УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД

Полезная модель относится к очистке высококонцентрированных нефтесодержащих вод и может быть использована в нефтедобыче.
Известно устройство для очистки высококонцентрированных нефтесодержащих вод, включающее две ступени очистки воды. Каждая ступень содержит перфорированный распределитель воды и контактный углеводородный слой, сквозь который вода фильтруется. В первой ступени контактной средой является нефтепродукт, который входит в состав очищаемой воды. В этом фильтрующем слое размещены полиэтиленовые гранулы, стабилизирующие слой. В нижней части фильтрующего слоя размещены стеклянные шарики, препятствующие его разрушению и выносу с фильтратом. Во второй ступени контактной средой является керосин, в нижней части которого размещены полиэтиленовые гранулы. Уровень воды в устройстве задается с помощью водослива, расположенного в отдельной камере. Кроме того, в отдельной камере размещена коалесцирующая загрузка, производящая укрупнение капель нефтепродукта на входе в устройство (Назаров В.Д., Гурвич Л.М., Русакович А.А. Водоснабжение в нефтедобыче: Учебное пособие. - Уфа: Виртуал.2003 с.99-101).
Недостатком устройства является высокая металлоемкость, необходимость периодической замены керосина во второй ступени очистки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки нефтесодержащих вод, включающее цилиндрический корпус, в котором размещен слой контактной массы из нефти с образованием границы раздела нефть-вода, камеру коалесценции с сетками, между которыми размещена коалесцирующая загрузка, патрубки для подвода сточной воды и отвода очищенной воды, нефти и осадка. Камера коалесценции выполнена в виде патрона, расположенного коаксиально корпусу с образованием кольцевого зазора между ними, в котором размещена глухая перегородка, образующая в нижней части корпуса секцию, гидроциклона. Верхний торец патрона расположен на уровне границы раздела нефть-вода.
Устройство снабжено сетками, расположенными выше и ниже границы раздела нефть-вода, между которыми расположены гидрофильные гранулированные твердофазные частицы (Патент RU №2170706).
Недостатком устройства является его высокая материалоемкость, сложность проведения ремонтных работ и замены гранулированных материалов.
Задачей полезной модели является создание устройства для очистки нефтесодержащих вод, обеспечивающего достижение технического результата: уменьшение материалоемкости устройства и повышение ремонтопригодности.
Задача решается тем, что устройство для очистки нефтесодержащих вод включает корпус, в котором размещен слой контактной массы из нефти с образованием границы раздела нефть-вода, патрубки подвода воды и отвода очищенной воды, нефти и осадка, камеру коалесценции с коалесцирующей загрузкой, выполненную в виде патрона, верхний торец которого расположен на уровне границы раздела нефть-вода, и сетки, расположенные выше и ниже границы раздела нефть-вода, между которыми расположены гидрофильные гранулированные частицы, согласно полезной модели корпус устройства имеет форму горизонтально расположенного цилиндра, в верхней части которого находятся монтажные крышки, а коалесцирующие патроны образуют два ряда, причем устройство дополнительно содержит гидрозатвор и воронку для сбора уловленной нефти, соединенную с патрубком отвода нефти. Коалесцирующие патроны в верхней части имеют щелевые отверстия шириной до 3 мм. Коалесцирующие патроны заполнены гранулами из фторопласта фракции 3-5 мм. В качестве гидрофильных гранулированных частиц использованы стеклянные шарики фракции 3-5 мм. Отношение площади фильтрования воды в слое нефти к площади фильтрования воды в коалесцирующих патронах находится в интервале от 3 до 5;
Технический результат заключается в уменьшении материалоемкости устройства, повышении ремонтопригодности, достижении качества воды по содержанию нефтепродуктов, соответствующего требованию к качеству воды для заводнения нефтяных пластов.
Горизонтальное расположение цилиндрического корпуса позволяет увеличить площадь границы раздела нефти и воды, что увеличивает производительность устройства при оптимальной скорости фильтрования. Это в свою очередь уменьшает материалоемкость, как показано в примере 3. Горизонтальное расположение корпуса и наличие монтажных крышек обеспечивает ремонтопригодность устройства.
