтожение бактерий при существенно уменьшенных дозировках. Напротив, добавление только воздуха или кислорода в течение допустимого периода времени не достаточно для того, чтобы удалить сульфиды из сточных вод или уничтожить содержащиеся в этих водах бактерии, а добавление альтернативных окислителей (т.е. азота) не дает такого же синергического эффекта.
6
[00102] В каждом из нижеследующих экспериментов 1(A) - 1(G) использовалась проба воды, содержащая 10 процентов твердых частиц с количеством сульфидов в водной фазе, составляющим 110 мг/л, и имеющая значение рН, равное 8,2. Твердые частицы состоят из биомассы, неорганических материалов, углеводорода и нерастворимых сульфидов с концентрацией 82,5 мг/кг. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание сульфида, и обычные аэробные бактерии, причем рост составил более 10 КОЕ/мл. Проба (раствор и твердые частицы) имеет темную окраску.
[00103] Во-первых, выполнили следующую серию для экспериментального контроля.
[00104] Контроль А. Часть пробы (200 мл) очищали при помощи диоксида хлора (335 мг/л) в течение более 15 минут с перемешиванием, чтобы получить в растворе остаточное содержание (менее 1,0 мг/л) диоксида хлора. Проба быстро изменяет окраску с темной на коричневую или оранжевую, при этом нерастворимые твердые частицы быстро оседают и образуются хлопья типа железа. Кроме того, на поверхности обработанной пробы наблюдали легкий блеск углеводорода. Никаких других изменений внешнего вида обработанной текучей среды в течение 5 минут не наблюдали. Твердые частицы (осадок) и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. Поддающихся обнаружению сульфидов в твердых частицах и текучих средах не нашли. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом роста бактерий не наблюдали.
6
[00105] Контроль В. Часть пробы (200 мл) очищали при помощи диоксида хлора (230 мг/л) в течение 5 минут с перемешиванием. Проба быстро изменяет окраску с темной на коричневую или оранжевую, при этом нерастворимые твердые частицы быстро оседают и образуются хлопья типа железа. Никаких других изменений внешнего вида обработанной текучей среды в течение 5 минут не наблюдали. Твердые частицы (осадок) и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. В текучей среде и осадке нашли 31 мг/л и 51 мг/кг соответственно. Остаточного содержания диоксида хлора не было. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом рост бактерий составил более 10 КОЕ/мл.
6
[00106] Контроль С. Часть пробы (200 мл) очищали при помощи диоксида хлора (420 мг/л хлорита - 560 мг/л в виде хлорита натрия)с перемешиванием. Проба быстро изменяет окраску с темной на коричневую или оранжевую, нерастворимые твердые частицы быстро оседают, и в течение десяти минут образуются хлопья типа железа. Кроме того, на поверхности обработанной пробы наблюдали легкий блеск углеводорода. Никаких других изменений внешнего вида обработанной текучей среды по истечении 10 минут не наблюдали. Твердые частицы и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. Поддающихся обнаружению сульфидов в текучих средах не нашли, однако содержание сульфида в твердых частицах составило приблизительно 15 мг/л. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом рост составил более 10 КОЕ/мл.
6
[00107] Контроль D. Применяя тонкий диффузор, часть пробы (200 мл) барботировали при помощи воздуха в течение 30 минут с расходом 2 ст. л/мин. В течение 30 минут проба меняет окраску с темной на серую. Твердые частицы (осадок) и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. Текучая среда содержит 60 мг/л сульфида, твердые частицы содержат 75 мг/л сульфида. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом рост составил более 10 КОЕ/мл.
[00108] Затем в трех системах (воздух - диоксид хлора, азот - диоксид хлора и воздух - хлорит) провели три следующих эксперимента с барботажем.
2
[00109] Эксперимент Е. Применяя тонкий диффузор, часть пробы (200 мл) барботировали при помощи воздуха в течение 4 минут с расходом 2 ст. л/мин. Одновременно начали добавлять и на протяжении 5 минут добавляли дозу 230 мг/л диоксида хлора, причем в течение последней минуты дозирование осуществляли без воздушного барботажа. В этом примере ClOдобавляют со сравнительно низкой скоростью с таким объем и расходом воздуха, что удаление диоксида хлора до того, как он вступит в реакцию, не происходит. Проба быстро изменяет окраску с темной на коричневую или оранжевую, при этом нерастворимые твердые частицы быстро оседают, а после прекращения барботажа образуются хлопья типа железа. Никаких других изменений внешнего вида обработанной текучей среды в течение 5 минут не наблюдали. Твердые частицы (осадок) и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. Поддающихся обнаружению сульфидов в твердых частицах или текучей среде не было. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом роста бактерий не наблюдали.
6
[00110] Эксперимент F. Применяя тонкий диффузор, часть пробы (200 мл) барботировали при помощи азота в течение 4 минут с расходом 2 ст. л/мин. Одновременно начали добавлять и на протяжении 5 минут добавляли дозу 230 мг/л диоксида хлора, причем в течение последней минуты дозирование осуществляли без азотного барботажа. Проба быстро изменяет окраску с темной на коричневую или оранжевую, при этом нерастворимые твердые частицы быстро оседают, а после прекращения барботажа образуются хлопья типа железа. Никаких других изменений внешнего вида обработанной текучей среды в течение 5 минут не наблюдали. Твердые частицы (осадок) и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. Остаточное содержание сульфидов в текучей среде и твердых частицах составило соответственно 7 мг/л и 160 мг/л. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом рост бактерий составил более 10 КОЕ/мл.
6
[00111] Эксперимент G. Применяя тонкий диффузор, часть пробы (200 мл), барботировали при помощи воздуха в течение 15 минут с расходом 2 ст. л/мин. Одновременно начали добавлять и на протяжении 5 минут добавляли дозу 300 мг/л хлорита (402 мг/л в виде хлорита натрия). Проба изменяет окраску с темной на коричневую или оранжевую, при этом нерастворимые твердые частицы быстро оседают, а после прекращения барботажа образуются хлопья типа железа. Никаких других изменений внешнего вида обработанной текучей среды в течение 15 минут не наблюдали. Твердые частицы (осадок) и текучую среду проанализировали на содержание сульфидов с использованием газоанализатора Гаррета. Поддающихся обнаружению сульфидов в твердых частицах или текучей среде не было. Из пробы культивировали бактерии, уменьшающие содержание серы, и обычные аэробные бактерии, при этом рост бактерий составил более 10 КОЕ/мл.
[00112] В следующих примерах был изучен неожиданный синергический эффект обработки в замкнутой системе резервуара для хранения, наполненного сточной водой из месторождения нефти, при помощи диоксида хлора и кислорода. На двух системах (только воздух - диоксид хлора и воздух - хлорит - диоксид хлора) были проведены следующие эксперименты с барботажем.
6
[00113] Пример 2. Было проанализировано содержимое цистерны, содержащей 30000 баррелей пластовой свежей воды и воды обратного притока. Цистерна содержала 16000 мг/л растворенных твердых веществ, 10 КОЕ/мл бактерий и 40 мг/л сульфидов в гомогенизированной текучей среде со значением рН 7,8. Было определено, что для этой обрабатываемой текучей среды потребление диоксида хлора составляет 180 мг/л. Было определено, что для сохранения рН требуется 630 галлонов 50-процентной гидроокиси натрия.
[00114] Цистерна была оснащена генератором диоксида хлора (см. например, патент US 6,468,479). Примером генератора, хотя и не имеющим ограничительного характера, может служить мобильная система генерирования Sabre ВВ series portable DiKlor, имеющая производительность 24000 фунтов за сутки непрерывного производства. Эта автономная система имеет распределительную систему, которая позволяет ей обеспечивать циркуляцию текучих сред в цистерне. Точнее, из цистерны был извлечен поток текучей среды-носителя, который затем при помощи центробежного насоса с расходом 320 галлонов в минуту прокачивали через генератор диоксида хлора. Генератор установлен так, чтобы всасывание потока рабочей текучей среды происходило в нижней части цистерны. Сливаемый раствор, содержащий диоксид хлора и/или воздух, при помощи подвижной штанги с распылительными наконечниками возвращали в цистерну и выпускали на ее дно. (См. фиг. 5 и 8). Штангу с распылительными наконечниками непрерывно перемещали вокруг резервуара со скоростью 50 футов в минуту.
