СПОСОБ ОБРАБОТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/42 

Изобретение относится к способам нагрева минерализованных вод перед закачкой в нефтяные пласты и может быть использовано для высокотемпературного нагрева морских и близких к ним по составу пластовых вод.

Известен способ обработки воды [1] включающей предварительное Na-катионитное умягчение исходной воды и косвенный нагрев ее в специальных водонагревательных установках за счет тепла сжигаемого топлива перед закачкой в пласт. Основной недостаток способа связан с высокими затратами на умягчение, главным образом, из-за использования для этой цели привозной поваренной соли. При использовании минерализованной воды, характеризующейся высокой жесткостью, способ становится практически непригодным из-за огромных затрат на поваренную соль.

Указанного недостатка лишен способ обработки минерализованной воды [2] предусматривающий предварительное Na-катионитное умягчение с последующей термической дистилляцией и использованием продувочной воды для регенерации катионита вместо привозной поваренной соли. При этом через ионитовый фильтр предварительно пропускают отработанный регенерационный раствор предыдущей регенерации с последующим устранением его пересыщенности путем пропускания через затравочные кристаллы гипса.

Известен также способ [3] согласно которому морская вода пропускается сначала через катионит в Mg-, Na-форме, затем первая часть фильтрата с магниевой жесткостью 5-10 мг˙экв/л, пропускается через катионит в Na-форме. После проскока ионов магния на катионите в Na-форме с получением глубокоумягченной воды, продолжается умягчение на катионите в Mg-, Na-форме с получением частично умягченной воды. Эти воды раздельно упариваются и концентраты используются для регенерации собственных катионитов. Недостатком способов является образование большого количества сточных вод и отсутствие их утилизации. Кроме того, эти способы обеспечивают генерацию пара, а не горячей воды. Хотя пар также может быть использованы для паротепловой обработки нефтяных пластов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ умягчения воды [4] включающий обработку воды известью, термическое умягчение, фильтрование через Na-катионитный фильтр.

Исходную воду нагревают до 25-40^оС, известкуют для осаждения бикарбонат-иона подвергают магнитной обработке для предотвращения отложений карбоната кальция на поверхности нагрева и разделяют на два потока. Один подвергают Na-катионитному умягчению до проскока Mg²⁺, деаэрации и направляют в парогенератор, где упаривают до 100-150 г/л. Концентрат парогенератора используют для регенерации катионита. Второй поток нагретой декарбонизованной морской воды совместно с образующимися стоками Na-катионитного фильтра подвергают термическому умягчению в специальных аппаратах-термоумягчителях путем смешивающего нагрева ее паром, осаждают сульфат кальция, а горячую воду закачивают в пласт.

Недостатком этого способа является высокая стоимость обработки и сложность технологии. Высокая стоимость обработки связана с большими капитальными затратами на стадию термического осаждения сульфата кальция, так как термоумягчители, используемые для этой цели, металлоемки, сложны в изготовлении.

Сложность технологии связана со сложностью эксплуатации термоумягчителей, сочетанием большого числа разнохарактерных процессов: нагрева, осаждения солей, магнитной обработки, ионного обмена и др.

Целью изобретения является удешевление и упрощение способа обработки воды путем исключения стадий термического осаждения сульфата кальция и магнитной обработки воды после известкования.

Поставленная цель достигается тем, что исходную воду нагревают до 25-40^оС, смешивают с известью в количестве, необходимом для осаждения бикарбонат-иона. Осветленную от осадка СаСО₃ воду смешивают с конденсатом пара в количестве 5-10% от осветленной воды, подвергают умягчению Na-катионированием и проводят этот процесс до проскока кальция с получением глубокоумягченной воды в начальной и частично умягченной воды в конечной стадиях умягчения. Часть глубокоумягченной воды в количестве 30-35% от общего количества умягченной воды деаэрируют и подают на питание парогенератора, продувочную воду парогенератора используют для регенерации катионита, получают пересыщенный по сульфату кальция отработавший регенерационный раствор, из которого без нагрева, после перемешивания в присутствии затравки, выпадает основная часть сульфата кальция. Осветленный от сульфата кальция раствор смешивают с остальной частью умягченной воды и после нагрева паром из парогенераторной установки закачивают в пласт.

