Ланина Т.Д., Литвиненко В.И., Варфоломеев Б.Г. Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов

41

Таблица 2.3

Химический состав примесей в резервуарах-отстойниках

Состав примесей, % масс.

Точка отбора

Вода

Нефт

ь

Ас-

фаль-

тены

Парафи-

ны

Смо-

лы

Мех-

при-

меси

Состав

мехпри-

месей

РВС-10000 УПН «Уса»

1 м от днища

резервуара

48,16

43,5 1,53 Не опр. 5,34 1,47

CaCO

3

SiO

2

2 м от днища

резервуара

36,8 50,4 3,50 Не опр. 8,37 0,89

CaCO

3

SiO

2

3 м от днища

резервуара

44,0 44,3 3,25 Не опр. 7,63 0,80

CaCO

3

SiO

2

4 м от днища

резервуара

21,38

65,3 3,69 Не опр. 9,20 0,38 Не опр.

5 м от днища

резервуара

26,0 61,3 3,89 Не опр. 8,28 0,54

следы

CaCO

3

6 м от днища

резервуара

Отс. 86,1 2,35 Не опр. 11,54 0,03 Не опр.

7 м от днища

резервуара

0,09 87,6 2,46 Не опр. 9,82 0,04 Не опр.

8 м от днища

резервуара

0,09 86,8 1,88 Не опр. 11,23 0,03 Не опр.

Промежуточ-

ный слой

16,7 70,3 3,24 Не опр. 10,01 0,29

FeS, CaCO

3

Mg(OH)

2

РВС-5000 УПН «Возей»

1 блок проме-

жуточный слой

24,0 22,1 4,87 47,0 1,73 0,33 Не опр.

2 блок проме-

жуточный слой

50,6 40,3 1,62 Не опр. 6,92 0,58

FeS, CaCO

3

Mg(OH)

2

Донные отлож.

в очистных со-

оружениях

Отс. 22,7 51,0 23,0 3,31 Отс. -

Вещественный состав водонефтяной эмульсии в резервуаре РВС-10000

изменялся в следующих пределах (% масс.): вода – 0,09-48,16; нефть – 43,5 -

87,6; асфальтены – 1,53-3,89; смолы – 5,34-11,54; мехпримеси – 0,03-1,47. Осо-

бо следует отметить состав промежуточного слоя между нефтью и водой

(% масс.): вода – 16,7; нефть – 70,3; асфальтены – 3,24; смолы – 10,01; мехпри-

меси – 0,29.

Механические примеси, по данным рентгенофазового и химического ана-

лиза, представлены сульфидом железа FeS, карбонатом кальция CaCO

3

, гидро-

окисью магния Mg(OH)

2

и окисью кремния SiO

2

. Сульфид железа закономерно

42

концентрируется в промежуточном слое. Рабочая высота аппарата, где проис-

ходит разделение водонефтяной эмульсии, составляла 5 м, механические при-

меси представлены здесь карбонатом кальция и окисью кремния.

Донные отложения в резервуаре-отстойнике представлены, главным об-

разом, органической фазой, основную долю в которой составляют асфальтены

(50%). На высоте от 6 до 8 метров от днища резервуара

формировалась устой-

чивая эмульсия, основную долю в которой составляла чистая нефть (87%), доля

мехпримесей незначительна (0,03%). Анализ состава эмульсии показал, что по

высоте резервуара происходит значительное изменение лишь в соотношении

нефти и воды, увеличение же количества смол незначительно, а количество ас-

фальтенов и мехпримесей остается практически постоянным по всей высоте

аппарата.

Преимущественно органический

состав взвешенных веществ определяет

их относительно низкую плотность и малую скорость оседания (1,25·10

-5

м/с),

что создает существенные трудности при очистке попутных вод от нефти и

взвешенных веществ.

Дисперсный состав взвешенных веществ (ВВ) определялся по известной

методике с использованием торзионных весов [33]. Радиус частиц определяли

по уравнению

τρ

µ

⋅⋅∆

=

81,92

9 H

r

,

где r

– радиус частиц, м;

µ

– динамическая вязкость эмульсии, равная 0,81·10

-3

с/м

2

;

∆ρ

– разность плотностей, кг/м

3

;

τ

– время, с.

