ОТСТОЙНИК ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД
SETTLING TANK FOR PURIFICATION OF OIL-CONTAINING WASTEWATER

Изобретение относится к области подготовки нефтепромысловых сточных вод, используемых в системе поддержания пластового давления при заводнении нефтяных месторождений, включая месторождения с продуктивными пластами с низкой проницаемостью, и применяется для очистки нефтесодержащих сточных вод от нефти и механических примесей.
Известен отстойник для очистки нефтесодержащих сточных вод от нефти и механических примесей (авт.св. СССР № 617377, МПК C02C 1/26, B01D 17/02, опубл. 30.07.1978, бюл. №28), включающий емкость, фильтры с коалесцирующей загрузкой, образующих между собой камеры предварительного отстоя с опускной трубой для подвода сточной воды, переливные перегородки, наклонные полки, горизонтально расположенный перфорированный распределитель.
К недостаткам такого отстойника следует отнести:
- сложность в монтаже переливных перегородок, наклонных полок и перфорированного распределителя внутри емкости и устранения зазоров между ними и стенкой корпуса аппарата;
- невозможность контроля за одинаковым и равномерным поступлением очищаемой воды в оба фильтра с коалесцирующей загрузкой;
- сложность контроля межфазного уровня в аппарате.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для разделения эмульсий (патент РФ 2105584, МПК B01D 17/04, опубл. 27.02.1998), выполненное в виде фильтрующе-коалесцирующего пакета, представленного блоком секций из пластин пористо-ячеистых материалов, уложенных слоями в порядке возрастания плотности ячей и пор от секции к секции и под углом не ниже угла отекания жидкости по направлению к движущемуся потоку, причем материалом первых секций является пористо-ячеистый металл или сплав, а последней секции - пористо-ячеистый материал.
Недостатками такого отстойника являются:
- кольматация гидрофобной поверхности пористо-ячеистого полимерного материала последней секции высоковязкими или твердыми компонентами нефти (асфальтены, парафины, мехпримеси), что приведет к снижению эффективности работы данной секции и частой замене материала;
- попадание слоя нефти (или укрупнившихся на поверхности материала капель нефти) в отводимую через дренажные патрубки воду, что приведет к ухудшению ее качества;
- низкая эффективность работы данного устройства при непостоянной исходной обводненности нефтяной эмульсии (что в нефтепромысловой практике является нередким явлением), поскольку конструкция аппарата, а именно угол установки фильтрующе-коалесцирующего пакета, определяется значением обводненности поступающего сырья;
- сложность в монтаже коалесцирующего пакета под углом, закрепления его внутри емкости и устранения зазоров между материалом и стенкой корпуса аппарата;
- предложенный способ регенерации пористо-ячеистых материалов продувкой или промывкой является малоэффективным, поскольку при достаточно высокой пористости материала коалесцирующего пакета фактическая скорость его обтекания промывочной водой и, следовательно, сила трения воды о поверхность низка;
- применение вспененных металлов и разноячеистых полимерных материалов значительно удорожает стоимость предлагаемого устройства.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности очистки сточных вод за счет равномерного распределения потока очищаемой воды по всему объему коалесцирующего фильтра, поскольку между пластинами вспененного пористо-ячеистого материала предусмотрены пространства, за счет того, что после фильтрации воды имеется зона для отстаивания с объемом, обеспечивающим наибольшую эффективность работы отстойника, а также за счет проведения регенерации фильтрующе-коалесцирующего пакета без прекращения работы отстойника.
Данная техническая задача решается при помощи отстойника, содержащего емкость с патрубком ввода и патрубками вывода воды и нефти, фильтрующе-коалесцирующего пакета, перекрывающего пространство емкости между патрубком ввода и патрубками вывода с образованием зоны отстаивания и выполненного в виде пластин пористо-ячеистого полимерного материала, установленных с зазором.
Новым является то, что пластины изготовлены из одинакового материала толщиной 0,1-0,5 м, а зазор между ними выполнен шириной 0,05-0,2 м, причем пакет изготовлен суммарной толщиной 0,5-2 м, при этом объем зоны отстаивания выполнен больше объема пакета в 3 и более раз, причем емкость выполнена горизонтальной и цилиндрической, снабжена дополнительным патрубком ввода, установленным с противоположной стороны от патрубка ввода, и дополнительным фильтрующе-коалесцирующего пакетом, выполненным и установленным аналогично основному, при этом зона отстаивания расположена между основным и дополнительным пакетами.
