ПЕРЕДВИЖНЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДОСТАТОЧНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ, КОТОРАЯ ЗАТЕМ МОЖЕТ ПРИМЕНЯТЬСЯ В ОПЕРАЦИЯХ ПО ОБРАБОТКЕ СКВАЖИН Российский патент 2012 года по МПК C02F9/04 C02F1/28 C02F1/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к передвижным системам и способам очистки воды для того, чтобы она могла применяться в операциях по обработке скважин.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту изобретения предложена передвижная система очистки воды для достаточной очистки воды, так чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин. Система содержит:

(a) передвижную платформу;

(b) подающий насос, который установлен на передвижной платформе и функционально подсоединен, обеспечивая возможность прокачивания очищаемого потока через систему;

(c) центробежный сепаратор, который установлен на передвижной платформе, функционально подсоединен к выпуску подающего насоса и предназначен для очистки очищаемого потока под действием центробежных сил;

(d) боратный фильтр, который установлен на передвижной платформе, функционально подсоединен к выпуску центробежного сепаратора, предназначен для фильтрации очищаемого потока и выполнен с возможностью удаления, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, когда очищаемый поток имеет pH 8 или выше; и

(e) подсистему ввода химических добавок, которая установлена на передвижной платформе и функционально подсоединена, обеспечивая возможность:

(i) селективного введения одного или более химических реагентов в очищаемый поток перед центробежным сепаратором, причем химические реагенты могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов, выбранных из группы, состоящей из: сульфата, кальция, стронция или бария, магния, железа и любой комбинации перечисленного, в любом соотношении, которые могут присутствовать в очищаемом потоке; и

(ii) селективного введения химического реагента в очищаемый поток перед боратным фильтром с целью повышения pH очищаемого потока до 8 или выше, где реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов - сульфата, кальция, стронция или бария, магния или железа.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, так чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин. Согласно данному аспекту способ включает этапы на которых: подводят передвижную систему очистки воды согласно изобретению к источнику воды и используют передвижную систему очистки воды для очистки воды с получением очищенной воды.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий следующие этапы на которых:

(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;

(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке; и

(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) производят химическую обработку очищаемого потока, где этап химической обработки содержит, по меньшей мере, один из следующих этапов, на которых:

(i) добавляют водорастворимый галогенид кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке, в форме сульфата кальция, стронция или бария;

(ii) добавляют водорастворимый карбонат в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция;

(iii) добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа; и

(iv) добавление реагента для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока до, по меньшей мере, 8, и где реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция, стронция или бария, магния или железа.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, так чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, включающий следующие этапы, на которых:

(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;

(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;

(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, обеспечивающего возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) добавляют водорастворимый галогенид кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке в форме сульфата кальция, стронция или бария; и

(e) добавляют реагент для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8.

Данный способ предпочтительно дополнительно содержит этап: на котором добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке в форме гидроксидов магния и железа.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, так чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, включающий следующие этапы:

(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;

(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;

(c) приводят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) добавляют водорастворимый карбонат в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке в форме карбоната кальция; и

(e) добавляют реагент для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от карбоната, который выбран так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция.

Данный способ предпочтительно дополнительно включает этап на котором: добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке в форме гидроксидов магния и железа, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от гидроксида, выбранного так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов магния и железа.

Согласно системам и способам изобретения вода может быть очищена с получением очищенной воды со значительно сниженной концентрацией растворенных сульфатных ионов или ионов кальция, предпочтительно со значительно сниженной концентрацией ионов магния и железа, и со значительно сниженной концентрацией растворенных боратных ионов. Указанные и другие аспекты изобретения более подробно описаны ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное понимание настоящего описания и его преимуществ может быть достигнуто посредством обращения к последующему описанию, рассматриваемому в совокупности с сопровождающими чертежами, на которых:

фиг.1 изображает технологическую схему, которая представляет предпочтительный в настоящий момент вариант осуществления системы очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин;

фиг.2 - пример устройства гидроциклона, показанного в поперечном сечении;

фиг.3 - пример устройства центрифуги, показанной в поперечном сечении;

фиг.4 - передвижная система очистки воды согласно изобретению, которая включает в себя передвижную систему очистки воды, такую как представлена на фиг.1, установленную на передвижной платформе (прицеп), а также дополнительно включает в себя резервуар для добываемой жидкости (по меньшей мере, один прицеп-цистерну) и резервуар для очищенной жидкости (по меньшей мере, один резервуар);

фиг.5 - другая передвижная система очистки воды согласно изобретению, которая включает в себя передвижную систему очистки воды, такую как представлена на фиг.1, установленную на передвижной платформе (прицеп), и дополнительно включает в себя резервуар для добываемой жидкости (амбар-приемник) и резервуар для очищенной жидкости (амбар-приемник).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В операциях по обработке скважин для добычи нефти и газа из подземных пластов требуются большие объемы воды. Например, одна операция по гидроразрыву пласта может потребовать нескольких миллионов галлонов воды для обработки, вводимой в скважину.

При производстве нефти и газа попутно извлекаются большие количества воды. Источники извлекаемой воды могут включать в себя воду, которая могла быть введена в подземный пласт в процессе заканчивания скважины или обработки скважины, воду, которая могла быть введена в процессе управления нагнетательной скважиной, связанную воду, а также любую смесь любого из перечисленных. Например, на каждый баррель нефти, добытой из скважины, обычно также получают приблизительно 10 баррелей добытой воды. Большие количества попутной воды продолжают сбрасывать как сточные воды, например повторно вводя извлекаемую воду в скважину.

С растущими потребностями в пресной воде, повышением внимания общества к окружающей среде и с ростом затрат на получение пресной воды было бы желательно иметь возможность применять попутную воду в стандартных операциях по обработке скважин.

Добываемая вода является жесткой или минерализованной водой, которая может содержать углеводороды и другие материалы. Согласно настоящему изобретению нельзя не отметить, что в большинстве случаев для того, чтобы вода могла применяться в стандартных операциях по обработке скважин, впрочем, не требуется, чтобы она являлась морской водой, пресной или питьевой водой. Обычно все, что необходимо - это вода, которая не содержит материалов, которые в частности являлись бы нежелательными в химических процессах, применяемых при таких операциях по обработке скважин.

Особое внимание необходимо уделять предотвращению использования в стандартной операции по обработке скважины такой воды, которая содержит нежелательно высокие концентрации неорганических ионов с валентностью два или выше. Как известно в нефтегазовой промышленности, подобные ионы могут мешать в химических процессах формирования или разжижения вязких жидкостей некоторых типов, которые обычно применяются в различных операциях по обработке скважин.

Катионы, которые представляют общую проблему, включают растворенные ионы щелочноземельных металлов, в особенности ионы кальция и магния, и могут также включать растворенные ионы железа.

Анион, который представляет общую проблему, включает сульфат.

Обычно наличие высокой концентрации одновременно и ионов кальция, и сульфатных анионов в источнике воды является маловероятным. Ионы кальция имеют тенденцию реагировать с сульфатными ионами с образованием сульфата кальция, который является нерастворимой солью и обычно осаждается из раствора. Совершенно аналогичной ситуация является в отношении ионов стронция и сульфатных ионов, или ионов бария и сульфатных ионов. Таким образом, проблема с использованием воды в общих операциях по обработке скважин обычно связана либо с неприемлемо высокой концентрацией ионов кальция, стронция или бария, либо с неприемлемо высокой концентрацией сульфат-ионов.

Бораты имеют химическую формулу B(OR)₃, в которой B = бор, O = кислород и R = водород или любая органическая группа. При более высоких диапазонах pH, например при 8 или выше, борат способен повышать вязкость водного раствора водорастворимого полимерного материала, такого как галактоманнан или поливиниловый спирт. После этого, если pH снижается, например, ниже 8, наблюдаемый эффект повышения вязкости раствора может быть обращен в падение вязкости или "разжижение" геля до исходного состояния с более низкой вязкостью. Также известно, что при более низких уровнях pH, например ниже 8, борат не увеличивает вязкость такого водорастворимого полимерного материала. Данный эффект бората и ответ на pH применяется в широко используемом методе контроля поперечного сшивания некоторых полимерных добавок для повышения вязкости. Контроль повышения вязкости таких жидкостей и последующее "разжижение" геля обычно чувствительно к нескольким факторам, включая специфическую концентрацию бората в растворе.

Не ограничиваясь каким-либо конкретным теоретическим обоснованием, борат, как предполагают, способен образовывать неустойчивые связи с двумя спиртовыми центрами других молекул. Данная способность бората реагировать со спиртовыми центрами может использоваться для поперечного связывания спиртовых центров на различных молекулах полимеров (или, возможно, разные части одной молекулы), которые приходят в контакт в растворе. Показатель pH водной жидкости регулирует равновесие между борной кислотой и борат-анионом в растворе. При более высоких уровнях pH равновесие смещается в сторону более высокой концентрации борат-иона в воде.

Например, путем повышения pH жидкости до 8 или выше, а обычно в диапазоне приблизительно 8,5-12, борат-образующее соединение, такое как борная кислота, образует борат-ионы, которые становятся доступными для поперечного сшивания водорастворимого полимера, содержащего спиртовые центры. Затем, понижая pH жидкости до pH ниже 8, например посредством добавления или выделения кислоты в жидкость, равновесие смещается так, что в растворе падает концентрация боратных анионов, и поперечное сшивание в результате может быть нарушено, с обратным превращением такой загущенной жидкости в жидкость с намного более низкой вязкостью.

Независимо от теоретического химического механизма боратного поперечного сшивания, который может являться еще не полностью изученным и понятым, бораты широко применяются в нефтегазовой промышленности для селективного регулирования повышения вязкости и последующего разжижения водной жидкости для обработки скважин, содержащей водорастворимый полимерный материал, содержащий спиртовые центры. Жидкость, которая имеет более высокую вязкость, чем вода, может применяться в различных операциях по обработке скважин, таких как гидравлический разрыв пласта, когда повышенная вязкость способствует переносу проппанта через ствол скважины в нужное местоположение. После осуществления намеченных целей жидкость с повышенной вязкостью может быть разжижена с целью облегчения возврата жидкости обратно на поверхность в качестве части извлекаемой воды. Таким образом, в извлекаемой воде обычно содержатся бораты.

Боратное сшивание, впрочем, может являться нежелательным в некоторых операциях по обработке скважин и может негативно влиять на химические процессы, необходимые в конкретной операции по обработке скважин. Таким образом, присутствие боратов или присутствие боратов в неизвестных концентрациях часто является нежелательным.

Бораты также могут изначально содержаться в пресной, морской и связанной воде, которая может присутствовать в обрабатываемых скважинах, но обычно в таких низких концентрациях, что обычно не ожидают, что бораты могут нарушать химический состав обычных жидкостей для обработки скважин. Поскольку бораты обычно используются в различных жидкостях для обработки скважин, в попутно извлекаемой воде могут присутствовать нежелательно высокие концентрации боратов.

Согласно изобретению необходимо отметить, что при очистке извлекаемой воды или другого источника воды с целью уменьшения каких-либо существенных концентраций одного или более из следующих растворенных ионов: сульфата, кальция, стронция или бария, магния и железа, а также с целью снижения каких-либо существенных концентраций боратов, может быть получена достаточно чистая вода, пригодная для применения во многих стандартных операциях по обработке скважин. Более предпочтительно, одновременно до желаемого уровня снижают какую-либо существенную концентрацию растворенных ионов - сульфата, кальция, стронция или бария, магния и железа. Конечно, не предполагают, что вода, очищенная согласно системам и способам настоящего изобретения, может являться пригодной для питья или применяться в других целях. Снижение расходов на ненужную очистку воды для применения воды в других операциях по обработке скважины, как ожидают, обеспечит колоссальную экономическую и практическую выгоду.

Используемые в настоящей заявке слова "содержит", "имеет" и "включает", а также все их грамматические варианты, имеют открытое, неограничивающее значение, которое не исключает дополнительные элементы или части системы, подсистемы или структурного элемента.

Используемый в настоящей заявке термин "попутно извлекаемая вода" означает жесткую или минерализованную воду, добываемую из подземной скважины. Если точно не определено, очищаемая вода может происходить из любого источника, но, как следует понимать, не пригодна для операций по обработке скважин из-за присутствия существенной концентрации одного или более из ионов кальция и магния, ионов железа, сульфат-ионов и борат-ионов.

Используемый в настоящей заявке термин "очищенная вода" означает и относится к воде, которая была очищена в соответствии с любой из различных систем или способов очистки согласно изобретению, если из контекста в иных случаях не требуется ссылка на определенный этап или этап систем или способов очистки согласно изобретению.

Используемый в настоящей заявке термин "очищаемый поток" означает непрерывный поток жидкости в любой системе или способе очистки согласно изобретению, который начинается с потока воды в системе или способе и заканчивается потоком очищенной воды.

Используемые в настоящей заявке термины "вход" и "выпуск" относятся к движению очищаемого потока при обработке либо в системе, либо в способе согласно изобретению, который начинается с потока воды, идущего к "выпуску" в системе или способе, и заканчивается потоком очищенной воды.

Используемый в настоящей заявке термин "водорастворимый" соответствует растворимости, по меньшей мере, 0,1 моль/л в дистиллированной воде в тесте при стандартной температуре и давлении (при нормальных условиях).

Используемая в настоящей заявке существенная концентрация сульфат-ионов определяется как бóльшая или равная 500 м.д.; существенная концентрация ионов кальция или магния определяется как бóльшая или равная суммарному общему количеству 1000 м.д.; существенная концентрация ионов железа определяется как бóльшая или равная 10 м.д.; существенная концентрация бората определяется как бóльшая или равная 5 м.д.

Если существует какое-либо разногласие между значениями слова или термина в настоящем описании и в одном или нескольких патентах или других документах, которые могут быть включены в настоящую заявку путем отсылки, то в целях понимания настоящего изобретения следует применять определения, которые соответствуют настоящему описанию.

Согласно изобретению предложена передвижная система очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин. Система включает в себя:

(a) передвижную платформу;

(b) подающий насос, который установлен на передвижной платформе и функционально подсоединен, обеспечивая прокачивание очищаемого потока через систему;

(c) центробежный сепаратор, который установлен на передвижной платформе и функционально подсоединен к выпуску подающего насоса, для очистки очищаемого потока под действием центробежных сил;

(d) боратный фильтр, который установлен на передвижной платформе, функционально подсоединен к выпуску центробежного сепаратора для фильтрации очищаемого потока и обеспечивает возможность удаления, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, когда очищаемый поток имеет pH 8 или выше; и

(e) подсистему ввода химических добавок, которая установлена на передвижной платформе и функционально подсоединена, обеспечивая возможность:

(i) селективного добавления одного или более химических реагентов в очищаемый поток перед входом центробежного сепаратора, причем химические реагенты могут быть выбраны так, чтобы они обеспечивали возможность осаждения растворенных ионов, выбранных из группы, состоящей из: сульфата, кальция, стронция или бария, магния, железа и любой комбинации перечисленного, в любом соотношении, которые могут присутствовать в очищаемом потоке; и

(ii) селективного добавления химического реагента в очищаемый поток перед входом боратного фильтра, с целью повышения pH очищаемого потока до 8 или выше, причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые могут быть выбраны так, чтобы они обеспечивали возможность осаждения растворенных ионов - сульфата, кальция, стронция или бария, магния или железа.

Химические реагенты, добавляемые в очищаемый поток, выбраны из группы, состоящей из: водорастворимого галогенида кальция, стронция или бария; водорастворимого карбоната; водорастворимого гидроксида щелочного металла, а также любой комбинации перечисленного, в любом соотношении. Галогенид кальция, стронция или бария выбраны для взаимодействия и осаждения сульфатных ионов в виде сульфатов кальция, стронция или бария, которые нерастворимы в воде. Карбонат выбран для взаимодействия и осаждения растворенных ионов кальция в виде карбоната кальция, который нерастворим в воде. Гидроксид выбран для взаимодействия и осаждения ионов магния и железа в виде гидроксидов магния и железа, которые нерастворимы в воде.

Следует, конечно, понимать, что хотя на данный момент указанные химические реагенты относятся к наиболее предпочтительным классам, которые могут быть выбраны для данных различных целей, они не обязательно являются единственными классами, которые могут применяться. Например, можно осаждать сульфат гидроксидом аммония, получая нерастворимый в воде аммонийсульфатный осадок, однако применение соединений аммония может создать опасные ситуации с возможным выбросом газообразного аммиака в атмосферу.

Нерастворимые соли в осадке могут оставаться в очищаемом потоке в виде суспендированных частиц. Затем на выходе, по меньшей мере, часть указанных частиц соли, вместе с другими частицами в очищаемом потоке, как ожидают, отделяются от воды под действием центробежных сил и удаляются из очищаемого потока с помощью центробежного сепаратора.

Химические реагенты, добавляемые в очищаемый поток, предпочтительно дополнительно включают в себя коагулянт, способствующий агрегации частиц, включая частицы, образовавшиеся при осаждении нерастворимых солей.

Химический реагент для повышения pH очищаемого потока выбирают так, чтобы он обеспечивал возможность повышать pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8. Более предпочтительно, реагент для повышения pH выбирают так, чтобы он обеспечивал возможность повышать pH жидкости для обработки приствольной зоны приблизительно до 8,5-12. Реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые выбирают для обеспечения возможности осаждения растворенных сульфатных ионов, ионов кальция, стронция или бария, ионов магния или железа.

Кроме того, следует, конечно, понимать, что может требоваться добавлять химические реагенты в очищаемый поток в определенном порядке. Например, может потребоваться вначале добавить химический реагент, выбранный для обеспечения осаждения сульфат-ионов. Если для осаждения сульфат-ионов используются галигениды кальция, стронция или бария, может потребоваться ниже по потоку добавить карбонат для осаждения ионов кальция, стронция или бария в растворе. Это может потребоваться, чтобы предоставить некоторое время для смешивания и взаимодействия галогенидов кальция, стронция или бария с растворенными сульфатными ионами перед добавлением карбоната, который в противном случае мог бы вызывать осаждение части галогенида кальция, стронция или бария из раствора в конкуренции с растворенными сульфат-ионами. Для дополнительного примера, если pH для этапов фильтрации бората не достаточно высок в результате добавления перед входом центробежного сепаратора химических реагентов, используемых для осаждения одного или более из сульфат-ионов, ионов кальция, стронция или бария, магния или железа, то тогда с этой целью перед боратным фильтром может быть добавлен дополнительный или другой химический реагент. В данном случае дополнительный или отдельный реагент для повышения pH необязательно может быть добавлен в очищаемый поток перед входом центробежного сепаратора или где-либо между центробежным сепаратором и боратным фильтром.

Кроме того, следует понимать, что добавление химического реагента, способного обеспечивать достижение, по меньшей мере, части желаемого результата или эффекта, предпочтительно, включает также то, что химический реагент нужно добавлять в концентрации, достаточной для достижения по существу всех желаемых результатов или эффектов. Например, предпочтительная концентрация галогенида кальция, стронция или бария, добавляемого в очищаемый поток с целью осаждения, по меньшей мере, части растворенных сульфатных ионов, содержащихся в очищаемом потоке, находится в диапазоне приблизительно 70-110% в молярном отношении к концентрации сульфат-ионов в очищаемом потоке, а более предпочтительно в диапазоне приблизительно 90-100% в молярном отношении. (Это же справедливо в случае достижения желаемого эффекта осаждения, по меньшей мере, части какого-либо из других двухвалентных ионов, растворенных в очищаемом потоке, то есть предпочтительно достаточную концентрацию химического реагента добавляют в очищаемый поток, в результате чего по существу все определенные двухвалентные ионы, растворенные в очищаемом потоке, должны осаждаться из раствора.) Поскольку ионы кальция, стронция или бария в галогенидах кальция, стронция или бария сами являются двухвалентными ионами, то предпочтительно предполагают не использовать галогенид кальция, стронция или бария в избытке. В альтернативе, однако, какая-либо избыточная концентрация иона кальция, стронция или бария в очищаемом потоке, обусловленная добавлением галогенида кальция, стронция или бария, может быть удалена посредством добавления на выходе достаточного количества карбоната.

