Table of Contents

Понимание производства воды в оффшорных операциях

Производимая вода представляет собой самый большой поток отходов по объему, связанному с добычей нефти и газа на шельфе. По мере возраста водохранилища соотношение воды к нефти увеличивается, иногда образуя до 90% воды в скважине. Эта вода, пойманная естественным образом в геологических формациях наряду с углеводородами, образуется в смеси с сырой нефтью и должна быть отделена и обработана до сброса или повторного использования. Состав добываемой воды широко варьируется в зависимости от геологии резервуара, метода извлечения и используемых химических веществ. Ключевые компоненты включают диспергированные и растворенные углеводороды, растворенные соли (в первую очередь хлорид натрия, но также и двухвалентные ионы, такие как кальций и магний), радиоактивные материалы природного происхождения (NORM), органические кислоты, фенолы и взвешенные твердые вещества. В морских операциях строгие экологические правила, такие как Руководство по ограничению стоков Агентства по охране окружающей среды США и Конвенция OSPAR в Северном море устанавливают строгие ограничения на сброс, обычно требующие содержания нефти в воде ниже 29 мг / л (средний месячный уровень) в водах США и

Водители нормативных органов и экологические проблемы

Оффшорные сбросы произведенной воды регулируются во всем мире, чтобы свести к минимуму воздействие на морские экосистемы. Углеводороды могут вызвать удушение бентических организмов, биоаккумуляцию и токсические эффекты. Тяжелые металлы и NORM представляют долгосрочные риски для водной жизни и потенциально для здоровья человека через пищевую цепь. Изменения солености могут нарушить местные осмотические балансы. Поэтому операторы должны внедрить надежные системы очистки, которые надежно соответствуют разрешениям на сброс. В некоторых регионах, особенно в районах с дефицитом воды, таких как Ближний Восток и части Северного моря, политика нулевого сброса поощряет повторное использование произведенной воды для повторного использования в резервуарах для поддержания давления или для использования в бурении и жидкостях завершения. Мембранная технология предлагает путь для достижения как целей соблюдения, так и целей устойчивого развития путем производства высококачественных стоков, которые могут быть безопасно сброшены или повторно использованы.

Мембранная технология: принципы и классификация

Мембранная фильтрация опирается на полупроницаемый барьер, который позволяет воде проходить при сохранении загрязняющих веществ на основе размера, заряда или растворимости. Движущей силой обычно является давление, хотя также используются осмотические градиенты (передний осмос) и электрический потенциал (электродиализ). При морской обработке воды наиболее распространены мембранные процессы, управляемые давлением, отобранные на основе целевых загрязнителей и требуемого качества стока. Основными категориями, упорядоченными уменьшением размера пор и увеличением способности отторжения, являются: микрофильтрация (MF), ультрафильтрация (UF), нанофильтрация (NF) и обратный осмос (RO).

Микрофильтрация (MF) и ультрафильтрация (UF)

МФ мембраны (0,1-10 мкм пор) эффективно удаляют взвешенные твердые вещества, капли масла больше, чем около 0,5 мкм, и бактерии. UF мембраны (0,01-0,1 мкм) идут дальше, удаляя вирусы, коллоиды и более крупные растворенные органические молекулы. При обработке полученной воды MF часто используется в качестве стадии предварительной обработки для защиты мембран нисходящего потока от загрязнения нефтью и твердыми веществами. Гидрофильные МФ и UF мембраны, такие как мембраны, изготовленные из поливинилиденфторида (PVDF) или керамических материалов, сопротивляются адгезии масла и предпочтительны для масляной воды. Керамические мембраны, хотя и более дорогие, обеспечивают превосходную химическую и термическую стабильность и набирают популярность в сложных морских применениях. Хорошо спроектированная система MF / UF может снизить содержание масла в воде до уровня ниже 5 мг / л, часто встречая пределы разряда без дальнейшей полировки.