На фиг.1 изображен предложенный отстойник, продольный разрез. На фиг.2 изображен предложенный отстойник с двумя фильтрующе-коалесцирующими пакетами, продольный разрез.
Отстойник для очистки воды содержит емкость 1 (см фиг.1, 2), фильтрующе-коалесцирующий пакет 2, патрубок для ввода воды с распределителем 3; патрубок отвода очищенной воды с распределительным устройством 4, патрубок отвода уловленной нефти 5; люк-лаз 6 для монтажа фильтрующе-коалесцирующего пакета 2; зону для отстаивания воды 7. Причем фильтрующе-коалесцирующий пакет 2 состоит из пластин пористо-ячеистого полимерного материала 8 толщиной 0,1-0,5 м, установленных с зазором 9 шириной 0,05-0,2 м.
Отстойник работает следующим образом.
Очищаемая вода, содержащая нефть и твердую примесь (см. фиг.1, 2), через патрубок с распределителем 3, расположенный в верхней части емкости 1, направляется на фильтрующе-коалесцирующий пакет 2. При прохождении жидкости через пористо-ячеистый полимерный материал капли нефти укрупняются, образуя пленочную нефть. Последняя, достигнув критической толщины, отрывается от материала под действием потока жидкости, всплывает в зазорах 9 и зоне для отстаивания воды 7 в верхнюю часть емкости и выводится из аппарата через патрубок 5. Очищенная сточная вода выводится через распределительное устройство и патрубок 4.
Реальные сточные воды нефтепромыслов представляют собой полидисперсную эмульсию, содержащую капли нефти от единиц до сотен микрон. Исследования в лабораторных и промысловых условиях показали, что после прохождения воды через пластину 8 пористо-ячеистого полимерного материала дисперсность частиц нефти находилась в трех диапазонах с относительно четкими границами.
Первый диапазон характеризовался частицами диаметром от 3 до 5 мм, представляющими собой капли нефти, образованные в результате контактной коалесценции более мелких капель на поверхности материала и последующего отрыва от него под действием гидродинамических сил потока. Зазор 9 между пластинами 8 шириной в диапазоне от 0,05 до 0,2 м обеспечивает время, достаточное для всплытия этих капель нефти к верхней части емкости 1, чем достигается чистота последующих пластин. Также сохранение зазоров 9 между пластинами 8 способствует равномерному распределению потока очищаемой воды по всей глубине и площади фильтрующе-коалесцирующего пакета 2.
Во втором диапазоне диаметр частиц нефти составлял от 30 до 100 мкм. В этом диапазоне находились капли, скоалесцированные в объеме пор и ячей материала за счет гидродинамического фактора. Для удаления капель с указанным размером (при помощи отстаивания) требуется несколько большее время, нежели в первом случае, поэтому после фильтрующе-коалесцирующего пакета 2 необходимо предусмотреть зону для отстаивания воды 7. Как показывают исследования, объем зоны отстаивания должен быть в 3 и более раз больше объема пакета.
Третий диапазон представлен частицами диаметром до 10 мкм. Это частицы нефти, прошедшие через фильтрующе-коалесцирующий пакет 2, при этом не скоалесцировав. Количество данных частиц в основном и определяет остаточную концентрацию нефти в очищенной воде на выходе из отстойника.
Исследования показали, что существует прямая зависимость эффективности очистки воды от толщины фильтрующе-коалесцирующего пакета 2, поскольку с увеличением толщины пакета 2 возрастает время нахождения воды в нем, соответственно, увеличивается вероятность контакта капель нефти на поверхности гидрофобного материала. Установлено, что оптимальной толщиной пакета 2 является диапазон от 0,5 до 2,0 м. Дальнейшее увеличение толщины пакета 2 существенно не улучшает эффективность очистки, однако значительно увеличивает его стоимость и стоимость его монтажа.
При исследовании влияния толщины пластины 8 коалесцирующего материала на эффективность процесса коалесценции в лабораторных условиях было установлено, что с увеличением толщины пластины 8 до 0,5 м происходит значительное увеличение эффекта коалесценции нефти. Дальнейшее увеличение толщины пластины 8 приводит к небольшому изменению эффекта укрупнения, что объясняется убыванием доли крупнодисперсных капель нефти по мере ее движения через пластину 8.
