Мобильная установка очистки воды от сероводорода для закачки в пласт, способ ее осуществления и устройство напорной аэрации
MOBILE PLANT FOR WATER PURIFICATION FROM HYDROGEN SULFIDE FOR INJECTION INTO RESERVOIR, METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION AND PRESSURE AERATION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и предназначено для осуществления технологии очистки воды от сероводорода перед подачей ее в систему поддержания пластового давления (ППД) для последующей закачки в пласт месторождения нефти.
2
2
-
2-
На ранней стадии разработки месторождений наиболее экономически целесообразным считается использование мобильных установок подготовки нефти (МУПН), состоящих из отдельных технологических блоков полной заводской готовности, объединенных в единый комплекс и не требующих обустройства традиционными стационарными сооружениями. В процессе ранней добычи нефти возникает необходимость в стабилизации пластового давления. Самым распространенным является гидродинамический метод увеличения нефтеотдачи - закачка воды в пласт, поэтому, до сооружения стационарной блочной кустовой насосной станции (БКНС), к МУПН оперативно подключается мобильная БКНС (МБКНС). Для закачки используется попутно добываемая пластовая вода, отделяемая в процессе сепарации от водонефтяного флюида на МУПН и технологическая вода водозаборных скважин (далее - вода HS), загрязненная сероводородом. В состав растворённого в воде сероводорода входят молекулы газообразного HS, ионов гидросульфида HSи сульфидов Sпоэтому перед подачей в систему ППД и закачкой в пласт, загрязненную воду необходимо очистить от сероводорода. Согласно п.1.9. ОСТ 39-225-88 в воде, нагнетаемой в продуктивные коллекторы нефтяных пластов, сероводород должен отсутствовать.
Для очистки воды от сероводорода и сернистых соединений в промысловых условиях наиболее часто применяется метод обработки воды химическими реагентами-нейтрализаторами. Другим способом очистки является применение специально разработанных методов насыщения воды кислородом (или воздухом) в присутствии водного раствора катализатора окисления, на основе соединений железа, меди и других переменновалентных металлов, при этом катализатор и кислород (или воздух) подают непосредственно в поток воды с сернистыми соединениями. В результате реакции сернистые соединения превращаются в элементарную серу, которая в последующем выводится из воды отстаиванием, флотацией, фильтрацией или центрифугированием.
Указанные способы очистки имеют ряд существенных недостатков: высокая стоимость реагентов; большой удельный расход нейтрализаторов требует внушительных размеров реагентного хозяйства; сложность и продолжительность технологического процесса очистки; при хранении и использовании реагентов требуются особые меры безопасности; трудности с утилизацией образующихся отходов; негативное влияние на окружающую среду из-за выбросов сероводорода в атмосферу.
При низких значениях водородного показателя очищаемой воды (pH) в промысловых условиях наиболее эффективным считается применение аэрационных методов удаления - отдувка сероводорода. Преимуществами метода аэрации являются безопасность и невысокая стоимость в сравнении с другими методами очистки.
2
4
3
3
Известен способ очистки воды от сульфидов и сероводорода путем отдувки сероводорода из предварительно подкисленной воды (до рН 4,3÷5). Отдувку можно осуществлять в аэрационном бассейне, градирне или дегазаторе любого типа. При аэрации также возможно наряду с десорбцией сероводорода окисление его части до коллоидной серы. После такой отдувки остаточная концентрация сероводорода составляет 0,3 ÷ 0,5 мг/л, поэтому остаточный сероводород рекомендуется окислять хлорированием, а очищаемую воду смешивать с коагулянтом дозой 20 ÷ 30 мг/л (например, Al(SO) или FeCl) для связывания в хлопья коллоидной серы и направлять на зернистые фильтры. После фильтров воду после повторного хлорирования рекомендуется подщелачивать с целью снижения ее коррозионной активности (В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971. - с.475-479).
К недостаткам данного способа очистки относится необходимость использования различных реагентов (кислоты, коагулянта, хлора и щелочи) и сложное реагентное хозяйство. Кроме того, происходит загрязнение окружающей воздушной среды токсичным сероводородом, который отдувается воздухом в атмосферу.
