способ изготовления жидкостно-солевого раствора и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления жидкостно-солевого раствора, по которому отбирают исходный жидкостно-солевой раствор в виде исходного водно-солевого раствора природного происхождения и/или его полуфабриката с содержанием растворенных солей, обеспечивающих его начальную плотность _нач в пределах

1,0001 г/см³ _нач 1,140 г/см³,

и очищают его от газовых, и/или механических, и/или минеральных, и/или биологических примесей, подготовленный таким образом раствор последовательно концентрируют в N стадий, количество которых выбирают в пределах 2 N 12, увеличивают концентрацию и плотность раствора в процессе каждой i-й стадии, где 1 i 12, до промежуточного значения _i, которое выбирают в пределах

1,01 ( _кон+ _i)/( _нач+ _i) 1,09,

где конечную плотность _кон выбирают в пределах

1,05 г/см ³ _кон 1,20 г/см³,

для осуществления каждой из указанных стадий концентрируемый раствор последовательно пропускают через N конструктивно взаимосвязанных, подключенных к насосам высокого давления блоков обратного осмоса, составленных из емкостей концентрата и пермеата, разделенных соответственно мембранами обратного осмоса, на каждой осуществляемой i-стадии, используя явление обратного осмоса, повышают концентрацию водно-солевого раствора в i-емкости концентрата, для чего в каждой i-емкости концентрата используют давление в пределах 30-190 атм в интервале времени, в течение которого промежуточную плотность увеличивают до значения _i и так далее до достижения конечного значения _кон плотности.

2. Способ по п.1, по которому исходный водно-солевой раствор, представляющий собой пластовую или технологическую воду с содержанием солей ионов щелочных и щелочноземельных металлов и плотностью 1,005-1,050, очищают от посторонних примесей, постадийно концентрируют с помощью метода обратного осмоса до плотности 1,050-1,14 г/см³ при числе стадий концентрирования N, значение которого выбирают в качестве округленного до целого числа значения отношения

_А/ Р, при 2 N 12,

где _A - увеличение плотности раствора в данном процессе;

Р - эмпирическое среднее эффективное повышение плотности на каждом следующем блоке установки обратного осмоса,

затем доводят до заданной плотности в интервале значений 1,10-1,20 г/см³ добавлением солей щелочных и/или щелочноземельных металлов при выполнении соотношения

1,05 ( _А+ _В)/ _В 1,35,

где _В - повышение плотности раствора на стадии доведения до заданной плотности.

3. Способ по п.1, по которому исходный полуфабрикат жидкостно-солевого раствора с начальным содержанием C₁ растворенных солей очищают до достижения содержания в нем газовых С₂, и/или механических С₃ , и/или биологических C₄, и/или минеральных С ₅ примесей, каждое из которых выбирают в пределах

1 (C₁+C₂+C₃+C₄ +C₅)/C₁ 1,05.

4. Устройство изготовления жидкостно-солевого раствора, содержащее функционально и/или конструктивно взаимосвязанные между собой узел подачи и перекачивания растворов, узел очистки исходного раствора, технологические емкости и комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора, выполненный в виде установки обратного осмоса, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину _A, и составленный из N блоков концентрирования раствора, где 2 N 12, а также установки доведения раствора до заданной плотности, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину _В, при выполнении соотношения

1,05 ( _А+ _В)/ _В 1,35

и N, выбранном в качестве округленного до целого числа значения отношения _А/ Р, где Р - эмпирическое среднее эффективное повышение удельной плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано для приготовления солевого раствора для глушения скважин при их освоении и ремонте, а также в других отраслях народного хозяйства, в частности в коммунальном хозяйстве для целей поливания улиц для предотвращения гололеда, при изготовлении различных рассолов для получения и/или консервирования пищевых продуктов и других объектов и применений.

Известен способ глушения нефтяных и газовых скважин, включающий приготовление жидкости глушения в виде солевого раствора требуемой плотности и заливку его в скважину, отличающийся тем, что солевой раствор требуемой плотности готовят в опреснительной установке, при этом на ее вход подают отфильтрованную исходную сеноманскую воду от водозабора, а требуемую плотность солевого раствора на выходе из опреснительной установки достигают путем увеличения времени выпарки или выполнением выпарки в несколько этапов (патент РФ 2122629, МПК Е21В 43/12, C02F 1/04).