Нанофильтрация (NF) и обратный осмос (RO)

Мембраны NF имеют размеры пор около 0,001-0,01 мкм и способны отторгать поливалентные ионы (например, Ca2+, Mg2+, SO42−), а также растворенные органические соединения и небольшие углеводороды. Мембраны RO по существу непористые, отделяя воду от растворенных солей и почти все органические молекулы через механизм диффузии раствора. RO используется, когда цель состоит в том, чтобы производить пресную воду из полученной воды (опреснение) для повторного использования в охлаждающих башнях, котлах или даже в питьевых целях после дальнейшей обработки. Однако RO очень чувствителен к загрязнению и требует обширной предварительной обработки для снижения масла и смазки до менее чем 0,1 мг/л и индекса плотности ила (SDI) ниже 3. NF иногда используется в качестве предварительной обработки RO для удаления твердости и органических фолантов, тем самым продлевая жизнь мембраны RO. В морских операциях комбинация UF, за которой следует RO, является наиболее распространенным мембранным поездом для высококачественной многоразовой воды.

Качество и требования к предварительной обработке кормовой воды

Успех любой мембранной системы в значительной степени зависит от качества поступающей в процесс подпитываемой воды. Производная вода обычно поступает из трехфазного сепаратора (масла / воды / газа) или системы гидроциклона. Свободное масло и смазка должны быть уменьшены до уровня ниже 10-20 мг / л до входа в мембранную установку для предотвращения необратимого загрязнения. Это обычно достигается с помощью обычных гравитационных сепараторов, индуцированной газовой флотации (IGF) или компактных плавучих единиц (CFU). После первичного разделения вода может по-прежнему содержать эмульгированное масло, небольшие взвешенные частицы и растворенные органические вещества, которые могут загрязнять мембраны. Часто необходимы дополнительные этапы полировки, такие как фильтрация среды, фильтры оболочки грецкого ореха или растворенная воздушная флотация (DAF). Химическое кондиционирование - включая добавление коагулянтов, флоккулянтов и антискалантов - может значительно улучшить производительность мембраны за счет снижения потенциала загрязнения. Для морских платформ, пространство и вес находятся на премиальном уровне, поэтому выбор оборудования отдает предпочтение компактным технологиям

Керамические против полимерных мембран

Исторически большинство морских мембранных установок использовали полимерные спиралевидные или полые волокна из-за их низкой стоимости и высокой плотности упаковки. Однако полимерные мембраны подвержены повреждениям от окислителей (например, остаточного хлора) и не могут переносить высокие температуры, часто встречающиеся в добываемой воде. Керамические мембраны, в то время как более дорогие (до 5-10 раз от начальной капитальной стоимости), предлагают исключительную долговечность: они могут выдерживать высокие давления, высокие температуры (до 200°C в зависимости от материала), агрессивную химическую очистку и истирание от твердых веществ. Их гидрофильная природа делает их по своей природе менее склонными к загрязнению нефтью. Недавние достижения в производстве уменьшили разрыв в стоимости, и керамические мембраны в настоящее время развертываются в нескольких крупномасштабных морских проектах, особенно в Северном море. Например, исследование Норвежского исследовательского центра (NORCE) показало, что керамические UF мембраны достигли стабильной работы в течение более 6 месяцев с минимальной очисткой, обработкой произведенной воды с концентрациями масла до 200 мг / л и поддержанием содержания

Преимущества Membrane для оффшорных платформ

Мембранная технология предлагает различные преимущества по сравнению с обычными методами обработки, такими как гравитационные сепараторы, гидроциклоны и газовая флотация. Наиболее важным преимуществом является способность производить последовательный, высококачественный сток, который легко соответствует нормативным пределам сброса. Компактный след мембранных систем - часто менее одной десятой размера обычного поезда обработки для той же мощности - чрезвычайно ценен на космических платформах. Кроме того, мембранные системы могут быть разработаны как модульные, масштабируемые единицы, позволяющие операторам постепенно увеличивать емкость по мере роста производства воды. Потребление энергии, хотя и не незначительное (обычно 2-6 кВтч на м3 пропитания для MF / UF и 8-15 кВтч на м3 для RO при давлении на шельфе), часто компенсируется уменьшенной потребностью в химических добавках и значением восстановленной воды.