Эффективная работа отстойника напрямую зависит от качества монтажа фильтрующе-коалесцирующего пакета 2 внутри емкости 1. Его установка производится путем постепенной установки пластин 8, крепления их к стенке емкости 1 при помощи распорок, стягивания пластин 8 между собой с сохранением зазоров 9 между ними и герметизации зазоров между пластинами 8 и стенками корпуса емкости 1.
Для увеличения производительности отстойника предлагается установка внутрь двух фильтрующе-коалесцирующих пакетов 2 (см. фиг.2), расположенных в противоположных концах отстойника, а отвод очищенной воды производить через патрубок с распределительным устройством 4, расположенный в центре отстойника.
3
Для получения фактических данных по концентрации нефти в сточной воде после фильтрующе-коалесцирующего пакета 2, получения достоверных данных по гидравлическому сопротивлению пакета 2, определения оптимальных технологических параметров и эффективных способов регенерации материала был изготовлен отстойник (объем 200 м) для испытаний в промысловых условиях.
В качестве фильтрующе-коалесцирующего пакета 2 в отстойнике использовался набор пластин 8 (см. фиг.2), выполненных из вспененного полиуретана. Сточная вода поступала через входной патрубок с распределителем 3 на полимерный материал, на котором происходило укрупнение капель нефти. Укрупненные капли нефти под действием сил гравитации отрывалась от поверхности материала и выносилась потоком в зону для отстаивания 7. Нефть собиралась в верхней части емкости 1 в виде пленки и выводилась через выходной патрубок нефтяной линии 5, а очищенная вода выводилась из емкости 1 через выходной патрубок водяной линии 4.
Испытания проводились на установке подготовки нефти на линии после существующих очистных сооружений в качестве ступени доочистки сточной воды.
В таблице представлены результаты промысловых испытаний отстойника. К сравнению полученных результатов в таблице приведены результаты работы оборудования, применяемого для очистки нефтепромысловых сточных вод в ОАО «Татнефть».
Параметр
Отстойник (например, резервуар вертикальный стальной)
Гидроциклон
Флотатор
Предлагаемый отстойник
Концентрация нефти в очищенной воде на выходе, мг/дм<sup>3</sup>
От 40 до 60
От 25 до 40
От 15 до 30
От 10 до 20
Стоимость очистки воды, руб./м<sup>3</sup>
0,5 -1,0
4,0-5,0
4,0-5,0
2,0-3,0
Как видно из таблицы, предлагаемое техническое решение позволяет достичь высокую степень очистки нефтепромысловых сточных вод, которая не достигается с помощью традиционных для нефтепромыслов методов, при меньших капитальных и эксплуатационных затратах.
Конструктивные особенности предлагаемого отстойника позволяют проводить регенерацию фильтрующе-коалесцирующего пакета 2 путем удаления взвешенных твердых частиц и высоковязких компонентов нефти с поверхности материала растворителем нефтяных парафинов (например, бензиновой фракцией, выделяемой ректификацией или сепарацией нефти, которая применяется в качестве растворителя парафинов при промывке нефтяных скважин). Регенерация проводится без остановки отстойника периодическим дозированием через диспергирующее устройство растворителя в поток воды, поступающей на очистку. Периодичность регенерации зависит от качества очищаемой сточной воды, подаваемой на вход отстойника, и уточняется в процессе эксплуатации.
Промысловые испытания показали, что промывка фильтрующе-коалесцирующего пакета 2 углеводородным растворителем является наиболее эффективным, технологически приемлемым и недорогим способом регенерации. Установлено, что оптимальный режим регенерации достигается при соотношении объемов подачи растворителя и воды 1:20 в течение 30 мин, что как минимум в 2 раза меньше времени очистки наиболее близкого аналога.
3
3
Данное техническое решение позволяет обеспечить высокую степень очистки нефтепромысловых сточных вод. Концентрация нефти в очищенной воде составляет менее 20 мг/дм, механических примесей - менее 10 мг/дм, что удовлетворяет требованиям при закачке в продуктивные пласты даже с низкой проницаемостью. Использование предлагаемого отстойника позволяет исключить залповый сброс загрязнений в систему поддержания пластового давления и в конечном итоге снизить потерю приемистости нагнетательных скважин и повысить нефтеотдачу пластов, а проведение регенерации фильтрующе-коалесцирующего пакета дозированием углеводородного растворителя непосредственно в поток без прекращения работы отстойника позволяет достичь стабильного качества очищенной воды в течение длительного периода.