Плотность хлопьев ВВ (по нашим данным) составляла 1,07 г/см

3

, пласто-

вой воды – 1,017 г/см

3

. Полученная дифференциальная кривая распределения

ВВ по их размерам приведена на рис. 2.5.

Опытная дисперсия была аппроксимирована нормально-логарифмичес-

ким законом распределения [34]:

(

)

∆

a

r

rr

=−

−

⎡

⎣

⎢

⎤

⎦

⎥

∗

1

2

σπ

σ

ln

exp

ln ln

,

где

∆

a

r

– плотность распределения;

σ

ln

2

– дисперсия распределения;

r

∗

– математическое ожидание, равное среднему объемно-

геометрическому радиусу;

a – накопленная частость, накопленный объем (масса).

Получено, что для исследованных частиц ВВ их средний объемно-

геометрический радиус (при

a = 05, ) составил 9 мкм.

Определение размера частиц эмульгированной нефти было проведено

по методике ВНИИСПТнефти [35] с использованием сосудов Спильнера (вы-

сота отстоя Н = 0,4 м). Исследован дисперсный состав на входе и выходе

43

очистных сооружений РВС-5000 и РВС-10000. Плотности нефти ρ

н

и пласто-

вой воды ρ

в

для РВС-5000 и РВС-10000 составляли 827 и 1022; 878 и

1018 кг/м

3

соответственно.

Рис.2.5 Дифференциальная кривая распределения взвешенных

веществ по их размерам

Дифференциальные кривые распределения частиц нефти по их размерам

приведены на рис. 2.6

Рис.2.6. Дифференциальная кривая распределения частиц нефти

на входе в РВС-10000:

1,2,3 – концентрация нефтепродуктов 196, 219 и 312 мг/л соответственновенно

44

Опытные распределения хорошо согласуются с законом нормально-

логарифмического распределения: опытные точки располагаются в вероятност-

ных координатах около прямых.

Величину среднего радиуса характеризовали средним объемно-

геометрическим радиусом r

vг

(r

vг

соответствует накопленной частости а = 0,5).

Опытные значения объемно-геометрических радиусов приведены в ниже

расположенной по тексту таблице 2.4.

Таблица 2.4

Место отбора пробы r

vг

, мкм

⎯r

vг

, мкм

Вход очистных сооружений РВС-10000 9,5;14,5;18,0 14,0

Выход очистных сооружений РВС-10000 7,8;8,6;14,0 10,1

Вход очистных сооружений РВС-5000 14,5;14,0;14,0 14,2

Выход очистных сооружений РВС-5000 12,3;13,0;12,5 12,6

Анализ экспериментальных данных показал, что размеры частиц нефти,

поступающей в пластовой воде на РВС-10000, пропорционально возрастают с

увеличением общего содержания нефти в воде (рис. 2.7 – 2.10). Размеры капель

нефти в воде, поступающей на очистные сооружения РВС-5000, практически не

зависят от первоначального содержания нефти в эмульсии (рис. 2.11) Таким

образом, можно предположить, что водонефтяная эмульсия

Возейского место-

рождения характеризуется большей устойчивостью и в ней не происходит ук-

рупнение капель нефти за счет коалесценции. Это подтверждается большим со-

держанием естественных стабилизаторов эмульсии в нефти Возейского место-

рождения (табл. 2.3).

Рис.2.7. Дифференциальная кривая распределения частиц нефти на

выходе из РВС-10000.

Исходное содержание нефти : 1 – 172; 2 – 308; 3 – 312 мг/л

45

Рис.2.8. Дифференциальная кривая распределения частиц нефти

на входе РВС-5000.

Исходное содержание нефти: 1 – 108; 2 – 750; 3 – 4000 мг/л

Рис.2.9. Дифференциальная кривая распределения частиц нефти

на выходе из РВС-5000.

