Мобильная установка очистки воды от сероводорода для закачки в пласт, способ ее осуществления и устройство напорной аэрации Российский патент 2023 года по МПК C02F1/20 B01D19/00 

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и предназначено для осуществления технологии очистки воды от сероводорода перед подачей ее в систему поддержания пластового давления (ППД) для последующей закачки в пласт месторождения нефти.

На ранней стадии разработки месторождений наиболее экономически целесообразным считается использование мобильных установок подготовки нефти (МУПН), состоящих из отдельных технологических блоков полной заводской готовности, объединенных в единый комплекс и не требующих обустройства традиционными стационарными сооружениями. В процессе ранней добычи нефти возникает необходимость в стабилизации пластового давления. Самым распространенным является гидродинамический метод увеличения нефтеотдачи - закачка воды в пласт, поэтому, до сооружения стационарной блочной кустовой насосной станции (БКНС), к МУПН оперативно подключается мобильная БКНС (МБКНС). Для закачки используется попутно добываемая пластовая вода, отделяемая в процессе сепарации от водонефтяного флюида на МУПН и технологическая вода водозаборных скважин (далее - вода H₂S), загрязненная сероводородом. В состав растворённого в воде сероводорода входят молекулы газообразного H₂S, ионов гидросульфида HS^-и сульфидов S^2-поэтому перед подачей в систему ППД и закачкой в пласт, загрязненную воду необходимо очистить от сероводорода. Согласно п.1.9. ОСТ 39-225-88 в воде, нагнетаемой в продуктивные коллекторы нефтяных пластов, сероводород должен отсутствовать.

Для очистки воды от сероводорода и сернистых соединений в промысловых условиях наиболее часто применяется метод обработки воды химическими реагентами-нейтрализаторами. Другим способом очистки является применение специально разработанных методов насыщения воды кислородом (или воздухом) в присутствии водного раствора катализатора окисления, на основе соединений железа, меди и других переменновалентных металлов, при этом катализатор и кислород (или воздух) подают непосредственно в поток воды с сернистыми соединениями. В результате реакции сернистые соединения превращаются в элементарную серу, которая в последующем выводится из воды отстаиванием, флотацией, фильтрацией или центрифугированием.

Указанные способы очистки имеют ряд существенных недостатков: высокая стоимость реагентов; большой удельный расход нейтрализаторов требует внушительных размеров реагентного хозяйства; сложность и продолжительность технологического процесса очистки; при хранении и использовании реагентов требуются особые меры безопасности; трудности с утилизацией образующихся отходов; негативное влияние на окружающую среду из-за выбросов сероводорода в атмосферу.

При низких значениях водородного показателя очищаемой воды (pH) в промысловых условиях наиболее эффективным считается применение аэрационных методов удаления - отдувка сероводорода. Преимуществами метода аэрации являются безопасность и невысокая стоимость в сравнении с другими методами очистки.

Известен способ очистки воды от сульфидов и сероводорода путем отдувки сероводорода из предварительно подкисленной воды (до рН 4,3÷5). Отдувку можно осуществлять в аэрационном бассейне, градирне или дегазаторе любого типа. При аэрации также возможно наряду с десорбцией сероводорода окисление его части до коллоидной серы. После такой отдувки остаточная концентрация сероводорода составляет 0,3 ÷ 0,5 мг/л, поэтому остаточный сероводород рекомендуется окислять хлорированием, а очищаемую воду смешивать с коагулянтом дозой 20 ÷ 30 мг/л (например, Al₂(SO₄)₃ или FeCl₃) для связывания в хлопья коллоидной серы и направлять на зернистые фильтры. После фильтров воду после повторного хлорирования рекомендуется подщелачивать с целью снижения ее коррозионной активности (В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971. - с.475-479).

К недостаткам данного способа очистки относится необходимость использования различных реагентов (кислоты, коагулянта, хлора и щелочи) и сложное реагентное хозяйство. Кроме того, происходит загрязнение окружающей воздушной среды токсичным сероводородом, который отдувается воздухом в атмосферу.

Известна технология очистки пластовых вод от сероводорода в вертикальной колонне (далее - реактор) каталитическим обезвреживанием на гетерогенном катализаторе(процесс «LOCOS PW»; https://ahmadullins.com/publiclist/plastovye-vody/metody-ochistki). Данный процесс реализуется по следующей схеме. Пластовая вода с установок добычи нефти накапливается и отстаивается в буферной емкости. Из буферной емкости пластовая вода через фильтр подается насосом в теплообменник, где нагревается до 60-80°С и поступает через распределительное устройство в кубовую часть реактора. Перед входом в реактор в трубопровод подачи пластовой воды компрессором подается воздух под давлением 0,8 МПа. Воздух и пластовая вода проходят с низа вверх прямотоком через плотно загруженный одним слоем по высоте реактора катализатор КСМ, на поверхности которого происходит окисление кислородом воздуха токсичных, коррозионно-активных гидросульфидов, содержащихся в пластовой воде, в инертные, не имеющие запаха гидросульфат и тиосульфат натрия. Смесь отработанного воздуха и обезвреженной пластовой воды с верха реактора отводится в емкость дегазации. Отработанный воздух с верха дегазатора через каплеотбойник направляется на свечу. Обезвреженная пластовая вода из емкости дегазатора направляется далее на закачку в пласт.

К недостаткам данной технологии очистки пластовых вод от сероводорода относятся следующие моменты:

- реакция протекает при прямоточном движении с низа вверх воздуха и пластовой воды через катализатор;

- реакция каталитического окисления сероводорода молекулярным кислородом протекает в реакторе на гетерогенном катализаторе. Требуются материальные затраты на приобретение катализатора, его специальная плотная загрузка и периодическая регенерация;

- необходимым условием протекания реакции окисления является поддержание давления в колонне не менее 0,5 МПа, что требует оснащения устройствами контроля и предохранительным оборудованием от превышения расчетного давления;

- для проведения каталитического процесса, кроме колонны, требуется дополнительное оборудование: теплообменник для нагрева воды; компрессор для нагнетания воздуха в реактор; емкость дегазации, - дополнительные материальные затраты на приобретение и обслуживание;

- кроме дополнительных затрат на вспомогательное оборудование потребуются средства на строительно-монтажные работы по обустройству производственной площадки всей установки сероочистки пластовой воды, а также возведение монолитных стационарных фундаментных оснований под реактор (с учетом высоты вертикально стоящей колонны) и под компрессор (с учетом анкерного крепления агрегата).

Известно оборудование для осуществления абсорбционных и десорбционных процессов, удаления растворенных газов из растворов и наиболее эффективно - при отдувке ртути из растворов и сточных вод до требуемых санитарных норм и позволяет повысить эффективность работы колонны за счет исключения образования застойных зон по периферии дисков. (Патент SU1681923А1 МПК В01D 45/08, B01D 53/18, Опубл. 07.10.1991). Оборудование представляет вертикально ориентированную колонну и состоит из корпуса, разделенного сплошными перегородками на секции, перфорированных решеток с фильтрующими элементами, выполненными в виде пористых дисков, прижатых к решетке прижимными устройствами, переливных труб, патрубков. Пористые диски имеют диаметр, превышающий диаметр отверстий решетки на одну-две толщины диска. Благодаря тому, что диски прижаты к поверхности решетки и имеется зазор между поверхностью дисков и решетки, часть газа проходит параллельно поверхности решетки и перемешивает жидкость между отверстиями, исключая образование там застойных зон и улучшая массообмен. Исходная жидкость поступает через патрубок в верхнюю секцию и по переливным трубам перетекает из секции в секцию, а затем выходит из аппарата через патрубок. Газ подают отдельными потоками в каждую секцию через патрубки. Он поступает в пространство между перегородкой и решеткой, проходит через фильтрующие элементы и равномерно распределяется по сечению, интенсивно перемешивая жидкость. После контактирования с жидкостью газ через патрубки выходит в общий коллектор. Благодаря особенностям конструкции перфорированной решетки, заключающимся в том, что фильтрующие элементы выполнены в виде пористых дисков с шероховатой поверхностью, обеспечивается равномерное интенсивное перемешивание жидкости на всей поверхности решетки, исключаются застойные зоны.

К недостаткам аналога относится несовершенство конструкции разделения колонны на отдельные герметичные секции и системы трубных переливовобработанной жидкости. Не обеспечивается долговечность конструкции из-за большого количества прижимных устройств крепления фильтрующих пористых элементов к перфорированной решетке, что приведет к остановкам процесса, увеличению количества простоев и росту эксплуатационных расходов.

Известен горизонтальный стальной цилиндрический резервуар (https://asuneft.ru/dobycha/gorizontalnyj-stalnoj-tsilindricheskij-rezervuar-opisanie-yomkosti-dlya-hraneniya-nefteproduktov.html?) для хранения нефтепродуктов. Резервуары горизонтальные стальные наземные - цилиндрические резервуары, выполненные из стали или полимерных материалов, предназначенные для хранения жидкостей на предприятиях или хранилищах и располагаются на поверхности земли, на подготовленных площадках.

Известен газожидкостной сепаратор (Патент 2766135, E21B 43/34 (2006.01), B01D 19/00 (2006.01), Опубл. 08.02.2022) разделения текучих сред. Газожидкостный сепаратор состоит из корпуса, имеющего вход с как минимум одним горизонтальным перфорированным патрубком внутри корпуса с как минимум двумя выходами, причем как минимум один верхний - для отбора легких фракций, как минимум один нижний - для отбора тяжелых фракций - жидкости. Известный газожидкостный сепаратор позволяет эффективно разделять газожидкостную среду на газ и жидкость без дополнительных регулируемых элементов и блоков управления, что делает его конструкцию надежной и автономной.

Недостатком известного устройств является невозможность их использования для очистки воды от сероводорода для закачки в пласт.

Целью заявляемого изобретения является создание быстро возводимого устройства, обеспечивающего эффективную очистку технологической воды водозаборных скважин - вода H₂S от сероводорода попутным нефтяным газом, подготовленным на МУПН, для подачи очищенной воды в систему ППД.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение концентрации содержания сероводорода в обезвреженной воде H₂S при минимальных капитальных затратах.

Поставленная цель достигается заявленной мобильной установкой очистки воды от сероводорода представляющей собой моноблок, включающий сосуд, работающий под давлением (СВД) и интегрированного с ним массообменного колонного аппарата (МКА), вместе с опорно-крепежной системой, образующей пространственную конструкцию в размерах стандартного 40-футового контейнера и вертикального массообменного колонного аппарата (МКА).

СВД и МКА расположены перпендикулярно по отношению друг к другу. МКА снабжен противоточными регулярными насадками с вертикальными контактными решетками и представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, оборудованный в верхней части эллиптическим днищем, в котором расположены: штуцер для вывода газа, обогащенного сероводородом, после процесса отдувки; штуцер для датчика давления и штуцер для датчика температуры.

В верхней части МКА вварен штуцер для ввода вода H₂S на очистку, под которым установлены узлы ввода и орошения, а по всему внутреннему периметру и на всю высоту колонны установлены секции с регулярной насадкой АВР (Патент RU2461406C2 МПКB01D3/28, Опубл.20.09.2012 «Массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа»). Основными элементами конструкции секций регулярной насадки АВР являются вертикальные решетки, зажатые между перегородками зигзагообразной формы.

В нижней части МКА смонтирована горизонтально направленная перфорированная труба, соединенная со штуцером, приваренным на обечайке МКА, через который противотоком к очищаемой воде H₂S подается попутный нефтяной газ, предварительно подготовленный на мобильной установке подготовки нефти (МУПН).

В нижней части МКА снабжен аппаратным фланцем для присоединения МКА к СВД.

На обечайке СВД оборудована цилиндрическая переходная стойка (строго вертикально вверх), размер отверстия которой равен внутреннему диаметру МКА для обеспечения сквозного беспрепятственного стекания обработанной вода H₂S из МКА в полость СВД. На цилиндрической переходной стойке над отверстием в месте сопряжения вертикально стоящего массообменного колонного аппарата и горизонтального сосуда приварен ответный аппаратный фланец. Соединение двух сосудов выполняется посредством аппаратных фланцев.

В верхней части СВД размещено устройство напорной аэрации, которая включает размещённый горизонтально по всей длине сосуда трубопровод со штуцером для подачи газа. К трубопроводу на равном расстоянии друг от друга присоединены вертикальные распределительные коллекторы, перпендикулярно к которым присоединены горизонтальные рампы, отходящие в разные стороны от места крепления. На горизонтальных рампах посредством патрубков крепятся фильтр-патроны.

В нижней части СВД оборудован штуцер для вывода очищенной воды, пригодной для подачи в систему ППД.

Совмещение двух технологических аппаратов в один моноблок дает преимущества в виде двухступенчатой технологии очистки: первая стадия - десорбция сероводорода в МКА с противоточными регулярными насадками с вертикальными контактными решетками; вторая стадия - доочистка вода H₂S напорной аэрацией в СВД.

Заявляемая мобильная установка очистки воды от сероводорода поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, где:

1 - сосуд, работающий под давлением (СВД);

2 - массообменный колонный аппарат (МКА);

3 - штуцер Б2 для вывода газа;

4 - штуцер для датчика давления;

5 - штуцер для датчика температуры;

6 - штуцер А1 для ввода воды на очистку;

7 - аппаратный фланец;

8 - переходная стойка;

9 - перфорированная труба;

10 - штуцер Б1 для подачи газа в колонну на отдув;

11 - узлы ввода и орошения;

12 - секции регулярной насадки АВР;

13 - штуцер Б3 для подачи газа в СВД на аэрацию

14 - трубопровод подачи газа;

15 - вертикальный распределительный коллектор;

16 -штуцер А2 для вывода очищенной воды.

17 - горизонтальная рампа;

18 - патрубок

19 - фильтр-патрон.

Мобильная установка очистки воды от сероводорода должна быть герметизирована по отношению к окружающей среде. Класс герметичности 5 по ОСТ 26.260-14-2001.

Для обеспечения разгрузки места сопряжения двух сосудов МКА и СВД, и удержания МКА от воздействия ветровой нагрузки, к раме горизонтального СВД жестко закреплена вертикальная ферма (на схеме не показана), внутри которой и размещается МКА.

Мобильная установка очистки воды от сероводорода работает следующим образом.

Технологическая вода водозаборных скважин - вода H₂S, с растворенным в ней сероводородом концентрацией 300 ÷ 350 мг/л, через штуцер ввода А1 (6), подается в МКА (2), который представляет собой цилиндрический сосуд с диаметром обечайки 1000 мм, на верхнюю секцию массообменной насадки АВР снабженной системой орошения (11), позволяющей равномерно распределить воду H₂S по всему сечению МКА. По всему внутреннему периметру и на всю высоту МКА установлены секции насадки АВР (12). Давление воды на входе в колонну 0,04 МПа. Вода стекает сквозь отверстия контактной вертикальной решетки, и по зигзагообразной перегородке последовательно, на каждой ступени распыляется газом, поступающим из перфорированной трубы (9) в нижней части МКА с давлением 0,2 МПа. При этом образуется капельный поток, формирующий пленочное движение. Подача орошения в АВР происходит по нормали к поверхности. Капли эффективно проникают в жидкостную пленку, чем достигается максимально возможная степень возмущения пленочного течения и наибольшая эффективность процесса массопереноса. Аппараты с насадкой класса АВР совмещают в себе клапанный, струйный и эжекционный режимы взаимодействия фаз, с эффективной реализацией массообмена на предельно высоких скоростях орошения. В результате процесса десорбции концентрация сероводорода на выходе из колонны снижается до 50 мг/л.

Из МКА (2) через отверстие переходной стойки (8), обработанная вода свободно стекает в СВД (1) емкостью40 м³, вместе с опорно-крепежной системой, образующей пространственную конструкцию в размерах стандартного 40-футового контейнера. На попавшую в полость СВД воду с концентрацией сероводорода 50 мг/л, начинается воздействие процесса напорной аэрации. По трубопроводу подачи газа (14) газ под давлением 0,2 МПа, проходя по вертикальным распределительным коллекторам (15), через горизонтальные рампы (17) и патрубки (18) подается в фильтр-патроны (19), и, проходя сквозь их пористую оболочку, образует мелкодисперсное газовое облако из капелек диаметром 0,5÷1,5 мм, которое заполняет все водное пространство в нижней части СВД площадью 1200х6000 мм и, поднимаясь вверх, вступает в реакцию с растворенным сероводородом. В результате аэрации газом концентрация сероводорода в воде H₂S падает до 20÷30 мг/л.

Фильтр-патроны представляют собой жесткие цилиндры с толщиной фильтрующей перегородки 20 мм, и изготовлены из пористого материала на основе физически сшитого порошкообразного полиэтилена низкого давления. Заданная пористость патронов (40-55%) обеспечивает распыление (диспергирование) поступающего газа пузырьками в пределах 0,5÷1,5 мм. Под действием гидродинамического напора газафильтр-патрон не деформируется, фильтрующие поры с течением времени не расширяются, дисперсность пузырьков газа остается постоянной. Для полного насыщения обрабатываемой воды диспергированным газом над фильтр-патронами поддерживается расчетный уровень воды.

Обработанная вода через патрубок со штуцером А2 (16) выводится из мобильной установки. Далее вода H₂S с минимальным остаточным содержанием сероводорода, направляется на мобильную установку нейтрализации для окончательной очистки высокоэффективными реагентами, обладающими высокой скоростью реакции и большой емкостью поглощения.

Контроль концентрации H₂S на выходе воды после каждой стадии очистки (колонны МКА, сосуда СВД) осуществляется поточными анализаторами сероводорода. Данные анализаторов передаются на АРМ-оператора. Кроме этого, степень очистки контролируется результатами лабораторных анализов проб, проводимых по установленному графику (2 раза в сутки).

Очищенная технологическая вода водозаборных скважин после отдувки и окончательной нейтрализации сероводорода, подается на блок манифольда МБКНС, где происходит смешивание с пластовой водой от мобильной установки подготовки нефти. Объединенный поток поступает на вход насосов МБКНС для закачки в пласт по системе ППД.

Заявленная мобильная установка очистки воды от сероводорода, обеспечивает десятикратное снижение концентрации содержания сероводорода в технологической воде водозаборных скважин с 300 ÷ 350 мг/л до 20÷30 мг/л, за счет применения двухступенчатой технологии отдувки сероводорода из воды попутным нефтяном газом в массообменном колонном аппарате с регулярными насадками АВР и сосуде, работающем под давлением, объединенных в единый моноблок.

Кроме того, за счет замкнутой системы процесса аэрации в герметичном моноблоке исключается риск попадания сероводорода в окружающую среду.

Заявляемое техническое решение позволяет на ранней стадии разработки месторождения оперативно ввести в работу мобильную БКНС и, организовав своевременную закачку воды, стабилизировать пластовое давление и обеспечить прирост темпов добычи ранней нефти.

Кроме экономической и технологической эффективностей очистки, заявленная мобильная установка обеспечивает следующие преимущества:

- оперативность ввода в эксплуатацию, за счет безфундаментной установки МКА;

- оптимизация технологической схемы: отпадает необходимость в коммуникациях двух отдельно стоящих технологических аппаратов (МКА и СВД);

- оптимизация реагентного хозяйства установки подготовки воды;

- кратное сокращение эксплуатационных расходов на водоподготовку;

- снижение рисков воздействия опасных производственных факторов на окружающую среду (выбросы сероводорода в атмосферу).

Заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна» вследствие того, что совокупность заявляемых признаков не существует в объектах известного уровня техники (общедоступных сведений, знаний, информации).

Заявляемое изобретение является промышленно применимым, так как оно осуществлено промышленным способом, смонтировано на мобильной УПН вновь разрабатываемого месторождения одной из нефтяных компаний и отличительные признаки устройства позволили получить заданный технический результат.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и предназначено для осуществления технологии очистки воды от сероводорода перед подачей ее в систему поддержания пластового давления (ППД) для последующей закачки в пласт месторождения нефти. Мобильная установка очистки воды от сероводорода представляет собой моноблок, включающий сосуд, работающий под давлением (СВД), и интегрированный с ним массообменный колонный аппарат (МКА). СВД и МКА расположены перпендикулярно по отношению друг к другу. МКА снабжен противоточными регулярными насадками с вертикальными контактными решетками и представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, оборудованный в верхней части эллиптическим днищем, в котором расположены штуцер для вывода газа, обогащенного сероводородом, штуцер для датчика давления и штуцер для датчика температуры. В верхней части СВД размещено устройство напорной аэрации, которое включает размещённый горизонтально по всей длине сосуда трубопровод со штуцером для подачи газа. К трубопроводу на равном расстоянии друг от друга присоединены вертикальные распределительные коллекторы, перпендикулярно к которым присоединены горизонтальные рампы, отходящие в разные стороны от места крепления. На горизонтальных рампах посредством патрубков крепятся фильтр-патроны. В нижней части СВД оборудован штуцер для вывода очищенной воды, пригодной для подачи в систему ППД. Технический результат: снижение концентрации содержания сероводорода в обезвреженной воде H₂S при минимальных капитальных затратах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Мобильная установка очистки воды от сероводорода для закачки в пласт, представляющая собой моноблок, в состав которого входят два взаимно перпендикулярно размещенных сосуда: горизонтальный сосуд высокого давления с расположенным в нем устройством напорной аэрации и интегрированный с ним вертикальный массообменный колонный аппарат, снабженный регулярными насадками с вертикальными контактными решетками.

2. Мобильная установка очистки воды от сероводорода для закачки в пласт по п. 1, включающая вертикальный массообменный колонный аппарат, снабженный регулярными насадками с вертикальными контактными решетками, который в верхней части оборудован эллиптическим днищем, в котором расположены штуцер для вывода газа, обогащенного сероводородом, после процесса отдувки; штуцер для датчика давления, штуцер для датчика температуры; штуцер для ввода технологической воды водозаборных скважин, под которым установлены узлы ввода и орошения; в нижней части смонтирована горизонтально направленная перфорированная труба, соединенная со штуцером, через который противотоком к очищаемой воде подается попутный нефтяной газ, предварительно подготовленный на мобильной установке подготовки нефти; кроме того, нижняя часть массообменного колонного аппарата снабжена аппаратным фланцем для присоединения массообменного колонного аппарата с сосудом, работающим под давлением.

3. Мобильная установка очистки воды от сероводорода для закачки в пласт по п. 1, в которой на обечайке горизонтального сосуда, работающего под давлением, оборудована цилиндрическая переходная стойка, размер отверстия которой равен внутреннему диаметру массообменного колонного аппарата для обеспечения сквозного беспрепятственного стекания обработанной очищаемой технологической воды водозаборных скважин, для этого на цилиндрической переходной стойке над отверстием в месте сопряжения вертикально стоящего массообменного колонного аппарата и горизонтального сосуда, работающего под давлением, приварен ответный аппаратный фланец; в нижней части СВД оборудован штуцер для вывода очищенной воды, пригодной для подачи в систему поддержания пластового давления для последующей закачки в пласт месторождения нефти, при этом горизонтальный сосуд содержит устройство напорной аэрации, включающее горизонтальный трубопровод со штуцером для подачи газа, к которому на равном расстоянии друг от друга приварены вертикальные распределительные коллекторы, перпендикулярно к которым присоединены горизонтальные рампы, отходящие в разные стороны от места крепления, в свою очередь к горизонтальным рампам посредством патрубков прикреплены фильтр-патроны.

4. Способ очистки воды от сероводорода для закачки в пласт, включающий процесс двухступенчатой очистки, первая ступень представляет собой десорбцию сероводорода в вертикальном массообменном колонном аппарате с противоточными регулярными насадками с вертикальными контактными решетками; вторая ступень - доочистка воды напорной аэрацией в горизонтальном сосуде, работающем под давлением, при этом доочистка напорной аэрацией осуществляется посредством диспергирования обессеренного газа через устройство напорной аэрации.