Обработка попутно добываемой воды и осаждение твердых веществ из отходящего потока термической обработки
PRODUCED WATER TREATMENT AND SOLIDS PRECIPITATION FROM THERMAL TREATMENT BLOWDOWN

Область техники
Данное изобретение относится к способу и устройству для обработки попутно добываемой воды и к способу и установке для обработки воды посредством термических или основанных на дистилляции способов.
Уровень техники
В патенте Канады 2509309 под заглавием «Способ обработки воды при добыче тяжелой нефти с использованием выпаривания суспензии затравочных кристаллов сульфата кальция», описан способ обработки попутно добываемой воды при добыче тяжелой нефти с использованием испарителя. Попутно добываемую воду сначала обрабатывают на стадии отделения нефти для снижения содержания нефти и смазочных материалов до приблизительно 20 частей на миллион или менее. Отделенную от нефти воду вводят в испаритель для получения дистиллята и отходящего потока испарителя, содержащего концентрированные остаточные твердые вещества. Дистиллят используют, возможно, после дополнительной доочистки, для получения пара в прямоточном парогенераторе или в другом бойлере. Отходящий поток испарителя можно дополнительно обрабатывать в кристаллизаторе.
Краткое описание изобретения
Нижеследующее краткое описание изобретения служит для подготовки читателя к последующему более подробному описанию и не ограничивает или не определяет заявленное изобретение.
Кристаллизатор обычно используют для получения сухих или слегка подсушенных кристаллов, получаемых из твердых веществ, выпадающих в осадок из воды, подаваемой в кристаллизатор. Однако, когда кристаллизатор используют для обработки попутно добываемой воды, в частности попутно добываемой воды при добыче тяжелой нефти, в кристаллизаторе вместо этого можно получить суспензию. Суспензия содержит соли, например, соли диоксида кремния, которые могут иметь концентрации выше их обычных пределов растворимости в воде, и все же твердые вещества не кристаллизуются и их трудно отделить от суспензии. Не ограничиваясь какой либо теорией, заявители полагают, что концентрированные органические соединения из попутно добываемой воды, остающиеся в суспензии, могут препятствовать росту кристаллов и выпадению в осадок даже перенасыщенных или диспергированных солей в суспензии. В способе и установке по данному изобретению дополнительный растворитель органических соединений смешивают с суспензией. Это вызывает или обеспечивает возможность формирования осадка или кристаллов в суспензии, которые могут быть отделены от суспензии.
В способе обработки воды по данному изобретению, например, попутно добываемой воды при добыче тяжелой нефти, из воды удаляют пар с получением концентрата. Концентрат может представлять собой, например, отходящий поток из одного или более устройств термической обработки, таких как испаритель или кристаллизатор, или обоих устройств. Концентрат содержит одну или более солей, например, соль диоксида кремния, и одно или более органических соединений. Концентрат смешивают с растворителем одного или более органических соединений, например, метанолом или этанолом. Твердые вещества, включающие осадок одной или более солей, удаляют из смеси концентрата и растворителя. По меньшей мере часть растворителя можно извлекать из смеси концентрата и растворителя.
Установка для обработки попутно добываемой воды по данному изобретению включает одно или более устройств термической обработки, смеситель для растворителя, систему подачи растворителя и устройство для разделения на твердую и жидкую фазы. Трубопровод для отходящего потока из одного или более устройств термической обработки соединен со смесителем для растворителя. Смеситель для растворителя также находится в сообщении с системой подачи растворителя. Устройство для разделения на твердую и жидкую фазы встроено в смеситель для растворителя или расположено ниже по потоку.
Способ и установка пригодны, например, при обеспечении альтернативных средств обработки попутно добываемой воды или другой воды, содержащей растворенные соли и органические соединения. Способ и установка могут быть объединены со способом и установкой для добычи тяжелой нефти.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 схематически представлена технологическая схема установки для обработки попутно добываемой воды, объединенная с системой извлечения тяжелой нефти.
