Исследование и интенсификация технологических процессов обезвоживания нефти с применением физико-химических методов
| Вид материала | Исследование |
- Бравый Евгений Ильич, 55.95kb.
- И товарных нефтепродуктов лежат физико-химические процессы и управление этими процессами, 133.38kb.
- И товарных нефтепродуктов лежат физико-химические процессы и управление этими процессами, 151.03kb.
- И товарных нефтепродуктов лежат физико-химические процессы и управление этими процессами, 124.23kb.
- Исследование физико-химических процессов горения тбо при их термической утилизации, 15.1kb.
- Химический факультет Южного федерального университета, 334.89kb.
- Программа спецкурса «методы расчета физико-химических свойств веществ» для студентов, 40.47kb.
- Моделирование конструкций и технологических процессов производства электронных средств, 341.49kb.
- Сведения о наиболее значимых результатах научных исследований и разработок алтайского, 300kb.
- Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Методы кибернетики, 136.54kb.
На правах рукописи
САДРИЕВ АЙДАР РАФАИЛОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
| Специальность: 25.00.17 – | Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2010 г.
Работа выполнена в нефтегазодобывающем управлении «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть»
| Научный руководитель: | - доктор технических наук, профессор Хамидуллин Ренат Фаритович |
| Официальные оппоненты: | - доктор технических наук, профессор Федоров Вячеслав Николаевич, - кандидат технических наук Курамшин Ринат Мунирович |
| Ведущая организация: | Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») |
Защита состоится 23 июня 2010 года в 10.00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 002.263.01 при Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН) по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ НВМТ РАН по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.
Автореферат разослан 21 мая 2010 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук А.П. Аверьянов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы:
В настоящее время разработка нефтяных месторождений характеризуется увеличением доли добычи тяжелых высоковязких нефтей. В подобных углеводородных системах содержится повышенное количество тяжелых компонентов, асфальтосмолистых веществ, механических примесей. Их присутствие существенно осложняет процессы подготовки нефти, особенно – процессы обезвоживания. Кроме того, при обработке высоковязких нефтей образуются, так называемые, промежуточные слои (промслой), отличающиеся крайне высокой устойчивостью к разрушению. Эти слои способны накапливаться в отстойной аппаратуре, что ставит под угрозу непрерывность всего процесса подготовки нефти.
Промысловая подготовка тяжелых нефтей (обезвоживание, обессоливание) возможна с помощью традиционных методов – термических, химических - их комбинирования, а также с использованием электрополя. Однако необходимая в таких случаях их интенсификация – увеличение температуры обработки нефти, введение в поток повышенных дозировок селективных реагентов-деэмульгаторов, повышение напряженности электрополя - приводит к существенному удорожанию себестоимости процесса подготовки нефти.
Прогрессивным направлением совершенствования технологии подготовки нефти является внедрение в процесс аппаратов, воздействующих на нефтеводную систему другими полями различной физической природы: акустическими, магнитными, микроволновыми. Для каждого поля характерно свое специфическое воздействие на составляющие такой системы, которое в ряде случаев позволяет достигнуть высокой степени подготовки нефти там, где это было невозможно при использовании термических и химических методов. Эффективное применение подобных технологий требует обоснования метода подбора режима работы аппаратов в условиях конкретного месторождения. В настоящее время своеобразным препятствием для широкого внедрения подобных аппаратов является недостаточная изученность эффективности их воздействия на водонефтяные системы.
Согласно вышеизложенному, разработка технологии внедрения аппаратов, воздействующих на нефти полями различной физической природы, является актуальной для нефтедобывающей промышленности.
Цель работы:
Интенсификация процессов обезвоживания скважинной продукции в процессах внутрипромысловой подготовки нефти с применением физико-химических методов для совершенствования существующей технологии.
Основные задачи исследований:
1. Анализ основных проблем подготовки тяжелых высоковязких нефтей.
2. Исследование влияния физических методов (роторно-пульсационный акустический и микроволновый аппараты) на подготовку нефти.