Отличие предложенного способа заключается в том, что известкованную воду, которая оказывается несколько пересыщенной по карбонату кальция, смешивают с некоторым количеством конденсата пара. В результате исключается опасность выпадения карбоната кальция на зернах катионита, уменьшается общая империализация умягчаемой воды, что облегчает работу катионитного фильтра, снижает эксплуатационные затраты на умягчение. Необходимость в магнитной обработке отпадает, что упрощает технологию в целом.

Другое отличие заключается в том, что если по прототипу Na-катионирование осуществляют до проскока Mg²⁺, то в предлагаемом решении оно продолжается до проскока Са²⁺ с получением двух типов вод: глубокоумягченной (практически лишенной ионов Са²⁺ и Mg²⁺ и частично умягченной (лишенной только ионов Са²⁺). В отличие от аналога [3] указанный эффект достигается не сочетанием Mg-, Ca- и Na-катионирования, а только Na-катионированием, т.е. более простым способом. При этом количество умягченной воды оказывается примерно равным количеству глубокоумягченной воды. Вторая стадия умягчения сопровождается заменой ионов Са²⁺ исходной воды на ранее поглощенные ионы Mg²⁺, т. е. используется способность катионита концентрировать Са²⁺ с тем, чтобы получить пересыщенные по сульфату кальция растворы на стадии регенерации. Это позволяет организовать осаждение сульфата кальция без термической обработки, путем кристаллизации на затравках в обычных баках-отстойниках, исключив сложный и дорогой узел термоумягчения, т.е. более простым и дешевым способом.

Еще одно отличие предложенного способа заключается в том, что умягченная вода, за исключением собственных нужд катионита (отмывка), делится на две части. Первая часть в количестве 20-30% от общего, включающая глубокоумягченные воды начальной стадии умягчения, подвергается деаэрации и выпариванию, а остальная часть используется для разбавления очищенного от сульфата кальция отработавшего регенерационного раствора перед нагревом. В результате содержание ионов Са²⁺ и SO₄^2- снижается до уровня, обеспечивающего возможность высокотемпературного нагрева без выпадения сульфата кальция.

На чертеже представлена схема предлагаемого способа.

Исходную воду 1 нагревают в подогревателе 2 до 25-40^оС, смешивают с известковым молоком 3 в аппарате 4, отделяют и удаляют выпавшие осадки 5, декарбонизованную воду 6, смешивают с конденсатом греющего пара 7 в смешивающем подогревателе 8 и подвергают умягчению в Na-катионитном фильтре 9 до проскока кальция 1-0,6 мг˙ экв/л.

При этом глубокоумягченную часть воды 25-30% от всего количества умягченной воды 10 с жесткостью 0,02-0,08 мг˙экв/л, нагревают в теплообменнике 11 до 75^оС, деаэрируют в атмосферном деаэраторе 12 и питательным насосом 13 подают на питание парогенератора 14, где упаривают до 100-150 г/л. Генерируемый пар 15 направляют в теплообменник 2, деаэратор 12 и в смешивающий подогреватель 16. Продувку парогенератора 17 направляют в расширитель 18, пар 19 из которого направляют в теплообменник 11, охлажденную продувку 20 направляют в качестве свежего регенерационного раствора на Na-катионитный фильтр 9. Отработавший регенерационный раствор 21, пересыщенный по сульфату кальция, собирают в отстойнике 22, где отделяют и удаляют выпавшие осадки 23, часть отработавшего регенерационного раствора 24 повторно используют для предварительной регенерации катионита, другую часть 25 смешивают с умягченной минерализованной водой 26 в емкости 27 и насосом 28 направляют в теплообменник 16, нагревают паром 15 до 153^оС и направляют в расширитель 29, где охлаждают до 150^оС и закачивают в пласты. Образующуюся в расширителе парогазовую смесь 30 направляют в деаэратор 12. Образующиеся потоки конденсата 31 и 32 после теплообменников 2 и 11 направляют в бак сбора конденсата 33.

П р и м е р. Исходную воду состава, мг x x экв/л: Са²⁺ 16; Mg²⁺ 60; Na⁺ 136; Cl^- 14,2; SO₄^2- 67; HCO₃^- 3, декарбонизуют известковым молоком. После отделения карбоната кальция декарбонизованную воду с составом 1 (табл. 1) смешивают с конденсатом пара в количестве 8% от исходного количества декарбонизованной воды и с составом 2 пропускают со скоростью 10-15 м/ч через Na-катионитный фильтр. Процесс умягчения проводят до проскока иона Са²⁺. Осуществляют раздельный сбор глубокоумягченной (до проскока иона Mg²⁺ 0,1 мг˙экв/л) и частично умягченной воды (до проскока иона Са²⁺ 0,7 мг˙экв/л). При этом с 1 м³ катионита КУ-2 вырабатывается 16,1 м³ глубокоумягченной воды и столько же частично умягченной воды. Обменная емкость катионита до проскока Mg²⁺ cоставляет 1080 г˙экв/м³. Часть глубокоумягченной воды из расчета 1,6 м³/м³ катионита используют для отмывки фильтра. Глубоко умягченную воду в количестве 10 м³ с 1 м³ катионита, что составляет 30% от всего объема умягченной воды, нагревают в теплообменнике до 75^оС, деаэрируют при 104^оС и питательным насосом направляют на питание парогенератора, где упаривают в 10 раз при температуре 160^оС и давлении 0,62 МПа. Продувку парогенератора с концентрацией солей 130 г/л и ионным составом 5 после охлаждения до 100^оС направляют на вторую стадию регенерации Na-катионитного фильтра.

Первую стадию регенерации осуществляют частью отработанного раствора предыдущей регенерации в количестве 1,5 м³/м³, обеспечивающем удельный расход соли около 80 кг/м³. Вторую стадию регенерации, как отмечалось ранее, проводят продувочной водой парогенератора в количестве 0,85 м³/м³. Такая двухстадийная регенерация исключает опасность гипсования катионита. Отработанные растворы обеих стадий регенерации и процесса отмывки катионита собирают в отстойник-кристаллизатор, где перемешивают в присутствии затравка ранее образовавшихся кристаллов сульфата кальция. Ионный состав 6 раствора после осаждения сульфата кальция приведен в табл. 1. Раствор включает фильтрат повторно использованного отработанного раствора 1,5 м³/м³, продувку парогенератора 1 м³/м³ и отмывочную воду 1,6 м³/м³. Из этого раствора 1,5 м³/м³ используют в последующем цикле, а остальное количество 1,6 + 1 2,6 м³/м³, смешивают с глубокоумягченной водой 16,1 м³/м^3. Ионный состав 7 раствора после смешения приведен в табл. 1.

Отработанный регенерационный раствор собирают в отстойнике-кристаллизаторе, где перемешивают в присутствии затравки (ранее образовавшихся кристаллов), отделяют и удаляют выпавший из пересыщенного раствора CaSO₄. Часть отработанного регенерационного раствора (состав 6) в количестве 1,5 м³/м³ катионита используют для предварительной регенерации катионита, другую часть (состав 7) в количестве 2,6 м³ смешивают с оставшимися 75% умягченной воды (27,8 м³ с 1 м³ катионита с учетом расхода отмывочной воды 1,6 м³/м³) и нагревают паром из парогенератора до 153^оС при давлении 0,52 МПа. Горячую воду направляют в расширитель, где за счет дросселирования снижают ее давление до 0,48 МПа, а температуру до 150^оС. Выделившийся пар и газы расширителя направляют в деаэратор, а дегазированную горячую воду закачивают в нефтяную скважину.

Ионная сила минерализованной воды, подвергаемой нагреву, составляет 0,34. По номограмме [5] при концентрации сульфат-иона 0,043 моль/кг (85 мг ˙экв/л) и температуре воды 150^оС растворимость сульфата кальция составляет 0,0035 моль/кг или 7 мг x x экв/л. Полученное значение концентрации сульфата кальция после смешения отработанного регенерационного раствора с умягченной водой 3,9 мг˙экв/л, что в 1,8 раза ниже его растворимости и, следовательно, гарантирует безнакипный режим работы смешивающего теплообменника и оборудования призабойной зоны.

Данные, обосновывающие оптимальность предложенных интервалов по степени разбавления декарбонизованной воды и доле умягченной воды, подаваемой на выпаривание, приведены в табл. 2 и 3.

Как видно из табл. 2, при предварительном 5-10% разбавлении известкованной воды каспийского моря устраняется пересыщенность по карбонату кальция, что гарантирует работу катионитного фильтра на этой воде без выпадения карбоната кальция на зернах катионита. В дальнейшем разбавлении (более 10%) нет необходимости, так как это приводит к увеличению расхода электроэнергии и усложнению технологии.

Принятое распределение умягченной воды между процессами выпаривания (30-35% ) и разбавления очищенного от сульфата кальция отработанного регенерационного раствора (65-70%) обусловлено достаточно высоким эффектом регенерации катионита натриевыми солями, содержащимися в продувочной воде парогенератора. Данные, свидетельствующие об оптимальности принятого соотношения, получены в результате исследований по Na-катионированию, выполненных на модели противоточного фильтра при объеме загрузки катионита КУ-2, равным 1 л. На умягчение подавали имитат воды с составом 2. Установлено, что принятое распределение обеспечивает достаточно высокую величину обменной емкости катионита до проскока Mg²⁺ 1000-1100 г˙экв/м³. При снижении доли выпариваемой воды до 25% наблюдается заметное снижение обменной емкости на 250 г˙экв/м³, что уменьшает выработку умягченной воды, повышает затраты.

Повышение же этой доли на 40% не приводит к существенному повышению обменной емкости. С другой стороны, это снижает долю умягченной воды, подаваемой на разбавление отработанных регенерационных растворов, увеличивает концентрацию сульфата кальция, ограничивает температуру нагрева.

Экономический эффект от предлагаемого способа складывается из следующего: снижение капитальных затрат на узлы магнитной обработки декарбонизованной воды и термического умягчения, а также снижением расхода электроэнергии.

Использование: в способах подготовки горячей воды из минерализованных вод для обработки нефтяных пластов с целью увеличения их нефтеотдачи. Сущность изобретения: способ заключается в том, что исходная минерализованная вода известкуется, смешивается с конденсатом греющего пара, умягчается Na-катионированием и делится на два потока, один из которых направляется на питание парогенератора, продувка последнего используется для регенерации катионита. Отработанный регенерационный раствор после отделения от сульфата кальция смешивается с другим потоком умягченной воды, нагревается паром из парогенератора до 150°С и закачивается в нефтяной пласт. Смешение отработанного регенерационного раствора и умягченной воды снижает концентрацию сульфата кальция до значений ниже растворимости, что предотвращает выпадение накипи в теплообменнике и в нагнетательной скважене. 1 ил., 3 табл.

СПОСОБ ОБРАБОТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ, включающий ее подогрев, обработку известью, отделение осадка бикарбонат-ионов с получением осветленной декарбонизованной воды, умягчение Na-катионированием, деаэрацию, упаривание деаэрационной воды и регенерацию Na-катионитного фильтра с использованием продувки парогенератора и получением отработанного регенерационного раствора, (ОРР), отличающийся тем, что осветленную декарбонизованную воду предварительно смешивают с конденсатом греющего пара в количестве 5-10% от исходного количества осветленной воды, Na-катионированию подвергают все количество осветленной воды до проскока ионов кальция, при этом упариванию подвергают 30-35% умягченной воды от общего ее объема, а маточный раствор, полученный после осаждения и отделения сульфата кальция из ОРР, смешивают с оставшейся частью умягченной воды.