Повторное использование и устойчивость воды

Возможно, самым убедительным преимуществом является возможность перепрофилирования очищенной произведенной воды. Вместо сброса за борт чистый персеат может использоваться для генерации пара в операциях по усилению рекуперации нефти (EOR), особенно в тепловых методах, таких как паровой гравитационный дренаж (SAGD). Пресная вода дефицитна во многих нефтедобывающих регионах, а опреснение морской воды является энергоемким. Повторное использование произведенной воды снижает экологическое бремя добычи пресной воды и углеродный след, связанный с опреснением. В морских операциях повторное использование также может снизить логистические затраты, связанные с химическим снабжением и удалением отходов. Примером является месторождение Equinor Johan Sverdrup в Северном море, где произведенная система реинжекторной воды с использованием мембранной фильтрации является частью стратегии достижения нулевого вредного сброса окружающей среды к 2025 году.

Ключевые проблемы: нарушение, масштабирование и спрос на энергию

Несмотря на их достоинства, мембранные системы сталкиваются со значительными эксплуатационными проблемами, особенно в суровых морских условиях. Нарушение - накопление загрязняющих веществ на поверхности мембраны - является наиболее распространенной проблемой. Это приводит к увеличению падения давления, снижению потока и возможной потере производительности. Нарушение может быть вызвано каплями масла, взвешенными твердыми веществами, микроорганизмами (биофульинг), органическими материалами или осажденными солями (масштабирование). При произведенной обработке воды загрязнение нефтью является самой непосредственной угрозой. Гидрофобные мембраны страдают от необратимой адсорбции масла, в то время как даже гидрофильные мембраны могут быть загрязнены нефтью, если концентрация высока или масло присутствует в виде стабильных эмульсий. Требуются регулярные циклы очистки - обычно с использованием щелочных моющих средств, кислот и иногда растворителей - что увеличивает время простоя и эксплуатационные расходы.

Масштабирование и управление раствором

При обработке полученной воды с высокой соленостью или высокими концентрациями двухвалентных ионов масштабирование становится проблемой, особенно в системах NF и RO. Шкалы сульфата бария, карбоната кальция и стронция могут быстро образовываться на поверхности мембраны, сильно снижая производительность. Антискалантные химические вещества обычно дозируются в корм, но их необходимо тщательно выбирать, чтобы избежать повреждения мембраны или экологических проблем с разрядным рассолом. Управление концентрированным отбраковывающим потоком (рассолом или сетчатым) является еще одной проблемой. В морских операциях рассол обычно сбрасывается за борт после разбавления охлаждающей водой или другими потоками отходов. Необходимо оценить воздействие на окружающую среду разряда рассола (повышенная соленость и растворенные компоненты) , особенно в чувствительных морских районах. В некоторых случаях рассол повторно вводится в глубокие геологические образования, но это требует дополнительной энергии и инфраструктуры скважин.

Потребление энергии и требования к давлению

Системы опреснения воды для произведенной воды работают при давлениях от 40 до 80 бар, что требует значительной энергии откачки. Для преодоления осмотического давления вода с высокой соленостью может требовать еще более высоких давлений (до 120 бар). В то время как устройства рекуперации энергии (например, изобарные камеры или турбины) могут снизить чистое потребление до 40-50%, общий спрос на энергию остается значительным. Для MF и UF рабочие давления ниже (1-5 бар), но обратная промывка и химическая очистка увеличивают затраты на энергию. В морских установках доступность электроэнергии может быть ограничена, и операторы должны сбалансировать преимущества передовой обработки от дополнительной нагрузки на производство электроэнергии платформы.

Последние инновации и будущие направления

Исследования и разработки в области мембранной науки постоянно устраняют ограничения существующих систем. К числу заметных нововведений относятся:

  • Противотображающие мембранные материалы: Методы модификации поверхности, такие как прививка гидрофильных полимеров или включение наночастиц (например, диоксида титана, оксида графена), создают мембраны с повышенной устойчивостью к нефти.
  • Динамические мембранные системы: Вместо очистки или замены статической мембраны динамические мембраны используют слой прекоата (например, диатомовая земля или порошкообразный активированный уголь), который непрерывно или периодически заменяется. Этот подход может обрабатывать более высокие нагрузки масла и твердых веществ с пониженной чувствительностью к загрязнению.
  • Перенос осмоса (FO):] FO использует раствор для вытягивания воды естественным образом через полупроницаемую мембрану без приложенного давления. Это резко снижает потенциал загрязнения и потребление энергии. Гибридные системы FO-RO исследуются для произведенной очистки воды, где FO предварительно концентрирует рассол для опреснения RO.
  • Мембранная дистилляция (MD): MD сочетает в себе термические и мембранные процессы для обработки воды с высокой соленостью, производимой вне досягаемости RO. На основе низкосортного отработанного тепла MD может производить воду с высокой чистотой из рассола с общим количеством растворенных твердых веществ (TDS) до 200 000 мг / л. Пилотные испытания показали осуществимость, но коммерческое развертывание в оффшорных средах остается ограниченным из-за опасений по поводу управления теплом и уплотнения модулей.
  • Умный мониторинг и оптимизация на месте (CIP): Датчики реального времени, измеряющие трансмембранное давление, поток и качество пропитки, позволяют прогнозировать графики очистки. Разработаны алгоритмы машинного обучения для обнаружения ранних признаков загрязнения и оптимизации химической дозировки, сокращения времени простоя и потребления химических веществ.

Тематические исследования: лечение мембраной в Северном море

Заметным примером развертывания мембран в управлении морскими водными ресурсами является месторождение Осеберг, эксплуатируемое Equinor. В 2018 году в рамках демонстрационного проекта была установлена система ультрафильтрации керамической мембраны для обработки произведенной воды для реинжекции. Система обрабатывала корм 40 000 баррелей в день, достигая концентрации масла в воде ниже 2 мг / л и удаляя 99% взвешенных твердых веществ. Проект продемонстрировал, что керамические мембраны могут надежно работать в течение более года с химической очисткой каждые две-четыре недели, даже с колеблющимся качеством кормов. Успех в Осеберге привел к планам полномасштабной реализации на других месторождениях Северного моря, поддерживая цель отрасли по нулевым вредным сбросам.

Экономические соображения и ROI для оффшорных операторов

Решение о принятии мембранной обработки включает тщательный анализ капитальных затрат (CAPEX) и эксплуатационных расходов (OPEX). CAPEX включает мембранные модули, сосуды под давлением, насосы, трубопроводы, приборы и конструкцию скольжения. Для типичной оффшорной системы, обрабатывающей 100 000 баррелей в сутки, только мембранный скольжение может стоить от 5 до 20 миллионов долларов США, в зависимости от сложности (MF / UF только против RO) и спецификации материала (полимерный против керамики). OPEX включает замену мембран (обычно каждые 3-7 лет для полимерных, более длительных для керамики), химические чистящие средства, энергию и эксплуатационные работы. Однако преимущества часто оправдывают инвестиции: избежание штрафов за несоблюдение, снижение использования химических веществ по сравнению с обычными системами флотации, снижение затрат на логистику (меньше химических веществ, поставляемых на платформу) и стоимость восстановленной воды (если повторно использовать). В некоторых юрисдикциях операторы также могут извлечь выгоду из углеродных кредитов или налоговых льгот для снижения воздействия на окружающую среду. Анализ стоимости жизненного цикла, опубликованный в журнале Petroleum Technology (SPE

Мембраны как ключевая технология для устойчивого оффшорного производства

По мере того, как морские нефтяные месторождения созревают и увеличиваются объемы воды, потребность в эффективной, компактной и надежной технологии очистки становится критической. Мембранные процессы - от микрофильтрации до обратного осмоса - предлагают проверенное решение, способное удовлетворить строгие правила сброса и обеспечить полезное повторное использование воды. В то время как такие проблемы, как загрязнение, масштабирование и потребление энергии, сохраняются, постоянные достижения в мембранных материалах, проектировании системы и операционных стратегиях неуклонно разрушают эти барьеры. Интеграция керамических мембран, гибридных процессов FO и интеллектуального мониторинга обещает сделать мембранную обработку еще более надежной и экономически эффективной в предстоящем десятилетии. Для операторов, приверженных сокращению их воздействия на окружающую среду и достижению целей в области устойчивости, инвестиции в мембранную технологию - это не только нормативная необходимость, но и стратегическое преимущество. Будущее управления водой на шельфе, несомненно, будет полагаться на мембраны в качестве краеугольного камня очистного поезда, обеспечивая чистую воду и поддерживая переход отрасли к более экологичным операциям.

Внешние ресурсы для дальнейшего чтения: