Екология/4. Промышленная екология и медицина труда

УДК 628.543.15:622.24:541.183 (043.3)

д.тех.н. А.П. Мельник*, Н. М. Німець*, д.тех.н. М. О. Подустов**

* Український науково-дослідний інститут природних газів (УкрНДІгаз), Україна

** Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна

ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

ПРИ ПОВЕРНЕННІ СУПУТНЬО-ПЛАСТОВИХ ВОД НАФТОГАЗОКОНДЕНСАТНИХ РОДОВИЩ

Раніше нами запропоновано, для підвищення екологічної безпеки повернення супутньо-пластових вод (СПВ) з одержанням йоду, використовувати озоноповітряну суміш замість соляної та сульфатної кислот, хлору, двоокису сірки [1, 2]. Під час озонування СПВ для одержання йоду в ряді випадків необхідно застосовувати надлишок озону. Для того, щоб зменшити його викиди у навколишнє середовище досліджено можливість використання озонованого повітря для перетворень іонів Fe²⁺ в іони Fe³⁺, які відбуваються згідно реакції: 4 Fe²⁺ + 2/3 О₃ + 2 Н₂О → 4Fe(ОН)₃. Також відомо, що для більш ефективного виділення механічних домішок і вуглеводнів використовують флокулянти та коагулянти [3]. Одним з таких реагентів є солі заліза, які, наприклад, у вигляді гідроксиду (Fe(OH)₃) випадають в осад з прихваченими механічними домішками.

Для озонування використано розчин сульфату заліза (ІІ) (з концентрацією іонів Fe²⁺ – 13,5 мг/дм³) та модель супутньої пластової води складу, г/дм³: калію йодид 0,065; калію бромід 1,3414 натрію хлорид 200; заліза (Fe²⁺) сульфат 0,1194. Озонування здійснено як в [1].

Озонування розчину сульфата заліза (ІІ) (з концентрацією іонів Fe²⁺ – 13,5 мг/дм³) вказує на те, що така реакція відбувається, але з значно меншою швидкістю, ніж озонування йодид-іонів [1,2]: а а

t, с 0 60 120 180 240 300 360 480 600

Fe²⁺, мг/л 13,5 12,1 11,6 9,9 8,2 6,9 6,1 5,1 3,9

Необхідно також відмітити і те, що іони Fe²⁺ можуть перетворюватись в іони Fe³⁺ згідно реакції: Fe²⁺ + О₂ + Н₂О → 4 Fe(ОН)₃. Але швидкість цієї реакції значно менша порівняно з попередньою, що підтверджують зміни концентрації Fe²⁺ з часом реакції:

t, хв. 0 30 60 90 120 150

Fe²⁺, мг/л 13,5 12,1 10,9 9,5 8,6 8,0

При озонуванні СПВ важливо знати те, наскільки іони Fe²⁺ перетворюються в іони Fe³⁺ від часу озонування моделі СПВ приведено на рис. 1.

(а) (б)

Рис. 1. Зміни концентрацій іонів Fe²⁺ (а) (С₂) і іонів Fe³⁺ (б) (С₃) від часу озонування

Одержані результати свідчать, що з збільшенням часу озонування зменшується концентрація іонів Fe²⁺ (рис.1а). При цьому спостерігається чітка лінійна залежність, яка підтверджується коефіцієнтом 0,9941 рівняння регресії. В той же час, що з збільшенням часу озонування спостерігається антибатна залежність для змін концентрації іонів тривалентного заліза (рис.1 (б)), а саме: при зменшенні концентрації іонів Fe²⁺ відбувається збільшення концентрації іонів Fe³⁺ за лінійною закономірністю з коефіцієнтом рівняння регресії 0,9858. Близькі до 1 коефіцієнти рівнянь регресії свідчать про високу достовірність одержаних результатів. Для того, щоб встановити повноту перетворення іонів Fe²⁺ в Fe³⁺ і виключити чи встановити перебіг побічних реакцій одержані поточні концентрації співставлено наступним чином.

На основі змін концентрацій іонів заліза розраховано зменшення іонів Fe²⁺ (∆С₂= Fe₀₂ - Fe_п2) і збільшення іонів Fe³⁺ (∆С₃=F₀₃ + Fe_п3) та одержано залежність (рис.2), з якої витікає те, що зменшенню іонів Fe²⁺ відповідає практично таке ж збільшення іонів Fe³⁺, оскільки у рівнянні регресії y = ∆С₂ майже не відрізняється від х = ∆С₃, що підтверджує коефіцієнт 1,0791 у рівнянні регресії (рис. 2).