[00115] В цистерну добавили гидроокись натрия с количеством хлорита натрия, достаточным для абсорбирования приблизительно 10 процентов теоретического потребления диоксида хлора. В этом конкретном примере и в соответствии с расчетами, известными в данной области техники, количество хлорита натрия, необходимого для абсорбирования 10% теоретического потребления диоксида хлора, представляло собой дозу хлорита приблизительно 23 мг/л. Гидроокись натрия и хлорит с воздухом добавляли в течение шестидесяти минут с расходом 125 стандартных кубических футов в минуту. В этом варианте осуществления воздух вводили через трубку Вентури. В конце этого 60-минутного периода ввод воздуха прекратили, при этом потребление диоксида хлора проверили повторно. Оно составило 27 мг/л. Затем при помощи трубки Вентури с соответствующим расходом вводили диоксид хлора, чтобы в течение 30 минут получить дозу 47 мл/г. В течение этапа с диоксидом хлора воздух не вводился.
[00116] Полученная прозрачная текучая среда имела оранжевый (коричневый) осадок и расположенный сверху тонкий слой флокулянта, состав которого был определен, как содержащий 98% неорганического материала и 2% углеводородов. В текучей среде нашли остаточное содержание диоксида хлора в количестве 8 мг/л. Текучую среду, осадок и флокулянт проанализировали при помощи газоанализатора Гаррета. Оказалось, что сульфидов они не содержат. При анализе культуры роста бактерий не обнаружили. Текучую среду проанализировали, чтобы определить, подходит ли она для "гелеобразования" для применения при гидроразрыве. Текучая среда без труда образовывала гель и поперечные связи. Результатом данного способа явилось 75-процентное уменьшение количества диоксида хлора, необходимого для получения целевого остаточного содержания диоксида хлора и исключения роста бактерий.
6
[00117] Пример 3. Было проанализировано содержимое цистерны, содержащей 30000 баррелей пластовой свежей воды и воды обратного притока. Цистерна содержала 16000 мг/л растворенных твердых веществ, 10 КОЕ/мл бактерий и 40 мг/л сульфидов в гомогенизированной текучей среде со значением рН 7,8. Было определено, что для этой текучей среды потребление диоксида хлора составляет 180 мг/л. Цистерну оснастили генератором диоксида хлора так, чтобы всасывание потока рабочей текучей среды происходило в нижней части цистерны. Сливаемый раствор, содержащий диоксид хлора и/или воздух, при помощи подвижной штанги с распылительными наконечниками возвращали в цистерну с выпуском на дно цистерны. Штангу с распылительными наконечниками непрерывно перемещали вокруг резервуара со скоростью 50 футов в минуту. Из цистерны извлекали текучую среду и прокачивали ее через генератор диоксида хлора при помощи центробежного насоса с расходом 320 галлонов в минуту.
[00118] В этом примере хлорит в виде хлорита натрия непосредственно в систему не добавляли. Вместо этого вначале в цистерну добавляли диоксид хлора (который превратился в хлорит), затем воздух и, наконец, вторую дозу диоксида хлора, как указано ниже. Конкретнее, 1) с начала отсчета времени (0) в течение первых 10 минут добавляли диоксид хлора, чтобы обеспечить 20% общей дозы; 2) с 10-й минуты по 30-ю минуту раствор прокачивали по замкнутой системе; 3) с 10-й по 60-ю минуту добавляли воздух; и 3) с 60-й по 80-ю минуту в цистерну ввели остальные 80% диоксида хлора. В целом цистерну на протяжении общего (но не непрерывного) 50-минутного периода очищали при помощи диоксида хлора с концентрацией 110 мг/л. Что касается этапа 2, специалисту в данной области техники понятно, что, если применяют резервуар большой вместимости, то необходимо проявлять осторожность, чтобы не получить "горячие точки", и принять меры, чтобы диоксид хлора немного диспергировал.
2
[00119] На этапе 3 отдельно в промежутке времени с 30 по 60 минуту через трубку Вентури в резервуар 250 добавляли воздух с расходом 100 стандартных кубических футов в минуту. В альтернативных вариантах осуществления можно было добавить уменьшенные дозы ClO с воздухом, в зависимости от размера и глубины емкости, а также расхода. Одновременно добавляли гидроокись натрия, чтобы сохранить стабильное значение рН. После обработки осуществили анализ текучей среды. Полученная прозрачная текучая среда имела оранжевый (коричневый) осадок и расположенный сверху тонкий слой флокулянта, состав которого был определен, как содержащий 98% неорганического материала и 2% углеводородов. В текучей среде нашли остаточное содержание диоксида хлора 12 мг/л. Текучую среду, осадок и флокулянт проанализировали при помощи газоанализатора Гаррета. Оказалось, что сульфидов они не содержат. При анализе культуры роста бактерий не обнаружили. Текучую среду проанализировали, чтобы определить, подходит ли она для "гелеобразования" для применения при гидроразрыве. Текучая среда без труда образовывала гель и поперечные связи. Результатом данного способа явилось приблизительно 40-процентное уменьшение количества диоксида хлора, необходимое для получения целевого остаточного содержания диоксида хлора и исключения роста бактерий.
[00120] Пример 4. Резервуар содержал 4200 галлонов пластовой воды. Гомогенизированную текучую среду проанализировали и определили, что общее содержание растворенных в ней твердых веществ составляет 23000 мг/л, содержание бактерий составляет 104 КОЕ/мл, сульфидов - 175 мг/л, значение рН составило 7,8. Было определено, что потребление диоксида хлора для этой текучей среды составляет 580 мг/л. Цистерну оснастили генератором диоксида хлора так, чтобы всасывание потока рабочей текучей среды происходило в нижней части цистерны. Сливаемый раствор, содержащий диоксид хлора и/или воздух, при помощи перфорированной трубы возвращали в цистерну по длине дна цистерны. Из цистерны извлекали текучую среду и обеспечивали ее циркуляцию через генератор диоксида хлора при помощи центробежного насоса с расходом 320 галлонов в минуту.
[00121] Как в примере 3, вначале в цистерну через трубку Вентури 320 добавили диоксид хлора, затем воздух и, наконец, вторую дозу диоксида хлора, как указано ниже. Конкретнее, 1) с начала отсчета времени (0) в течение первой минуты добавляли диоксид хлора, чтобы обеспечить 20% общей дозы; 2) с 6-й минуты по 10-ю минуту в цистерну ввели остальные 80% диоксида хлора. В целом цистерну на протяжении общего (но не непрерывного) 5-минутного периода очищали при помощи диоксида хлора с концентрацией 310 мг/л. В промежутке времени с 1-ой по 6-ю минуту через трубку Вентури в цистерну добавляли воздух с расходом 50 стандартных кубических футов в минуту. Одновременно добавляли гидроокись натрия, чтобы сохранить стабильное значение рН. После обработки осуществили анализ текучей среды. Полученная прозрачная текучая среда имела оранжевый (коричневый) осадок и расположенный сверху тонкий слой флокулянта, состав которого был определен, как содержащий 96% неорганического материала и 4% углеводородов. В текучей среде нашли остаточное содержание диоксида хлора 7 мг/л. Текучую среду, осадок и флокулянт проанализировали при помощи газоанализатора Гаррета. Оказалось, что сульфидов они не содержат. При анализе культуры роста бактерий не обнаружили. Результатом данного способа явилось приблизительно 47-процентное уменьшение количества диоксида хлора, необходимое для получения целевого остаточного содержания диоксида хлора и исключения роста бактерий.
[00122] Пример 5. Резервуар содержал 4200 галлонов пластовой воды. Гомогенизированную текучую среду проанализировали и определили, что общее содержание растворенных в ней твердых веществ составляет 23000 мг/л, содержание бактерий составляет 104 КОЕ/мл, сульфидов - 175 мг/л, при этом значение рН составило 7,8. Было определено, что потребление диоксида хлора для этой текучей среды составляет 580 мг/л. Цистерну оснастили генератором диоксида хлора так, чтобы всасывание потока рабочей текучей среды происходило от самого нижнего конца цистерны. Сливаемый раствор, содержащий диоксид хлора и/или воздух, при помощи перфорированной трубы возвращали в цистерну по длине дна цистерны. Из цистерны извлекали текучую среду и обеспечивали ее циркуляцию через генератор диоксида хлора при помощи центробежного насоса с расходом 320 галлонов в минуту.
[00123] В этом примере хлорит вводили непосредственно с таким расходом, чтобы в течение первой минуты достичь дозировки 120 мг/л. Диоксид хлора также вводили с таким расходом, чтобы в течение общего периода времени 5 минут получить дозу 210 мл/г. Конкретно, диоксид хлора добавляли с начала отсчета времени (0) до первой минуты (1), а затем снова с шестой минуты (6) до десятой минуты (10). В промежутке времени с начала отсчета времени по 9-ю минуту через трубку Вентури в цистерну добавляли воздух с расходом 50 стандартных кубических футов в минуту. Одновременно добавляли гидроокись натрия, чтобы сохранить стабильное значение рН. После обработки осуществили анализ текучей среды.
[00124] Обработанная прозрачная текучая среда имела оранжевый (коричневый) осадок и расположенный сверху тонкий слой флокулянта, состав которого был определен, как содержащий 96% неорганического материала и 4% углеводородов. В текучей среде нашли остаточное содержание диоксида хлора 7 мг/л. Текучую среду, осадок и флокулянт проанализировали при помощи газоанализатора Гаррета. Оказалось, что сульфидов они не содержат. При анализе культуры роста бактерий не обнаружили. Результатом данного способа явилось приблизительно 43-процентное уменьшение количества окисей хлора, необходимое для получения целевого остаточного содержания диоксида хлора и исключения роста бактерий.
3
4
[00125] Нижеследующие экспериментальные результаты показывают, что объединение окислителя 40 (воздух или кислород) с хлоритом 30b, после которой следует ввод диоксида хлора 30а, дает неожиданный полезный результат, заключающийся в значительном уменьшении содержания нежелательных загрязнений в промысловых сточных водах (или в пластовой воде), в том числе Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, TDS, CaClO, SO, Ва, масла, смазки, а также бактериального загрязнения, так что обработанные текучие среды подходят для повторного использования в качестве текучих сред для гидроразрыва.
[00126] Пример 6. Последовательность процессов обработки применяют для типичной пластовой текучей среды (2), получаемой в северном Техасе. При помощи циркуляционного насоса (3) текучую среду с постоянным расходом шесть баррелей в минуту перекачивают в емкость для гидроразрыва (первую емкость 101 для гидроразрыва) вместимостью 500 баррелей. Приблизительно четыре барреля в минуту текучей среды извлекают с уровня 2 фута над дном первой емкости 101 для гидроразрыва. Текучую среду 2а пропускают через трубку Вентури 4, в которой в поток текучей среды добавляют воздух 40, хлорит натрия 30b и гидроокись натрия 90. Поток 2а текучей среды, снова поступающий в первую емкость 101 для гидроразрыва и содержащий воздух 4, хлорит 30b и каустическую соду 90, вводят вдоль осевой линии 8а емкости 101 при помощи распределительной штанги 19, перемещающейся по длине емкости 101. В этом примере хлорит 30b вводят с получением дозировки 50 мг/л, а окислитель (40) добавляют с получением дозировки 400 мг/л. Чтобы извлечь плавающий материал, в верхней части первой емкости (101) для гидроразрыва устанавливают скиммер (6).
[00127] Текучую среду 2а извлекают во вторую емкость для гидроразрыва 102 через спускное отверстие, расположенное приблизительно на 2 фута выше, чем дно первой емкости 101 для гидроразрыва. Текучую среду 2а вводят во вторую емкость для гидроразрыва 102 на уровне приблизительно 2 фута. В поток текучей среды между первой емкостью 101 для гидроразрыва и второй емкостью для гидроразрыва 102 вводят диоксид хлора 30а. В этом примере диоксид хлора 30а вводят с получением дозировки 25 мг/л. Текучая среда 2b из нижней части второй емкости для гидроразрыва 102 сливается в третью емкость для гидроразрыва 103. Текучая среда 2с из третьей емкости для гидроразрыва 103 переливается в чистый резервуар 104.
[00128] В этом примере пластовая текучая среда 2, текущая в первую емкость 101 для гидроразрыва, вначале содержала приблизительно 1 объемный процент углеводорода нефти. Свободный углеводород в первой емкости 101 для гидроразрыва извлекали предпочтительно на поверхности. Во второй емкости для гидроразрыва 102 сернистое железо (FeS), окисленное при помощи диоксида хлора, вступает в реакцию, образуя тригидроксид железа. Твердые частицы низкой плотности, образовавшиеся в результате этой реакции, и дополнительные выделившиеся углеводороды удалили во второй емкости для гидроразрыва посредством снятия верхнего слоя. Твердые частицы высокой плотности, образовавшиеся в качестве части этого процесса, осаждались на дно второй и третьей емкости. Текучую среду из третьей емкости 103 переливали в чистый резервуар 104. Обработанную текучую среду 2d выкачали из чистого резервуара 104 для последующего хранения. Остаточное содержание диоксида хлора в обработанной текучей среде составило 20 мг/л. Таблицы 1А-1С показывают результаты, полученные при помощи вышеописанного способа и вышеописанной системы.
[00129] Пример 7. Последовательность процессов обработки применяют для типичной пластовой текучей среды, получаемой в Пермском бассейне. При помощи насоса текучую среду с расходом приблизительно шесть баррелей в минуту перекачивают из группы, состоящей из шести цистерн 500 хранения, в емкость 101 для гидроразрыва вместимостью 500 баррелей. Шесть цистерн 500 хранения для гидроразрыва заполняют при помощи грузовика от месторождения. Приблизительно четыре барреля в минуту текучей среды извлекают с уровня 2 фута над дном первой емкости 101 для гидроразрыва. Текучую среду 2а пропускают через трубку Вентури 4, в которой в поток текучей среды добавляют воздух 40, хлорит натрия 30b и гидроокись натрия 90. Поток текучей среды, снова поступающий в первую емкость для гидроразрыва и содержащий воздух 40, хлорит 30b и каустическую соду 90, вводят по осевой линии первой емкости 101 для гидроразрыва при помощи распределительной штанги 19, перемещающейся по длине емкости 101. В этом примере хлорит 30b вводят с получением дозировки 50 мг/л, а окислитель 40 добавляют с получением дозировки 400 мг/л (например, 2200 мг/л воздуха). Чтобы извлечь плавающий материал, в верхней части емкости 101 устанавливают скиммер 6.
[00130] Текучую среду извлекают во вторую емкость для гидроразрыва 102 через спускное отверстие, расположенное приблизительно на 2 фута выше, чем дно первой емкости 101 для гидроразрыва, при этом текучую среду вводят во вторую емкость для гидроразрыва 102 на уровне приблизительно 2 фута. В поток текучей среды между первой емкостью 101 для гидроразрыва и второй емкостью 102 вводят диоксид хлора 30а. В этом примере диоксид хлора 30а вводят с получением дозировки 25 мг/л. Текучая среда 2b из нижней части второй емкости 102 сливается в третью емкость 103. Текучая среда 2с из третьей емкости 103 переливается в чистый резервуар 104.
[00131] Свободный углеводород в первой емкости 101 извлекали предпочтительно на поверхности. Во второй емкости 102 сернистое железо, окисленное при помощи диоксида хлора, вступает в реакцию, образуя тригидроксид железа. Твердые частицы низкой плотности, образовавшиеся в результате этой реакции, и выделившиеся углеводороды удалили посредством снятия верхнего слоя в этой емкости. Образовавшиеся твердые частицы высокой плотности осаждались на дно второй и третьей секции (емкости). Текучую среду из третьей секции/емкости 103 переливали в чистый резервуар 104. Текучую среду 2d выкачали из чистого резервуара 104 для последующего хранения. Остаточное содержание диоксида хлора в обработанной текучей среде составило 20 мг/л.
[00132] В этом примере доля нефтяного углеводорода в черпаковых пробах входящей текучей среды составила 60 миллионных долей по объему. Однако это измерение было неточным из-за свойств грузового автотранспорта. Некоторые прибывающие грузовики не имели заметного содержания углеводородов, в то время как другие содержали несколько процентов из-за скоплений углеводородов, попавших в систему. Из первой и второй емкости посредством снятия плавающих загрязнений было удалено большое количество углеводорода, соответствующее 1,72% суммарной подачи текучей среды. В третьей емкости для гидроразрыва заметного содержания углеводорода не было, и черпаковые пробы текучей среды в сливе из последней емкости в среднем показали общее содержание углеводородов 45 миллионных долей.
[00133] Таблицы 2А-2С показывают результаты, полученные при этой обработке.
3
4
[00134] Технологический процесс согласно данному изобретению неожиданно оказался экономически эффективным при удалении загрязнений из сильно загрязненных потоков пластовой воды, содержащей углеводороды. Как видно из таблиц 1 и 2, уменьшение (указанное как Red в таблицах) содержания большей части загрязнений составило от 75 до 98%. В большинстве случаев обработанную воду, как таковую, можно использовать в качестве текучей среды для гидроразрыва без дополнительной обработки или ее можно использовать в качестве поступающего потока, который можно подвергнуть дополнительной обработке (если это необходимо) для удаления в окружающую среду. Удаление высокого уровня загрязнений, таких как Са, Mg, Na, Fe, Cl, Mn, TDS, CaClO, SO, Ва, углеводороды и биологическое загрязнение, которое достигается при помощи предлагаемого способа, весьма желательно при обработке большого количества пластовой воды, загрязненной потоками отходов, образуемых при применениях, связанных с нефтяными месторождениями. Кроме того, этот способ выгодно и значительно предотвращает выделение в виде газа вредных регламентируемых летучих соединений, например, сероводорода.
[00135] Хотя предпочтительное применение раскрытого здесь способа и системы относится к применениям, связанным с месторождениями нефти, например, к нефтяным скважинам, подземным формациям, а также к технической и промысловой воде, дополнительные промышленные применения, в частности, включают в себя системы охлаждающей воды, воду для обогащения промышленных ископаемых, геотермальные скважины, варочные котлы, моечные аппараты, отбельные установки, массные бассейны, системы белой воды, испарители черной щелочи в целлюлозной промышленности, процессы непрерывного литья в металлургической промышленности, системы кондиционирования и охлаждения воздуха, системы осветления и использования оборотной воды, системы обработки воды, системы мембранной фильтрации, технологические потоки при переработке пищевых продуктов (мяса, овощей, сахарного тростника, птицы, фруктов и соевых бобов); и системы обработки отходов, а также отстойники, обработку городских сточных вод, системы муниципального водоснабжения, системы снабжения питьевой водой, водоносные пласты и баки для воды. Кроме того, в контексте данного описания в качестве текучей среды, обрабатываемой при помощи описываемых здесь способа и системы, рассматривается водный объем, поток сточных вод, сточные воды, объем водной текучей среды и поток водной текучей среды.
[00136] Выше описаны различные варианты осуществления и модификации данного изобретения. Такие варианты осуществления и модификации носят лишь иллюстративный характер, они ни в коей мере не ограничивают объем изобретения, определенный нижеследующей формулой изобретения. Кроме того, в объем изобретения также входят другие вариации того, что было описано в данном документе. Данное изобретение может быть модифицировано и осуществлено отличающимися, но эквивалентными способами, очевидными для специалиста в данной области техники, использующего принципы данного изобретения. Кроме того, в отношении описанных здесь деталей конструкции или устройства, не предполагается никаких ограничений, кроме ограничений, описанных в нижеследующей формуле изобретения. Все раскрытые выше числа и диапазоны могут немного варьироваться. Кроме того, термины, примененные в формуле изобретения, имеют свой обычный смысл, если только они недвусмысленно и ясно не определены их по-иному. Изобретение, включенное путем ссылки, не должно рассматриваться, как альтернатива любым ограничениям изобретения, если только недвусмысленно не указано иное.