Известна технология очистки пластовых вод от сероводорода в вертикальной колонне (далее - реактор) каталитическим обезвреживанием на гетерогенном катализаторе(процесс «LOCOS PW»; https://ahmadullins.com/publiclist/plastovye-vody/metody-ochistki). Данный процесс реализуется по следующей схеме. Пластовая вода с установок добычи нефти накапливается и отстаивается в буферной емкости. Из буферной емкости пластовая вода через фильтр подается насосом в теплообменник, где нагревается до 60-80°С и поступает через распределительное устройство в кубовую часть реактора. Перед входом в реактор в трубопровод подачи пластовой воды компрессором подается воздух под давлением 0,8 МПа. Воздух и пластовая вода проходят с низа вверх прямотоком через плотно загруженный одним слоем по высоте реактора катализатор КСМ, на поверхности которого происходит окисление кислородом воздуха токсичных, коррозионно-активных гидросульфидов, содержащихся в пластовой воде, в инертные, не имеющие запаха гидросульфат и тиосульфат натрия. Смесь отработанного воздуха и обезвреженной пластовой воды с верха реактора отводится в емкость дегазации. Отработанный воздух с верха дегазатора через каплеотбойник направляется на свечу. Обезвреженная пластовая вода из емкости дегазатора направляется далее на закачку в пласт.
К недостаткам данной технологии очистки пластовых вод от сероводорода относятся следующие моменты:
- реакция протекает при прямоточном движении с низа вверх воздуха и пластовой воды через катализатор;
- реакция каталитического окисления сероводорода молекулярным кислородом протекает в реакторе на гетерогенном катализаторе. Требуются материальные затраты на приобретение катализатора, его специальная плотная загрузка и периодическая регенерация;
- необходимым условием протекания реакции окисления является поддержание давления в колонне не менее 0,5 МПа, что требует оснащения устройствами контроля и предохранительным оборудованием от превышения расчетного давления;
- для проведения каталитического процесса, кроме колонны, требуется дополнительное оборудование: теплообменник для нагрева воды; компрессор для нагнетания воздуха в реактор; емкость дегазации, - дополнительные материальные затраты на приобретение и обслуживание;
- кроме дополнительных затрат на вспомогательное оборудование потребуются средства на строительно-монтажные работы по обустройству производственной площадки всей установки сероочистки пластовой воды, а также возведение монолитных стационарных фундаментных оснований под реактор (с учетом высоты вертикально стоящей колонны) и под компрессор (с учетом анкерного крепления агрегата).
Известно оборудование для осуществления абсорбционных и десорбционных процессов, удаления растворенных газов из растворов и наиболее эффективно - при отдувке ртути из растворов и сточных вод до требуемых санитарных норм и позволяет повысить эффективность работы колонны за счет исключения образования застойных зон по периферии дисков. (Патент SU1681923А1 МПК В01D 45/08, B01D 53/18, Опубл. 07.10.1991). Оборудование представляет вертикально ориентированную колонну и состоит из корпуса, разделенного сплошными перегородками на секции, перфорированных решеток с фильтрующими элементами, выполненными в виде пористых дисков, прижатых к решетке прижимными устройствами, переливных труб, патрубков. Пористые диски имеют диаметр, превышающий диаметр отверстий решетки на одну-две толщины диска. Благодаря тому, что диски прижаты к поверхности решетки и имеется зазор между поверхностью дисков и решетки, часть газа проходит параллельно поверхности решетки и перемешивает жидкость между отверстиями, исключая образование там застойных зон и улучшая массообмен. Исходная жидкость поступает через патрубок в верхнюю секцию и по переливным трубам перетекает из секции в секцию, а затем выходит из аппарата через патрубок. Газ подают отдельными потоками в каждую секцию через патрубки. Он поступает в пространство между перегородкой и решеткой, проходит через фильтрующие элементы и равномерно распределяется по сечению, интенсивно перемешивая жидкость. После контактирования с жидкостью газ через патрубки выходит в общий коллектор. Благодаря особенностям конструкции перфорированной решетки, заключающимся в том, что фильтрующие элементы выполнены в виде пористых дисков с шероховатой поверхностью, обеспечивается равномерное интенсивное перемешивание жидкости на всей поверхности решетки, исключаются застойные зоны.
К недостаткам аналога относится несовершенство конструкции разделения колонны на отдельные герметичные секции и системы трубных переливовобработанной жидкости. Не обеспечивается долговечность конструкции из-за большого количества прижимных устройств крепления фильтрующих пористых элементов к перфорированной решетке, что приведет к остановкам процесса, увеличению количества простоев и росту эксплуатационных расходов.
Известен горизонтальный стальной цилиндрический резервуар (https://asuneft.ru/dobycha/gorizontalnyj-stalnoj-tsilindricheskij-rezervuar-opisanie-yomkosti-dlya-hraneniya-nefteproduktov.html?) для хранения нефтепродуктов. Резервуары горизонтальные стальные наземные - цилиндрические резервуары, выполненные из стали или полимерных материалов, предназначенные для хранения жидкостей на предприятиях или хранилищах и располагаются на поверхности земли, на подготовленных площадках.
Известен газожидкостной сепаратор (Патент 2766135, E21B 43/34 (2006.01), B01D 19/00 (2006.01), Опубл. 08.02.2022) разделения текучих сред. Газожидкостный сепаратор состоит из корпуса, имеющего вход с как минимум одним горизонтальным перфорированным патрубком внутри корпуса с как минимум двумя выходами, причем как минимум один верхний - для отбора легких фракций, как минимум один нижний - для отбора тяжелых фракций - жидкости. Известный газожидкостный сепаратор позволяет эффективно разделять газожидкостную среду на газ и жидкость без дополнительных регулируемых элементов и блоков управления, что делает его конструкцию надежной и автономной.
Недостатком известного устройств является невозможность их использования для очистки воды от сероводорода для закачки в пласт.
2
Целью заявляемого изобретения является создание быстро возводимого устройства, обеспечивающего эффективную очистку технологической воды водозаборных скважин - вода HS от сероводорода попутным нефтяным газом, подготовленным на МУПН, для подачи очищенной воды в систему ППД.
2
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение концентрации содержания сероводорода в обезвреженной воде HS при минимальных капитальных затратах.
Поставленная цель достигается заявленной мобильной установкой очистки воды от сероводорода представляющей собой моноблок, включающий сосуд, работающий под давлением (СВД) и интегрированного с ним массообменного колонного аппарата (МКА), вместе с опорно-крепежной системой, образующей пространственную конструкцию в размерах стандартного 40-футового контейнера и вертикального массообменного колонного аппарата (МКА).
СВД и МКА расположены перпендикулярно по отношению друг к другу. МКА снабжен противоточными регулярными насадками с вертикальными контактными решетками и представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, оборудованный в верхней части эллиптическим днищем, в котором расположены: штуцер для вывода газа, обогащенного сероводородом, после процесса отдувки; штуцер для датчика давления и штуцер для датчика температуры.
2
В верхней части МКА вварен штуцер для ввода вода HS на очистку, под которым установлены узлы ввода и орошения, а по всему внутреннему периметру и на всю высоту колонны установлены секции с регулярной насадкой АВР (Патент RU2461406C2 МПКB01D3/28, Опубл.20.09.2012 «Массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа»). Основными элементами конструкции секций регулярной насадки АВР являются вертикальные решетки, зажатые между перегородками зигзагообразной формы.
2
В нижней части МКА смонтирована горизонтально направленная перфорированная труба, соединенная со штуцером, приваренным на обечайке МКА, через который противотоком к очищаемой воде HS подается попутный нефтяной газ, предварительно подготовленный на мобильной установке подготовки нефти (МУПН).
В нижней части МКА снабжен аппаратным фланцем для присоединения МКА к СВД.
2
На обечайке СВД оборудована цилиндрическая переходная стойка (строго вертикально вверх), размер отверстия которой равен внутреннему диаметру МКА для обеспечения сквозного беспрепятственного стекания обработанной вода HS из МКА в полость СВД. На цилиндрической переходной стойке над отверстием в месте сопряжения вертикально стоящего массообменного колонного аппарата и горизонтального сосуда приварен ответный аппаратный фланец. Соединение двух сосудов выполняется посредством аппаратных фланцев.
В верхней части СВД размещено устройство напорной аэрации, которая включает размещённый горизонтально по всей длине сосуда трубопровод со штуцером для подачи газа. К трубопроводу на равном расстоянии друг от друга присоединены вертикальные распределительные коллекторы, перпендикулярно к которым присоединены горизонтальные рампы, отходящие в разные стороны от места крепления. На горизонтальных рампах посредством патрубков крепятся фильтр-патроны.
В нижней части СВД оборудован штуцер для вывода очищенной воды, пригодной для подачи в систему ППД.
2
Совмещение двух технологических аппаратов в один моноблок дает преимущества в виде двухступенчатой технологии очистки: первая стадия - десорбция сероводорода в МКА с противоточными регулярными насадками с вертикальными контактными решетками; вторая стадия - доочистка вода HS напорной аэрацией в СВД.
Заявляемая мобильная установка очистки воды от сероводорода поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, где:
1 - сосуд, работающий под давлением (СВД);
2 - массообменный колонный аппарат (МКА);
3 - штуцер Б2 для вывода газа;
4 - штуцер для датчика давления;
5 - штуцер для датчика температуры;
6 - штуцер А1 для ввода воды на очистку;
7 - аппаратный фланец;
8 - переходная стойка;
9 - перфорированная труба;
10 - штуцер Б1 для подачи газа в колонну на отдув;
11 - узлы ввода и орошения;
12 - секции регулярной насадки АВР;
13 - штуцер Б3 для подачи газа в СВД на аэрацию
14 - трубопровод подачи газа;
15 - вертикальный распределительный коллектор;
16 -штуцер А2 для вывода очищенной воды.
17 - горизонтальная рампа;
18 - патрубок
19 - фильтр-патрон.
Мобильная установка очистки воды от сероводорода должна быть герметизирована по отношению к окружающей среде. Класс герметичности 5 по ОСТ 26.260-14-2001.
Для обеспечения разгрузки места сопряжения двух сосудов МКА и СВД, и удержания МКА от воздействия ветровой нагрузки, к раме горизонтального СВД жестко закреплена вертикальная ферма (на схеме не показана), внутри которой и размещается МКА.
Мобильная установка очистки воды от сероводорода работает следующим образом.
2
2
Технологическая вода водозаборных скважин - вода HS, с растворенным в ней сероводородом концентрацией 300 ÷ 350 мг/л, через штуцер ввода А1 (6), подается в МКА (2), который представляет собой цилиндрический сосуд с диаметром обечайки 1000 мм, на верхнюю секцию массообменной насадки АВР снабженной системой орошения (11), позволяющей равномерно распределить воду HS по всему сечению МКА. По всему внутреннему периметру и на всю высоту МКА установлены секции насадки АВР (12). Давление воды на входе в колонну 0,04 МПа. Вода стекает сквозь отверстия контактной вертикальной решетки, и по зигзагообразной перегородке последовательно, на каждой ступени распыляется газом, поступающим из перфорированной трубы (9) в нижней части МКА с давлением 0,2 МПа. При этом образуется капельный поток, формирующий пленочное движение. Подача орошения в АВР происходит по нормали к поверхности. Капли эффективно проникают в жидкостную пленку, чем достигается максимально возможная степень возмущения пленочного течения и наибольшая эффективность процесса массопереноса. Аппараты с насадкой класса АВР совмещают в себе клапанный, струйный и эжекционный режимы взаимодействия фаз, с эффективной реализацией массообмена на предельно высоких скоростях орошения. В результате процесса десорбции концентрация сероводорода на выходе из колонны снижается до 50 мг/л.