Рис. 2. Залежність змін концентрацій іонів Fe²⁺ (∆С₂) від змін концентрацій іонів Fe³⁺ (∆С₃)

Одержані результати вказують на те, що іони Fe²⁺ можна швидко перетворювати в іони Fe³⁺ та зменшити час відстоювання СПВ з ≈ 3 діб до ≈ 1 – 2 год, оскільки через такий час спостерігається їх коагуляція і випадіння в осад. Враховуючи те, що під час озонування для отримання йоду необхідний надлишок озону [1, 2], то запропоновано його використовувати для одержання іонів Fe³⁺. При цьому, як видно з рис. 3, повне перетворення іонів Fe²⁺ в іони Fe³⁺ відбувається при мольно-іонному відношенні озон:Fe²⁺ 1.17:1 через 160 с.

Рис. 3. Ступінь перетворення (СП) іонів Fe²⁺ в іони Fe³⁺ від мольно-іонного відношення озон:Fe²⁺

Очевидно, що при використанні відпрацьованої озоноповітряної суміші кількість озону зменшуватиметься відповідно з концентрацією іонів Fe²⁺, що суттєво зменшує викиди озону в атмосферу. У випадку застосування озоноповітряної суміші тільки для перетворень іонів Fe²⁺ в іони Fe³⁺ необхідно використовувати згідно (рис. 3) озону на ≈ 15 % більше від теоретичного. У такому випадку залишкова концентрація озону у повітрі 0,021 % об. І, таким чином, ця кількість озону потраплятиме в атмосферу. При дебіті води однією з свердловин 12 м³/добу з концентрацією іонів Fе²⁺ 62 г/м³ у ній знаходиться 0,555 г-моль/год іонів Fе²⁺. Для перетворення іонів Fe²⁺ у іони Fe³⁺ необхідно 0,555 х 1,17 = 0,649 г-моль/год (31,17 г/год) озону. Час озонування 160 с. Початкова концентрація озону 3,017 мг/л повітря. Тоді об’єм повітря з озоном 31170/3,017 =10331 дм³/год (10,3331 м³/год). Після озонування у повітрі залишається 0,021 % об.(46,4 мг/год) озону або 46,4/10,331=4,5 мг/м³. При розповсюдженні відпрацьованої озоноповітряної суміші ≈ 10,3 м³/год в радіусі 1000 м і висотою 20 м залишкова концентрація озону значно менше гранично допустимої концентрації 0,16 мг/м³ [4] у повітрі населених пунктів. Таким чином за рахунок озонування СПВ суттєво зменшується час утворення осадів гідроксидів заліза і, як наслідок, зменшується час підготовки вод, що і зумовлює підвищення екологічної безпеки при поверненні у пласт.

На основі цих і попередньо одержаних результатів [1, 2] запропоновано блок-схему повернення СПВ у пласт з вилученням йоду (рис. 4).

повітря

в пласт

Рисунок 4 – Блок – схема одержання йоду з СПВ газоконденсатних родовищ,

де ОСПВ – СПВ після озонування; ОПС – озоноповітряна суміш після озонування

Література:

1 Немец Н.Н. О превращении йодид-ионов попутно-пластовых вод газоконденсатных месторождений в йод под воздействием озона. Вісник НТУ “ХПІ”. Серія: Інноваційні дослідження в наукових роботах, Харків, 2016. №16 (1191).- С.14-18.

2 Німець Н. М., Мельник А.П., Подустов М.О. Екологічна безпека супутньо-пластових вод і одержання йоду. Вісник ХНУ ім.. В.Н. Каразіна. Серія “Геологія. Географія. Екологія”. – Харків, 2016.- Вип.45.- С.159-168.

3 Ланина, Т.Д. Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов [Текст]: монография /Т.Д. Ланина, В.И. Литвиненко, Б.Г. Варфоломеев. – Ухта: УГТУ, 2006. – 172 с.

4 Державні санітарні правила охорони атмосферного повітря населених місць (від забруднення хімічними та біологічними речовинами).
Наказ Міністерства охорони здоров'я України. № 201 від 9.07.1997 р.