На Фиг. 1 представлена система 10 обработки воды в сочетании с системой 12 извлечения тяжелой нефти, например битума. Система 12 извлечения тяжелой нефти включает бойлер 14, нагнетательную скважину 16, эксплуатационную скважину 18 и сепаратор 20 для отделения воды от нефти. Бойлер 14 может представлять собой, например, прямоточный парогенератор (ПТПГ) или котел пакетного типа. Бойлер 14 производит пар 22, который поступает в нагнетательную скважину 16. Нагнетательная скважина 16 подводит пар 22 к геологической формации 24, содержащей тяжелую нефть, например, битум из районов нефтеносных песков провинции Альберта, Канада. Пар 22 повышает текучесть битума в формации 24, и затем его конденсируют. Получают смесь 26 нефти и воды и ее отводят из эксплуатационной скважины 18. Смесь 26 нефти и воды подают в сепаратор 20 для отделения воды от нефти. Полученную нефть 28 удаляют из сепаратора 20 для отделения воды от нефти для дальнейшей переработки. Попутно добываемую воду 30, которая остается после удаления полученной нефти 28 из смеси 26 нефти и воды, направляют в систему 10 обработки воды с целью дальнейшей обработки. Система 12 извлечения тяжелой нефти может представлять собой, например, систему гравитационного дренажа с применением пара (ГДПП) или систему циклической паростимуляции (ЦПС).
Система 10 обработки воды содержит блок 50 отделения нефти, испаритель 52, кристаллизатор 54 и систему 56 обработки отходящего потока. В блок 50 отделения нефти подают попутно добываемую воду 30 и дополнительно удаляют нефть, например, эмульгированную нефть, из попутно добываемой воды 30 с получением отделенной от нефти воды 58. Блок 50 отделения нефти может представлять собой, например, блок флотации растворенным газом, блок фильтрации через скорлупу грецкого ореха, смеситель с полимером для удаления нефти, блок с сорбентом, блок мембранной фильтрации или другое устройство. Подходящие испаритель 52 и кристаллизатор 54 выпускает GE Ionics, Inc.
Отделенную от нефти воду 58 далее обрабатывают в испарителе 52, возможно, после промежуточных стадий обработки. Испаритель 52, например, может представлять собой испаритель с механической рекомпрессией пара (МКП или МРП). Испаритель 52 может содержать затравочные кристаллы или не содержать их, и в нем могут использовать падающую пленку или другое внутреннее средство. Испаритель 52 может быть снабжен сопутствующим оборудованием, используемым, например, для изменения рН отделенной от нефти воды или удаления газа или снижения щелочности отделенной от нефти воды 58. Испаритель 52 обеспечивает удаление водяного пара из отделенной от нефти воды 58. Удаленный водяной пар, когда его конденсируют, образует дистиллят 60, который возвращают в бойлер 14 для повторного использования в системе 12 извлечения тяжелой нефти, возможно после дополнительной обработки.
Испаритель 52 также содержит контур 62 рециркуляции соляного раствора, из которого отводят отходящий поток 64 испарителя. Отходящий поток 64 испарителя имеет высокую концентрацию различных загрязняющих примесей, которые присутствуют в отделенной от нефти воде 58. В частности, отходящий поток 64 испарителя имеет высокую концентрацию диоксида кремния. При отсутствии избирательного осаждения кристаллов, отрегулированном рН, высокой температуре или других условиях, поддерживаемых в испарителе 52, диоксид кремния в отходящем потоке 64 испарителя становится способен образовать накипь. Таким образом, отходящий поток 64 испарителя не пригоден для сброса во многие места.
В системе 10 обработки воды отходящий поток 64 испарителя дополнительно обрабатывают в кристаллизаторе 54. Кристаллизатор 54 обеспечивает удаление водяного пара из отходящего потока 64 испарителя, который, когда его конденсируют, образует второй дистиллят 66. Второй дистиллят 66 можно возвращать в бойлер 14 для повторного использования в системе 12 извлечения тяжелой нефти, возможно после дальнейшей обработки.
Из кристаллизатора 54 также выходит отходящий поток 68 кристаллизатора. Отходящий поток 68 кристаллизатора имеет даже более высокую концентрацию диоксида кремния и других растворенных твердых веществ, по сравнению с отходящим потоком 64 испарителя. При определенных условиях, из кристаллизатора 54 получают осажденные твердые вещества, которые легко высушить. Однако в других ситуациях, в частности, когда обрабатываемая попутно добываемая вода 30 получена из операции извлечения нефти с использованием закачки пара или воды, из кристаллизатора 54 получают отходящий поток 68 кристаллизатора в форме суспензии с высокой концентрацией твердых веществ. По меньшей мере одна соль диоксида кремния, или другие растворенные твердые вещества, или два или более из них, могут присутствовать в суспензии в пересыщенном или диспергированном состоянии, но они не выпадают в осадок и не отстаиваются из суспензии. Например, отходящий поток 68 кристаллизатора может иметь общее содержание твердых веществ (ОТВ) 25 масс. % или более, 40 масс. % или более или 50 масс. % или более. Испаритель 52 и кристаллизатор 54 представляют собой типы устройств термической обработки, альтернативно называемыми дистилляторами. При необходимости, можно использовать альтернативные устройства термической обработки или сгустители, на одной или более стадиях, для получения суспензии, подобной отходящему потоку 68 кристаллизатора.
Отходящий поток 68 кристаллизатора подают в систему 56 обработки отходящего потока. Представленная система 56 обработки отходящего потока включает реакционную емкость 70, систему 72 дозирования растворителя и систему 74 извлечения растворителя. Отходящий поток 68 кристаллизатора и растворитель из системы дозирования растворителя вводят в реакционную емкость 70 и перемешивают. Реакционная емкость 70 может представлять собой, например, смесительный бак или трубопровод с проточным перемешиванием. Реакционная емкость 70 предпочтительно расположена рядом с устройством улавливания паров или оборудована этим устройством, чтобы избежать выпуска паров растворителя в атмосферу. Растворитель растворяет одно или более органических соединений в отходящем потоке 68 кристаллизатора. Не ограничиваясь какой-либо теорией полагают, что добавление растворителя предотвращает препятствование органических соединений кристаллизации солей и обеспечивает быстрое выпадение в осадок неорганических твердых веществ, которые могут быть уже пересыщенными. Выпавшие в осадок твердые вещества 76 отстаивают и удаляют со дна реакционной емкости 70, которая действует как встроенный блок разделения твердой и жидкой фазы. Осажденные твердые вещества 76 включают как неорганические соли, так и органические соединения. Альтернативно, осажденные твердые вещества 76 можно удалять с использованием блока разделения твердой и жидкой фазы, такого как центрифуга, фильтр, фильтр-пресс, гидроциклон, или осветлитель. В другом альтернативном случае, растворитель извлекают из отходящего потока 68 кристаллизатора перед или после удаления осажденных твердых веществ 76.
Отходящий поток 68 кристаллизатора может иметь температуру выше температуры кипения растворителя. Однако, отходящий поток 68 кристаллизатора является вязким и липким, и его трудно пропускать через какое-либо устройство быстрого охлаждения, такое как теплообменник. Вместо этого, теплообменник 88 установлен между системой 72 дозирования растворителя и смесительной емкостью 70 для охлаждения растворителя до степени, достаточной для поддержания температуры в реакционной емкости 70 по меньшей мере ниже температуры кипения растворителя. Отходящее тепло, получаемое в теплообменнике 88, можно использовать, например, в системе 74 извлечения растворителя.
Растворитель должен обеспечивать растворение одного или более водорастворимых органических соединений, присутствующих в отходящем потоке 68 кристаллизатора. Органические соединения обычно включают широкий диапазон углеводородов с длиной цепью или маслянистых веществ, которые трудно анализировать в полном объеме. Однако, может быть достаточно, чтобы растворитель растворял одно или более органических соединений. Растворитель также должен быть способен к образованию раствора или другой смеси с водой при определенных условиях, но при этом необходимо, чтобы его можно было извлекать из воды при других условиях. Растворитель можно использовать при массовом отношении растворителя к отходящему потоку 68 кристаллизатора приблизительно 1:1 или более, или 2:1 или более, или 3:1 или более.
Оставшуюся смесь 78 отходящего потока и растворителя подают в систему 74 извлечения растворителя. В примере на Фиг. 1 система 74 извлечения растворителя представляет собой блок термической дистилляции, содержащий нагревательную емкость 84 и емкость 86 для конденсации. Система 74 извлечения растворителя обеспечивает разделение смеси 78 отходящего потока и растворителя с получением извлеченного растворителя 80 и сточного соляного раствора 82. Например, растворитель можно извлекать посредством нагревания смеси 78 отходящего потока и растворителя в нагревательной емкости 84 до температуры выше температуры кипения растворителя и ниже температуры кипения воды. При необходимости, растворитель можно извлекать посредством вакуумирования смеси отходящего потока и растворителя или посредством сочетания нагревания и вакуумирования. В случае метанола, смесь 78 отходящего потока и растворителя нагревают приблизительно до температуры 64,7°C или более при давлении окружающей среды, или до более низкой температуры, если применяют вакуум. В случае этанола, смесь 78 отходящего потока и растворителя нагревают приблизительно до температуры 78,2°C или более при давлении окружающей среды, или до более низкой температуры, если применяют вакуум. Пары растворителя собирают и охлаждают в емкости 86 для конденсации с получением жидкого извлеченного растворителя 80. Извлеченный растворитель 80 подают в систему 72 дозирования растворителя для повторного использования в системе 56 обработки отходящего потока.