3. Изучение совместного воздействия на нефтяную эмульсию физических полей и реагентов-деэмульгаторов.
4. Исследование промежуточных слоев из отстойной аппаратуры установок подготовки нефти к возможности её деэмульсации.
5. Разработка технологии деэмульсации продукции скважин с использованием роторно-пульсационного акустического и микроволнового аппаратов.
Научная новизна работы:
- Научно обосновано использование различных физических полей в процессах интенсификации деэмульгирования нефтяных эмульсий. В зависимости от её стойкости, времени образования, применяемых химических реагентов экспериментально показано:
1.1 Для естественно образующейся эмульсии, выходящей из скважины, наилучшую эффективность деэмульгирования показало применение роторно-пульсационного акустического аппарата в сочетании с неионогенными деэмульгаторами.
1.2 Для более стойких эмульсий (тяжелых нефтей из карбонатных отложений) и эмульсий из, так называемых, промежуточных слоёв эффективной является совместная обработка СВЧ-генератором, деэмульгатором и растворителем.
2. Научно обоснована гипотеза формирования промежуточного слоя в отстойниках, объясняющая факт получения сверхстойкой эмульсии, образующейся в присутствии деэмульгаторов с разветвленной структурой.
Практическая ценность работы:
- Разработаны и усовершенствованы технологии физико-химического воздействия при деэмульгировании скважинной продукции в процессах внутрипромысловой подготовки нефти:
1.1 Технология обезвоживания нефти, непосредственно сразу при подъеме её на поверхность с помощью РПАА и с добавлением химических реагентов-деэмульгаторов.
- Технология эффективного деструктивного воздействия на промежуточные слои с использованием реагентов-деэмульгаторов, прямогонного бензина и микроволнового воздействия.
- Разработана технологическая схема включения в систему сбора и промысловой подготовки продукции скважин РПАА и СВЧ-генератора, позволяющая интенсифицировать процесс деэмульсации нефти с экономическим эффектом более одного миллиона рублей в год с одной установки.
Апробация результатов исследований:
Результаты работы докладывались и обсуждались в VIII Республиканской школе студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» (Казань, 2008 г.), на IV Всероссийской конференции «Нефтепромысловая химия» (Москва, 2008 г.), на X Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и студентов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2009 г.)
Публикации:
Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 публикациях: 2-х патентах на изобретение, 3-х статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, 4-х тезисах докладов.
Объем и структура диссертации:
Диссертация изложена на 163 страницах, включающих 26 таблиц, 62 рисунка, список литературы из 133 наименований, и состоит из введения, трех глав, выводов и приложений.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность доктору технических наук, профессору Хамидуллину Р.Ф., кандидату технических наук, доценту Гречухиной А.А., инженеру Фомину В.М.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, цель, научная новизна и практическая значимость.
В первом разделе приведен литературный обзор, посвященный составу и свойствам добываемых водонефтяных эмульсий, причинам их образования и устойчивости. Рассмотрены современные методы разрушения водонефтяных систем, при этом особое внимание в обзоре уделено способам, использующим воздействие полей различной физической природы – акустической и микроволновой обработки. В отдельном подразделе первого раздела диссертации рассмотрены промежуточные слои - виды водонефтяных эмульсий, вызывающие наибольшие осложнения в процессе подготовки нефти. Показано, что такие проблемы нефтяной отрасли, как разрушение устойчивых эмульсий, разрушение промслоев, постоянно требуют поиска новых решений или усовершенствования существующих. Усовершенствование, как отмечено в обзоре, возможно при внедрении в технологический процесс физических методов воздействия на нефть. Подобные методы отличаются большей гибкостью, так как подбором режима работы соответствующего аппарата теоретически представляется возможным настроить его на обработку разнообразных нефтей.
Во втором разделе приводятся методики исследований.
В работе использовались методики ВНИИнефть и РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина c проведением следующих исследований:
- испытание реагентов деэмульгаторов на деэмульгирующую активность методом «бутылочной пробы»;
- обезвоживание нефтяных систем с помощью РПАА;
- определение эффективности обессоливания обезвоженной нефти ручным способом и с применением РПАА;
- испытание нефтяных систем на деэмульгирующую способность с применением СВЧ-генератора;
- определение смачивающей способности реагентов-деэмульгаторов и композиционных составов на их основе.
В третьем разделе, содержащем обсуждение экспериментальных данных, рассмотрена возможность эффективного использования роторно-пульсационного акустического и микроволнового аппаратов при обезвоживании и обессоливании нефтей; рассмотрена такая особенность реагентов-деэмульгаторов, как склонность к образованию промежуточных слоёв и предложены меры по её ингибированию.
Роторно-пульсационный акустический аппарат предназначен для интенсификации процессов диффузии, смешения, растворения, гомогенизации и диспергирования. Использованный в работе лабораторный РПАА представляет собой лопаточную машину с необтекаемыми лопатками, в которой концентричные (коаксиальные) ряды лопаток ротора (вращающийся элемент аппарата) чередуются в радиальном направлении с рядами лопаток статора (неподвижные элементы аппарата). Диск ротора выполнен из титановых сплавов, которые обладают высокими акустическими свойствами, и совершает веерные, зонтичные или комбинированные (веерно-зонтичные) колебания различной формы, частоты и интенсивности.
 |
| Рисунок 1 – Роторно-пульсационный акустический аппарат. |
Использование роторно-пульсационного акустического аппарата в качестве дополнительного (к термохимическому) воздействия на водонефтяную эмульсию должно способствовать более равномерному смешению реагента с нефтью и деструктивному воздействию аппарата на оболочки эмульгированных глобул воды. В итоге, при совместном использовании деэмульгатора и РПАА при определенных режимах его работы можно достигнуть более эффективного разрушения эмульсий.
На первом этапе работы с РПАА был изучен процесс обезвоживания нефтей с применением реагентов, аппарата и при их совместном действии.
Исследования проводились на естественных нефтяных эмульсиях, взятых непосредственно из скважин различных горизонтов (таблица 1). Температурный режим отстоя и объем дозировки реагента выбирались, исходя из устойчивости эмульсии. При обезвоживании с помощью РПАА в аппарат наливали водонефтяную эмульсию, дозировали определенное количество реагента. Смешение в аппарате проводились в течение 30-120 секунд (выбор режима аппарата) с различной скоростью вращения ротора (800-7700 об./мин.) Для каждой водонефтяной эмульсии экспериментально подбирался оптимальный режим работы аппарата в зависимости от её седиментационной и агрегативной устойчивости. Далее эмульсию сливали в мерный стакан и замеряли отстой воды от нефти через каждые 15 минут при температуре бани 20 и 700С в течение 1 часа.
Таблица 1 - Характеристика нефтей и эмульсий на их основе
| № эмульсии | Характеристика эмульсий | Способность эмульсии к разрушению при отстое | Характеристика нефти | |||||||
| Обводненность, % мас. | Горизонт | Плотность, кг/м3 | Содержание, % мас.: | |||||||
| серы | парафинов | смол | асфальтенов | |||||||
| 1 | 22 | Карбон | Не разрушается | 903 | 3,15 | 4,6 | 15 | 5,6 | ||
| 2 | 54 | Смесь карбона и девона | Не разрушается | 882 | 2,21 | 4,96 | 15,63 | 4,63 | ||
| 3 | 20 | Карбон | Не разрушается | 904 | 3,4 | 3,4 | 14 | 6,2 | ||
| 4 | 84 | Карбон | Не разрушается | 905 | 3,1 | 3,6 | 14,5 | 4,7 | ||
| 5 | 80 | Карбон | Не разрушается | 905 | 3,1 | 3,6 | 16 | 4,7 | ||
| 6 | 22 | Карбон | Не разрушается | 904 | 3,4 | 3,4 | 17,5 | 6,2 | ||
| 7 | 16 | Карбон | Не разрушается | 904 | 3,4 | 3,4 | 15,5 | 6,2 | ||
| 8 | 22 | Карбон | Не разрушается | 903 | 3,2 | 4,6 | 15 | 5,6 | ||
| 9 | 69 | Девон | Не разрушается | 871 | 1,7 | 5,1 | 15,5 | 4,2 | ||
| | | |||||||||
| | | |||||||||
 |
| Рисунок 2 – Динамика обезвоживания эмульсии №2. |
 |
| Рисунок 3 - Динамика обезвоживания эмульсии №3. |
И, напротив, - утолщение и упрочнение адсорбционных оболочек на глобулах воды с течением времени является главной причиной, препятствующей проявлению РПАА деэмульгирующих функций (рисунок 4).
Рисунок 4 – Динамика обезвоживания эмульсионных нефтей
с различным временем формирования реагентом Дефакс Б2 (25 г/т.) и РПАА
(2500 об./мин., 2 мин.)
Последующие испытания РПАА на свежих водонефтяных эмульсиях показали, что для каждой эмульсии существует свой оптимальный режим обработки в РПАА. Однако в большинстве случаев использование только аппарата для обезвоживания нефтей недостаточно: обработанная нефть в большом количестве содержит воду (до 66% мас.). В дополнение к роторно-пульсационному акустическому воздействию на эмульсию всегда необходимо термохимическое воздействие. В общем виде динамика обезвоживания нефти различными способами показана на рисунке 5.
Рисунок 5 – Динамика обезвоживания эмульсии №4 различными способами
(режим РПАА – 7800 об./мин., 120 с.)
Отдельными способами исследуемые эмульсии разрушаются лишь частично. Наиболее глубокое отделение воды от нефти происходит лишь при совместном воздействии термохимии и РПАА, причем, использование аппарата в технологии обезвоживания нефти позволяет снизить эффективную дозировку реагента со 150 до 50 г/т.
Особенно интересными представляются результаты обезвоживания эмульсии угленосного горизонта: она не разрушалась ни при высоких дозировках реагентов (150 г/т.), ни при повышенной температуре (70°С). Однако комбинированная обработка эмульсии реагентами и РПАА обеспечивает полное отделение воды в течение 15 минут после начала отстоя при температуре до 400С (рисунок 6).
Рисунок 6 – Динамика обезвоживания нефти №7 угленосного горизонта
различными способами (режим РПАА – 2700 об./мин., 120 с.)
Вторым этапом работы с РПАА стало его исследование в условиях процесса обессоливания нефти. Обессоливанию подвергались нефти девонского и карбонового горизонтов. Процесс смешения пресной воды с обезвоженной нефтью проводили двумя методами: с помощью РПАА и ручным встряхиванием.
Обессоливание девонской нефти при различных режимах показало, что определяющим фактором данного процесса подготовки нефти является температура обессоливания. И поскольку существенного различия в эффективности процесса обессоливания при температуре 550С между ручным перемешиванием и перемешиванием в РПАА не выявлено, то необходимость монтажа РПАА в блоке обессоливания на установке по подготовке нефти отпадает. Также применение РПАА не обеспечило необходимую глубину обессоливания более тяжелых карбоновых нефтей.
На наш взгляд, роторно-пульсационный акустический аппарат может быть разновидностью процесса внутритрубной деэмульсации нефти. При турбулентном движении отдельные глобулы эмульсии сталкиваются со стенками аппарата, что приводит к разрушению защитных бронирующих оболочек. Глобулы пластовой воды при этом переходят в пленочное состояние. На неё дополнительно воздействуют центробежные силы и акустические колебания, что приводит к обновлению адсорбционных слоёв и, за счёт присутствия в потоке реагентов-деэмульгаторов, происходит разрушение бронирующих оболочек из природных эмульгаторов. В результате получается неустойчивая грубодисперсная эмульсия с каплями, лишенными прочной адсорбционной оболочки, не способными стабилизировать вновь эмульсию любого типа. Неэффективность обезвоживания «старых» эмульсий связана с тем, что суммарная сила, образующаяся в РПАА, недостаточна для разрушения высоко бронированных адсорбционных слоёв.
Таким образом, использование в процессе обезвоживания нефти роторно-пульсационного акустического аппарата совместно с реагентом способствует эффективному перемешиванию реагента с эмульсией, разрушению адсорбционного слоя из природных эмульгаторов, в результате чего наблюдается более динамичный отстой воды от нефти, уменьшение расхода деэмульгатора. И, как следствие, все это приводит к интенсификации процесса. Таким образом, результаты позволяют рекомендовать включение РПАА в схему сбора и подготовки нефти, особенно на мелких месторождениях, где отсутствует разветвленная трубопроводная система. Но его селективность к «свежим» нефтяным эмульсиям ограничивает область применения аппарата и требует тщательного выбора места его внедрения.
Рисунок 7 – Принципиальная схема установки РПАА в системе добычи нефти.
Вторая часть третьего раздела содержит обсуждение результатов обезвоживания нефтей и промежуточных слоев с помощью микроволновой технологии.
При воздействии микроволн на водонефтяную эмульсию скорость нагрева её компонентов различна. Скорость протекания процесса теплового воздействия на систему значительно выше, чем при классических методах нагрева. Микроволновое воздействие возбуждает дипольное вращение молекул среды при наличии мощных межмолекулярных связей, что приводит к появлению гистерезиса между приложенным полем и индуцированным откликом, а запасенная вследствие этого энергия выделяется при релаксации в виде тепла. Теоретически такая обработка должна приводить к более эффективному разделению нефтяной эмульсии на ее составляющие компоненты (нефть, вода).
Для проведения исследований была использована лабораторная установка, состоящая из микроволновой камеры, генератора микроволн на магнетроне 2450 МГц и блока управления (рисунок 8).
Рисунок 8 – Лабораторная микроволновая установка.
На первой стадии исследования работы микроволнового аппарата проводили деэмульгирование естественных и искусственных нефтяных эмульсий с различным временем «старения». В опытах сравнивали эффективность обезвоживания нефтей термохимическим методом и методом, комбинирующим микроволновое облучение (при различных режимах работы установки) и химическую обработку. В качестве реагентов-деэмульгаторов использовали РИФ, Реапон-4В, Рекод 752А, Полинол при их расходах от 20 до 100 г/т. Эффективность отстоя контролировали в течение 30 минут. При микроволновой обработке в эмульсию дозировали реагент, эффективно ее перемешивали ручным способом и помещали в лабораторную микроволновую установку, предварительно установив соответствующий режим обработки. После обработки сосуд с эмульсией вынимали из камеры, замеряли температуру водонефтяной системы и объем воды, отделившейся в течение 30 минут без дополнительного термостатирования.
 |
| Рисунок 9 – Обезвоживание нефти термохимическим методом с применением микроволновой технологии (срок хранения эмульсии 45 дней). |
Микроволновое воздействие также было использовано для обработки промежуточных слоев, формирующихся в отстойной аппаратуре. Промежуточные слои - это высокостойкие множественные нефтяные эмульсии с высоким содержанием воды и механических примесей. Как правило, для их разрушения требуется увеличение расхода реагента в 5 раз и повышение температуры до 800С, чаще всего эти множественные эмульсии образуются в отстойниках и резервуарах на границе раздела фаз, накопление которых способно свести массообмен к нулю и полностью нарушить любой технологический процесс. В настоящее время на промыслах промежуточные слои периодически подрезаются и доставляются на установки по переработке нефтяных шламов.
Для проведения испытаний были отобраны два образца промежуточных слоев: из отстойников установок подготовки нефти НГДУ «Азнакаевскнефть» (нефти девонского горизонта) и НГДУ «Лениногорскнефть» (нефти карбонового горизонта). Характеристика их приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Характеристика промежуточных слоев.
| № п/п | Место отбора | Горизонт | Плотность нефти при 200С, кг/м3 | Плотность эмульсии при 200С, кг/м3 | Обводненность эмульсии, % мас. | Содержание мехпримесей, % мас. | Содержание смол, % | