СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОСТНО-СОЛЕВОГО РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PREPARING FLUID-SALT SOLUTION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано для приготовления солевого раствора для глушения скважин при их освоении и ремонте, а также в других отраслях народного хозяйства, в частности в коммунальном хозяйстве для целей поливания улиц для предотвращения гололеда, при изготовлении различных рассолов для получения и/или консервирования пищевых продуктов и других объектов и применений.
Известен способ глушения нефтяных и газовых скважин, включающий приготовление жидкости глушения в виде солевого раствора требуемой плотности и заливку его в скважину, отличающийся тем, что солевой раствор требуемой плотности готовят в опреснительной установке, при этом на ее вход подают отфильтрованную исходную сеноманскую воду от водозабора, а требуемую плотность солевого раствора на выходе из опреснительной установки достигают путем увеличения времени выпарки или выполнением выпарки в несколько этапов (патент РФ 2122629, МПК Е21В 43/12, C02F 1/04).
Недостатками указанного способа являются высокие энергозатраты на концентрирование раствора методом выпаривания, а также многостадийность и продолжительность процесса.
Для приготовления солевого раствора известно также применение устройства (узла), которое содержит емкости для гидродинамического перемешивания солевого раствора, шламовые насосы, трубопроводы и отличается тем, что снабжен дробилкой соли, загрузочным конвейером, дополнительными емкостями для хранения раствора соли оптимальной плотности, для запаса технической и горячей воды, емкостями блока химизации, отдельной емкостью для сбора шлама, соединенными трубопроводами через шламовые насосы с емкостями гидродинамического перемешивания солевого раствора, трехплунжерным насосом для дозированной подачи химреагентов в подготовленный солевой раствор, причем трубопровод подачи чистой воды в солевой раствор снабжен электроклапаном, а трубопровод выдачи готового солевого раствора имеет массовый расходомер (патент РФ 2264249, МПК B01F 1/00).
Недостатками указанного устройства являются необходимость использования привозных химических реагентов для получения раствора, в частности хлоридов натрия, магния и кальция, снижение вследствие этого экологической безопасности, а также низкая производительность процесса. Кроме того, использование привозных реагентов дорого и повышает стоимость всего процесса ремонта скважин.
3
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ получения раствора глушения скважин из минерализованной пластовой воды методом выпаривания, отличающийся тем, что выпаривание производят в две ступени, причем на первой стадии выпаривают 75-85% исходной воды, к полученному рассолу добавляют исходную воду в соотношении (0,5-1,5):(0,5-1,5), а затем выпаривают раствор смешения до получения рассола заданной плотности, преимущественно 1,2 г/см (патент РФ 2107030, МПК C02F 1/04).
3
Основными недостатками указанного способа (способа-прототипа) являются высокие удельные энергозатраты, составляющие по данным, приведенным в патенте до 50 кВт*ч/м при получении концентрата плотностью 1,2 г/л и низкая производительность процесса, которая при мощности 50 кВт*ч может составлять (по литературным данным и нашим оценкам) 80-120 кг выпаренной воды (пара) в час. Необходимость работы с горячими соляными растворами диктует повышенные требования к коррозионной стойкости материалов устройств, используемых в данном способе, повышение требований техники безопасности, затрудняет обслуживание и автоматизацию процесса.
Решаемой задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков и достижение практического, технического результата в отношении значимого повышения эффективности процесса, а именно:
- снижение удельных энергозатрат при концентрировании раствора,
- повышение производительности процесса,
- снижение коррозионной агрессивности растворов,
- повышение экологической безопасности процесса, повышение удобства обслуживания и возможностей автоматизации, в том числе формирования жидкостно-солевой заглушки для нефтегазовой скважины.
