Badania możliwości zastosowania materiałów obciążających do wspomagania oczyszczania wód złożowych

• Autorzy: Janocha Andrzej , Kluk Dorota

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.04.05

Warianty tytułu

EN

Research on the possibility of using loading materials to support the treatment of reservoir waters

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zaprezentowano zagadnienia związane z oczyszczaniem wód złożowych z zawiesin i osadów. W prowadzonych badaniach szczególny nacisk położono na techniki stosowania materiałów obciążeniowych w procesie oczyszczania wód. Materiałem badawczym były cztery rodzaje wód złożowych, które pobrano z separatorów odwiertów eksploatujących złoża gazu ziemnego. Wody te charakteryzowały się wysokimi zawartościami zawiesin (76–176 mg/dm3 ) oraz zróżnicowanym stopniem mineralizacji. Zawartość substancji rozpuszczonych oznaczono w granicach od 401 mg/dm3 do 306 428 mg/dm3 . Wydobyte wody złożowe w chwili obecnej zagospodarowane są najczęściej poprzez zatłoczenie ich do horyzontów chłonnych w wyeksploatowanych złożach węglowodorów. Przygotowanie wód do zatłoczenia ogranicza się jedynie do usunięcia łatwo opadających stałych cząstek i zawiesin obecnych w wydobywanych wodach złożowych. Porowatość i przepuszczalność skał złożowych determinuje rozmiary cząstek stałych obecnych w wodzie, które mogą zostać wtłoczone do wolnych przestrzeni w ośrodku porowatym. W procesie oczyszczania wód na drodze koagulacji i flokulacji, prowadzonych w warunkach laboratoryjnych, jako koagulant zastosowano Flokor ASW, natomiast flokulant stanowił Stabpol. Osady pokoagulacyjne charakteryzują się wysokim uwodnieniem, w związku z czym ich gęstość jest zbliżona do gęstości wody, w wyniku czego sedymentacja cząstek osadów wymaga długiego czasu. W celu zwiększenia szybkości sedymentacji cząstek zawartych w oczyszczanych wodach do roztworów wprowadzano kolejno materiały balastujące, którymi były piasek kwarcowy oraz preparaty bentonitowe: bentonit pylisty i preparat bentonitowy DuoBent 1. Efektywność procesu oczyszczania wód oceniano, porównując stopień zmętnienia roztworu nad osadem przed i po dodaniu różnej ilości koagulantu, flokulantu i materiałów balastujących osady. Pomiar mętności badanych roztworów umożliwia oszacowanie zawartości w nich zawiesin i koloidów. Przeprowadzono badania laboratoryjne w zakresie możliwości wykorzystania wybranych materiałów balastujących zawiesiny w procesie oczyszczania wód złożowych. Określono efektywne dawki materiałów balastujących zalecanych do stosowania celem separacji zawiesin z wód złożowych. W artykule wykazano, że usuwanie zawiesin z wód złożowych można przeprowadzić z użyciem odpowiednio spreparowanego środka bentonitowego (DuoBent 1) bez wprowadzania dodatkowych substancji chemicznych. Dawki preparatu bentonitowego DuoBent 1 dozowane do wysokozmineralizowanych wód złożowych w celu usunięcia mętności są stosunkowo niewielkie. Wprowadzenie do oczyszczanych wód preparatu bentonitowego w ilościach powyżej 0,2 g/dm3 powoduje uzyskanie wysokiej klarowności wody przeznaczonej do zatłaczania (mętność na poziomie 0–5 FAU). Wyniki przeprowadzonych badań mogą zostać wdrożone do praktycznego stosowania opisanej prostej metody oczyszczania wód złożowych przed zatłoczeniem do górotworu.

EN

The article presents the issues related to of the removal of suspensions and sediments from reservoir waters. In the conducted research, particular emphasis was placed on the techniques of using loading materials in the water treatment process. The research materials were four types of reservoir water, which was collected from the separators of wells exploiting natural gas deposits. These waters were characterized by high suspended solids (76–176 mg/dm3 ) and a varied degree of mineralization. The content of dissolved substances was determined in the range from 401 to 306 428 mg/dm3 . The extracted reservoir waters are currently most often utilized by pumping into the absorbing horizons in depleted hydrocarbon reservoirs. The preparation of water for injection is limited only to the removal of easily settling solid particles and suspensions present in the extracted formation waters. The porosity and permeability of the deposit rocks determine the size of solid particles present in the water that can be forced into voids in the porous medium. In the process of water treatment by coagulation and flocculation, carried out in laboratory conditions, Flokor ASW was used as a coagulant, while Stabpol was used as a flocculant. Postcoagulation sludge is highly hydrated, so that its density is close to that of water, as a result of which sedimentation of sludge particles takes a long time. In order to increase the sedimentation rate of particles contained in the treated waters, ballasting materials, which were quartz sand and bentonites: powdery bentonite and bentonite preparation DuoBent 1, were successively introduced into the solutions. The effectiveness of the water treatment process was assessed by comparing the degree of turbidity of the solution above the sediment before and after adding a different amount of coagulant, flocculant and sediment-balancing materials. The turbidity measurement of the tested solutions allows to estimate the content of suspensions and colloids in them. Laboratory tests were carried out on the possibility of using selected materials ballasting suspensions in the process of reservoir water treatment. Effective doses of ballast materials recommended for use in the separation of suspensions from formation waters were determined. Research results presented in this paper show that the removal of suspended solids from formation waters can be carried out with the use of a properly prepared bentonite agent (DuoBent 1) with no need of adding other chemical compounds. The doses of the DuoBent 1 bentonite preparation, dosed into highly mineralized reservoir waters in order to remove turbidity, are relatively small. Adding bentonite into the treated waters in amounts exceeding 0.2 g/dm3 results in obtaining high clarity of the water intended for injection (turbidity at the level of 0–5 FAU). The results of the research can be implemented for practical use as a simple method of purifying reservoir water prior to injection into the formation.