Метанол является предпочтительным растворителем, поскольку он эффективен даже при использовании его для отходящего потока 68 кристаллизатора, получаемого при обработке попутно добываемой воды из ПТПГ. Метанол также имеет температуру кипения (приблизительно 64,7°C), которая близка к температуре отходящего потока 68 кристаллизатора и не образует азеотропную смесь с водой. Метанол также является легко доступным в промышленных количествах. Метанол полностью смешивается с водой, следовательно требуется энергия для отделения метанола от воды. Однако, поскольку метанол можно использовать для обработки очень концентрированного отходящего потока, например, имеющего ОТВ 40 масс. % или более, или содержание водорастворимых органических соединений 5 масс. % или более, или 15 масс. % или более, или в обоих случаях, количество растворителя, которое необходимо извлечь, снижается относительно растворителя, который необходимо использовать для более разбавленного отходящего потока.
Другим предпочтительным растворителем является этанол. Этанол также можно использовать для обработки очень концентрированного отходящего потока, в частности, когда его используют при повышенной температуре, например, 40°C или более, или 60°C или более. Температура кипения этанола (приблизительно 78,4°C) близка к температуре отходящего потока 68 кристаллизатора, но этанол образует положительную (минимальное кипение) азеотропную смесь с водой при температуре 78,4°C. Азеотропная смесь содержит приблизительно 95,6% этанола и приблизительно 4,4% воды. Поскольку отходящий поток 68 кристаллизатора является по меньшей мере в высокой степени насыщенным, при этом удаление твердых веществ в основном замедляет присутствие органических примесей, рециркуляция азеотропной смеси или конденсата вблизи азеотропной смеси в систему 72 дозирования растворителя является приемлемой. Например, конденсат, полученный после одностадийной или многостадийной дистилляции и содержащий 90% этанола или более, можно возвращать в систему 72 дозирования растворителя. Однако, возможно использование способов разделения компонентов азеотропной смеси, таких как дистилляция при переменном давлении, азеотропная дистилляция, разделение с химическим воздействием, разделение с использованием солевого эффекта, диффузионное испарение или инфильтрация паров.
При необходимости, отходящий поток 64 испарителя можно обрабатывать в системе 56 обработки отходящего потока без пропускания через кристаллизатор 54. Однако, это может повышать количество требуемого растворителя и энергии, потребляемой при возможном извлечении растворителя, по сравнению со способом, при котором отходящий поток 64 испарителя сначала дополнительно концентрируют. Соответственно, в случае метанола и этанола, которые позволяют обрабатывать концентрат с очень большим содержанием твердых веществ, предпочтительно обрабатывать отходящий поток 68 кристаллизатора.
Осажденные твердые вещества 76 обычно включают часть и, возможно, наибольшее количество органических соединений в отходящем потоке 68 кристаллизатора. Осажденные твердые вещества 76 можно обрабатывать с целью удаления органических соединений, если необходимо соблюдать требования отведения или сброса в отношении осажденных твердых веществ. Например, осажденные твердые вещества 76 можно сушить, нагревать, подвергать воздействию УФ излучения, подвергать воздействию микроорганизмов, внедрять в цемент или промывать водой, растворителем, используемым в системе 74 извлечения растворителя, или другим растворителем.
Часть органических соединений может оставаться в сточном соляном растворе. Сточный соляной раствор 82 можно выпускать или подавать рециклом в систему 10 обработки воды, например, направлять обратно в испаритель 52. Поскольку органические соединения препятствуют работе системы 10 обработки воды, сточный соляной раствор 82, при необходимости, можно обрабатывать, если его подают рециклом в систему 10 обработки воды. Например, в сточный соляной раствор 82 можно добавлять химические вещества для окисления химических соединений. Альтернативно или дополнительно, органические соединения можно подвергать биологическому разложению. Органические и неорганические соединения также можно удалять с помощью мембранных фильтров. В еще одном альтернативном варианте, органические соединения можно извлекать, в соответствии с их ценностью в качестве промышленных химических веществ.
Хотя сточный соляной раствор 82 можно возвращать в систему 10 обработки воды, в некоторых случаях может быть предпочтительно удалять, частично или полностью, сточный соляной раствор 82 из системы 10 обработки воды. При необходимости, сточный соляной раствор 82 можно обрабатывать перед его отведением, если требуется соблюдение каких-либо стандартов, касающихся требований отведения или сброса. Таким путем сточный соляной раствор 82 обеспечивает выход водорастворимых органических соединений из системы 10 обработки воды, препятствуя накоплению в системе 10 обработки воды каких-либо органических соединений, которые удаляют неэффективно с помощью какого-либо способа.
Пример
Из попутно добываемой воды при операции ГДПП в районах нефтеносных песков провинции Альберта, Канада, удаляли нефть и обрабатывали в испарителе. Отходящий поток испарителя обрабатывали в кристаллизаторе. В кристаллизаторе получали суспензию, содержащую 66 масс. % ОТВ. ОТВ определяли путем деления массы, оставшейся после нагревания суспензии до ее высушивания при температуре 105°C, на исходную массу образца. ОКРС (общее количество растворенных солей) составляло приблизительно 41 масс. %. ОКРС определяли путем деления массы, оставшейся после нагревания суспензии до ее высушивания при температуре 650°C, на исходную массу образца. Концентрация водорастворимых органических веществ (определяемая как разность ОТВ и ОКРС) составляла приблизительно 25 масс. %. Данную суспензию смешивали с метанолом в массовом отношении метанола к суспензии, составляющем 3:1. Смешивание осуществляли в химическом стакане при комнатной температуре, при перемешивании.
По существу сразу после добавления метанола в суспензию образовывался осадок. Смесь суспензии и метанола процеживали через фильтровальный диск с размером пор 5 мкм под вакуумом, чтобы удалить осажденные твердые веществ. Осажденные твердые вещества имели темный цвет, из чего можно предположить, что они содержали значительную концентрацию органических соединений. Твердые веществ легко обезвоживались. В различных опытах, приблизительно 80-90% ОТВ в образце исходной суспензии, включая органические и неорганические твердые вещества, собирали на фильтре. Часть смеси, которую пропускали через фильтр, собирали в колбу и перемещали в стандартный лабораторный дистиллятор. Смесь нагревали приблизительно до температуры 65°C для выпаривания метанола. Улавливали пары метанола, охлаждали и извлекали во вторую колбу. Оставшаяся вода была буроватого цвета, но прозрачная, из чего можно предположить, что она содержала некоторое количество органических соединений, но при намного меньшей концентрации, чем в суспензии.
Подобные эксперименты осуществляли с использованием этанола с той же суспензией, также образующей осадок, но требовалось более высокое массовое отношение растворителя к суспензии при комнатной температуре. Осадок легко отфильтровывался, но он был липким и его было труднее высушить. Однако, когда этанол и суспензию смешивали приблизительно при температуре 65°C, этанол легко смешивался с суспензией при массовом соотношении этанола к суспензии, составляющем 3:1, и получали легко высушиваемый осадок.
При подобных испытаниях с изопропанолом, изопропанол не смешивался с суспензией и давал осадок либо при комнатной температуре, либо при температуре 65°C.
При подобных испытаниях с диизопропиламином (ДИПА), ДИПА не смешивался с суспензией и давал осадок при комнатной температуре. Эксперименты не проводили при более высоких температурах, поскольку ДИПА легче смешивается с водой при низких температурах.
Хотя выше описана система 10, используемая для обработки попутно добываемой воды из системы 12 извлечения тяжелой нефти с закачкой пара или с ГДПП, ее можно использовать в других областях применения. Подходящие области применения могут включать обработку воды, которая перенасыщена по меньшей мере одной солью, а также имеет концентрацию растворимых органических веществ 5 масс. % или более. Например, при получении этанола барду иногда концентрируют в испарителе и получают соляной отходящий поток со значительной концентрацией органических соединений. Другие типы попутно добываемой воды или воду, содержащую тяжелую нефть, из пруда отходов обогащения, также можно концентрировать и обрабатывать.
В данном описании изобретения использованы примеры для раскрытия сущности изобретения, а также для обеспечения возможности для специалиста в данной области техники осуществить на практике данное изобретение. Объем защиты изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры реализации, которые могут представляться возможными для специалиста в данной области техники.