Недостатками указанного способа являются высокие энергозатраты на концентрирование раствора методом выпаривания, а также многостадийность и продолжительность процесса.

Для приготовления солевого раствора известно также применение устройства (узла), которое содержит емкости для гидродинамического перемешивания солевого раствора, шламовые насосы, трубопроводы и отличается тем, что снабжен дробилкой соли, загрузочным конвейером, дополнительными емкостями для хранения раствора соли оптимальной плотности, для запаса технической и горячей воды, емкостями блока химизации, отдельной емкостью для сбора шлама, соединенными трубопроводами через шламовые насосы с емкостями гидродинамического перемешивания солевого раствора, трехплунжерным насосом для дозированной подачи химреагентов в подготовленный солевой раствор, причем трубопровод подачи чистой воды в солевой раствор снабжен электроклапаном, а трубопровод выдачи готового солевого раствора имеет массовый расходомер (патент РФ 2264249, МПК B01F 1/00).

Недостатками указанного устройства являются необходимость использования привозных химических реагентов для получения раствора, в частности хлоридов натрия, магния и кальция, снижение вследствие этого экологической безопасности, а также низкая производительность процесса. Кроме того, использование привозных реагентов дорого и повышает стоимость всего процесса ремонта скважин.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ получения раствора глушения скважин из минерализованной пластовой воды методом выпаривания, отличающийся тем, что выпаривание производят в две ступени, причем на первой стадии выпаривают 75-85% исходной воды, к полученному рассолу добавляют исходную воду в соотношении (0,5-1,5):(0,5-1,5), а затем выпаривают раствор смешения до получения рассола заданной плотности, преимущественно 1,2 г/см³ (патент РФ 2107030, МПК C02F 1/04).

Основными недостатками указанного способа (способа-прототипа) являются высокие удельные энергозатраты, составляющие по данным, приведенным в патенте до 50 кВт*ч/м³ при получении концентрата плотностью 1,2 г/л и низкая производительность процесса, которая при мощности 50 кВт*ч может составлять (по литературным данным и нашим оценкам) 80-120 кг выпаренной воды (пара) в час. Необходимость работы с горячими соляными растворами диктует повышенные требования к коррозионной стойкости материалов устройств, используемых в данном способе, повышение требований техники безопасности, затрудняет обслуживание и автоматизацию процесса.

Решаемой задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков и достижение практического, технического результата в отношении значимого повышения эффективности процесса, а именно:

- снижение удельных энергозатрат при концентрировании раствора,

- повышение производительности процесса,

- снижение коррозионной агрессивности растворов,

- повышение экологической безопасности процесса, повышение удобства обслуживания и возможностей автоматизации, в том числе формирования жидкостно-солевой заглушки для нефтегазовой скважины.

Решение поставленной задачи достигается в заявляемом изобретении использованием для получения жидкостно-солевого раствора способа, согласно которому отбирают исходный жидкостно-солевой раствор в виде исходного водно-солевого раствора природного происхождения и/или его полуфабриката с содержанием растворенных солей, обеспечивающих его начальную плотность _нач в пределах

1,0001 г/см ³ _нач 1,140 г/см³,

и очищают его от газовых, и/или механических, и/или минеральных, и/или биологических примесей, подготовленный таким образом раствор последовательно концентрируют в N стадий, количество которых выбирают в пределах 2 N 12, увеличивают концентрацию и плотность раствора в процессе каждой i-й стадии, где 1 i 12 до промежуточного значения _i, которое выбирают в пределах

1,01 ( _кон+ _i)/( _нач+ _i) 1,09,

где конечную плотность _кон выбирают в пределах

1,050 г/см³ _кон 1,200 г/см³,

для осуществления каждой из указанных стадий обогащаемый раствор последовательно пропускают через N конструктивно взаимосвязанных, подключенных к насосам высокого давления блоков обратного осмоса, составленных из емкостей концентрата и пермеата, разделенных соответственно мембранами обратного осмоса, на каждой осуществляемой i-стадии, используя явление обратного осмоса, повышают концентрацию водно-солевого раствора в i-емкости концентрата, для чего в каждой i-емкости концентрата используют давление в пределах 30-190 атм в интервале времени, в течение которого промежуточную плотность увеличивают до значения _i, и так далее до достижения конечного значения _кон плотности.