Далее, на фиг.1 показана система 10, которая включает в себя подающий насос 12. Подающий насос установлен на передвижной платформе (не показана) и функционально подсоединен, обеспечивая прокачивание очищаемого потока через систему 10. Подающий насос 12 может быть функционально подсоединен, чтобы всасывать воду из резервуара воды (не показан), например, через впускной трубопровод 11, функционально соединенный с подающим насосом. Подающий насос 12 подает поток через выпускной трубопровод 13. Подающий насос 12 должен являться высокопроизводительным насосом, например, способным перекачивать приблизительно до 20 баррелей в минуту (0,053 м³/с).

Согласно наиболее предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы 10 в соответствии с изобретением, подсистема 14 ввода химических добавок предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, один насос для ввода жидких добавок, такой как насос 14a для ввода жидких добавок, посредством которого различные химические реагенты в виде водного раствора могут добавляться в очищаемый поток. Насос 14a для ввода жидких добавок является насосом относительно низкой производительности по сравнению с подающим насосом 12. Например, насос 14a для ввода жидких добавок может перекачивать приблизительно до 40 галлонов в минуту (2,5∙10^-3 м³/с). Согласно наиболее предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления изобретения различные химические реагенты, добавляемые в очищаемый поток, предпочтительно растворены в одном или более водных растворах, которые могут храниться в одном или более резервуарах для хранения жидкостей (не показаны). Насосы 14a для ввода жидких добавок могут быть функционально соединены с такими резервуарами для хранения жидких химических реагентов посредством подходящего трубопровода 15a.

Подсистема 14 ввода химических добавок дополнительно включает в себя устройство для смешивания химического реагента с очищаемым потоком. Предпочтительно, устройство для смешивания потоков жидкости, поступающих от насоса 14a для ввода жидких добавок, включает в себя подходящий трубопровод 15b для ввода жидких добавок для объединения потоков ввода жидких добавок с очищаемым потоком в трубопроводе 13. Устройства для смешивания потоков жидкости от насоса 14a для ввода жидких добавок могут дополнительно включать в себя селективно действующие клапаны (не показаны), способствующие объединению различных потоков жидкости.

Специалистам в данной области техники очевидно, что могут применяться другие типы механизмов для ввода химических добавок, которые также рассматриваются настоящим изобретением. Например, предполагается, что твердые химические реагенты могут быть добавлены с использованием шнековой дозирующей системы в уравнительный резервуар 16, который предназначен для уравновешивания потоков жидкости в очищаемом потоке между подающим насосом 12 и центробежным сепаратором 18.

В продолжение на фиг.1 система 10 предпочтительно дополнительно включает в себя уравнительный резервуар 16. Согласно предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы 10, показанной на фиг.1, трубопровод 13 направляет очищаемый поток в уравнительный резервуар 16.

Уравнительный резервуар 16 установлен на передвижной платформе (не показана) и функционально подсоединен к входу центробежного сепаратора 18. Уравнительный резервуар 16 способствует уравновешиванию очищаемого потока, поступающего от подающего насоса 12 в трубопровод 13 и в уравнительный резервуар 16, с очищаемым потоком, идущим от уравнительного резервуара 16 через выпускной трубопровод 17 к центробежному сепаратору 18.

Уравнительный резервуар 16 должен иметь достаточный объем, чтобы обеспечивать сбор неоднородного потока жидкости, смешение и выход с постоянной скоростью. Работу насосов регулируют датчики уровня в уравнительном резервуаре, при этом скорость насосов изменяется в зависимости от глубины жидкости в уравнительном резервуаре.

Содержимое уравнительного резервуара 16 предпочтительно перемешивается для предотвращения осаждения твердых частиц и обеспечения, по возможности, однородного качества жидкости. С целью предотвращения создания анаэробных условий и появления запахов в уравнительном резервуаре 16 содержимое уравнительных резервуаров может аэрироваться. Аэраторы Вентури могут использоваться для перемешивания и аэрации, тогда как лопастные мешалки могут использоваться для поддерживания твердых частиц во взвешенном состоянии по мере продвижения очищаемого потока через уравнительный резервуар 16.

В случаях, когда вода содержит высокую концентрацию твердых частиц, как, например, в буровом растворе, система 10 может необязательно включать вибросито (не показано), функционально соединенное с входом центробежного сепаратора 18. Предпочтительно, вибросито размещают перед подсистемой ввода химических добавок 14.

Вибросито известно в нефтегазовой промышленности. Вибросито основано на принципе действия вибрирующего сита. Сито из металлической сетки вибрирует, тогда как буровой раствор, такой как буровая жидкость, подается на него сверху. Жидкая фаза бурового раствора и твердые частицы с меньшей крупностью, чем ячейки проволочной сетки, проходят через вибрирующее сито, тогда как более крупные твердые частицы остаются на сите. Вибрирующее сито обычно наклонено относительно горизонтали, чтобы крупные частицы спускались с вибросита вниз. Обычно крупные частицы можно сваливать на полигонах без дополнительной или специальной обработки. Размер ячеек вибросита позволяет удалять больше твердых частиц из бурового раствора, но уменьшает расход на единицу площади металлической сетки.

Система 10 (фиг.1) также включает в себя центробежный сепаратор 18. Согласно предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы 10, показанной на фиг.1, трубопровод 17 направляет очищаемый поток в центробежный сепаратор 18.

Функция центробежного сепаратора 18 состоит в том, чтобы удалять из очищаемого потока относительно крупные частицы. Предпочтительно, центробежный сепаратор способен удалять, по меньшей мере, 50% частиц с крупностью более 300 микрон, которые могут присутствовать в очищаемом потоке. Более предпочтительно, центробежный сепаратор способен удалять, по меньшей мере, 50% частиц с крупностью более 100 микрон, которые могут присутствовать в очищаемом потоке. Следует, конечно, понимать, что центробежный сепаратор может включать множество центробежных сепараторов, чтобы обеспечивать требуемую пропускную способность и эффективность.

Согласно предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы, центробежный сепаратор 18 включает в себя гидроциклон 20, показанный на фиг.2. Гидроциклон является известным типом центробежного сепаратора.

Далее, на фиг.2 показан гидроциклон 20. Основным рабочим принципом гидроциклона 20 является центробежная сила. Вода, содержащая твердые частицы, подается по касательной в корпус 22 гидроциклона 20. Внутренняя стенка 22a корпуса 22 гидроциклона 20 имеет форму конуса, при этом более узкий открытый конец или раструб 22b конуса направлен вниз. Вода, подаваемая по касательной в корпус 22 гидроциклона, создает вихревой поток 23. Внутри сформированного вихревого потока 23 жидкости центробежной силе противодействует сопротивление жидкости, при этом возникает эффект, при котором относительно более крупные или более плотные твердые частицы прижимаются к внутренней стенке 22a корпуса 22 и под действием силы тяжести спускаются из раструба 22b с небольшим количеством воды в виде нижнего потока 23a гидроциклона. Больший объем воды, содержащей относительно мелкие твердые частицы, выходит из отверстия в верхней части корпуса 22 гидроциклона 20 через сливную насадку 22c в виде верхнего потока 23b гидроциклона.

Нижний поток 23a жидкости из раструба 22b корпуса 22 гидроциклона обычно содержит частицы с крупностью, превышающей границу разделения. Обычно нижний поток 23a сбрасывают в утилизационную скважину или утилизируют иным целесообразным способом.

Верхний поток 23b жидкости из верхней части корпуса 22 гидроциклона обычно содержит частицы с относительно меньшей крупностью, чем граница разделения. Верхний поток 23b гидроциклона 20 проходит через систему или способ согласно изобретению в виде части очищаемого потока. Обращаясь обратно к фиг.1, выходящий поток центробежного сепаратора, например верхний поток 23b гидроциклона 20, подается дальше через выпускной трубопровод 19 из центробежного сепаратора 18.

"Границу разделения" гидроциклона необходимо четко определить. Например, используемый в настоящей заявке термин "граница разделения d50" относится к размеру частиц, при котором гидроциклон имеет эффективность 50% при удалении частиц. Значение границы разделения не относится к верхнему потоку, поскольку оно зависит от анализа размера поступающих частиц.

Предпочтительно, гидроциклон 20, применяемый в системе или способе согласно изобретению, должен иметь границу разделения d50, по меньшей мере, приблизительно до 300 микрон. Более предпочтительно, гидроциклон должен иметь границу разделения d50 приблизительно до 100 микрон.

Необходимо, конечно, понимать, что хотя гидроциклон является предпочтительным вследствие размеров, пропускной способности и экономических параметров подобного оборудования для центробежного разделения, в соответствии с принципами изобретения могут применяться другие типы центробежных сепараторов. Например, если в качестве центробежного сепаратора 18 применяется центрифуга, то из очищаемого потока отделяют практически сухой осадок твердых частиц, который обычно можно утилизировать на полигонах.

Далее, на фиг.3 показана центрифуга 30. Основной принцип действия центрифуги 30 основан на центробежной силе. Центрифуга 30 обычно установлена горизонтально на раме 31. Корпус центрифуги определяет в целом цилиндрическую стенку 32, а также шнековый механизм 33. Относительно грязная вода, иногда называемая буровым раствором, поступает во впускное отверстие 34 и проходит через отверстие в шнеке 33 в зазор между шнеком 33 и цилиндрической стенкой 32, иногда называемый корзиной центрифуги. Вращение шнека способствует отделению частиц от жидкости в зоне 36, известной как зона осадка, а жидкость с уменьшенным содержанием твердых частиц поступает через зону 37 жидкости к выпускному отверстию 38. Прессованная грязь удаляется через выпускное отверстие 39.

Оба указанных типа центробежных сепараторов - гидроциклон 20 и центрифуга 30, известны специалистам в данной области.

Обращаясь снова к фиг.1, система 10 предпочтительно также включает фильтр 40 тонкой очистки. Согласно предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы 10, показанной на фиг.1, трубопровод 19 направляет очищаемый поток на фильтр 40 тонкой очистки.

Фильтр тонкой очистки установлен на передвижной платформе (не показана) и функционально подсоединен между центробежным сепаратором 18 и боратным фильтром 50, при этом фильтр 40 тонкой очистки способен удалять более тонкие частицы, чем частицы, которые удаляет центробежный сепаратор. Предпочтительно, фильтр 40 тонкой очистки способен удалять частицы и осадок с крупностью приблизительно до 20 микрон.

Фильтр 40 тонкой очистки предпочтительно содержит сетчатую насадку в качестве фильтрующего материала. Более предпочтительно, фильтр 40 тонкой очистки включает в себя, по меньшей мере, два фильтра тонкой очистки, функционально соединенных параллельно, при этом вода, очищенная с помощью центробежных сил, может выборочно отводиться от одного фильтра тонкой очистки, чтобы рабочий материал данного фильтра тонкой очистки можно было заменить, а поток воды, очищенной с помощью центробежных сил, будет непрерывно направляться в один или более других фильтров тонкой очистки. Это обеспечивает преимущество, которое состоит в возможности замены сетчатой насадки фильтра тонкой очистки без прекращения подачи очищаемого потока через один или более других фильтров тонкой очистки с сетчатой насадкой. Извлекаемую сетчатую насадку, внутри которой удерживаются твердые частицы, обычно можно утилизировать на полигонах.

Согласно другому варианту осуществления фильтр 40 тонкой очистки включает в себя промываемые трубчатые фильтры, предпочтительно, по меньшей мере, два промываемых фильтрующих трубчатых фильтра для того, чтобы можно было подавать поток в обход одного промываемого трубчатого фильтра в один или несколько других промываемых трубчатых фильтров. При обратной промывке фильтрующей трубки образуется суспензия фильтровального осадка, которая может закачиваться в утилизационную скважину или утилизироваться другим надлежащим способом.

Выходящий поток фильтра 40 тонкой очистки поступает дальше через трубопровод 41 в боратный фильтр 50.

На фиг.1, система 10 также включает в себя боратный фильтр 40. Согласно предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы 10, показанной на фиг.1, трубопровод 41 направляет очищаемый поток в боратный фильтр 50.

Боратный фильтр 50 установлен на передвижной платформе (не показана) и функционально подсоединен к выпуску центробежного сепаратора 18 для фильтрации очищаемого потока. Боратный фильтр 50 способен удалять, по меньшей мере, часть бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, когда очищаемый поток имеет pH 8 или выше. Более предпочтительно, pH очищаемого потока в процессе прохода через боратный фильтр 50 доводится до 8,5-12.

Фильтрующий материал, который обеспечивает удаление бората из очищаемого потока, включает в себя соединения, которые могут реагировать с боратом. Такие материалы предпочтительно находятся в твердой, нерастворимой в воде форме и могут удерживаться в корпусе фильтра, при этом очищаемый поток проходит через слой твердого материала, который помещен или сформирован в качестве водопроницаемого фильтрующего материала. На настоящий момент предполагается, что цис-диолы целлюлозных материалов идеальны для лабильного присоединения бората, улавливаемого целлюлозой. Другим твердым, нерастворимым в воде материалом, который, как известно, реагирует с боратом, является оксид магния.

Боратный фильтр 50 предпочтительно включает фильтрующий материал, содержащий целлюлозный материал. В некоторых вариантах осуществления фильтрующий материал может включать в себя целлюлозный материал, материал на основе целлюлозы, целлюлозный материал, полученный из целлюлозной массы, а также любую комбинацию перечисленного, в любом соотношении. Некоторые варианты осуществления материала на основе целлюлозы включают в себя микрокристаллическую целлюлозу, порошковую или гранулированную целлюлозу, коллоидную целлюлозу, целлюлозу с модифицированной поверхностью или любые нерастворимые формы целлюлозы. Некоторые варианты осуществления материала на основе целлюлозы могут включать в себя немодифицированные химические формы целлюлозы, включающие, помимо прочих, древесные опилки, деревянную стружку и прессованные частицы древесины.

Удаленный фильтр из целлюлозного материала, удерживающий борат, обычно можно утилизировать на полигонах.

Согласно другому варианту осуществления изобретения боратный фильтр 50 может включать в себя фильтрующий материал, который содержит оксид магния.

Боратный фильтр 50 предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, два боратных фильтра, функционально соединенных параллельно, при этом воду, очищенную с помощью центробежных сил, можно выборочно отводить от одного боратного фильтра, чтобы можно было заменять материал боратного фильтра, продолжая направлять поток воды, очищенной с помощью центробежных сил, в один или несколько других боратных фильтров.

Дополнительная информация относительно примера фильтра и способа фильтрации для удаления бората из потока жидкости раскрыта в опубликованных заявках на патент US 2006/0186050 и US 2006/0186033, от 24 августа 2006 года (авторы Robert E.Hanes, David E.Griffin, David E.McMechan).

Выходящий поток боратного фильтра 50 идет дальше через трубопровод 51 в резервуар для хранения очищенной жидкости.

Предпочтительно, система 10 также включает в себя постфильтрационную подсистему 60 для введения химических добавок, которая установлена на передвижной платформе и функционально подсоединена, обеспечивая: выборочное добавление одного или более химических реагентов в очищаемый поток на выходе из боратного фильтра 50, между боратным фильтром и резервуаром для хранения очищенной жидкости. Химические реагенты, добавляемые на выходе из боратного фильтра 50, могут включать в себя, например, нейтрализующие реагенты для существенной нейтрализации pH очищаемого потока, бактерициды, поверхностно-активные вещества, а также любую комбинацию перечисленного, в любом соотношении.

Согласно наиболее предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления системы 10 согласно изобретению подсистема 60 для введения химических добавок, расположенная после боратного фильтра, предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, один насос для ввода жидких добавок, такой как насос 60a для ввода жидких добавок, посредством которого различные химические реагенты в виде водных растворов могут быть добавлены в очищаемый поток. Насос 60a для ввода жидких добавок является насосом относительно низкой производительности по сравнению с подающим насосом 12. Например, насос 60a для ввода жидких добавок может подавать приблизительно до 5 галлонов жидкости в минуту (3,15∙10^-4 м³/с). Согласно наиболее предпочтительному на настоящий момент варианту осуществления изобретения различные химические реагенты, добавляемые в очищаемый поток на выходе из боратного фильтра 50, предпочтительно растворены в одном или более водных растворах, которые могут храниться в одном или нескольких резервуарах для хранения жидкостей (не показаны). Насос 60a для ввода жидких добавок может быть функционально соединен с такими резервуарами для хранения жидких химических реагентов посредством подходящего трубопровода 61a.

Подсистема 60 ввода химических добавок дополнительно включает в себя устройство для смешивания химического реагента с очищаемым потоком. Предпочтительно, средство для смешивания потоков жидкости, подаваемых насосом 60a для ввода жидких добавок, включает в себя подходящий трубопровод 61b для ввода жидких добавок, который служит для объединения потоков жидких добавок с очищаемым потоком в трубопроводе 41. Устройство для смешивания потоков жидкости из насоса 60a для ввода жидких добавок может дополнительно включать в себя селективно действующие клапаны (не показаны), способствующие объединению различных потоков жидкости.

Подобно описанному выше относительно подсистемы 14 для ввода химических добавок, специалистам в данной области будет очевидно, что в качестве подсистемы 50 для ввода химических добавок могут использоваться другие типы устройств для ввода химических добавок, которые также рассматриваются настоящим изобретением.

Согласно изобретению система 10 предпочтительно включает подходящие трубопроводы для жидкости, такие как трубопровод 11, 13, 15a, 15b, 17, 19, 41, 51, 61a и 61b, служащие для функционального соединения различных компонентов системы и для подачи очищаемого потока в системе или способе согласно изобретению.

Передвижная платформа может представлять собой любую подходящую платформу. В случае операций на море передвижная платформа является судном. В случае наземных операций передвижная платформа является колесной платформой. Например, обращаясь далее к фиг.4 и 5, передвижная платформа включает, по меньшей мере, один грузовой автомобиль или прицеп 70. Предпочтительно, передвижная платформа включает один или несколько прицепов. Предпочтительно, прицеп является полуприцепом, который имеет колеса в задней части, а спереди при движении поддерживается тягачом. Предпочтительно, передвижная платформа дополнительно включает трактор для буксировки прицепа.

На фиг.4 и 5 показано, что система может дополнительно включать резервуар для добываемой воды (или другой источник воды) и резервуар для очищенной воды. Резервуар может включать в себя, например, резервуарный парк, несколько автоцистерн или прицепов, амбар-хранилище, водоотстойник, а также их любую комбинацию. Как показано на фиг.4, система может включать несколько передвижных автоцистерн 82 для доставки добытой воды (или иначе "грязного" источника воды) в подходящий участок очистки воды, прицеп 70 для оборудования системы водоочистки, а также нескольких резервуаров 84 для временного хранения очищенной воды, которая не обязательно пригодна для питья, но является "достаточно чистой" для применения в операциях по обработке скважин. Как показано на фиг.5, система может включать несколько автоцистерн 82 для доставки добытой воды (или другого источника воды) в амбар-хранилище 86a, прицеп 70 для оборудования системы водоочистки, другой амбар-хранилище 86b для временного хранения очищенной воды, а также несколько автоцистерн 82 для доставки очищенной воды в желаемое местоположение скважины для применения в операциях по обработке скважины.

Предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин. Согласно данному аспекту способ включает этапы: подвода передвижной системы очистки воды согласно изобретению к источнику воды и применение передвижной системы очистки воды для очистки воды с получением очищенной воды.

Способ может дополнительно включать этапы: обеспечения резервуара для воды и обеспечения резервуара для очищенной воды.

Способ может дополнительно включать этапы: применения очищенной воды в операции по обработке скважины. В качестве примера операции по обработке скважины, которая часто требует очень большого объема воды, этап применения очищенной воды в операции по обработке скважины может включать гидравлический разрыв пласта. Системы и способы согласно изобретению могут в особенности применяться и находить выгодное практическое применение в таких операциях гидроразрыва пласта.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий следующие этапы:

(a) перекачивание воды в качестве части очищаемого потока;

(b) удаление под действием центробежных сил, по меньшей мере, части твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;

(c) фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, причем, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) добавление водорастворимого галогенида кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, некоторых из сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке в форме сульфата кальция, стронция или бария; и

(e) добавление реагента для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8.

Данный способ предпочтительно дополнительно содержит этап: добавления водорастворимого гидроксида щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий следующие этапы:

(a) перекачивание воды в качестве части очищаемого потока;

(b) удаление под действием центробежных сил, по меньшей мере, части твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;

(c) фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) добавление водорастворимого карбоната в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция; и

(e) добавление реагента для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от карбоната, который выбран так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция.

Данный способ предпочтительно дополнительно содержит этап: добавления водорастворимого гидроксида щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от гидроксида, выбранного так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов магния и железа.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий следующие этапы:

(a) перекачивание воды в качестве части очищаемого потока;

(b) удаление под действием центробежных сил, по меньшей мере, части твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;

(c) фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) добавление водорастворимого гидроксида щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа; и

(e) добавление реагента для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8, и где реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от карбоната, который выбран так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов магния и железа.

Данный способ дополнительно может содержать этап: добавления водорастворимого галогенида кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке, в виде сульфата кальция, стронция или бария. Дополнительно или альтернативно данный способ может также содержать этап: добавления водорастворимого карбоната в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в виде карбоната кальция, и причем реагент для повышения pH может являться тем же или отличным от гидроксида, который выбран так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ очистки воды для достаточной очистки воды, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий следующие этапы:

(a) перекачивание воды в качестве части очищаемого потока;

(b) удаление под действием центробежных сил, по меньшей мере, части твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;

(c) фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;

(d) химическую обработку очищаемого потока, причем этап химической обработки содержит, по меньшей мере, один из следующих этапов:

(i) если в воде в какой-либо существенной концентрации присутствует сульфат, - добавление водорастворимого галогенида кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке, в форме сульфата кальция, стронция или бария;

(ii) если в воде в какой-либо существенной концентрации присутствует кальций, - добавление водорастворимого карбоната в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, где карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция;

(iii) если в воде в какой-либо существенной концентрации присутствует магний, железо или какая-либо их комбинация, - добавление водорастворимого гидроксида щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке в форме гидроксидов магния и железа; и

(iv) если pH очищаемого потока не равен, по меньшей мере, 8 или выше, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората, - добавление реагента для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока до, по меньшей мере, 8, и где реагент для повышения pH может являться тем же или отличным от одного из химических реагентов, которые выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция, стронция или бария, магния или железа.

Как описано в настоящей заявке, любой из способов согласно изобретению предпочтительно дополнительно содержат этап: химического анализа очищаемого потока перед этапом удаления под действием центробежных сил на концентрацию, по меньшей мере, сульфат-ионов и ионов кальция. Более предпочтительно, способы дополнительно содержат этап химического анализа очищаемого потока на концентрации ионов магния и железа. Наиболее предпочтительно, способы дополнительно содержат этап химического анализа очищаемого потока на концентрацию бората. Может быть также желательным химически проанализировать очищенную воду, чтобы определить и подтвердить эффективность способов. Кроме того, анализы могут также содержат анализ размера частиц. Такая аналитическая информация может также помочь в поиске неисправностей и техобслуживании, например, в целях определения, когда фильтрующий материал будет необходимо заменить новым фильтрующим материалом.

Способы предпочтительно дополнительно содержат этап добавления коагулянта в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, который способствует агрегации частиц перед этапом удаления под действием центробежных сил.

Способы предпочтительно дополнительно содержат этап подвода передвижной системы очистки для осуществления этапов способа к источнику воды или к резервуару с водой.

Способы предпочтительно дополнительно содержат этап уравновешивания очищаемого потока, идущего от подающего насоса, с очищаемым потоком, идущим к этапу удаления под действием центробежных сил.

В любом из способов согласно изобретению этап удаления под действием центробежных сил предпочтительно содержит применение гидроциклона.

Способы предпочтительно дополнительно содержат этап тонкого фильтрования очищаемого потока между этапом удаления под действием центробежных сил и этапом фильтрации бората, причем на этапе тонкого фильтрования удаляются более мелкие частицы, чем на этапе удаления под действием центробежных сил.

В любом из способов этап фильтрации бората предпочтительно содержит применение фильтрующего материала, содержащего нерастворимый в воде целлюлозный материал. Целлюлозный материал предпочтительно выбран из группы, состоящей из: материала на основе целлюлозы, целлюлозного материала, полученного из целлюлозной массы, а также любой комбинации перечисленного, в любом соотношении.

Способы предпочтительно дополнительно содержат этапы: обеспечения резервуара для воды и обеспечения резервуара для очищенной воды.

Способы предпочтительно дополнительно содержат этап: применения очищенной воды в операции по обработке скважины. Этап применения очищенной воды в операции по обработке скважины содержит гидравлический разрыв пласта.

Следует, конечно, понимать, что два или более различных предпочтительных элементов или этапов изобретения более предпочтительно осуществляются вместе для увеличения эффективности и преимуществ, которые могут быть получены от изобретения.

Таким образом, настоящее изобретение хорошо приспособлено для выполнения задач и достижения целей, а также преимуществ, указанных выше и присущих ему. Хотя предпочтительные варианты осуществления изобретения были описаны в рамках настоящего описания, изменения в конструкции и конфигурации элементов, а также эффективности этапов, могут быть выполнены квалифицированными специалистами, при этом подобные изменения включены в сущность настоящего изобретения, определенную в соответствии с прилагаемой формулой.

Изобретение относится к способам очистки воды, используемой для обарботки скважин. Способы осуществляются с использованием системы, содержащей передвижную платформу; подающий насос, который обеспечивает прокачивание очищаемого потока через систему; центробежный сепаратор, который функционально подсоединен к выпуску подающего насоса и предназначен для очистки очищаемого потока под действием центробежных сил; боратный фильтр, который функционально подсоединен к выпуску центробежного сепаратора, предназначен для фильтрации очищаемого потока и способен удалять, по меньшей мере, часть бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, когда очищаемый поток имеет pH 8 или выше; и подсистему ввода химических добавок, которая обеспечивает селективное добавление одного или нескольких химических реагентов в очищаемый поток перед центробежным сепаратором, причем химические реагенты могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов, выбранных из группы, состоящей из: сульфата, кальция, стронция или бария, магния, железа; и селективное добавление химического реагента в очищаемый поток перед боратным фильтром с целью повышения pH очищаемого потока до 8 или выше. Технический результат - получение очищенной воды со значительно сниженной концентрацией растворенных ионов. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ очистки воды для достаточной очистки воды так, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий этапы, на которых:
(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;
(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке; и
(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, причем, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;
(d) производят химическую обработку очищаемого потока, причем этап химической обработки содержит, по меньшей мере, один из следующих этапов, на которых:
(i) добавляют водорастворимый галогенид кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке, в форме сульфата кальция, стронция или бария;
(ii) добавляют водорастворимый карбонат в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция;
(iii) добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа; и
(iv) добавляют реагент для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока до, по меньшей мере, 8, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция, стронция или бария, магния или железа.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап химического анализа воды на концентрацию, по меньшей мере, сульфат-ионов и ионов кальция.

3. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап добавления в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил коагулянта, который способствует агрегации частиц перед этапом удаления под действием центробежных сил.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап подвода передвижной системы очистки для осуществления этапов способа к источнику воды.

5. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап уравновешиваемого очищаемого потока, идущего от подающего насоса, с очищаемым потоком, идущим к этапу удаления под действием центробежных сил.

6. Способ по п.1, в котором этап удаления под действием центробежных сил содержит применение гидроциклона.

7. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап тонкого фильтрования очищаемого потока между этапом удаления под действием центробежных сил и этапом фильтрации бората, причем на этапе тонкого фильтрования удаляются более мелкие частицы, чем на этапе удаления под действием центробежных сил.

8. Способ по п.1, в котором этап фильтрации бората содержит применение фильтрующего материала, содержащего нерастворимый в воде целлюлозный материал.

9. Способ по п.8, в котором целлюлозный материал выбран из группы, состоящей из: материала на основе целлюлозы, целлюлозного материала, полученного из целлюлозной массы, а также любой комбинации перечисленного, в любом соотношении.

10. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап: обеспечения резервуара для воды и обеспечения резервуара для очищенной воды.

11. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап применения очищенной воды в операции по обработке скважин.

12. Способ по п.11, в котором этап применения очищенной воды в операции по обработке скважин содержит гидравлический разрыв пласта.

13. Способ очистки воды для достаточной очистки воды так, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий этапы, на которых:
(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;
(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;
(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, обеспечивающего возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, причем, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;
(d) добавляют водорастворимый галогенид кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке в форме сульфата кальция, стронция или бария; и
(e) добавляют реагент для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8.

14. Способ по п.13, дополнительно содержащий этап, на котором добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа.

15. Способ очистки воды для достаточной очистки воды так, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, включающий этапы, на которых:
(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;
(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;
(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;
(d) добавляют водорастворимый карбонат в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция; и
(е) добавляют реагент для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока до, по меньшей мере, 8, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от карбоната, который выбран так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция.

16. Способ по п.15, дополнительно содержащий этап, на котором: добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке в форме гидроксидов магния и железа, и причем реагент для повышения рН может являться тем же самым или отличным от гидроксида, выбранного так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов магния и железа.

17. Способ очистки воды для достаточной очистки воды так, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий этапы, на которых:
(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;
(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке;
(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при pH 8 или выше, где, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората pH очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;
(d) добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа; и
(e) добавляют реагент для повышения pH в очищаемый поток перед этапом фильтрации бората, причем реагент для повышения pH обеспечивает возможность повышения pH очищаемого потока, по меньшей мере, до 8, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция, стронция или бария, магния или железа.

18. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором добавляют водорастворимый галогенид кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем кальций, стронций или барий обеспечивают возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке, в форме сульфата кальция, стронция или бария.

19. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором добавляют водорастворимый карбонат в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает осаждение, по меньшей мере, некоторых из ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция, и причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от гидроксида, выбранного так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов кальция.

20. Способ очистки воды для достаточной очистки воды так, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, содержащий этапы, на которых:
подводят передвижную систему очистки воды к источнику воды;
используют подвижную систему очистки воды для очистки воды, с целью получения очищенной воды;
используют очищенную воду в операциях по обработке скважин; причем передвижная система очищает воду для достаточной очистки воды так, чтобы очищенная вода могла применяться в операциях по обработке скважин, причем система содержит:
(a) передвижную платформу;
(b) подающий насос, установленный на передвижной платформе и функционально связанный для обеспечения прокачивания очищаемого потока через систему;
(c) центробежный сепаратор, установленный на передвижной платформе, функционально связанный с выпуском подающего насоса и предназначенный для очистки очищаемого потока с помощью центробежных сил;
(d) боратный фильтр, установленный на передвижной платформе, функционально связанный с выпуском центробежного сепаратора, предназначенный для фильтрации очищаемого потока и выполненный с возможностью удаления, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, когда очищаемый поток имеет pH 8 или выше; и
(e) подсистему ввода химических добавок, установленную на передвижной платформе и функционально связанную для обеспечения возможности:
(i) селективного введения одного или более химических реагентов в очищаемый поток перед центробежным сепаратором, причем химические реагенты могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов, выбранных из группы, состоящей из: сульфата, кальция, стронция или бария, магния, железа и любой комбинации перечисленного, в любом соотношении, которые могут присутствовать в очищаемом потоке; и
(ii) селективного введения реагента для повышения pH перед боратным фильтром, с целью повышения pH очищаемого потока до 8 или выше, причем реагент для повышения pH может являться тем же самым или отличным от одного из химических реагентов, которые могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать возможность осаждения растворенных ионов сульфата, кальция, стронция или бария, магния или железа, и при этом этап, на котором используют подвижную систему очистки воды для очистки воды, с целью получения очищенной воды, содержит этапы, на которых:
(a) перекачивают воду в качестве части очищаемого потока;
(b) удаляют под действием центробежных сил, по меньшей мере, часть твердых частиц, которые могут присутствовать в очищаемом потоке; и
(c) производят фильтрацию, по меньшей мере, части бората, который может присутствовать в очищаемом потоке, с помощью фильтрующего материала, который обеспечивает возможность удаления бората из очищаемого потока при рН 8 или выше, причем, по меньшей мере, в ходе этапа фильтрации бората рН очищаемого потока равен или доводится до 8 или выше;
(d) производят химическую обработку очищаемого потока, причем этап химической обработки содержит, по меньшей мере, один из следующих этапов, на которых:
(i) добавляют водорастворимый галогенид кальция, стронция или бария в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем галогенид кальция, стронция или бария обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части сульфатных ионов, растворенных в очищаемом потоке, в форме сульфата кальция, стронция или бария;
(ii) добавляют водорастворимый карбонат в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем карбонат обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов кальция, растворенных в очищаемом потоке, в форме карбоната кальция;
(iii) добавляют водорастворимый гидроксид щелочного металла в очищаемый поток перед этапом удаления под действием центробежных сил, причем гидроксид обеспечивает возможность осаждения, по меньшей мере, части ионов магния и железа, растворенных в очищаемом потоке, в форме гидроксидов магния и железа, причем, по меньшей мере, некоторые из осажденных ионов сульфата, карбоната магния или железа удаляют с частью твердых частиц под действием центробежных сил.