Słowa kluczowe

PL

wody złożowe; oczyszczanie; substancje balastujące

EN

reservoir waters; cleaning; ballasting substances

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 4
• Strony: 255--263
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.

Twórcy

autor

Janocha Andrzej

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kluk Dorota

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Ahmad A., van der Wal A., Bhattacharya P., van Genuchten C.M., 2019. Characteristics of Fe and Mn bearing precipitates generated by Fe(II) and Mn(II) co-oxidation with O2, MnO4 and HOCl in the presence of groundwater ions. Water Research, 161: 505–516. DOI:10.1016/j.watres.2019.06.036.
• Al Dwairi R.A., Al-Rawajfeh A.E.: 2012. Removal of cobalt and nickel from wastewater by using Jordan low-cost zeolite and bentonite. Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 47(1): 69–76.
• Al-Qunaibit M.H., Mekhemer W.K., Zaghloul A.A., 2005. The adsorption of Cu(II) ions on bentonite – a kinetic study. Journal of Colloid and Interface Science, 283(2): 316–321. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.09.022.
• Bache D.H., Gregory R., 2007. Flocs in Water Treatment. IWA Publishing: 1–296. ISBN-13: 978-1843390633.
• Bottero J.Y., Tchoubar D., Axelos M.A.V., Quienne P., Fiessinger F., 1990. Flocculation of silica colloids with hydroxy aluminum polycations. Relation between floc structure and aggregation mechanisms. Langmuir, 6: 596–602. DOI: 10.1021/la00093a014.
• Córdoba P., Liu Q., Garcia S., Maroto-Valer M., 2016. Understanding the importance of iron speciation in oil-field brine pH for CO2 mineral sequestration. Journal of CO2 Utilization, 16: 78–85. DOI: 10.1016/j.jcou.2016.06.004.
• Desjardins C., Koudjonou B., Desjardins R., 2002. Laboratory study of ballasted flocculation. Water Research, 36(3): 744–754. DOI:10.1016/S0043-1354(01)00256-1.
• Gantzer P.A., Bryant L.D., Little J.C., 2009. Controlling soluble iron and manganese in a water-supply reservoir using hypolimnetic oxygenation. Water Research, 43: 4285–4294. DOI: 10.1016/j.watres.2008.12.019.
• Gasperi J., Laborie B., Rocher V., 2012. Treatment of combined sewer overflows by ballasted flocculation: Removal study of a large broad spectrum of pollutants. Chemical Engineering Journal, 211–212: 293–301. DOI: 10.1016/j.cej.2012.09.025.
• Gorin K.V., Sergeeva Y.E., Butylin V.V., Komova A.V., Pojidaev V.M., Badranova G.U., Shapovalova A.A., Konova I.A., Gotovtsev P.M., 2015. Methods coagulation/flocculation and flocculation with ballast agent for effective harvesting of microalgae. Bioresource Technology, 193: 178–184. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.06.097.
• Guimarães A. de M.F., Ciminelli V.S.T., Vasconcelos W.L., 2009. Smectite organofunctionalized with thiol groups for adsorption of heavy metal ions. Applied Clay Science, 42(3–4): 410–414. DOI: 10.1016/j.clay.2008.04.006.
• Hem J.D., 1989. Study and interpretation of the chemical characteristic of natural water. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2254. <https://pubs.usgs.gov/wsp/wsp2254/pdf/wsp2254a.pdf> (dostęp: 08.09.2020).
• Jahed E., Khodaparast M.H.H., Khaneghah A.M., 2014. Bentonite, temperature and pH effects on purification indexes of raw sugar beet juice to production of inverted liquid sugar. Applied Clay Science, 102: 155–163. DOI: 10.1016/j.clay.2014.09.036.
• Jakubowicz P., Steliga T., 2017. Efektywność działania nowoczesnych koagulantów glinowych w warunkach obniżonego pH wód z formacji łupkowych. Nafta-Gaz, 3: 169–176. DOI: 10.18668/NG.2017.03.04.
• Jakubowicz P., Steliga T., Bąk W., 2008. Analiza wpływu wytypowanych zanieczyszczeń na proces zatłaczania wód złożowych i ścieków do horyzontów chłonnych. Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 25: 813–820.
• Janocha A., Kluk D., 2005. Aspekty chemizmu zatłaczania wód kopalnianych do horyzontów chłonnych. Miesięcznik WUG. Bezpieczeństwo pracy i ochrona środowiska w górnictwie, 11: 17–21.
• Jarvis P., Buckingham P., Holden B., Jefferson B., 2009. Low energy ballasted flotation. Water Research, 43(14): 3427–3434. DOI:10.1016/j.watres.2009.05.003.
• Johnson K.L., McCann C.M., Wilkinson J.L., Jones M., Tebo B.M., West M., Elgy Ch., Clarke C.E., Gowdy C., Hudson-Edwards K.A., 2018. Dissolved Mn(III) in water treatment works: Prevalence and significance. Water Research, 140: 181–190. DOI:10.1016/j.watres.2018.04.038.
• Khenifi A., Zohra B., Kahina B., Houari H., Zoubir D., 2009. Removal of 2,4-DCP from wastewater by CTAB/bentonite using one-step and two-step methods: A comparative study. Chemical Engineering Journal, 146(3): 345–354. DOI: 10.1016/j.cej.2008.06.028.
• Kim H.S., Lamarche C., Verdier A., 1982. Flocculation of Bentonite by non Ionic Polyelectrolyte: Influence of Cations. Studies in Environmental Science, 19: 101–113. DOI: 10.1016/S0166-1116(08)71164-6.
• Kluk D., 2011. Badania procesu mieszania wód zatłaczanych z wodami złożowymi o zróżnicowanych potencjałach elektrochemicznych. Nafta-Gaz, 2: 98–106.
• Kluk D., 2020. Badania kompatybilności wód złożowych z utworów cechsztynu i czerwonego spągowca w aspekcie zatłaczania do warstw chłonnych. Nafta-Gaz, 7: 474–483. DOI: 10.18668/NG.2020.07.06.
• Koppenol W.H., Hider R.H., 2019. Iron and redox cycling. Do’s and don’ts. Free Radical Biology and Medicine, 133: 3–10. DOI:10.1016/j.freeradbiomed.2018.09.022.
• Lapointe M., Barbeau B., 2016. Characterization of ballasted flocs in water treatment using microscopy. Water Research, 90: 119–127. DOI:10.1016/j.watres.2015.12.018.
• Lee K.E., Norhashimah M., Teng T.T., Poh B.T., 2012. Development, characterization and the application of hybrid materials in coagulation/flocculation of wastewater: a review. Chemical Engineering Journal, 203: 370–386. DOI: 10.1016/j.cej.2012.06.109.
• Lubaś J., 2013. O potrzebie bardziej dynamicznego wdrażania metod wspomagania wydobycia ropy naftowej z krajowych złóż. Nafta-Gaz,10: 744–750.
• Munger Z.W., Carey C.C., Gerling A.B., Hamre K.D., Doubek J.P., Klepatzki S.D., McClure R.P., Schreiber M.E., 2016. Effectiveness of hypolimnetic oxygenation for preventing accumulation of Fe and Mn in a drinking water reservoir. Water Research, 106: 1–14. DOI:10.1016/j.watres.2016.09.038.
• Nadella M., Sharma R., Chellam S., 2020. Fit-for-purpose treatment of produced water with iron and polymeric coagulant for reuse in hydraulic fracturing: Temperature effects on aggregation and high-rate sedimentation. Water Research, 170: 115330. DOI:10.1016/j.watres.2019.115330.
• Ozcan A., Omeroğlu C., Erdoğan Y., Ozcan A.S., 2007. Modification of bentonite with a cationic surfactant: An adsorption study of textile dye Reactive Blue 19. Journal of Hazardous Materials, 140(1–2): 173–179. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2006.06.138.
• Tzoupanos N.D., Zouboulis A.I., 2011. Preparation, characterisation and application of novel composite coagulants for surface water treatment. Water Research, 45(12): 3614–3626. DOI: 10.1016/j.watres.2011.04.009.
• Young J.C., Edwards F.G., 2003. Factors affecting ballasted flocculation reactions. Water Environment Research, 75(3): 263–272. DOI:10.2175/106143003X141051.
• Zafisah N.S., Ang W.L., Mohammad A.W., Hilal N., Johnson D.J., 2020. Interaction between ballasting agent and flocs in ballasted flocculation for the removal of suspended solids in water. Journal of Water Process Engineering, 33: 1–6. DOI: 10.1016/j.jwpe.2019.101028.
• Zhang Z., Nong H., Li Y., Zhao L., Gao H., 2020. Effects of ballasting particles on settling rate of iron ore tailings. Particulate Science and
• Technology, 38(4): 427–432. DOI: 10.1080/02726351.2018.1558320.
• Zhou Z., Yang Y., Li X., Gao W., Liang H., Li G., 2012. Coagulation efficiency and flocs characteristics of recycling sludge during treatment of low temperature and micro-polluted water. Journal of Environmental Sciences, 24(6): 1014–1020. DOI: 10.1016/S1001-0742(11)60866-8.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).