нач
Решение поставленной задачи достигается в заявляемом изобретении использованием для получения жидкостно-солевого раствора способа, согласно которому отбирают исходный жидкостно-солевой раствор в виде исходного водно-солевого раствора природного происхождения и/или его полуфабриката с содержанием растворенных солей, обеспечивающих его начальную плотность ρ в пределах
3
3
нач
1,0001 г/см≤ρ≤1,140 г/см,
i
и очищают его от газовых, и/или механических, и/или минеральных, и/или биологических примесей, подготовленный таким образом раствор последовательно концентрируют в N стадий, количество которых выбирают в пределах 2≤N≤12, увеличивают концентрацию и плотность раствора в процессе каждой i-й стадии, где 1≤i≤12 до промежуточного значения ρ, которое выбирают в пределах
кон
i
нач
i
1,01≤(ρ+ρ)/(ρ+ρ)≤1,09,
кон
где конечную плотность ρ выбирают в пределах
3
3
кон
1,050 г/см≤ρ≤1,200 г/см,
i
кон
для осуществления каждой из указанных стадий обогащаемый раствор последовательно пропускают через N конструктивно взаимосвязанных, подключенных к насосам высокого давления блоков обратного осмоса, составленных из емкостей концентрата и пермеата, разделенных соответственно мембранами обратного осмоса, на каждой осуществляемой i-стадии, используя явление обратного осмоса, повышают концентрацию водно-солевого раствора в i-емкости концентрата, для чего в каждой i-емкости концентрата используют давление в пределах 30-190 атм в интервале времени, в течение которого промежуточную плотность увеличивают до значения ρ, и так далее до достижения конечного значения ρ плотности.
Заявляемое изобретение является техническим решением, т.к. представляет собой способ, т.е. процесс осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств, а именно процесс осуществляется над материальным объектом - раствором с помощью различных материальных устройств - специальных установок и физических воздействий - давления.
Заявляемое изобретение промышленно применимо, т.к. может быть использовано в нефтегазодобывающей отрасли и других отраслях народного хозяйства, например коммунальном хозяйстве, и использует:
- пластовые и природные воды в тех формах, использование которых известно;
- устройства обратного осмоса, применение которых также известно.
Следует также заметить, что и назначение заявленного изобретения является актуальным и востребованным.
Заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить задачу повышения эффективности процесса получения жидкостно-солевого раствора для глушения скважин, что выражается в достижении следующих технических характеристик:
1. Снижение удельных энергозатрат при концентрировании жидкостно-солевого раствора для глушения скважин до плотности 1,20 г/л.
3
3
3
произв
пр
заявл
заявл
пр
пр
Энергозатраты на получение концентрата плотностью 1,12 г/л составляют 0,6 кВт*ч/м, а при получении концентрата плотностью 1,20 г/л составляют 1,0-1,2. Таким образом, эффективность заявляемого способа в отношении удельных энергозатрат по сравнению со способом-прототипом К=Е/Е повышается в 42-50 раз, где Е и Е - удельные энергозатраты процесса получения концентрированного раствора соответственно по заявляемому способу и способу прототипу в кВт*ч/м (по данным прототипа Е=50 кВт*ч/м при получении концентрата плотностью 1,2 г/л);
2. Повышение производительности процесса при концентрировании жидкостно-солевого раствора для глушения скважин до плотности 1,20 г/л.
3
3
3
3
произв
заявл
пр
заявл
пр
пр
При указанных выше энергозатратах (п.1) производительность процесса соответственно составляет 2,1 м/ч и 1,8-1,9 м/ч. Таким образом, эффективность заявляемого способа в отношении производительности по сравнению со способом-прототипом D=F/F повышается в 15-26 раз, где F и F - производительность процесса получения концентрированного раствора соответственно по заявляемому способу и способу-прототипу в м/ч (по литературным и нашим данным Е=0,08-0,12 м/ч при получении концентрата плотностью 1,2 г/л);
3. Снижение коррозионной агрессивности растворов.
Проведение процесса получения жидкостно-солевого раствора для глушения скважин при температурах окружающей атмосферы, а не при температуре кипения солевого раствора (более 100°С) резко повышает коррозионную стойкость конструкционных материалов установок и аппаратуры, используемых в процессе;
4. Повышение безопасности процесса, повышение удобства обслуживания и возможностей автоматизации.
Так как в процессе не используются горячие и кипящие агрессивные жидкости, то резко повышается надежность работы аппаратуры, расширяется возможность автоматизации, поскольку не требуется специальной защиты датчиков, повышается безопасность и удобство обслуживания процесса персоналом.
В обоснование вышеприведенных параметров процесса приводим следующие экспериментальные данные, сведенные в таблицу 1.
Таблица 1
№, п/п
ρ<sub>нач</sub>
N
Давление в емкости концентрата, атм
i
ρ<sub>i</sub>
Заданное значение ρ<sub>кон</sub>
Примечание
1
1,0001
1
25
1
1,03
1,05
Не удалось выйти на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
2
0,0001
2
30
2
1,03
1,05
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
3
1,14
8
190
7
1,18
1,20
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
4
1,14
14
190
7
1,22
1,30
Не удалось выйти на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
5
1,12
4
80
3
1,18
1,20
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
6
1,05
8
80
7
1,16
1,20
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
7
1,05
6
60
5
1,09
1,12
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
Выше перечисленная совокупность существенных признаков, позволяющая достичь заявленного технического результата не известна из уровня техники, т.е. не известно применение данной совокупности существенных признаков с получением заявленного технического результата. Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
Отличительными существенными признаками заявляемого изобретения являются:
нач
нач
3
3
- выбор, в качестве исходного продукта, раствора природного происхождения и/или его полуфабриката с содержанием растворенных солей, обеспечивающих его начальную плотность ρ, в пределах 1,0001 г/см≤ρ≤1,14 г/см, что расширяет возможность использования природных вод различного происхождения, в том числе и пластовых, а также позволяет использовать их полуфабрикаты с повышенной плотностью,
- очищение раствора от газовых, и/или механических, и/или минеральных, и/или биологических примесей, что также расширяет возможности использования раствора,
i
кон
i
нач
i
- последовательное концентрирование (обогащение) в N стадий, количество которых выбирают в пределах 2≤N≤12, увеличивают концентрацию и плотность раствора в процессе каждой i-й стадии, где 1≤i≤12 до промежуточного значения ρ, которое выбирают в пределах 1,01≤(ρ+ρ)/(ρ+ρ)≤1,09,
кон
кон
3
3
где конечную плотность ρ выбирают в пределах 1,05 г/см≤ρ≤1,20 г/см,
i
кон
для осуществления каждой из указанных стадий обогащаемый раствор последовательно пропускают через N конструктивно взаимосвязанных, подключенных к насосам высокого давления блоков обратного осмоса, составленных из емкостей концентрата и пермеата, разделенных соответственно мембранами обратного осмоса, на каждой осуществляемой i-стадии, используя явление обратного осмоса, повышают концентрацию водно-солевого раствора в i-емкости концентрата, для чего в каждой i-емкости концентрата используют давление в пределах 30-190 атм в интервале времени, в течение которого промежуточную плотность увеличивают до значения ρ и так далее до достижения конечного значения ρ плотности.
Последнее позволяет выбирать оптимальные режимы проведения процесса для получения заданной плотности раствора, а именно количество стадий и давление, что значительно повышает эффективность процесса.
Из современного уровня техники не известно, что применение указанной совокупности отличительных существенных признаков способно положительно влиять на достижение заявленного технического результата.
С другой стороны, использование указанной совокупности существенных признаков для получения жидкостно-солевого раствора для глушения скважин также не следует для специалистов явным образом из уровня техники, т.к. не является объединением, изменением или совместным использованием сведений, содержащихся в уровне техники, и/или общих знаний специалиста.
3
А
Полезными модификациями описанного выше заявляемого способа является способ, согласно которому исходный водно-солевой раствор, представляющий собой пластовую или технологическую воду с содержанием солей ионов щелочных и щелочноземельных металлов и плотностью 1,005-1,050, очищают от посторонних примесей, постадийно концентрируют с помощью метода обратного осмоса до плотности 1,050-1,14 г/см при числе стадий (ступеней) концентрирования N, значение которого выбирают в качестве округленного до целого числа значения отношения δρ/δР при 2≤N≤12,
А
3
где δρ - увеличение плотности раствора в данном процессе, а δР - эмпирическое среднее эффективное повышение плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса, и затем доводят до заданной плотности в интервале значений 1,10-1,20 г/см добавлением солей щелочных и/иди щелочноземельных металлов при выполнении соотношения
А
В
В
1,05≤(δρ+δρ)/δρ≤1,35,
В
где δρ - повышение плотности раствора на стадии доведения до заданной плотности.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
Другой полезной модификацией заявляемого способа является способ, по которому исходный полуфабрикат жидкостно-солевого раствора с начальным содержанием C растворенных солей очищают до достижения содержания в нем газовых С, и/или механических С, и/или биологических С, и/или минеральных С примесей, каждое из которых выбирают в пределах 1≤(C+C+C+С+С)/C≤1,05.
