СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД И СИСТЕМА ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/40 B09C1/00 

Группа изобретений относится к экологии и предназначена для ликвидации техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и предотвращения сброса нефтепродуктов в открытые водоемы и водозаборные горизонты, а также для минимизации содержания растворенных нефтепродуктов в возвратных водах систем инженерной защиты на территории предприятий нефтепромышленного комплекса.

Известны способ извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и система инженерной защиты, используемая для реализации способа (см. авт. свид. СССР №1657624, М. кл. Е21В 43/00, опубл. 23.06.1991 г.). Указанный способ включает локализацию загрязнения путем создания в зоне загрязнения воронок депрессии, образуемых в слое нефтепродукта на поверхности грунтовых вод путем его отбора с нижнего уровня на границе раздела фаз нефтепродукты-вода, в каждой из добывающих скважин, оборудованных заборным устройством, представляющим собой тонкостенный цилиндр с днищем, подвешиваемый точно на границе раздела фаз. Используемая по авт. свид. СССР №1657624 система инженерной защиты связана с необходимостью выполнения, по меньшей мере, одной добывающей скважины, снабженной заборным устройством для извлечения жидких нефтепродуктов.

Недостатками известного технического решения являются сложность реализации из-за необходимости использования специального заборного устройства и трудоемкости процесса настройки для точного его расположения в добывающей скважине, а также отсутствие гидродинамического обоснования пространственной компоновки системы инженерной защиты. При несоблюдении обоснованной расчетом точности подвески заборное устройство либо будет заполняться водой, что приводит к вторичному загрязнению грунтовых вод, либо, при расположении заборного устройства с определенным допуском выше уровня раздела фаз, техническое решение принципиально неработоспособно для тонкослойных скоплений, толщина которых находится в пределах границ указанного допуска. Вместе с тем, в известном способе и известной системе инженерной защиты отсутствует возможность автоматического контроля динамики изменения гидродинамических условий накопления воды и жидких нефтепродуктов в скважине и адаптивной реакции на происходящие изменения, что приводит к снижению производительности известного технического решения и снижению степени очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов.

Известны способ извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и система инженерной защиты (см. патент Украины №29967, М. кл. C02F 1/00, опубл. 16.04.2001 г.), характеризующийся извлечением нефтепродуктов и воды из отдельных скважин. Согласно известному способу в пределах пятна загрязнения бурят, по меньшей мере, две скважины, в каждой из которых размещают либо водоподъемный, либо нефтеподъемный погружной электронасос, после чего откачивают водоподъемным электронасосом воду до образования депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в воронке, а затем нефтеподъемным электронасосом извлекают их. Система инженерной защиты характеризуется пространственным разобщением точек отбора воды и нефтепродуктов, что приводит к снижению содержания растворенных нефтепродуктов в возвратных водах. Однако указанная система инженерной защиты требует бурения, как минимум, двух скважин, что связано с дополнительными капитальными затратами. Размещение скважин осуществляется по индивидуальным схемам, что требует дополнительных геодезических изысканий, поэтому использование известной системы инженерной защиты целесообразно на крупных объектах при широкомасштабных загрязнениях.

Известны способ извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и система инженерной защиты для его осуществления, принятые в качестве прототипа к заявляемой группе изобретений (см. патент Украины №30715, М. кл. C02F 1/00, опубл. 15.05.2001 г.).

Согласно известному способу в соответствии с указанным патентом, в пределах пятна загрязнения бурят, по меньшей мере, одну скважину, устанавливают в ней временную обсадную колонну из труб большого диаметра, в полости которой размещают водоподъемную секцию с водоподъемным погружным электронасосом и нефтепродуктоподъемную секцию с установленным с меньшим заглублением нефтеподъемным погружным электронасосом, после чего откачивают водоподъемным электронасосом воду до образования на поверхности раздела фаз нефтепродукты-вода депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в ней, а затем нефтеподъемным электронасосом селективно извлекают их.

Известная система инженерной защиты, приведенная в описании к указанному патенту Украины №30715, содержит водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, размещенные в общей скважине и оборудованные водоподъемным и нефтеподъемным погружными электронасосами, соответственно. Размещение водоподъемной и нефтепродуктоподъемной секций в общей скважине обеспечивает экономию капитальных затрат на бурение и обустройство скважины. Погружные электронасосы установлены один над другим и оборудованы соответствующими системами автономного слежения и управления. При этом оба насоса находятся в пределах общего для них пространства внутри обсадной колонны, заполненной флюидом (водой и нефтепродуктом). Селективное извлечение жидкостей обеспечивается за счет автоматического включения обоих насосов в тот период, когда водоподъемный насос находится ниже поверхности уровня раздела фаз нефтепродукты-вода, создавая депрессионную воронку, в которой накапливаются нефтепродукты, а нефтеподъемный насос находится выше уровня раздела фаз.

Недостатком известных способа и системы инженерной защиты является возникновение зоны эмульгирования вблизи границы раздела фаз при включении любого из насосов. Дифференциация жидкостей и исчезновение зоны эмульгирования происходят быстро, но при этом за счет взбалтывания часть нефтепродуктов переходит в форму истинного водного раствора, что вызывает необходимость дополнительной очистки возвратных вод и, соответственно, снижает экономические показатели процесса санации, повышая энергоемкость известного способа.

Задачей настоящей группы изобретений является разработка способа извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и создание системы инженерной защиты для осуществления указанного способа, обеспечивающих высокую степень очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов, за счет минимизации вторичного загрязнения грунтовых вод жидкими нефтепродуктами.

Решение поставленной задачи в части способа обеспечивается тем, что в известном способе извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, согласно которому в пределах пятна загрязнения бурят, по меньшей мере, одну скважину, устанавливают в ней временную обсадную колонну из труб большого диаметра, в полости которой размещают водоподъемную секцию с водоподъемным погружным электронасосом и нефтепродуктоподъемную секцию с установленным с меньшим заглублением нефтеподъемным погружным электронасосом, после чего откачивают водоподъемным электронасосом воду до образования на поверхности раздела фаз нефтепродукты-вода депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в ней, а затем нефтеподъемным электронасосом селективно извлекают их, согласно изобретению водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, выполненные в виде автономных фильтровых колонн, в нижней части которых размещены фильтры, обсыпают обломочным фильтрующим материалом путем заполнения полости временной обсадной колонны, после чего трубы обсадной колонны извлекают из скважины. Заполнение скважины обломочным фильтрующим материалом позволяет предотвратить возникновение зоны эмульгирования вблизи границы раздела фаз при включении любого из электронасосов и получить технический результат, состоящий в достижении высокой степени очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов.

В частном варианте реализации заявленного способа в качестве обломочного фильтрующего материала используют гравий или щебень.

Решение поставленной задачи в части устройства обеспечивается тем, что в известной системе инженерной защиты, предназначенной для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, содержащей водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, размещенные в общей скважине и оборудованные водоподъемным и нефтеподъемным погружными электронасосами, соответственно, согласно изобретению скважина заполнена обломочным фильтрующим материалом, а водоподъемная и нефтепродуктоподъемная секции выполнены в виде фильтровых колонн, в нижней части каждой из которых смонтированы фильтры, при этом фильтр водоподъемной секции расположен на глубине, соответствующей уровню раздела фаз нефтепродукты-вода, а фильтр нефтепродуктоподъемной секции размещен выше уровня раздела фаз.

В оптимальном варианте выполнения системы инженерной защиты величину заглубления головы фильтра водоподъемной секции относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:

где h_в - величина заглубления головы фильтра водоподъемной секции, м;

Н_в - расчетное положение уровня раздела фаз, м;

m_эмв - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м,

а величину заглубления башмака фильтра нефтепродуктоподъемной секции относительно поверхности земли рассчитывают следующим образом:

где h_нп - величина заглубления башмака фильтра нефтепродуктоподъемной секции, м;

Н_нп - расчетная глубина залегания поверхности слоя нефтепродуктов, м;

m_нп - мощность слоя нефтепродуктов, м;

Y_нп - плотность нефтепродуктов, т/м³;

Y_в - плотность воды, т/м³,

m_эмн - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.

Указанное выполнение системы инженерной защиты позволяет получить технический результат, состоящий в обеспечении высокой степени очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов за счет минимизации вторичного загрязнения грунтовых вод жидкими нефтепродуктами.

Решаемая заявляемой группой изобретений задача связана с особенностями эксплуатации малодебитных скважин для извлечения жидких нефтепродуктов, производительность которых мала и должна быть согласована с производительностью насосного оборудования при экологической очистке загрязненных территорий. Поэтому откачку нефтепродуктов из таких скважин приходится периодически прекращать с целью необходимого их накопления в скважине за счет притока пластовой жидкости, в том числе воды, поступающей к скважине. В связи с этим возникает потребность в согласовании взаиморасположения погружных электронасосов и фильтров водоподъемной и нефтепродуктоподъемной секций, размещаемых в скважине, что обеспечивает селективное извлечение воды и нефтепродуктов с достижением эффекта демпфирования перемешивания. При этом в результате разнесения по высоте фильтров водоподъемной и нефтепродуктоподъемной секций и, соответственно, водоподъемного и нефтеподъемного погружных электронасосов, а также заполнения скважины фильтрующей обсыпкой, обеспечивается снижение гидродинамических воздействий на границе раздела фаз нефтепродукты-вода, что препятствует перемешиванию нефтепродуктов с водой и переходу жидких нефтепродуктов в состояние истинных растворов.

На чертеже изображена система инженерной защиты, предназначенная для осуществления заявленного способа извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод.

Способ извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод согласно заявленной группе изобретений осуществляли следующим образом.

В пределах пятна загрязнения бурили скважину, затем устанавливали в ней временную обсадную колонну 1 из труб, в полости которой размещали водоподъемную секцию 2 и нефтепродуктоподъемную секцию 3, выполненные в виде автономных фильтровых колонн и оборудованные водоподъемным погружным электронасосом 4 и установленным с меньшим заглублением нефтеподъемным погружным электронасосом 5, соответственно. Водоподъемная секция 2 снабжена фильтром 6, при этом голову 7 фильтра 6 размещали на глубине, соответствующей уровню раздела фаз нефтепродукты-вода. Нефтепродуктоподъемная секция 3 снабжена фильтром 8, башмак 9 которого размещали выше указанного уровня. Затем полость временной обсадной колонны 1 засыпали обломочным фильтрующим материалом, в частности гравием или щебнем, после чего трубы обсадной колонны 1 извлекали из скважины. Далее откачивали водоподъемным электронасосом 4 воду до образования депрессионной воронки, накапливали нефтепродукты в воронке, а затем нефтеподъемным электронасосом 5 селективно извлекали их. Наличие обломочного фильтрующего материала в скважине, а также разнесение фильтров 6 и 8 по высоте позволили предотвратить возникновение зоны эмульгирования вблизи границы раздела фаз при включении любого из электронасосов 4, 5 и обеспечить высокую степень очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов.

Система инженерной защиты для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод содержит водоподъемную секцию 2, оборудованную водоподъемным погружным электронасосом 4, и нефтепродуктоподъемную секцию 3, оборудованную нефтеподъемным погружным электронасосом 5. Водоподъемная секция 2 и нефтепродуктоподъемная секция 3 первоначально монтируются во временной обсадной колонне 1 из труб, размещенных в скважине. Водоподъемная секция 2 выполнена в виде фильтровой колонны, в нижней части которой установлен фильтр 6, голова 7 которого размещена на уровне раздела фаз нефтепродукты-вода. При этом величину заглубления головы 7 фильтра 6 относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:

где h_в - величина заглубления головы 7 фильтра 6 водоподъемной секции 2, м;

Н_в - расчетное положение уровня раздела фаз, м;

m_эмв - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.

Нефтепродуктоподъемная секция 3 выполнена в виде фильтровой колонны, в нижней части которой смонтирован фильтр 8. Фильтр 8 размещен выше уровня раздела фаз, при этом величину заглубления башмака 9 относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:

где h_нп - величина заглубления башмака 9 фильтра 8, м;

Н_нп - расчетная глубина залегания поверхности слоя нефтепродуктов, м;

m_нп - мощность слоя нефтепродуктов, м;

Y_нп - плотность нефтепродуктов, т/м³;

Y_в - плотность воды, т/м³;

m_эмн - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.

Таким образом, заявленная система инженерной защиты для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод отличается от известных наличием двух автономных фильтровых колонн для селективного извлечения воды и нефтепродуктов с достижением эффекта демпфирования перемешивания за счет пространственного разделения электронасосов 4, 5 и наличием обсыпки в скважине в виде обломочного фильтрующего материала.

При монтаже и наладке системы инженерной защиты производили следующую технологическую подготовку. Для этого определяли параметры, необходимые для установки системы.

Сначала определяли величину Н_в - расчетное положение уровня раздела фаз нефтепродукты-вода относительно поверхности земли. Эту величину определяли по данным гидрологических изысканий.

Затем рассчитывали величину m_эмв - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине. По полученным данным на основании зависимости (1) определяли показатель h_в - величину заглубления головы 7 фильтра 6 водоподъемной секции 2.

Затем по данным изысканий определяли Н_нп - расчетную глубину залегания поверхности слоя нефтепродуктов.

Рассчитывали величину m_нп - мощность слоя нефтепродуктов, а также определяли Y_нп - плотность нефтепродуктов и Y_в - плотность воды.

Затем рассчитывали величину m_эмн - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине.

По полученным данным на основании зависимости (2) определяли h_нп - величину заглубления башмака 9 фильтра 8.

Согласно выбранным показателям осуществлялся монтаж системы инженерной защиты, для чего водоподъемная секция 2 и нефтепродуктоподъемная секция 3 устанавливались во временной обсадной колонне 1 с учетом выбранной высоты размещения фильтров 6 и 8. Затем скважина заполнялась обломочным фильтрующим материалом, после чего трубы обсадной колонны 1 извлекали из скважины.

При работе системы инженерной защиты оценивают дебит нефтепродуктов и воды в скважине и путем изменения соотношения указанных дебитов устанавливают глубину подавления зеркала воды такой, чтобы обеспечить непрерывную работу электронасоса 4 в рабочем цикле.

При условии, что величина понижения не превышает 20% толщины водоносного горизонта, при постоянном дебите откачки воды, в скважине устанавливают постоянный динамический уровень и формируют депрессионную воронку, в результате происходит активное привлечение в скважину воды вместе с жидкими нефтепродуктами.

При накоплении слоя нефтепродуктов определенной мощности посредством системы управления (на чертеже не показана) вырабатывается сигнал на включение погружного нефтеподъемного электронасоса 5 для извлечения нефтепродуктов. В процессе работы электронасоса 5 толщина слоя нефтепродуктов в скважине уменьшается. При уменьшении толщины слоя нефтепродуктов активизируется приток воды в скважину, в результате происходит подъем уровня раздела фаз, что приводит к выработке сигнала на отключение электронасоса 5. После отключения нефтеподъемного электронасоса 5 приток нефтепродуктов и накопление их в скважине продолжаются, и цикл возобновляется.

Предлагаемая группа изобретений позволяет с меньшими затратами материальных и трудовых ресурсов удалять скопления жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод. При этом в результате разнесения по высоте водоподъемного и нефтеподъемного погружных электронасосов, в соответствии с зависимостями (1), (2), обеспечивается селективное извлечение воды и нефтепродуктов с достижением эффекта демпфирования перемешивания за счет снижения гидродинамических воздействий на границе раздела фаз нефтепродукты-вода, что препятствует перемешиванию нефтепродуктов с водой и позволяет обеспечить высокую степень очистки извлекаемой воды от нефтепродуктов.

Группа изобретений относится к области экологии и предназначена для ликвидации техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и предотвращения сброса нефтепродуктов в открытые водоемы и водозаборные горизонты. В пределах пятна загрязнения бурят скважину. Устанавливают в ней временную обсадную колонну 1 из труб большого диаметра, в полости которой размещают водоподъемную секцию 2 с водоподъемным погружным электронасосом 4 и нефтепродуктоподъемную секцию 3 с установленным с меньшим заглублением нефтеподъемным погружным электронасосом 5. Электронасосом 4 откачивают воду до образования на поверхности раздела фаз нефтепродукты-вода депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в ней. Затем электронасосом 5 селективно извлекают их. Секции 2 и 3 выполняют в виде автономных фильтровых колонн, в нижней части которых размещены фильтры 6 и 8. Каждый фильтр содержит голову 7 и башмак 9. Фильтр водоподъемной секции расположен на глубине, соответствующей уровню раздела фаз, а фильтр нефтепродуктоподъемной секции размещен выше уровня раздела фаз. Фильтры обсыпают обломочным фильтрующим материалом (гравий или щебень) путем заполнения полости временной обсадной колонны, после чего трубы обсадной колонны извлекают из скважины. Технический результат: высокая степень очистки извлекаемых грунтовых вод от нефтепродуктов за счет минимизации вторичного загрязнения грунтовых вод жидкими нефтепродуктами. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, согласно которому в пределах пятна загрязнения бурят, по меньшей мере, одну скважину, устанавливают в ней временную обсадную колонну из труб большого диаметра, в полости которой размещают водоподъемную секцию с водоподъемным погружным электронасосом и нефтепродуктоподъемную секцию с установленным с меньшим заглублением нефтеподъемным погружным электронасосом, после чего откачивают водоподъемным электронасосом воду до образования на поверхности раздела фаз нефтепродукты-вода депрессионной воронки и накопления нефтепродуктов в ней, а затем нефтеподъемным электронасосом селективно извлекают их, отличающийся тем, что водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, выполненные в виде автономных фильтровых колонн, в нижней части которых размещены фильтры, обсыпают обломочным фильтрующим материалом путем заполнения полости временной обсадной колонны, после чего трубы обсадной колонны извлекают из скважины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве обломочного фильтрующего материала используют гравий или щебень.

3. Система инженерной защиты для извлечения жидких нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, содержащая водоподъемную и нефтепродуктоподъемную секции, размещенные в общей скважине и оборудованные водоподъемным и нефтеподъемным погружными электронасосами соответственно, отличающаяся тем, что скважина заполнена обломочным фильтрующим материалом, а водоподъемная и нефтепродуктоподъемная секции выполнены в виде фильтровых колонн, в нижней части которых смонтированы фильтры, каждый из которых содержит голову и башмак, при этом фильтр водоподъемной секции расположен на глубине, соответствующей уровню раздела фаз нефтепродукты-вода, а фильтр нефтепродуктоподъемной секции размещен выше уровня раздела фаз.

4. Система инженерной защиты по п.3, отличающаяся тем, что величину заглубления головы фильтра водоподъемной секции относительно поверхности земли определяют по следующей зависимости:

где h_в - величина заглубления головы фильтра водоподъемной секции, м;
Н_в - расчетное положение уровня раздела фаз, м;
m_эмв - мощность зоны эмульгирования в водоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м,
а величину заглубления башмака фильтра нефтепродуктоподъемной секции относительно поверхности земли рассчитывают следующим образом:

где h_нп - величина заглубления башмака фильтра нефтепродуктоподъемной секции, м;
H_нп - расчетная глубина залегания поверхности слоя нефтепродуктов, м;
m_нп - мощность слоя нефтепродуктов, м;
Y_нп - плотность нефтепродуктов, т/м³;
Y_в - плотность воды, т/м³;
m_эмн - мощность зоны эмульгирования в нефтепродуктоподъемной секции при одновременной работе водоподъемного и нефтеподъемного электронасосов в скважине, м.