Rétegvizek szűrése visszasajtolás előtt
(szerbiai és magyarországi tapasztalatok)
 

A gáz és olajmezőkön a zavartalan termelés érdekében számos segédfolyamatot üzemeltetnek. Ezek hivatottak arra, hogy folyamatosan a megfelelő minőséget biztosítsák és a természeti környezet védelmét megvalósítsák. E részfolyamatokból egy az összegyűjtött vizek tisztítása, kezelése és likvidálása.

Az elmúlt tíz év során mind a MOL mind a Nis-Naftagas szakemberei megtiszteltek bizalmukkal és segíthettünk e munkák elvégzésében, a hatékony rétegvíz szűrés kidolgozásában. Írásunkban a szerzett tapasztalatokról is beszámolunk.

Az olajjal, gázzal kísérő folyadék és szilárd szennyeződés is érkezik kisebb nagyobb mennyiségben. Ezek leválasztása és elkülönítése fontos feladat. A folyadék legnagyobb része általában víz, melyet megtisztítás után legtöbbször visszajuttatnak a föld mélyébe. Mivel a víz egy vagy több mélységi rétegből származik, általában rétegvíznek nevezik. A vizek kezelése és a megfelelő rétegbe (rétegekbe) való visszajuttatása (likvidálása) körültekintő tervezést, kivitelezést igényel.

A mezőn keletkező vizek származásának és minőségének ismeretében tervezik meg a likvidálás technológiáját. Ennek szerves része a szűrési (tisztítási) elvárás is. Tekintettel a folyamatosan szigorodó környezetvédelmi szempontokra és határértékekre, a tisztítás technológiájának megtervezése fokozott felelősséget jelent. A vizek a mező élettartama során eltérő mértékben és összetételben jelentkeznek. Fontos tehát egy olyan tisztítási (szűrési) technológia megtervezése, mely időtálló módon a vizek minőségi és mennyiségi változásait hatékonyan kezelni tudja.

A rétegvíz szennyeződéseket is tartalmaz. Ezek főként szilárd és folyékony halmazállapotban vannak benne jelen. Például kvarchomok, agyagásványok, egyéb kőzetdarabok, korróziós termékek, aszfaltének, paraffin, egyéb hosszú szénláncú vegyületek, nyersolaj stb. A víz a szennyeződéseket oldott és oldatlan állapotban (lebegő anyagként) tartalmazza. A lebegő anyagok általában tisztán mechanikai módszerekkel kiválaszthatók. Egy megfelelő hatásfokú ülepítés és mechanikai szűrés ebben segíthet.

Az oldott szennyezők kiválasztása már kicsit bonyolultabb. A legtöbb esetben vegyi kezelést igényel. Ez arra irányul, hogy a szennyezők csapadék formájában kiválva az oldatból ülepíthető és/vagy szűrhető méretű lebegő anyaggá alakuljanak. Mind az ülepítéshez, mind a pelyhesítéshez jelentős méretű berendezésekre, esetenként vegyszeradagolásra lehet szükség. A vázolt folyamatok időigényesek is.

A szennyeződések több okból nem kívánatosak a visszasajtolandó vízben. Elsősorban azért, mert a befogadó kőzetek pórusmérete olyan kicsiny, hogy a szennyeződéseket nem tudja átengedni. Másrészt azért, mert a célrétegtől idegen s környezetvédelmi szempontból sem kívánatos anyagok.

A probléma, hogy a rétegek elnyelési képessége ritkán magas fokú azért van, mert a célrétegekben található porózus kőzetek szabad résmérete igen kicsiny (két szemcse köze csupán néhány tized-, de maximálisan 1 - 10 mikrométer). Emellett a rétegben elhelyezkedő kőzetanyagok már (vagy még) tartalmazhatnak elnyelt folyadékot, jól vagy rosszul kommunikálhatnak a környező rétegekkel, esetleg bizonyos mértékben oldódhatnak a visszatáplálandó vízben stb.

Írásunknak nem célja a részletes probléma ismertetés - annál is inkább, mert ez mezőnként eltérő és nagyban különböző lehet. Csupán arra kívánunk rávilágítani, mennyire fontos a körülmények pontos, naprakész és beható ismerete. Eddig nem tettünk említést a kérdés anyagi vonzatáról. Belátható azonban, hogy a körülmények részletes ismerete alapján tervezhetők azok az alternatívák, melyek várható költségeit megbízhatóan lehet előre számítani.

