Оценка эффективности очистки пластовых вод от эмульгированных нефтепродуктов с применением системы магнитных частиц и магнитного поля

Для очистки вод от нефтепродуктов разработано и внедрено множество методов. На сегодняшний день по-прежнему остается актуальным вопрос об эффективности методов глубокой очистки про- мысловых вод от эмульгированных нефтепродуктов. Нефтепромысловые воды содержат высокое количество нефтяных эмульсий, из-за чего наиболее часто применяемые традиционные методы не способны достичь необходимой степени очистки, которая регламентируется либо экологическими нор- мами (при сбросе на ландшафт), либо отраслевыми стандартами (например, при закачке в пласт). Учитывая, что нормы качества сточной воды достаточно жесткие, проблема ее очистки от нефтепродуктов остается по-прежнему актуальной.

В последние годы наблюдается огромный интерес многих исследователей к вопросам очистки воды от нефтяных загрязнений с использованием магнитного порошка из ферромагнитных материалов [1–3]. В частности, этой проблеме посвящен ряд патентов таких авторов, как Ю.А.Миргород и С.Г.Емельянов, А.Л.Бачурихин и А.В.Демин. Как отмечено в этих патентах, высокая эффективность очистки достигается путем повышения гидрофобности ферромагнитного сорбтива.

В работе [4] было установлено, что среди параметров, влияющих на сорбционную способность, значимым является размер частиц сорбтива. Также здесь показано, что твердые частицы размерами меньше микрона способны стабилизировать эмульсии различного типа (вода в нефти или нефть в воде).

Материал и методы

На основе выполненного анализа литературы и построенной теоретической модели для систематизации объекта исследования была составлена структурная схема системы, из которой выделено множество внутренних (управляемых) параметров:

• 1.    Размер магнитных частиц ( d ch , мкм );

• 2.    Индукция магнитного поля ( B , Тл );

• 3.    Градиент магнитного поля ( dB/dx , Тл/м );

• 4.    Концентрация ферромагнитных частиц ( С , мг/л );

• 5. Расстояние извлечения омагниченной эмульсионной капли ( L , м );

• 6. Время сорбции ( T ,ч );

• 7. Поверхностно-активное вещество на магнитной частице ( P ).

Цель настоящей работы – усовершенствование рассматриваемого метода очистки путем подбора выделенных параметров функционала качества

F(d ch , B, dB/dx, С, L, Т,P) → max. (1) Рассмотренная целевая функция является абстрактной. Из-за отсутствия аналитической зависимости между целевой функцией и параметрами была выполнена декомпозиция объекта исследования [5]. Поэтому эффективность функционала качества будем оценивать, опираясь на методы системного анализа, с определением воздействия каждого из параметров на систему. При этом сама целевая функция определяется двумя критериями эффективности: F 1 – повышение степени очистки; F 2 – повышение скорости очистки за счет выбора оптимальных концентраций магнитных частиц.

Для проведения экспериментальных исследований изготовлен магнитный разделитель с ферромагнитной упаковкой, описание которого приведено в работе [6]. На данной установке были подобраны оптимальные параметры напряженности и градиента магнитного поля. Конструкция ферромагнитной упаковки позволила значительно сократить расстояние извлечения.

В работе [8] приведены результаты моделирования параметров разрабатываемой системы очистки пластовых вод от нефтяных загрязнений с использованием магнитных частиц и разделителя с магнитным фильтром на базе ферромагнитной упаковки. Рассчитаны оптимальные характеристики потока жидкости в установке в зависимости от размеров эмульсионных капель. Полученные в результате моделирования характеристики потока жидкости в разделителе дают возможность выбрать оптимальный режим работы предлагаемой системы очистки пластовых вод в зависимости от параметров загрязняющих нефтяных эмульсий. Полученные данные [8] позволяют оценить возможность применимости данной установки.

Результаты и обсуждение

В настоящей работе выполним поиск максимального значения целевой функции

F=∑K i F i →max              (2)

по параметрам :

• •    размер магнитных частиц ( d ch , мкм);

• •    концентрация ферромагнитных частиц ( С , мг/л );

где F i – критерии оценки, K i – вес критерия.

Для оценки по первому критерию эффективности (степень очистки) в работе [6] была выполне- на серия экспериментов по очистке пластовых вод Ярегского и Нижнечутинского месторождений. Экс- перименты проводились с частицами магнетита различных размеров, полученных путем размалывания и конденсации. Эффективность очистки определялась по формуле:

с

F 1 = С и

—

с вых ,

С u

где С и – исходная концентрация нефтепродуктов в воде, С вых – концентрация нефтепродуктов после очистки.

Результаты определения эффективности очистки по первому критерию приведены на рис. 1. По линиям уровня однозначно можно сказать, что размер частиц влияет на эффект очистки. Поверхность имеет нестрогое возрастание из-за того, что эксперименты проводились с различными образцами без учета внешних параметров воздействия. В предыдущей работе [6] мы стремились увеличить степень дисперсности частиц магнетита путем химической конденсации двух- и трехвалентного хлорида железа. Полученные по данной методике коллоиды имеют размеры порядка 10 нм.

Несмотря на то, что данные частицы обладают суперпарамагнитными свойствами, они подвержены образованию конгломератов под действием сил межмолекулярного взаимодействия. Выполненное численное моделирование показало, что энергия межмолекулярного взаимодействия и тепловая энергия практически равны между собой. Средний размер таких конгломератов составил ≈ 1.8 мкм.

Для предотвращения образования подобных конгломератов обычно используются различные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ образуют монослой на поверхности коллоида, предотвращая сближение частиц на такие расстояния, при которых они слипаются. При этом за счет монослойной упаковки происходит стерическое отталкивание частиц, что обеспечивает агрегативную устойчивость.

В работе [7] решается проблема агрегирования магнитных наночастиц. Конденсацию частиц Fe 3 O 4 производят путем гидролиза солей двух- и трехвалентного хлоридов железа в растворе гидроксида аммония. Далее стабилизируют оболочкой полидифениламин-2-карбоновой кислоты. Как отмечают авторы, полученный дисперсный магнитный наноматериал представляет собой стабильные суспензии в водных и органических средах. На наш взгляд, такие частицы являются отличными кандидатами для оптимизации разрабатываемого нами метода очистки по первому критерию. Но по второму критерию при этом наблюдается существенное снижение скорости извлечения эмульсии.

Для ее определения под действием магнитной силы была построена следующая модель. Допустим, что имеется эмульсия типа нефть в воде

(капельки такой эмульсии имеют сферическую форму с диаметром d эм ). Также предположим, что в эмульсии содержатся в небольшой концентрации магнитные частицы с диаметрами d ч , которые образуют монослой на поверхности капелек эмульсии.

С учетом силы вязкого трения в рамках рассматриваемой модели в работе [8] была получена аналитическая зависимость скорости извлечения омагниченной эмульсии нефти в зависимости от расстояния Х до поверхности ферромагнитных стержней, расположенных внутри предлагаемого фильтра:

и(X ) = ² kd эм d ч M нас L ( z⁴) (0,0728 ехр ( - 4,2 x ) +

9 η

+ 0,000855 ехр ( - 0,0038 Х )), ⁽⁴⁾

где η = 8.9∙10^-4Па∙с – коэффициент вязкости , d эм , d ч – диаметр капель нефтяных эмульсий и магнитных частиц, M нас = 4∙10⁵ А/м – намагниченность насыщения для магнетита, L(z ч ) – функция Ланжевена, k – коэффициент упаковки магнитных частиц на поверхности эмульсионной капли.

Из приведенной формулы видно, что скорость движения эмульсионной капли можно повысить при увеличении коэффициента упаковки k и путем размеров магнитных частиц d ч .

Рис. 1. Результаты экспериментов по очистке воды от нефтепродуктов с частицами магнетита различ-

ных размеров.

размер магнитных частиц (мкм)

Рис. 2. Оценка эффективности очистки по второму критерию (скорость очистки).

Рис. 3. Блок-схема алгоритма оценки целевой функции по критериям эффективности.

Оценку скорости очистки связываем с необходимой концентрацией магнитных частиц, чтобы не использовать их излишнее количество. Для каждого образца пластовых вод, содержащих определенную концентрацию нефтепродуктов С неф , установим оптимальную концентрацию магнитных частиц:

где ρ неф – плотность нефтепродуктов, ρ маг – плотность магнетита.

Максимум целевой функции по второму критерию для выбранной установки ферромагнитного разделителя будем оценивать по соотношению:

F 2 =(d ch , С) → max.               (6)

С

опт

1 л С , ч ρ маг неф

ρ неф d эм

При этом целевая функция должна будет принимать максимум при значениях С опт . Оценку по

второму критерию определим следующими двумя правилами:

• 1)    повышение концентрации прямо пропорционально увеличению скорости извлечения

F 2 =Ci/ С опт при Ci≤ С опт ;         (7)

• 2)    дальнейшее увеличение концентрации при Ci>С опт будет обратно пропорционально экономической целесообразности, что определим выражением

F 2 =С опт /Ci.                     (8)

В рамках рассматриваемой модели оценим величину второго критерия для установления оптимальных концентраций магнитного сорбтива. Допустим, что концентрация эмульгированных нефтепродуктов на выходе из резервуаров отстойников Снеф=50 мг/л (такие данные на выходе резервуаров отстойников РВС-5000 и РВС-1000 приведены в работе [9]) при среднем размере эмульсионных капель dэм.к=10 мкм и ρнеф=800 кг/м3. При заданных значениях оценим целевую функцию по критерию скорости очистки (рис. 2).

По полученным данным (рис. 2) видно, что концентрацию сорбтива следует повышать при увеличении размеров коллоидов магнитных частиц.

На рис. 3 приведена блок-схема алгоритма оценки целевой функции по заданным критериям эффективности. Важность таких критериев определяется весами К 1 и К 2 . Данный алгоритм реализован в пакете Matlab. Результаты моделирования приведены на рис. 4.

Заключение

Таким образом, можно управлять процессом очистки, задавая нужные веса либо скорости, либо степени очистки. Из графиков (рис. 4) видно, что концентрацию магнитных частиц при увеличении значения первого критерия эффективности (степень очистки) следует увеличивать. В зависимости от требований к степени очистки пластовых вод раз- работанная программа позволяет оценивать значимость весов соответствующим критериям эффективности и определять оптимальные концентрации для используемой системы магнитных частиц.

а)

б)

в)

Рис. 4. Оценка целевой функции по заданным критериям эффективности с применением различных весов ( К₁ – вес степени очистки, К₂ – вес скорости очистки за счет выбора оптимальных концентраций магнитных частиц). а) К 1 = 0,5, К 2 = 0,5; б) К 1 = 0,6, К 2 = 0,4; в) К 1 = 0,7, К 2 = 0,3.