3
2
Из МКА (2) через отверстие переходной стойки (8), обработанная вода свободно стекает в СВД (1) емкостью40 м, вместе с опорно-крепежной системой, образующей пространственную конструкцию в размерах стандартного 40-футового контейнера. На попавшую в полость СВД воду с концентрацией сероводорода 50 мг/л, начинается воздействие процесса напорной аэрации. По трубопроводу подачи газа (14) газ под давлением 0,2 МПа, проходя по вертикальным распределительным коллекторам (15), через горизонтальные рампы (17) и патрубки (18) подается в фильтр-патроны (19), и, проходя сквозь их пористую оболочку, образует мелкодисперсное газовое облако из капелек диаметром 0,5÷1,5 мм, которое заполняет все водное пространство в нижней части СВД площадью 1200х6000 мм и, поднимаясь вверх, вступает в реакцию с растворенным сероводородом. В результате аэрации газом концентрация сероводорода в воде HS падает до 20÷30 мг/л.
Фильтр-патроны представляют собой жесткие цилиндры с толщиной фильтрующей перегородки 20 мм, и изготовлены из пористого материала на основе физически сшитого порошкообразного полиэтилена низкого давления. Заданная пористость патронов (40-55%) обеспечивает распыление (диспергирование) поступающего газа пузырьками в пределах 0,5÷1,5 мм. Под действием гидродинамического напора газафильтр-патрон не деформируется, фильтрующие поры с течением времени не расширяются, дисперсность пузырьков газа остается постоянной. Для полного насыщения обрабатываемой воды диспергированным газом над фильтр-патронами поддерживается расчетный уровень воды.
2
Обработанная вода через патрубок со штуцером А2 (16) выводится из мобильной установки. Далее вода HS с минимальным остаточным содержанием сероводорода, направляется на мобильную установку нейтрализации для окончательной очистки высокоэффективными реагентами, обладающими высокой скоростью реакции и большой емкостью поглощения.
2
Контроль концентрации HS на выходе воды после каждой стадии очистки (колонны МКА, сосуда СВД) осуществляется поточными анализаторами сероводорода. Данные анализаторов передаются на АРМ-оператора. Кроме этого, степень очистки контролируется результатами лабораторных анализов проб, проводимых по установленному графику (2 раза в сутки).
Очищенная технологическая вода водозаборных скважин после отдувки и окончательной нейтрализации сероводорода, подается на блок манифольда МБКНС, где происходит смешивание с пластовой водой от мобильной установки подготовки нефти. Объединенный поток поступает на вход насосов МБКНС для закачки в пласт по системе ППД.
Заявленная мобильная установка очистки воды от сероводорода, обеспечивает десятикратное снижение концентрации содержания сероводорода в технологической воде водозаборных скважин с 300 ÷ 350 мг/л до 20÷30 мг/л, за счет применения двухступенчатой технологии отдувки сероводорода из воды попутным нефтяном газом в массообменном колонном аппарате с регулярными насадками АВР и сосуде, работающем под давлением, объединенных в единый моноблок.
Кроме того, за счет замкнутой системы процесса аэрации в герметичном моноблоке исключается риск попадания сероводорода в окружающую среду.
Заявляемое техническое решение позволяет на ранней стадии разработки месторождения оперативно ввести в работу мобильную БКНС и, организовав  своевременную закачку воды, стабилизировать пластовое давление и обеспечить прирост темпов добычи ранней нефти.
Кроме экономической и технологической эффективностей очистки, заявленная мобильная установка обеспечивает следующие преимущества:
- оперативность ввода в эксплуатацию, за счет безфундаментной установки МКА;
- оптимизация технологической схемы: отпадает необходимость в коммуникациях двух отдельно стоящих технологических аппаратов (МКА и СВД);
- оптимизация реагентного хозяйства установки подготовки воды;
- кратное сокращение эксплуатационных расходов на водоподготовку;
- снижение рисков воздействия опасных производственных факторов на окружающую среду (выбросы сероводорода в атмосферу).
Заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна» вследствие того, что совокупность заявляемых признаков не существует в объектах известного уровня техники (общедоступных сведений, знаний, информации).
Заявляемое изобретение является промышленно применимым, так как оно осуществлено промышленным способом, смонтировано на мобильной УПН вновь разрабатываемого месторождения одной из нефтяных компаний и отличительные признаки устройства позволили получить заданный технический результат.