Badania zastosowania chlorków poliglinu w procesie koagulacji zanieczyszczeń w wodach złożowych o szerokim zakresie pH

• Autorzy: Jakubowicz Piotr

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.11.06

Warianty tytułu

EN

Research into application of polyaluminum chlorides in coagulation of pollutants in reservoir waters with a wide range of pH

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wydobywane podczas eksploatacji złóż ropy naftowej i gazu ziemnego wody złożowe stanowią poważne zagrożenie dla środowiska ze względu na znaczne zawartości rozpuszczonych soli, głównie chlorków, a także obecność składników toksycznych, takich jak substancje ropopochodne wraz z węglowodorami aromatycznymi oraz różnorodne środki chemiczne stosowane podczas wydobycia, np. inhibitory korozji, hydratów i parafinowania, środki powierzchniowo czynne, metanol itp. Z tego powodu wydobyte wody złożowe powinny zostać zagospodarowane w sposób jak najmniej obciążający środowisko. Jedną z metod zagospodarowania spełniającą ten wymóg jest zatłoczenie wód złożowych do horyzontu chłonnego. Aby możliwe było bezawaryjne prowadzenie procesu zatłaczania przy maksymalnym wykorzystaniu możliwości odwiertu chłonnego, konieczne jest właściwe przygotowanie wody poprzez usunięcie składników (cząstek stałych, osadów i zawiesin) powodujących kolmatację odwiertu. Jedną z najbardziej efektywnych metod oczyszczania wody jest koagulacja. Powszechnie stosowany w procesach koagulacji siarczan(VI) glinu(III) wymaga precyzyjnego ustalenia odczynu wody na obojętny, a jego przekroczenie skutkuje szybkim obniżeniem efektywności koagulacji, a nawet wzrostem zawartości zawiesin w oczyszczanej wodzie. Wydobyte wody złożowe drastycznie zmieniają swoje właściwości z silnie redukcyjnych na utleniające ze względu na usunięcie metanu po obniżeniu ciśnienia i natlenienie w kontakcie z powietrzem. Dodatkowo obecność w wodzie jonów żelaza i manganu powoduje, podczas zmiany potencjału elektrochemicznego na dodatni, wytrącanie się tlenków i wodorotlenków w postaci zawiesin oraz obniżenie odczynu w procesie ich hydrolizy. Ze względu na dynamiczny przebieg tych procesów, a także dodatkowe zakwaszenie wody przez dodatek koagulantu siarczanu(VI) glinu(III) ustalenie odczynu na poziomie właściwym dla efektywnej koagulacji stanowi niejednokrotnie poważny problem. Rozwiązaniem może być zastosowanie odpowiednio dobranych nowoczesnych koagulantów, które działają ze znacznie większą efektywnością – co przekłada się na obniżenie dawki środka oraz zmniejszenie ilości i poprawę struktury osadów pokoagulacyjnych – a dodatkowo charakteryzują się wysoką skutecznością w szerokim zakresie odczynów wody. W niniejszym artykule opisano badania laboratoryjne wybranego koagulantu (chlorku poliglinu), umożliwiające ustalenie zakresu odczynu wody złożowej, w którym środek ten może być stosowany. Do badań wytypowano środek Flokor 1ASW, charakteryzujący się mało kwaśnym odczynem (pH ~3,5) w porównaniu z innymi chlorkami poliglinu oraz wysokim stopniem zhydrolizowania, co przekłada się na niskie zużycie zasadowości ogólnej oczyszczanej wody. Uzyskane wyniki świadczą o szerokim zakresie odczynu wody (pH od 8,0 do 4,0), w którym efektywność działania koagulantu zapewnia prawidłowy poziom oczyszczenia. Ponadto zastosowanie środka Flokor 1ASW w układzie z efektywnym flokulantem Stabpol K pozwala na uzyskanie dobrze wykształconych i szybko sedymentujących osadów pokoagulacyjnych o znacznie mniejszej objętości niż przy zastosowaniu siarczanu(VI) glinu(III). Przedstawiono także wyniki przeprowadzonych testów przemysłowych przygotowania wody złożowej do zatłoczenia bez dokonywania korekty odczynu, które potwierdziły wysoką efektywność wytypowanych środków.

EN

Reservoir waters extracted during exploitation of crude oil and natural gas are a serious threat to the environment. The reason is high content of dissolved salts, mainly chlorides, as well as toxic components, such as: petroleum substances with aromatic hydrocarbons, and various chemicals applied during hydrocarbons production, e.g. corrosion, hydrates and paraffin inhibitors, surfactants, methanol etc. For this reason, the extracted reservoir water should be managed in a way that is least harmful to the environment. One of the methods of management that meets this requirement is injection of reservoir water into the absorptive horizon. In order to provide failure-free injection, with maximum use of the capabilities of an absorptive horizon, it is necessary to prepare the water properly by removing the components (solids, deposits and suspensions) that cause damage of the injection well. One of the most effective methods of water treatment is coagulation. Aluminum(III) sulfate(VI), commonly used in coagulation, requires a neutral pH of water. Exceeding this level results in rapid reduction in coagulation efficiency, and even in increase in the content of suspended solids in purified water. Extracted reservoir waters drastically change their properties from strongly reducing to oxidizing, due to methane removal after pressure reduction and oxygenation in contact with air. Moreover, while changing the electrochemical potential to positive, presence of iron and manganese ions in the water causes precipitation of oxides and hydroxides in the form of suspensions and the pH decreases due to their hydrolysis. Due to the dynamic course of these processes, as well as the additional acidification of water by addition of the coagulant (aluminum(III) sulfate(VI)), adjustment of the pH to the level appropriate for effective coagulation is often a serious problem. The solution could be application of properly selected modern coagulants of much greater efficiency, enabling a decrease of the agent dose as well as reduction of volume and improvement of the structure of post-coagulation sediments. Additionally, they are highly efficient in a wide range of water reactions. The article describes laboratory tests on a selected coagulant (polyaluminium chloride), which allow for determination of the range of deposit water reaction in which this agent can be used. For the tests, Flokor 1ASW was selected due to its high degree of hydrolysis and slight acidity (pH ~3.5) compared with other polyaluminium chlorides, which means low consumption of total alkalinity of purified water. The results obtained show a wide range of water reaction (pH from 8.0 to 4.0), in which the effectiveness of coagulant activity ensures the correct level of purification. In addition, the use of Flokor 1ASW with effective Stabpol K flocculant allows for production of big and quickly settled flocs. Post-coagulation sediments have much smaller volume than when using aluminum(III) sulfate(VI). The results of industrial tests, carried out in order to prepare reservoir water for injection, without pH correction, have been presented in the article. They confirmed the high efficiency of the selected chemicals.

Słowa kluczowe

PL

zagospodarowanie wód złożowych; zatłaczanie wód; przygotowanie do zatłoczenia; koagulacja; szeroki zakres pH; chlorek poliglinu

EN

reservoir waters management; water injection; reservoir waters treatment; coagulation; wide pH range; polyaluminium chloride

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 11
• Strony: 807--815
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.

Twórcy

autor

Jakubowicz Piotr

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Biały E., 2016. Wykorzystanie enzymów do udrażniania strefy przyodwiertowej po dowiercaniu. Nafta-Gaz, 11: 926–933. DOI:10.18668/NG.2016.11.05.
• Biernat H., Kulik S., Noga B., Kosma Z., 2011. Próba zapobiegania kolmatacji geotermalnych otworów zatłaczających w wyniku zastosowania supermiękkiego kwasowania. Modelowanie Inżynierskie, 42: 59–66.
• Bubakova P., Pivokonsky M., 2012. The influence of velocity gradient on properties and filterability of suspension formed during water treatment. Separation and Purification Technology, 92: 161–167. DOI:10.1016/j.seppur.2011.09.031.
• Cui H., Huang X., Yu Z., Chen P., Cao X., 2020. Application progress of enhanced coagulation in water treatment. Royal Society of Chemistry, 10: 20231–20244. DOI: 10.1039/d0ra02979c.
• Crus D., Pimentel M., Russo A., Cabral W., 2020. Charge Neutralization Mechanism Efficiency in Water with High Color Turbidity Ratio Using Aluminium Sulfate and Flocculation Index. Water, 12(572): 1–17. DOI:10.3390/w12020572.
• Dubiel S., Uliasz-Misiak B., Ziaja J., Stachowicz K., 2015. Problemy bezpieczeństwa prac podczas rekonstrukcji odwiertów eksploatacyjnych. Przegląd Górniczy, 12: 106–115.
• He W., Xie Z., Lu W., Huang M., Ma J., 2019. Comparative analysis on floc growth behaviors during ballasted flocculation by using aluminum sulphate (AS) and polyaluminum chloride (PACl) as coagulants. Separation and Purification Technology, 213: 176–185. DOI:10.1016/j.seppur.2018.12.043.
• Jakubowicz P., 2010. Wybrane problemy zagospodarowania odpadowych wód kopalnianych. Nafta-Gaz, 5: 383–389.
• Jakubowicz P., Steliga T., 2012. Assessment of the Main Threats to Injection Well Damage Caused by Reservoir Waters using AquaChem Software as well as Laboratory Tests Application. Nafta-Gaz, 10: 655–660.
• 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., 2006. Analiza wpływu wytypowanych zanieczyszczeń na proces zatłaczania wód złożowych i ścieków do horyzontów chłonnych. Wiertnictwo Nafta Gaz, 25(2): 813−820.
• Kluk D., 2011. Badania procesu mieszania wód zatłaczanych z wodami złożowymi o zróżnicowanych potencjałach elektrochemicznych. Nafta-Gaz, 2: 98–106.
• Krogulec E., Sawicka K., Zabłocki S., 2018. Przegląd metod intensyfikacji wydobycia kopalin i uwarunkowań zwiększenia chłonności odwiertów. Górnictwo Odkrywkowe, 2: 57–62.
• Lee C.S., Robinson J., Chong M.F., 2014. A review on application of flocculants in wastewater treatment. Process Safety and Environmental Protection, 92(6): 489–508. DOI: 10.1016/j.psep.2014.04.010.
• Lewkiewicz-Małysa A., Konopka E., 2009. Ochrona naturalnych właściwości zbiornikowych górotworu jako składowiska odpadowych wód złożowych. Górnictwo i Geoinżynieria, 4: 177–188.
• Masłowski M., 2009. Nowa metoda usuwania osadu filtracyjnego w otworach kierunkowych. Nafta-Gaz, 7: 536–543.
• Muggeridge A., Cockin A., Webb K., Frampton H., Collins I., Moulds T., Salino P., 2014. Recovery rates, enhanced oil recovery and technological limits. Phil. Trans. R. Soc. A, 372: 1–25. DOI: 10.1098/rsta.2012.0320.
• Naceradska J., Pivokonska L., Pivokonsky M., 2019. On the importance of pH value in coagulation. Journal of Water Supply: Research and Technology – AQUA, 63(3): 222–230.
• Nasr-El-Din H.A., Al-Otaibi M.B., Al-Qahtani A.A., Samuel M.M., 2007. An Effective Fluid Formulation to Remove Drilling Fluid Mud Cake in Horizontal and Multi-Lateral Wells. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/87960-PA.
• Nunes M., Bedrikovetsky P., Newbery B., Palve R., Furtado C., De Souza A.L., 2010. Theoretical Definition of Formation Damage Zone With Applications to Well Stimulation. Journal of Energy Resources Technology, 132: 1–7. DOI: 10.1115/1.4001800.
• Rubinstein J.L., Mahani A.B., 2015. Myths and Facts on Wastewater Injection, Hydraulic Fracturing, Enhanced Oil Recovery, and Induced Seismicity. Seismological Research Letters, 86(4): 1060–1067. DOI: 10.1785/0220150067.
• Sahu O.P., Chaudhari P.K., 2013. Review on Chemical Treatment of Industrial Waste Water. J. Appl. Sci. Environ. Manage, 17(2): 241–257.
• Steliga T., Jakubowicz P., Kapusta P., 2015. Changes in toxicity during treatment of wastewater from oil plant contaminated with petroleum hydrocarbons. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 90: 1408–1418. DOI: 10.1002/jctb.4442.
• Steliga T., Jakubowicz P., Wojtowicz K., Kluk D., 2018. Zastosowanie testów toksykologicznych w przemyśle naftowym. Nafta-Gaz, 9: 684–689. DOI: 10.18668/NG.2018.09.07.
• Teh C.Y., Budiman P.M., Shak K.P.Y., Wu T.Y., 2016. Recent Advancement of Coagulation–Flocculation and Its Application in Wastewater Treatment. Industrial & Engineering Chemistry Research, 55(16): 4363–4389. DOI: 10.1021/acs.iecr.5b04703.
• Uliasz-Misiak B., Chruszcz-Lipska K., 2017. Aspekty hydrogeochemiczne związane z mieszaniem wód złożowych zatłaczanych do złoża węglowodorów. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 33(2): 69–80. DOI: 10.1515/gospo-2017-0017.
• Uliasz-Misiak B., Dubiel S., 2015a. Aspekty środowiskowe w zarządzaniu złożem węglowodorów w fazie jego zagospodarowania. Przegląd Górniczy, 4: 6–62.
• Uliasz-Misiak B., Dubiel S., 2015b. Problemy rekonstrukcji odwiertów geotermalnych. Przegląd Górniczy, 7: 55–61.
• Wei N., Zhang Z., Liu D., Wu Y., Wang J., Wang Q., 2015. Coagulation behavior of polyaluminum chloride: Effects of pH and coagulant dosage. Chin. J. Chem. Eng., 23: 1041–1046. DOI: 10.1016/j.cjche.2015.02.003.
• Zand A.D., Haveidi H., 2015. Comparing Aluminium Sulfate and Poly-Aluminium Chloride (PAC) Performance in Turbidity Removal from Synthetic Water. Journal of Applied Biotechnology Reports, 2(3): 287–292.
• Zhang Z., Wang J., Liu D., Li J., Wang X., Song B., Yue B., Zhao K., Song Y., 2017. Hydrolysis of polyaluminum chloride prior to coagulation: Effects on coagulation behavior and implications for improving coagulation performance. Journal of Environmental Sciences, 57: 162–169. DOI: 10.1016/j.jes.2016.10.014.
• Zhongguo Z., Dan L., Dandan H., Duo L., Xiaojing R., Yanjun C., Zhaokun L., 2013. Effects of slow-mixing on the coagulation performance of polyaluminum chloride (PACI). Chin. J. Chem. Eng., 21(3): 318–323. DOI: 10.1016/S1004-9541(13)60463-2.
• Zhou F., Hu B., Cui B., Liu F., Liu F., Wang W., Liu Y., Lu R., Hu Y., Zhang Y., Wu J.G., 2014. Preparation and Characteristics of Polyaluminium Chloride by Utilizing Fluorine-Containing Waste Acidic Mother Liquid from Clay-Brine Synthetic Cryolite Process. Journal of Chemistry, 1–7: DOI: 10.1155/2014/274126.
• Akty prawne
• Ustawa o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 r., tekst jednolity Dz.U. z 2020 r. poz. 797 z późn. zm.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).