Исходное содержание нефти: 1 – 1400; 2 – 3100; 3 – 176 мг/л

46

Рис.2.10. Зависимость размеров глобул нефти Усинского месторождения

от начального ее содержания в эмульсии :

1 – вход в РВС; 2 – выход из РВС

Рис.2.11. Зависимость размеров глобул нефти Возейского месторождения

от начального ее содержания в эмульсии:

1– вход в РВС; 2 – выход из РВС

47

2.2. Структура потоков в отстойниках

Возрастающие объемы попутно добываемой пластовой воды, повышение

требований к качеству очистки требуют научно обоснованного анализа эффек-

тивности применяемого в нефтяной и газовой отрасли очистного оборудования.

Из-за несовершенства внутренних устройств распределения потока поступаю-

щей на отстой жидкости и завышенной производительности оборудования, не

всегда удается достичь требуемой степени очистки водонефтяной эмульсии. В

случае ухудшения очистки пластовых вод от нефти можно нормализовать рабо-

ту очистных сооружений правильно задавая необходимое время отстоя.

С целью уточнения реального времени отстоя, выбора промыслового

оборудования по полученным параметрам продольного перемешивания (коэф-

фициенту продольного перемешивания Е и критерию Пекле Ре) были проведе-

ны гидродинамические исследования работы промысловых и модельных

от-

стойников [35-39]. Изучались промысловые отстойники РВС с унифицирован-

ными распределителями потока жидкости (УРПЖ) (рис. 2.2) и РВС с лучевыми

распределителями (рис. 2.1). В качестве модельных изучались геометрически

подобные отстойники (диаметром 600 мм) с существующими распределитель-

ными устройствами реальных промышленных аппаратов (УРПЖ и лучевыми

распределителями).

Характерной особенностью очистки нефтесодержащих вод промыслов

являются трудности коалесценции флокул

, обусловленные стабилизацией по-

верхности сульфидом железа и естественными поверхностно-активными веще-

ствами (асфальтенами, смолами и др.). Оптимизировать очистку таких сточных

вод можно путем создания системы распределения потоков жидкости, работаю-

щих в пленочном режиме истечения при одновременном использовании гидро-

фобного слоя нефти. Из этих соображений были испытаны модельные отстой-

ники с

распределителем в виде «чаши» (рис. 2.12) и с распределителем потока в

виде вертикальных труб (рис. 2.13). Высота подъема вертикальных труб h над

поверхностью жидкости принимала значение 1 и 3 см.

Для определения параметров продольного перемешивания использова-

лись кривые «отклика» – зависимости изменения концентрации индикатора с

τ

во времени на выходе из аппарата при условии его ввода на вход аппарата. В

качестве индикатора для промышленных отстойников применяли краситель

«Фантазия», для модельных – индиго. Концентрацию индикатора в потоке на

выходе из резервуара измеряли при помощи фотоколориметра.

Кривые отклика обрабатывались в безразмерных координатах: приведен-

ная концентрация C = c

τ

/c

p

и приведенное время θ = τ/τ

p

, где c

τ

– концентрация

трассера на момент времени τ, c

p

– рассчитанная на полный объем аппарата

средняя концентрация трассера, τ

p

– среднее расчетное время пребывания жид-

кости в аппарате, равное отношению его объема к расходу.

Функция распределения времени пребывания потока в аппарате является

типичной функцией распределения случайной величины, поэтому для нахож-

дения среднего значения времени пребывания θ

ср

использовали зависимость

48

∫

∞

=

0

θ

θθ

θ

Cd

ср

.

Численные значения интегралов определяли при помощи формулы

Симпсона [40].

При анализе структуры потоков в отстойниках пользовались однопара-

метрической диффузионной моделью, поскольку в отстойниках нет четкого

секционирования и они характеризуются ограниченным отношением L/D. Яче-

ечная модель в данном случае менее информативна.

С достаточной степенью точности в аппаратах промежуточного типа с

открытыми рабочими зонами

критерий Пекле Ре и дисперсия времени пребы-

вания жидкости в аппарате σ

2

связаны выражением [41]:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

−Pe

e

PePePe

11

1

2

σ

Дисперсия σ

2

вычисляется по уравнению

()

∫

∞

−=

0

2

1

θθσ

Cd

.