Заявляемое изобретение является техническим решением, т.к. представляет собой способ, т.е. процесс осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств, а именно процесс осуществляется над материальным объектом - раствором с помощью различных материальных устройств - специальных установок и физических воздействий - давления.

Заявляемое изобретение промышленно применимо, т.к. может быть использовано в нефтегазодобывающей отрасли и других отраслях народного хозяйства, например коммунальном хозяйстве, и использует:

- пластовые и природные воды в тех формах, использование которых известно;

- устройства обратного осмоса, применение которых также известно.

Следует также заметить, что и назначение заявленного изобретения является актуальным и востребованным.

Заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить задачу повышения эффективности процесса получения жидкостно-солевого раствора для глушения скважин, что выражается в достижении следующих технических характеристик:

1. Снижение удельных энергозатрат при концентрировании жидкостно-солевого раствора для глушения скважин до плотности 1,20 г/л.

Энергозатраты на получение концентрата плотностью 1,12 г/л составляют 0,6 кВт*ч/м ³, а при получении концентрата плотностью 1,20 г/л составляют 1,0-1,2. Таким образом, эффективность заявляемого способа в отношении удельных энергозатрат по сравнению со способом-прототипом К _произв=Е_пр/Е_заявл повышается в 42-50 раз, где Е_заявл и Е_пр - удельные энергозатраты процесса получения концентрированного раствора соответственно по заявляемому способу и способу прототипу в кВт*ч/м³ (по данным прототипа Е_пр=50 кВт*ч/м³ при получении концентрата плотностью 1,2 г/л);

2. Повышение производительности процесса при концентрировании жидкостно-солевого раствора для глушения скважин до плотности 1,20 г/л.

При указанных выше энергозатратах (п.1) производительность процесса соответственно составляет 2,1 м³/ч и 1,8-1,9 м ³/ч. Таким образом, эффективность заявляемого способа в отношении производительности по сравнению со способом-прототипом D_произв=F_заявл/F_пр повышается в 15-26 раз, где F_заявл и F_пр - производительность процесса получения концентрированного раствора соответственно по заявляемому способу и способу-прототипу в м³/ч (по литературным и нашим данным Е_пр=0,08-0,12 м ³/ч при получении концентрата плотностью 1,2 г/л);

3. Снижение коррозионной агрессивности растворов.

Проведение процесса получения жидкостно-солевого раствора для глушения скважин при температурах окружающей атмосферы, а не при температуре кипения солевого раствора (более 100°С) резко повышает коррозионную стойкость конструкционных материалов установок и аппаратуры, используемых в процессе;

4. Повышение безопасности процесса, повышение удобства обслуживания и возможностей автоматизации.

Так как в процессе не используются горячие и кипящие агрессивные жидкости, то резко повышается надежность работы аппаратуры, расширяется возможность автоматизации, поскольку не требуется специальной защиты датчиков, повышается безопасность и удобство обслуживания процесса персоналом.

В обоснование вышеприведенных параметров процесса приводим следующие экспериментальные данные, сведенные в таблицу 1.

Таблица 1
№ , п/п	нач	N	Давление в емкости концентрата, атм	i	i	Заданное значение кон	Примечание
1	1,0001	1	25	1	1,03	1,05	Не удалось выйти на заданный параметр кон
2	0,0001	2	30	2	1,03	1,05	Выход на заданный параметр кон
3	1,14	8	190	7	1,18	1,20	Выход на заданный параметр кон
4	1,14	14	190	7	1,22	1,30	Не удалось выйти на заданный параметр кон
5	1,12	4	80	3	1,18	1,20	Выход на заданный параметр кон
6	1,05	8	80	7	1,16	1,20	Выход на заданный параметр кон
7	1,05	6	60	5	1,09	1,12	Выход на заданный параметр кон

Выше перечисленная совокупность существенных признаков, позволяющая достичь заявленного технического результата не известна из уровня техники, т.е. не известно применение данной совокупности существенных признаков с получением заявленного технического результата. Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Отличительными существенными признаками заявляемого изобретения являются:

- выбор, в качестве исходного продукта, раствора природного происхождения и/или его полуфабриката с содержанием растворенных солей, обеспечивающих его начальную плотность _нач, в пределах 1,0001 г/см³ _нач 1,14 г/см³, что расширяет возможность использования природных вод различного происхождения, в том числе и пластовых, а также позволяет использовать их полуфабрикаты с повышенной плотностью,

- очищение раствора от газовых, и/или механических, и/или минеральных, и/или биологических примесей, что также расширяет возможности использования раствора,

- последовательное концентрирование (обогащение) в N стадий, количество которых выбирают в пределах 2 N 12, увеличивают концентрацию и плотность раствора в процессе каждой i-й стадии, где 1 i 12 до промежуточного значения _i, которое выбирают в пределах 1,01 ( _кон+ _i)/( _нач+ _i) 1,09,

где конечную плотность _кон выбирают в пределах 1,05 г/см³ _кон 1,20 г/см³,

для осуществления каждой из указанных стадий обогащаемый раствор последовательно пропускают через N конструктивно взаимосвязанных, подключенных к насосам высокого давления блоков обратного осмоса, составленных из емкостей концентрата и пермеата, разделенных соответственно мембранами обратного осмоса, на каждой осуществляемой i-стадии, используя явление обратного осмоса, повышают концентрацию водно-солевого раствора в i-емкости концентрата, для чего в каждой i-емкости концентрата используют давление в пределах 30-190 атм в интервале времени, в течение которого промежуточную плотность увеличивают до значения _i и так далее до достижения конечного значения _кон плотности.

Последнее позволяет выбирать оптимальные режимы проведения процесса для получения заданной плотности раствора, а именно количество стадий и давление, что значительно повышает эффективность процесса.

Из современного уровня техники не известно, что применение указанной совокупности отличительных существенных признаков способно положительно влиять на достижение заявленного технического результата.

С другой стороны, использование указанной совокупности существенных признаков для получения жидкостно-солевого раствора для глушения скважин также не следует для специалистов явным образом из уровня техники, т.к. не является объединением, изменением или совместным использованием сведений, содержащихся в уровне техники, и/или общих знаний специалиста.

Полезными модификациями описанного выше заявляемого способа является способ, согласно которому исходный водно-солевой раствор, представляющий собой пластовую или технологическую воду с содержанием солей ионов щелочных и щелочноземельных металлов и плотностью 1,005-1,050, очищают от посторонних примесей, постадийно концентрируют с помощью метода обратного осмоса до плотности 1,050-1,14 г/см³ при числе стадий (ступеней) концентрирования N, значение которого выбирают в качестве округленного до целого числа значения отношения _А/ Р при 2 N 12,

где _А - увеличение плотности раствора в данном процессе, а Р - эмпирическое среднее эффективное повышение плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса, и затем доводят до заданной плотности в интервале значений 1,10-1,20 г/см³ добавлением солей щелочных и/иди щелочноземельных металлов при выполнении соотношения

1,05 ( _А+ _В)/ _В 1,35,

где _В - повышение плотности раствора на стадии доведения до заданной плотности.

Другой полезной модификацией заявляемого способа является способ, по которому исходный полуфабрикат жидкостно-солевого раствора с начальным содержанием C₁ растворенных солей очищают до достижения содержания в нем газовых С₂, и/или механических С₃, и/или биологических С₄, и/или минеральных С₅ примесей, каждое из которых выбирают в пределах 1 (C₁+C₂+C₃+С₄ +С₅)/C₁ 1,05.

Обе модификации являются частными случаями использования основного способа, направленными на усиление эффекта изобретения, расширение его возможностей и удобства применения, являются техническим решением, т.к. представляет собой способ, т.е. процесс осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств, а именно применение раствора в определенной форме по отношению к субъекту и в силу известности материальных средств и объектов, промышленно применимы.

В обоснование вышеприведенных параметров процесса приводим следующие экспериментальные данные, полученные при давлении в блоках обратного осмоса, равным 60 атм и сведенные в таблицу 2.

Таблица 2
№ п/п	нач, г/см3	(C1+C2+C3+С4+С 5)/C1	N	А, г/см3	Р, г/см3	В, г/см3	кон, г/см3	Примечание
1	1,003	1,06	12	0,137	0,01	-	1,14	Не удалось выйти на заданный параметр кон
2	1,005	1,05	12	0,135	0,01	-	1,14	Выход на заданный параметр кон
3	1,05	1,05	5		0,02	-	1,14	Выход на заданный параметр кон
4	1,005	1,02	2	0,045	0,02	-	1,05	Выход на заданный параметр кон
5	1,05	1,00	4	0,7	0,02	-	1,12	Выход на заданный параметр кон
6	1,05	1,00	14	0,11	0,008	-	1,16	Не удалось выйти на заданный параметр кон
7	1,005	1,02	4	0,075	0,02	0,02	1,10	Выход на заданный параметр кон. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого натрия.
8	1,05	1,02	3	0,05	0,02	0,02	1,12	Выход на заданный параметр кон. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого магния.
9	1,14	1,02	-	-	-	0,06	1,20	Выход на заданный параметр кон. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого кальция.
10	1,14	1,02	-	-	-	0,08	1,22	Не удалось выйти на заданный параметр кон. Доведение до заданной плотности осуществляли добавками хлористого кальция.

Для осуществления вышеописанного способа в заявляемом изобретении предлагается устройство изготовления жидкостно-солевого раствора, содержащее функционально и/или конструктивно взаимосвязанные между собой узел подачи и перекачивания растворов, узел очистки исходного раствора, технологические емкости и комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора, выполненный в виде установки обратного осмоса, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину _А и составленный из N блоков концентрирования раствора, где 2 N 12, a также установки доведения раствора до заданной плотности, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину _В, при выполнении соотношения 1,05 ( _А+ В)/ В 1,35 и N, выбранном в качестве округленного до целого числа значения отношения А/ Р, где Р - эмпирическое среднее эффективное повышение удельной плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса.

Блок-схема описанного устройства приведена на чертеже.

Обозначения, использованные на чертеже:

I - технологические емкости,

Ia - накопительная емкость исходного раствора,

Iб - накопительная емкость очищенного раствора,

Iв - накопительная емкость концентрата;

II - узел подачи и перекачивания растворов;

III - узел очистки исходного раствора;

IV - комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора,

1, 2, 3 12 - блоки концентрирования установки обратного осмоса,

13 - установка доведения раствора до заданной плотности.

Действие устройства осуществляется следующим образом.

Исходный водно-солевой раствор природного происхождения и/или его полуфабрикат поступает из накопительной емкости (Iа) с помощью насосов, установленных в блоке узла подачи и перекачивания растворов (II) на узел очистки исходного раствора (III), очищенный раствор с помощью насосов (II) передается для концентрирования в комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора (IV), где проходит концентрирования сначала на блоках обратного осмоса (1, 2, 3 12), а затем в установке доведения раствора до заданной плотности (13), полученный концентрат подается с помощью насосов узла подачи и перекачивания растворов (II) в накопительную емкость (Iв) и затем на глушение скважины. В случае необходимости получения растворов для глушения плотностью 1,050-1,14 г/см³ концентрат подается сразу в накопительную емкость (Iв) после блоков обратного осмоса (1, 2, 3 12), минуя установку доведения раствора до заданной плотности (13).

Обоснованием параметров, указанных в описании данного устройства, служат данные, приведенные в таблице 2.

Указанное устройство является техническим решением, т.к. состоит из материальных элементов-конструкций и промышленно применимо в отраслях народного хозяйства, прежде всего в нефтегазодобывающей отрасли, т.к. состоит из технических средств (элементов устройства), опробованных в промышленности. В качестве установки доведения раствора до заданной плотности можно использовать установки гидродинамического перемешивания, различные перемешивающие устройства и емкости с мешалками.

Из уровня техники не известно применение устройств с описанными существенными признаками, позволяющими получать жидкостно-солевой раствор с плотностью до 1,2 г/см ³ при значительной экономии энергозатрат в 42-50 раз и повышении производительности процесса в 15-26 раз (см. более подробное описание на стр.4-5). При этом также повышается надежность работы устройства, за счет снижения агрессивности солевых растворов и улучшаются условия обслуживания и состояние техники безопасности. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Отличительными существенными признаками заявляемого устройства является уникальная компоновка, сочетание его элементов, позволяющая достичь заявленного технического результата, а также комплексный узел получения заданной плотности солевого раствора, выполненный в виде установки обратного осмоса, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину А и составленный из N блоков концентрировании раствора, где 2 N 12, а также установки доведения раствора до заданной плотности, с возможностью повышения ею плотности раствора на величину В, при выполнении соотношения 1,05 ( А+ В)/ В 1,35 и N, выбранном в качестве округленного до целого числа значения отношения А/ Р, где Р - эмпирическое среднее эффективное повышение удельной плотности раствора на каждом следующем блоке установки обратного осмоса.

Из уровня техники не известно применение совокупности указанных существенных признаков, а также комплексного узла с целью получения заявленного технического результата, а значит заявляемое устройство соответствует требованиям изобретательского уровня, т.к. не является объединением, изменением или совместным использованием сведений, содержащихся в уровне техники и не следует для специалистов явным образом из уровня техники.

Примеры.

Пример 1

В качестве исходного водно-солевого раствора природного происхождения используют сеноманскую пластовую воду плотностью 1,015 г/см³, данную воду очищают путем фильтрования до уровня содержания примесей, соответствующему равенству соотношения (C₁+C₂+C₃ +С₄+С₅)/C₁=1,02, где

C₁ - содержание растворенных солей в исходном растворе, г/л,

С₂ - содержание газовых примесей в исходном растворе, г/л,

С₃ - содержание механических примесей в исходном растворе, г/л,

С₄ - содержание биологических примесей в исходном растворе, г/л,

С₅ - содержание минеральных примесей в исходном растворе, г/л.

Затем очищенный раствор подают на блоки установки обратного осмоса для концентрирования под давлением 190 атм, где осуществляют 8 ступеней концентрирования на восьми блоках установки, полученный на выходе из восьмого блока концентрат имел плотность 1,20 г/л. Данный раствор направляют на глушение нефтяной скважины.

Пример 2

В качестве исходного водно-солевого раствора природного происхождения используют сеноманскую пластовую воду плотностью 1,015 г/см ³, данную воду очищают путем фильтрования до уровня содержания примесей, соответствующему равенству соотношения (C₁ +C₂+C₃+С₄+С₅)/C ₁=1,02, где

C₁ - содержание растворенных солей в исходном растворе, г/л,

C₂ - содержание газовых примесей в исходном растворе, г/л,

С₃ - содержание механических примесей в исходном растворе, г/л,

С₄ - содержание биологических примесей в исходном растворе, г/л,

С₅ - содержание минеральных примесей в исходном растворе, г/л.

Затем очищенный раствор подают на блоки установки обратного осмоса для концентрирования под давлением 60 атм, где осуществляют 4 ступени концентрирования на четырех блоках установки, полученный на выходе из четвертого блока концентрат имел плотность 1,12 г/л. Данный раствор подают на блок установки доведения раствора до заданной плотности, где осуществляется концентрирование раствора путем растворения в нем хлористого кальция до плотности 1,16 г/л. Полученный раствор направляют на глушение нефтяной скважины.

Таким образом, все вышеуказанные совокупности существенных признаков способа и устройства изготовления жидкостно-солевого раствора взаимосвязано и целенаправленно решают поставленную задачу и обеспечивают достижение указанных технических результатов.