Обе модификации являются частными случаями использования основного способа, направленными на усиление эффекта изобретения, расширение его возможностей и удобства применения, являются техническим решением, т.к. представляет собой способ, т.е. процесс осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств, а именно применение раствора в определенной форме по отношению к субъекту и в силу известности материальных средств и объектов, промышленно применимы.
В обоснование вышеприведенных параметров процесса приводим следующие экспериментальные данные, полученные при давлении в блоках обратного осмоса, равным 60 атм и сведенные в таблицу 2.
Таблица 2
№ п/п
ρ<sub>нач</sub>, г/см<sup>3</sup>
(C<sub>1</sub>+C<sub>2</sub>+C<sub>3</sub>+С<sub>4</sub>+С<sub>5</sub>)/C<sub>1</sub>
N
δρ<sub>А</sub>, г/см<sup>3</sup>
δР, г/см<sup>3</sup>
δρ<sub>В</sub>, г/см<sup>3</sup>
ρ<sub>кон</sub>, г/см<sup>3</sup>
Примечание
1
1,003
1,06
12
0,137
0,01
-
1,14
Не удалось выйти на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
2
1,005
1,05
12
0,135
0,01
-
1,14
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
3
1,05
1,05
5
0,02
-
1,14
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
4
1,005
1,02
2
0,045
0,02
-
1,05
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
5
1,05
1,00
4
0,7
0,02
-
1,12
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
6
1,05
1,00
14
0,11
0,008
-
1,16
Не удалось выйти на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>
7
1,005
1,02
4
0,075
0,02
0,02
1,10
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого натрия.
8
1,05
1,02
3
0,05
0,02
0,02
1,12
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого магния.
9
1,14
1,02
-
-
-
0,06
1,20
Выход на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого кальция.
10
1,14
1,02
-
-
-
0,08
1,22
Не удалось выйти на заданный параметр ρ<sub>кон</sub>. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого кальция.
А
В
А
Для осуществления вышеописанного способа в заявляемом изобретении предлагается устройство изготовления жидкостно-солевого раствора, содержащее функционально и/или конструктивно взаимосвязанные между собой узел подачи и перекачивания растворов, узел очистки исходного раствора, технологические емкости и комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора, выполненный в виде установки обратного осмоса, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину δρ и составленный из N блоков концентрирования раствора, где 2≤N≤12, a также установки доведения раствора до заданной плотности, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину δρ, при выполнении соотношения 1,05≤(δρ+δρВ)/δρВ≤1,35 и N, выбранном в качестве округленного до целого числа значения отношения δρА/δР, где δР - эмпирическое среднее эффективное повышение удельной плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса.
Блок-схема описанного устройства приведена на чертеже.
Обозначения, использованные на чертеже:
I - технологические емкости,
Ia - накопительная емкость исходного раствора,
Iб - накопительная емкость очищенного раствора,
Iв - накопительная емкость концентрата;
II - узел подачи и перекачивания растворов;
III - узел очистки исходного раствора;
IV - комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора,
1, 2, 3…12 - блоки концентрирования установки обратного осмоса,
13 - установка доведения раствора до заданной плотности.
Действие устройства осуществляется следующим образом.
3
Исходный водно-солевой раствор природного происхождения и/или его полуфабрикат поступает из накопительной емкости (Iа) с помощью насосов, установленных в блоке узла подачи и перекачивания растворов (II) на узел очистки исходного раствора (III), очищенный раствор с помощью насосов (II) передается для концентрирования в комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора (IV), где проходит концентрирования сначала на блоках обратного осмоса (1, 2, 3…12), а затем в установке доведения раствора до заданной плотности (13), полученный концентрат подается с помощью насосов узла подачи и перекачивания растворов (II) в накопительную емкость (Iв) и затем на глушение скважины. В случае необходимости получения растворов для глушения плотностью 1,050-1,14 г/см концентрат подается сразу в накопительную емкость (Iв) после блоков обратного осмоса (1, 2, 3…12), минуя установку доведения раствора до заданной плотности (13).
Обоснованием параметров, указанных в описании данного устройства, служат данные, приведенные в таблице 2.
Указанное устройство является техническим решением, т.к. состоит из материальных элементов-конструкций и промышленно применимо в отраслях народного хозяйства, прежде всего в нефтегазодобывающей отрасли, т.к. состоит из технических средств (элементов устройства), опробованных в промышленности. В качестве установки доведения раствора до заданной плотности можно использовать установки гидродинамического перемешивания, различные перемешивающие устройства и емкости с мешалками.
3
Из уровня техники не известно применение устройств с описанными существенными признаками, позволяющими получать жидкостно-солевой раствор с плотностью до 1,2 г/см при значительной экономии энергозатрат в 42-50 раз и повышении производительности процесса в 15-26 раз (см. более подробное описание на стр.4-5). При этом также повышается надежность работы устройства, за счет снижения агрессивности солевых растворов и улучшаются условия обслуживания и состояние техники безопасности. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Отличительными существенными признаками заявляемого устройства является уникальная компоновка, сочетание его элементов, позволяющая достичь заявленного технического результата, а также комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора, выполненный в виде установки обратного осмоса, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину δρА и составленный из N блоков концентрировании раствора, где 2≤N≤12, а также установки доведения раствора до заданной плотности, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину δρВ, при выполнении соотношения 1,05≤(δρА+δρВ)/δρВ≤1,35 и N, выбранном в качестве округленного до целого числа значения отношения δρА/δР, где δР - эмпирическое среднее эффективное повышение удельной плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса.
Из уровня техники не известно применение совокупности указанных существенных признаков, а также комплексного узла с целью получения заявленного технического результата, а значит заявляемое устройство соответствует требованиям изобретательского уровня, т.к. не является объединением, изменением или совместным использованием сведений, содержащихся в уровне техники и не следует для специалистов явным образом из уровня техники.
Примеры.
Пример 1
3
1
2
3
4
5
1
В качестве исходного водно-солевого раствора природного происхождения используют сеноманскую пластовую воду плотностью 1,015 г/см, данную воду очищают путем фильтрования до уровня содержания примесей, соответствующему равенству соотношения (C+C+C+С+С)/C=1,02, где
1
C - содержание растворенных солей в исходном растворе, г/л,
2
С - содержание газовых примесей в исходном растворе, г/л,
3
С - содержание механических примесей в исходном растворе, г/л,
4
С - содержание биологических примесей в исходном растворе, г/л,
5
С - содержание минеральных примесей в исходном растворе, г/л.
Затем очищенный раствор подают на блоки установки обратного осмоса для концентрирования под давлением 190 атм, где осуществляют 8 ступеней концентрирования на восьми блоках установки, полученный на выходе из восьмого блока концентрат имел плотность 1,20 г/л. Данный раствор направляют на глушение нефтяной скважины.
Пример 2
3
1
2
3
4
5
1
В качестве исходного водно-солевого раствора природного происхождения используют сеноманскую пластовую воду плотностью 1,015 г/см, данную воду очищают путем фильтрования до уровня содержания примесей, соответствующему равенству соотношения (C+C+C+С+С)/C=1,02, где
1
C - содержание растворенных солей в исходном растворе, г/л,
2
C - содержание газовых примесей в исходном растворе, г/л,
3
С - содержание механических примесей в исходном растворе, г/л,
4
С - содержание биологических примесей в исходном растворе, г/л,
5
С - содержание минеральных примесей в исходном растворе, г/л.
Затем очищенный раствор подают на блоки установки обратного осмоса для концентрирования под давлением 60 атм, где осуществляют 4 ступени концентрирования на четырех блоках установки, полученный на выходе из четвертого блока концентрат имел плотность 1,12 г/л. Данный раствор подают на блок установки доведения раствора до заданной плотности, где осуществляется концентрирование раствора путем растворения в нем хлористого кальция до плотности 1,16 г/л. Полученный раствор направляют на глушение нефтяной скважины.
Таким образом, все вышеуказанные совокупности существенных признаков способа и устройства изготовления жидкостно-солевого раствора взаимосвязано и целенаправленно решают поставленную задачу и обеспечивают достижение указанных технических результатов.