Зная критерий Пекле, по выражению

Pe

Hu

E

⋅

=

определяли коэффициент

продольного перемешивания Е (u – линейная скорость движения воды, м/с; Н –

определяющий размер аппарата, м).

Рис.2.12. Модельный отстойник с распределителем в виде «чаши»

1 – ввод сточной воды; 2 – вывод очищенной воды; 3 – вывод нефти

D=200

D=600

Н=200

1

2

3

49

Рис. 2.13. Модельный отстойник с распределителем в виде

вертикальных труб

1 – ввод сточной воды; 2 – вывод очищенной воды; 3 – вывод нефти

Экспериментальные кривые отклика промышленных и модельных от-

стойников приведены на рис. 2.14 – 2.16. Гидродинамические характеристики

работы отстойников приведены в результирующей таблице 2.4.

Кривые отклика отстойников с УРПЖ (рис. 2.14) по форме характерны

для аппаратов промежуточного типа (за исключением кривой отклика модель-

ного отстойника при производительности 0,036 м

3

/ч с характерной для аппара-

тов идеального перемешивания формой затухающей экспоненты). В основном,

в аппаратах с УРПЖ отсутствуют короткие байпасные линии (приведенная

концентрация трассера С на уровне 1). Отличительной особенностью отстойни-

ков с УРПЖ является близость среднего времени пребывания жидкости в аппа-

рате θ

ср

к расчетному θ

р

(θ

ср

≈0,94-0,95), что свидетельствует об эффективном

использовании рабочего объема аппарата и малом удельном объеме застойных

зон. Отстойники с УРПЖ ближе других аппаратов к аппаратам идеального вы-

теснения, они характеризуются большими значениями критерия Пекле: для

промышленного отстойника РВС-10000 Ре = 17,5 против Ре = 2,0-4,8 для про-

мышленных отстойников РВС-5000 с лучевыми распределителями потока жид-

кости. Модельные

отстойники также характеризуются большими значениями

Ре при одинаковых производительностях: 5,9-8,4 против 3,6-5,02.

Наиболее неудачной с точки зрения структуры потоков оказались от-

стойники с лучевыми распределителями потока жидкости: для промышленных

отстойников Ре=2,0-4,8; низко среднее время пребывания жидкости в аппарате

θ

ср

=0,19-0,48, что свидетельствует о значительном объеме застойных зон в ап-

1

3

2

D=600

D=5

Н=200

50

парате (52-71%) (рис. 2.25). Длинные хвостовые участки выходных кривых мо-

дельных отстойников также характерны для потоков с застойными зонами.

Среднее время пребывания жидкости в модельных отстойниках с лучевыми

распределителями (табл. 2.5) θ

ср

=0,71 также ниже, чем у модельных отстойни-

ков с УРПЖ (θ

ср

=0,95). Резкое превышение с=1 по приведенной концентрации

трассера С у промышленных отстойников с лучевыми распределителями

(С∼2,7-3,0) свидетельствует о наличии в аппаратах коротких байпасных линий.

Кривые отклика модельных отстойников с вертикальными трубками и с

распределителем типа «чаша» близки по виду к кривым аппаратов промежу-

точного типа (рис. 2.21). Для них не характерны

короткие байпасы (максималь-

ная приведенная концентрация трассера С на уровне С≈0,8-1,0). Повышение

уровня подъема трубок над уровнем жидкости с h=1 см до h=3 см приводит к

снижению критерия Пекле (с 6,4-7,6 до 5,2-5,6), что свидетельствует об интен-

сификации явления продольного перемешивания. Отстойники с вертикальными

трубками обладают, по сравнению с модельными отстойниками с УРПЖ,

меньшими

значениями среднего времени пребывания жидкости (до 0,62-0,68),

что свидетельствует о появлении в этих отстойниках застойных зон (до 32-

38%). Кривая отклика с распределителем типа «чаша» близка к кривым отклика

модельных отстойников с вертикальными трубками (рис.2.16).

Ланина Т.Д., Литвиненко В.И., Варфоломеев Б.Г. Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов

Подождите немного. Документ загружается.