Основным техническим результатом является очистка нефтесодержащих вод от нефти. В нефтедобыче пластовая вода после очистки вновь закачивается в нефтесодержащие пласты. Качество закачиваемых вод определяется стандартом (ОСТ 39-235-88 Вода для заводнения нефтяных пластов. Требования к качеству. Таблица 1). Допустимое содержание нефти составляет от 5 до 50 мг/л в зависимости от коллекторских свойств пласта. Наиболее жестким требованием является содержание нефти 5 мг/л. Качество очищенной воды зависит от камеры коагуляции с коалесцирующей загрузкой, коалесцирующего материала и его фракции, наличии границы раздела нефти и воды, расположении верхнего торца коалесцирующего патрона, наличии вспомогательных гидрофильных гранулированных частиц, коалесцирующих патронов, образующих два ряда. Гидрозатвор позволяет устанавливать уровень жидкости в устройстве таким образом, чтобы при превышении толщины слоя нефти в устройстве избыточная нефть отводилась самотечно с помощью воронки, соединенной с патрубком отвода нефти.
Как показано в примере 1, технический результат выполняется при скорости фильтрования в слое нефти не более 2 м/ч. Допустимая скорость фильтрования в коалесцирующих патронах должна быть в интервале 6-10 м/ч (пример 2). Площадь фильтрования воды в слое нефти, в 3…5 раз больше, чем суммарная площадь коалесцирующих патронов.
Площадь коалесцирующих патронов равна
кп
2
S=16…5=5,3…3,2м
2
Выбрана середина интервала 4,0 м, тогда при диаметре коалесцирующего патрона 0,53 м количество коалесцирующих патронов составит 18 шт, т.е. по 9 шт в два ряда.
На фиг.1 представлено продольное сечение устройства, на фиг.2 -поперечное сечение устройства, на фиг.3 - внешний вид коалесцирующего патрона.
Корпус 1 устройства имеет цилиндрическую форму, закрытого с торцов обечайками. В верхней части корпуса расположены монтажные крышки 2, соединенные с помощью шарниров с корпусом. В корпусе 1 размещены в 2 ряда коалесцирующие патроны 3, имеющие цилиндрическую форму, переходящую в конус в нижней части. Коалесцирующие патроны 3 заполнены коалесцирующей загрузкой 4, представляющей собой сферические гранулы из фторопласта диаметром 3-5 мм. Коалесцирующие патроны общим коллектором соединены с патрубком 5 подвода воды. Верхние торцы коалесцирующих патронов 3 расположены на уровне границы раздела нефть-вода. Выше и ниже границы раздела нефть-вода расположены сетки 6 для удержания гидрофильных гранулированных частиц 7, например, стеклянных шариков диаметром 3-5 мм (верхняя сетка на фиг.1 не показана). В слое воды расположена сборная система 8, соединенная с патрубком 9 отвода очищенной воды, который в свою очередь соединен с гидрозатвором 10. В слое нефти расположена воронка 11, соединенная с патрубком 12 отвода нефти. В нижней части корпуса 1 размещены патрубки 13 отвода осадка.
В коалесцирующих патронах 3 в верхней части выполнены перфорационные отверстия 14 в виде щелей шириной до 3 мм.
Устройство работает следующим образом. Нефтесодержащая вода после предварительного отстоя с содержанием нефти до 2% об. подается в патрубок 5 подвода воды, распределяется по коалесцирующим патронам 3. Вода в патронах фильтруется в коалесцирующей гидрофобной гранулированной загрузке 4 в направлении снизу вверх. Эмульгированная нефть смачивает поверхность гранул загрузки, образуя пленку, которая перетекает под действием гидродинамических сил потока вверх от гранулы к грануле и в конечном итоге сливается со слоем контактной массы, состоящей из той же нефти. Вода фильтруется в том же направлении, доходит до верхнего торца коалесцирующего патрона и фильтруется в слое нефти, разбиваясь на отдельные капли. Происходит процесс жидкостного фильтрования воды в нефти, при котором капли воды освобождаются от эмульгированной нефти. В процессе жидкостного фильтрования толщина слоя нефти существенно увеличивается за счет капель воды, вследствие чего отдельные капли нефти могут попасть в фильтрат, ухудшая качество очищенной воды. Для того чтобы предотвратить это явление ниже границы раздела нефть-вода размещены гидрофильные гранулы 7, например, стеклянные шарики, стабилизирующие новое положение границы раздела нефть-вода. Верхняя часть коалесцирующих патронов 3 оказывается в слое нефти, поэтому с целью увеличения площади фильтрования воды возможно выполнить в верхней части коалесцирующих патронов 3 перфорационные отверстия в виде щелей шириной менее 3 мм. Направление потоков воды в коалесцирующих патронах 3 показано на фиг.3.
По мере фильтрования воды в устройстве часть очищаемой воды переходит в контактный слой, вследствие чего его толщина будет увеличиваться. Для удаления избытка нефти предусмотрена воронка 11, в которую нефть затекает и далее самотечно поступает к патрубку 12 отвода нефти.
Уровень жидкости в устройстве задается с помощью гидрозатвора 10. Уровень жидкости внутри устройства всегда будет выше уровня гидрозатвора 10 по закону сообщающихся сосудов, так как плотность нефти меньше плотности: воды, поэтому избыток нефти самотечно удаляется воронкой 11. Очищенная вода (фильтрат) удаляется через патрубок 9 очищенной воды, соединенной с гидрозатвором 10. Осадок по мере накопления удаляется через патрубки 13.
Коалесцирующие патроны 3 не требуют регенерации, так как в них не происходит осаждения каких либо веществ, а эмульгированная нефть трансформируется в пленочную нефть.
Пример 1. Проводили опыты по очистке нефтесодержащей воды с содержанием эмульгированной нефти 2% об. Лимитирующей скоростью является скорость фильтрования воды в слое нефти, поэтому опыты проводили при разных скоростях фильтрования в слое нефти. Результаты опытов представлены в таблице 1. Скорость фильтрования воды в коалесцирующем патроне поддерживали равной 8 м/ч.
Таблица 1
Зависимость остаточного содержания нефти в фильтрате от скорости фильтрования воды в слое нефти
Скорость фильтрования, м/ч
0,5
1
2
3
4
Остаточное содержание нефти, мг/л
3,7
4,5
5,1
9,2
16,5
Требования к качеству очищенной воды определяются способом ее утилизации. В случае использования очищенной воды для поддержания пластового давления нефтяных месторождений с низкопроницаемыми коллекторами содержание нефти должно быть не более 5 мг/л.
В этом случае скорость фильтрования воды в слое нефти не должна превышать 2 м/ч. Погрешность опыта - 10%, поэтому качество воды соответствует нормативу.
Пример 2. Проводили опыты по очистке нефтесодержащей воды с содержанием эмульгированной нефти 2% об. Скорость фильтрования воды в слое нефти поддерживали неизменной равной 2 м/ч. Скорость фильтрования воды в коалесцирующем патроне изменяли в диапазоне от 7 до 15 м/ч. Результаты опытов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Зависимость остаточного содержания нефти в фильтрате от скорости фильтрования воды в коалесцирующем патроне
Скорость фильтрования, м/ч
6
8
10
12
15
Остаточное содержание нефти, мг/л
5,2
5,1
5,3
6,8
12,5
н
кп
Из полученных результатов следует, что скорость фильтрования в коалесцирующем патроне в диапазоне 6-10 м/ч не влияет на качество очищенной воды. Для того, чтобы выполнилось соотношение скоростей фильтрования воды в слое нефти (V=2 м/ч) и в коалесцирующем патроне (V=6-10 м/ч) необходимо чтобы выполнялось отношение площадей фильтрования при одинаковой производительности Q:
н
н
в слое нефти Q=V·S
кп
кп
в коалесцирующем патроне Q=V·S
н
кп
где V и V - скорость фильтрования в слое нефти и коалесцирующем патроне соответственно;
н
кп
S и S - площадь фильтрования в слое нефти и коалесцирующем патроне соответственно.
Принимая одинаковую производительность, получим
то есть площадь фильтрования воды в слое нефти в 3…5 раз больше, чем суммарная площадь коалесцирующих патронов.
Пример 3. В предложенной полезной модели рассмотрен вариант
устройства диаметром 2 м длиной 10 м. Производительность устройства при оптимальной скорости фильтрования составляет:
,
По прототипу реально изготовить вертикальное устройство диаметром 2 м, высотой 2,5 м. Производительность устройства по прототипу при той же скорости фильтрования составляет
3
Таким образом, для производительность 32 м/ч потребуется следующее количество устройств (по прототипу):
то есть по материалоемкости и капитальным затратам выгоднее устройство по полезной модели.
Кроме того, устройство по полезной модели более ремонтопригодно из-за наличия монтажных крышек, из-за горизонтального расположения корпуса, имеющего существенную длину.