Összefoglalva és vázolva a technológiát, az a mezőn fakasztott és leválasztott vizek összegyűjtéséből - esetleges vegyszeres kezeléséből - tisztításából - és a célrétegbe való visszajuttatásból áll (1. sz. ábra).  A célrétegek általában nagyobb mélységben, 1000 m alatt vannak. Emiatt is nagy nyomással, 3 - 400 bar préselik a vizet a rétegbe. A munka dugattyús szivattyúkkal végezhető megfelelő eredménnyel. A pontos illesztések és a mechanikus szelepek nem sokáig viselik el a koptató hatású szilárd szennyeződéseket. Ha ezek mégis jelen vannak, a szivattyúkat igen gyakran kell javítani, mely általában költséges.

Megállapíthatjuk tehát, hogy a szigorú szűrést két dolog indokolja, egyrészt a kútjavítási költségek 3 -400 000 Eurós nagyságrendje, valamint a szivattyú javítások - magas gyakran több mint 100 000 Eurós költsége. Ha folyamatos üzemet kívánunk megvalósítani, az elképzelhetetlen megfelelő szűrés nélkül. Mint tudjuk, a víz kezelésére számos ismert módszer és lehetőség rendelkezésünkre áll. Azonban minden esetben a konkrét paraméterek segíthetnek a hosszú távon is megfelelően működő minimális költségű technológia kidolgozásában.

A szűrés megtervezésénél az első és legfontosabb lépés a szűrési cél kijelölése. A szűrési célé, melynek alkalmasnak kell lennie a probléma hosszú távú kezelésére.

1. sz. ábra   A szűrés helye a technológiában

1.,     A szűrési célkitűzés
 A szűrési cél meghatározására legnagyobb hatással az elnyelő rétegek jellemző adatai vannak. Elsősorban azt célszerű ismerni hát, hogy a célréteg milyen feltételek mellett képes elnyelni a folyadékot, milyen az átbocsájtó képessége stb. A következő fontos szempont a víz összetétele alapállapotban. S nem hanyagolhatók el a környezetvédelmi határértékek sem. Az 1. sz. táblázatban példaként bemutatjuk egy szűrendő rétegvíz adatlapját:

Water analysis - inlet of the system                1. sz. táblázat

Az értékeket laboratóriumi vizsgálatokkal határozták meg. Természetesen a mintákat több alkalommal vették és vizsgálták, hiszen a víz jellemzői attól függően, hogy mikor és hol kerülnek a rendszerbe, időben és térben is változnak. A megadott adatok átlagértékeknek tekinthetők. Persze a megnyugtatóan stabil és hosszú távú szűrési eredményhez az értékek szórását is célszerű ismerni. Itt szeretnénk megjegyezni, hogy munkánk során területenként lényegesen eltérő tulajdonságú „vizekkel” találkoztunk.

A szűréssel szembeni elvárások a kívánt kimenő vízparaméterekkel fogalmazhatók meg egyértelműen. Ezeket általában a következőkkel jellemezhetjük:

-       a mechanikai szilárd és folyékony lebegőanyag tartalom kisebb legyen 2 mg/liter értéknél,

-       az olaj (illetve CH) tartalom legyen kevesebb, mint 2 mg/liter,

-       a maradó szennyeződések 96 %-ban legyenek 2 μm-nél kisebb jellemző méretűek,

-       a szűrőtelep 12 hónapig folyamatosan üzemeljen karbantartás miatti leállás nélkül.

Az eddig elmondottakból kitűnik, hogy nehéz feladat megvalósítását tűztük magunk elé. Ez elsősorban a szigorú szűrési célban - magas szűrési finomság, nagy mennyiség és folyamatos üzem mellett - jelentkezett. ( 1.sz.ábra)

Más problémákkal ellentétben ez esetben a szűrési célt az elnyelő kőzet tulajdonságai határozták meg. A néhány tized mikrométeres szűrési finomság (szűrési méret) viszont a folyamatos üzem és a viszonylag nagy mennyiség miatt jelentett komoly kihívást. A szűréshez olyan szűrőtelepet terveztünk, melynek kapacitása elegendő az egy éves üzemidőre. Lényeges tehát a beépítendő szűrők nagy szabad felülete. Fontos az is, hogy a szűrők induló ellenállása alacsony legyen, és az eltömődés későn következzen be. Ehhez olyan szűrő kell, ami viszonylag magas 4-5 bar ∆p-t is elvisel.

Így teljesülhet az az elvárás, hogy a szűrőn folyamatosan nagy mennyiség áramolhat át.

Az elmondottak ellen hat az a kívánalom, hogy a szennyeződések, amik a szűrőn átjutnak 2 μm-nél kisebbek legyenek. (A magas finomságú szűrők szabad felülete általában kis értékű, és szerkezetük kényes, ami miatt csupán néhány tized bar nyomáskülönbség elviselésére képesek.)

Másik gond a szűrési finomság pontossági kívánalma. A 80 %-nál magasabb érték a szokványos szűrő anyagoknál a néhány μm-es tartományban nehezen megvalósítható. 

Az Ecofilt Mikrofilter azonban rendelkezik olyan tulajdonságokkal, melyek elősegítik a feladat megoldását. Ezek a tulajdonságok a következők:

-       nagy szilárdságú szerkezet, mely akár több 10 bar-os ∆p-t (nyomáskülönbséget) is elvisel. Ez csupán méretezési és gyártási kérdés.

-       magas szűrési pontosság, mely meghaladja a 95 %-ot (de kívánságra 99 % is biztosítható). Erre a gyártási technológia ad garanciát.

-       mindemellett a szabad felület értéke magas, mely garantálja a kívánt hosszú, 1 éves működési ciklusidőt.

     Ezalatt a berendezést nem kell kitakarítani (karbantartani).

-       a felsorolt tulajdonságok miatt a szűrés pontosan tervezhetővé válik annak ellenére, hogy a szennyeződések és az átbocsájtott mennyiségek időbeni értéke szinte előre jelezhetetlenül változhat. 

         A szűrési cél tehát 2 μm-es szűrési finomság 12 hónapon át óránként 10 - 50 - 100 m³ víz átbocsájtása mellett.

2.,     Laboratóriumi vizsgálatok, szűrési kísérletek
Annak ellenére, hogy a szűrési cél előre meghatározott a megfelelő szűrési kapacitás megtervezéséhez elengedhetetlenül fontos a szennyező anyagok részletes és átfogó ismerete. Mind a koncentráció várható értékeinek, mind a szennyező anyagok fajtáinak és összetételi arányának meghatározása szükséges a megfelelően tartós szűrési eredményhez. A laboratóriumi elemzéshez több alkalommal vettünk vízmintákat. Ennyivel azonban nem értük be. Az üzemben kísérleti szűrést is végeztünk mellékágban az 2. sz. ábra szerint.

2. sz. ábra Szűrési kísérlet 

A víz mintavételt a kísérleti berendezéssel oldottuk meg. A szivattyú (p-1) azért volt szükséges, hogy a megszűrt vizet vissza tudjuk nyomni a főágba. A rétegvíz útja ezután FU, FSM, F1, C különböző szűrőkön vezetett keresztül. Mintákat az I1; I2 csapokon vehettünk a szűrletekből. A nyomásértékeket a PI-vel jelölt nyomásmérőkön olvashattuk el. Az átáramlott mennyiséget az FI mennyiségmérőn regisztráltuk. 

A kísérleteket általában két vagy három fázisban végeztük. A kísérletek során nyert mintákat is elemeztük. A mérési eredmények alapján vált megtervezhetővé az alkalmazandó szűrőberendezés. A kísérletek során egy bizonyos víz mennyiség megszűrése után az előszűrőket is vizsgálatnak vetettük alá. A laboratóriumban kimostuk az előszűrőkből az általuk felfogott anyagot. Ezt azután megelemeztük. Egy eredményt mutat be a 3. sz. ábra.

3. sz.  ábra    Az előszűrőről leválasztott anyag összetételének FT-IR vizsgálata 

Ugyancsak e módszerrel néztük meg az olajtartalmat is. Az előszűrőkből, olajleválasztókból eltávolítottuk a kiszűrt anyagot és mennyiségre - minőségre végeztünk vizsgálatot. Egy eredményt szemléltetünk a 4. sz. ábrán.

4. sz. ábra   A szűretlen és szűrt víz olajtartalmának FT-IR vizsgálata
(a 2926cm^-1-nél mért abszorbancia (ABS)  a minta olajtartalmával arányos) 

A fekete vonal a szűrt vízmintában lévő olajtartalmat, míg a kék vonal a szűretlen vízmintában lévő olajtartalmat mutatja be. A csökkenés nagyságrendjét egyértelműen illusztrálja. A lebegőanyag részecskéket mikroszkópikus vizsgálatnak vetettük alá. Megállapítottuk, hogy a jellemző méret melyik tartományban van. Általában az is megfigyelhető volt, hogy e kisméretű szemcsék idővel nagyobb pelyhekké 10 - 1000 μm tapadtak össze.

Nem említettük még a vizek hőmérsékletét. Pedig ez is egy fontos tényező. Az olajmezők minden évszakban folyamatosan üzemelnek. A termék nagyobb mélységből származik. Hőmérséklete télen és nyáron azonosra vehető. Azonban a leválasztott melléktermékek, így a rétegvíz hőmérséklete tág határok között változhat. Ennek oka a technológiában keresendő.

Tudjuk, hogy a vízben oldott anyagok mennyisége hőmérsékletfüggő. A vízhőmérséklet változása tehát a szűrésre is hatással lehet. E nézőpontból is végeztünk vizsgálatokat. A kicsapódásra hajlamos oldott szervetlen anyagok a szűrési folyamatot hátrányosan befolyásolják (pl. Ca, Mg, Fe sók). Az a kívánatos, ha ezek alacsony koncentrációban vannak jelen. Az oldott szervesanyag tartalommal arányos kémiai oxigénigény (KOI_K) általában magas értékű.

A kísérletek jellemző eredményeit a 2. sz. táblázatban foglaltuk össze. A kísérleti szakaszokat 1-2-3 számokkal jelöltük. A táblázat az elemzések leglényegesebb adatait mutatja. A kísérlet első fázisában (1) közelebb kerültünk a megoldáshoz. A második fázisban (2) beépített kiegészítő szűrő a KOI_K értéket nem befolyásolta, viszont a lebegőanyag paraffin szénhidrogén tartalmának jelentősebb csökkenését okozta. A (3) fázisban szigorítottunk a szűrési méreten, mellyel a lebegőanyag tartalom a szabványos ivóvíz értéket közelítette meg.

2. sz. táblázat

3.,     Megvalósítás
A szűrési cél és az elvégzett kísérletek, laboratóriumi vizsgálatok kijelölték azt az utat, melyet a szűrőberendezés tervezése során követtünk. Először is, a nagy mennyiségű olaj és aszfaltén, melynek fogságában agyagásvány szemcsék vannak, azt kívánja, hogy alkalmazzunk egy durva olajleválasztó egységet, melyben ezek a szennyeződések fennakadnak. Ez arra is megfelelő, hogy a finom szűrőt tehermentesítse a hosszú működési ciklusidő reményében. Az olajleválasztó kapacitását (felületét) úgy alakítottuk ki, hogy a kívánt élettartam, 1 év alatt szennyeződjön el.

Ezt úgy értük el, hogy az olajleválasztóban a nagyobb szemcséknek ülepedési lehetőséget is biztosítottunk. E technikával az egység ellenállása viszonylag alacsony értéken tartható. Az áramlási paraméterek a hatásos leválasztást segítik elő. Az olajleválasztó után a víz a szűrő egységbe kerül. A folyamatos működés kívánalma miatt ezt párhuzamosan kapcsolt szűrőedényekkel oldottuk meg. A párhuzamos kapcsolás lehetővé teszi, hogy az egyik szűrőegység eltömődése után a másik (még tiszta) szűrőedényre való átállással a szűrési vonal működése a kívánt időtartamig extrém esetben is folyamatos legyen. A berendezés elvi kapcsolását a 5 sz. ábrán szemléltetjük.

5. sz. ábra   Berendezés elvi kapcsolása

A szűrőedények eltömődését a ∆p (nyomáskülönbség) mérő berendezések mutatják, illetve jelzik. Egy szűrési vonal felépítését a 6. sz. ábrán adjuk meg. A szűrőn átfolyó vízmennyiséget mennyiségmérő regisztrálja.

A hosszú idejű folyamatos működés érdekében 4 párhuzamos szűrési vonalat alkalmaztunk. A szűrési vonalak üzemeltetése (kiválasztása) a beépített elzáró szerelvények nyitásával-zárásával történik. Természetesen ez lehet kézi vagy automatikus üzemeltetésű is.

6. sz. ábra   Egy szűrési vonal 

A tartályok és csővezetékek szénacélból készülnek. Tekintettel a kismértékű korróziós veszélyre a szénacél alkatrészeket tüzihorganyzással védtük.

Az edényekben szerelt szűrőegységek Ecofilt Mikrofilter védjegyű gyertyás szűrők. A szűrőgyertyák kaszkád kivitelűek. A rozsdamentes acél alaprétegen (garantált réteg) előszűrő van. Az előszűrők anyaga környezetbarát szűrőanyag. A szűrőgyertyák könnyen kezelhető szűrőegységet alkotnak (7. sz. ábra). Az előszűrőre azért volt szükség, hogy a jellemző koncentrációban és méretben előforduló szennyeződések az előszűrőkben váljanak ki. A garantált réteg a szűrőkaszkádon átjutó szennyeződések méretét határolja le 98 % pontossággal. A képen az a pillanat látható, mikor a karbantartó berendezés segítségével az elszennyeződött szűrő egységet a dolgozó kiemeli a szűrőtartályból. Érdemes megfigyelni a szűrőgyertyákon felrakódott kiszűrt agyagot. Fekete színe jól mutatja, hogy a finomabb olajos szennyeződések az előszűrőben válnak ki. A szűrés megfelelő méretezése esetén a szennyeződések döntő része az előszűrőben marad. Ezt mélységi szűrőként - a kiválasztott anyag tárolására - használjuk. A rozsdamentes acélból tekercselt alaprétegen ilyenkor elenyésző mennyiségű szennyeződés rakódik ki. Általában a garantált (alap) réteg ez esetben nem tömődik el.

7. sz. ábra   A szűrőegység kiemelése 

Egy megvalósított szűrőtelep képe a 8. sz. ábrán látható. A képen felismerhető a gyűjtővezeték és a róla elágazó szűrési vonalak. Jól láthatóak a differenciál nyomásmérők és az elágazó csapok piros színű kezelő karjai. A szűrőtelep ez esetben zárt helyen került elhelyezésre, mely részben klimatizálja az üzem-viszonyokat is. Szabadtéri elhelye-zéskor természetesen felmerül az üzemi hőmérséklet biztosításának kérdése is.

8. sz. ábra   Szűrőtelep

A szűrőegységek műhelyben egyszerűen karbantarthatók. A szűrőgyertyákra rögzített előszűrők lehúzhatók. Karbantartásuk vagy cseréből, vagy olajoldószerben való kimosásból áll. A kimosott előszűrők a tapasztalatok szerint 4-5 alkalommal újra használhatók. A szűrőgyertyák puha szőrkefével olajoldószerben tisztíthatók. A tisztítás 100 %-ban hatásos. Ez a gyertyák kiviteléből adódik. Tisztítás után a szűrőegységbe a kimosott szűrőgyertyák és előszűrők visszaszerelhetők. A tapasztalat az, hogy egy ilyen nagy szennyezettségű helyen is a szűrőgyertyák 10 évig használhatóak.

A szűrőegység aztán a 7. sz. ábrán látható módon visszahelyezhető a szűrőtartályba. Megfelelő tömítettség esetén a szűrés folyamatosan a kívánt finomsággal és hatásfokkal biztosítható. 

4.,     Eredmények
A berendezések több éves működése alatt az üzemeltetők a vízminőséget folyamatosan figyelemmel kísérik. A szűrőtelepek megfelelő üzemét jelzi, hogy a vízminőség szennyezettsége a kívánt lebegőanyag és olajtartalom alatt marad. A hosszú idejű tapasztalat az, hogy a kívánt szűrési finomság mellett a kívánt szűrési ciklus is megvalósult (1 év). A legutóbbi esetben az egyik szűrőtelepen pl. 17 hónap folyamatos üzemidő után kellett szűrőtakarítást végezni. 

Az Ecofilt Mikrofilterrel felépített szűrőtelep extrém körülmények között is kipróbálásra került. A tartályok tisztítása során, sűrű iszapot szűrve 7 napon keresztül képes volt üzemelni. (Normál esetben a rétegvíz szennyezettsége az 1 - 10000 mg/m³ értékhatárok közé tehető). 

4.1    Gazdasági eredmények 

A beruházás vizsgálatát az illetékesek elvégezték. Az eredmény jellemzésére elmondható, hogy az eltelt több év alatt az Ecofilt Mikrofilter védjegyű szűrőbetéteket nem kellett újra cserélni. A szűrőegységek kívánt ciklusidejű kitakarítása után a szűrőgyertyákat új vagy kimosott előszűrőkkel újra beszerelték. A karbantartásigény mellett tehát az alkatrészigény is alacsony. Csupán előszűrők szállítása vált szükségessé.

A szivattyúk javítása - mellyel a besajtolási nyomást állítják elő - hatodrészére csökkent. Korábban - a bemutatott szűrés megvalósítása előtt - évente 3 db szivattyú javítására volt szükség. A rétegvíz szűrés e módszerének bevezetése után 2 évenként 1 db szivattyú kerül főjavításra. Emellett a kútjavítások költsége is jelentősen esett. Aminek oka a javítások gyakoriságának jelentős csökkenése. Mindez a jól megválasztott szűrési célra és annak maradéktalan megvalósítására vezethető vissza.

         E helyen is szeretnénk köszönetet mondani mind a MOL Rt., mind a NIS-Naftagas szakembereinek a számunkra biztosított lehetőségért és a korrekt együttműködésért. 

Vissza