СИСТЕМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД

Заявляемая полезная модель относится к экологии и предназначена для ликвидации техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и предотвращения сброса нефтепродуктов в открытые водоемы и водозаборные горизонты, а также для минимизации содержания растворенных нефтепродуктов в возвратных водах систем инженерной защиты на территории предприятий нефтепромышленного комплекса.
Известна система для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод (см. авт.свид. СССР №1657624, М. кл. Е21 В 43/00, опубл. 23.06.1991 г.). Указанная система включает локализацию загрязнения путем создания в зоне загрязнения воронок депрессии, образуемых в слое нефтепродукта на поверхности грунтовых вод путем его отбора с нижнего уровня на границе раздела фаз: нефтепродукты-вода, в каждой из добывающих скважин, оборудованных заборным устройством, представляющим собой тонкостенный цилиндр с днищем, подвешиваемый точно на границе раздела фаз. Используемая по авт.свид. СССР №1657624 система связана с необходимостью выполнения, по меньшей мере, одной добывающей скважины, снабженной заборным устройством для извлечения жидких нефтепродуктов.
Недостатками известного технического решения являются сложность реализации из-за необходимости использования специального заборного устройства и трудоемкости процесса настройки для точного его расположения в добывающей скважине, а также отсутствие гидродинамического обоснования пространственной компоновки системы инженерной защиты. При несоблюдении обоснованной расчетом точности подвески заборное устройство либо будет заполняться водой, что приводит к вторичному загрязнению грунтовых вод, либо, при расположении заборного устройства с определенным допуском выше уровня раздела фаз, техническое решение принципиально неработоспособно для тонкослойных скоплений, толщина которых находится в пределах границ указанного допуска. Вместе с тем, в известной системе отсутствует возможность автоматического контроля динамики изменения гидродинамических условий накопления воды и жидких нефтепродуктов в скважине и адаптивной реакции на происходящие изменения, что приводит к снижению производительности известного технического решения и снижению степени очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов.
Известна система для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод (см. патент Украины №29967, М. кл. C02F 1/00, опубл. 16.04.2001 г.), характеризующаяся извлечением нефтепродуктов и воды из отдельных скважин. Согласно известной системе в пределах пятна загрязнения бурят, по меньшей мере, две скважины, в каждой из которых размещают либо водоподъемный, либо нефтеподъемный погружной электронасос, после чего откачивают водоподъемным электронасосом воду до образования депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в воронке, а затем нефтеподъемным электронасосом извлекают их. Система характеризуется пространственным разобщением точек отбора воды и нефтепродуктов, что приводит к снижению содержания растворенных нефтепродуктов в возвратных водах. Однако указанная система требует бурения, как минимум, двух скважин, что связано с дополнительными капитальными затратами. Размещение скважин осуществляется по индивидуальным схемам, что требует дополнительных геодезических изысканий, поэтому использование известной системы инженерной защиты целесообразно на крупных объектах при широкомасштабных загрязнениях.
Известна система для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, принятая в качестве прототипа к заявляемой полезной модели (см. патент Украины №30715, М. кл. C02F 1/00, опубл. 15.05.2001 г.),
Согласно известной системе, в соответствии с указанным патентом, в пределах пятна загрязнения бурят, по меньшей мере, одну скважину, устанавливают в ней временную обсадную колонну из труб большого диаметра, в полости которой размещают водоподъемную секцию с водоподъемным погружным электронасосом и нефтепродуктоподъемную секцию с установленным с меньшим заглублением нефтеподъемным погружным электронасосом, после чего откачивают водоподъемным электронасосом воду до образования на поверхности раздела фаз: нефтепродукты-вода, депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в ней, а затем нефтеподъемным электронасосом селективно извлекают их.
Известная система, приведенная в описании к указанному патенту Украины №30715, содержит водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, размещенные в общей скважине и оборудованные водоподъемным и нефтеподъемным погружными электронасосами, соответственно. Размещение водоподъемной и нефтепродуктоподъемной секций в общей скважине обеспечивает экономию капитальных затрат на бурение и обустройство скважины. Погружные электронасосы установлены один над другим и оборудованы соответствующими системами автономного слежения и управления. При этом оба насоса находятся в пределах общего для них пространства внутри обсадной колонны, заполненной флюидом (водой и нефтепродуктом). Селективное извлечение жидкостей обеспечивается за счет автоматического включения обоих насосов в тот период, когда водоподъемный насос находится ниже поверхности уровня раздела фаз: нефтепродукты-вода, создавая депрессионную воронку, в которой накапливаются нефтепродукты, а нефтеподъемный насос находится выше уровня раздела фаз.
Недостатком известной системы является возникновение зоны эмульгирования вблизи границы раздела фаз при включении любого из насосов. Дифференциация жидкостей и исчезновение зоны эмульгирования происходят быстро, но при этом за счет взбалтывания часть нефтепродуктов переходит в форму истинного водного раствора, что вызывает необходимость дополнительной очистки возвратных вод и, соответственно, снижает экономические показатели процесса санации, повышая энергоемкость известного способа.
Задачей настоящей полезной модели является разработка системы для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, обеспечивающей высокую степень очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов, за счет минимизации вторичного загрязнения грунтовых вод жидкими нефтепродуктами.
Решение поставленной задачи, обеспечивается тем, что в известной системе для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, содержащей водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, размещенные в общей скважине и оборудованные водоподъемным и нефтеподъемным погружными электронасосами, соответственно, согласно полезной модели, скважина заполнена обломочным фильтрующим материалом, а водоподъемная и нефтепродуктоподъемная секции выполнены в виде фильтровых колонн, в нижней части каждой из которых смонтированы фильтры, при этом фильтр водоподъемной секции расположен на глубине, соответствующей уровню раздела фаз: нефтепродукты-вода, а фильтр нефтепродуктоподъемной секции размещен выше уровня раздела фаз.
В оптимальном варианте выполнения системы величину заглубления головы фильтра водоподъемной секции относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:
где
в
h - величина заглубления головы фильтра водоподъемной секции, м;
в
H - расчетное положение уровня раздела фаз, м;
эмв
m - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м,
а величину заглубления башмака фильтра нефтепродуктоподъемной секции относительно поверхности земли рассчитывают следующим образом:
где
нп
h - величина заглубления башмака фильтра нефтепродуктоподъемной секции, м;
нп
Н - расчетная глубина залегания поверхности слоя нефтепродуктов, м;
нп
m - мощность слоя нефтепродуктов, м;
нп
3
Y - плотность нефтепродуктов, т/м;
в
3
Y - плотность воды, т/м;
эмн
m - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.
Указанное выполнение системы позволяет получить технический результат, состоящий в обеспечении высокой степени очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов, за счет минимизации вторичного загрязнения грунтовых вод жидкими нефтепродуктами.
Решаемая заявляемой полезной моделью задача связана с особенностями эксплуатации малодебитных скважин для извлечения жидкихнефтепродуктов, производительность которых мала и должна быть согласована с производительностью насосного оборудования при экологической очистке загрязненных территорий. Поэтому откачку нефтепродуктов из таких скважин приходится периодически прекращать с целью необходимого их накопления в скважине за счет притока пластовой жидкости, в том числе воды, поступающей к скважине. В связи с этим возникает потребность в согласовании взаиморасположения погружных электронасосов и фильтров водоподъемной и нефтепродуктоподъемной секций, размещаемых в скважине, что обеспечивает селективное извлечение воды и нефтепродуктов с достижением эффекта демпфирования перемешивания. При этом, в результате разнесенения по высоте фильтров водоподъемной и нефтепродуктоподъемной секций и, соответственно, водоподъемного и нефтеподъемного погружных электронасосов, а также заполнения скважины фильтрующей обсыпкой, обеспечивается снижение гидродинамических воздействий на границе раздела фаз: нефтепродукты-вода, что препятствует перемешиванию нефтепродуктов с водой и переходу жидких нефтепродуктов в состояние истинных растворов.
На Фиг. изображена система для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод.
Подготовку к извлечению жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, согласно заявленной полезной модели, осуществляли следующим образом.
В пределах пятна загрязнения бурили скважину, затем устанавливали в ней временную обсадную колонну 1 из труб, в полости которой размещали водоподъемную секцию 2 и нефтепродуктоподъемную секцию 3, выполненные в виде автономных фильтровых колонн. Полость временной обсадной колонны 1 засыпали обломочным фильтрующим материалом, в частности гравием или щебнем, после чего трубы обсадной колонны 1 извлекали из скважины.
Система для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод содержит водоподъемную секцию 2, оборудованную водоподъемным погружным электронасосом 4, и нефтепродуктоподъемную секцию 3, оборудованную нефтеподъемным погружным электронасосом 5. Водоподъемная секция 2 и нефтепродуктоподъемная секция 3 первоначально монтируются во временной обсадной колонне 1 из труб, размещенных в скважине. Водоподъемная секция 2 выполнена в виде фильтровой колонны, в нижней части которой установлен фильтр 6, голова 7 которого размещена на уровне раздела фаз: нефтепродукты-вода. При этом величину заглубления головы 7 фильтра 6 относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:
где
в
h - величина заглубления головы 7 фильтра 6 водоподъемной секции 2, м:
в
Н - расчетное положение уровня раздела фаз, м;
эмв
m - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.
Нефтепродуктоподъемная секция 3 выполнена в виде фильтровой колонны, в нижней части которой смонтирован фильтр 8. Фильтр 8 размещен выше уровня раздела фаз, при этом величину заглубления башмака 9 относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:
где
нп
h - величина заглубления башмака 9 фильтра 8, м;
нп
Н - расчетная глубина залегания поверхности слоя нефтепродуктов, м;
нп
m - мощность слоя нефтепродуктов, м;
нп
3
Y - плотность нефтепродуктов, т/м;
в
3
Y - плотность воды, т/м;
эмн
m - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.
Таким образом, заявленная система для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод отличается от известных наличием двух автономных фильтровых колонн для селективного извлечения воды и нефтепродуктов с достижением эффекта демпфирования перемешивания за счет пространственного разделения электронасосов 4, 5 и наличием обсыпки в скважине в виде обломочного фильтрующего материала.
При монтаже и наладке системы инженерной защиты производили следующую технологическую подготовку. Для этого определяли параметры, необходимые для установки системы.
в
Сначала определяли величину Н - расчетное положение уровня раздела фаз: нефтепродукты-вода, относительно поверхности земли. Эту величину определяли поданным гидрологических изысканий.
эмв
в
Затем рассчитывали величину m - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине. По полученным данным, на основании зависимости (1) определяли показатель h - величину заглубления головы 7 фильтра 6 водоподъемной секции 2.
нп
Затем, по данным изысканий, определяли Н - расчетную глубину залегания поверхности слоя нефтепродуктов.
нп
нп
в
Рассчитывали величину m - мощность слоя нефтепродуктов, а также определяли Y - плотность нефтепродуктов и Y - плотность воды.
эмн
Затем рассчитывали величину m - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктодоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине.
нп
По полученным данным, на основании зависимости (2), определяли h - величину заглубления башмака 9 фильтра 8.
Согласно выбранным показателям, осуществлялся монтаж системы инженерной защиты, для чего водоподъемная секция 2 и нефтепродуктоподъемная секция 3 устанавливались во временной обсадной колонне 1 с учетом выбранной высоты размещения фильтров 6 и 8. Затем скважина заполнялась обломочным фильтрующим материалом, после чего трубы обсадной колонны 1 извлекали из скважины.
При работе системы оценивали дебит нефтепродуктов и воды в скважине и, путем изменения соотношения указанных дебитов, устанавливали глубину подавления зеркала воды такой, чтобы обеспечить непрерывную работу электронасоса 4 в рабочем цикле.
При условии, что величина понижения не превышает 20% толщины водоносного горизонта, при постоянном дебите откачки воды, в скважине устанавливали постоянный динамический уровень и формировали депрессионную воронку, в результате чего происходило активное привлечение в скважину воды вместе с жидкими нефтепродуктами.
При накоплении слоя нефтепродуктов определенной мощности посредством системы управления (на чертеже не показана) вырабатывается сигнал на включение погружного нефтеподъемного электронасоса 5 для извлечения нефтепродуктов. В процессе работы электронасоса 5 толщина слоя нефтепродуктов в скважине уменьшается. При уменьшении толщины слоя нефтепродуктов активизируется приток воды в скважину, в результате чего происходит подъем уровня раздела фаз, что приводит к выработке сигнала на отключение электронасоса 5. После отключения нефтеподъемного электронасоса 5 приток нефтепродуктов и накопление их в скважине продолжается и цикл возобновляется.
Предлагаемая полезная модель позволяет с меньшими затратами материальных и трудовых ресурсов удалять скопления жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод. При этом, в результате разнесения по высоте водоподъемного и нефтеподъемного погружных электронасосов, в соответствии с зависимостями (1), (2), обеспечивается селективное извлечения воды и нефтепродуктов с достижением эффекта демпфирования перемешивания, за счет снижения гидродинамических воздействий на границе раздела фаз: нефтепродукты-вода, что препятствует перемешиванию нефтепродуктов с водой и позволяет обеспечить высокую степень очистки извлекаемой воды от нефтепродуктов.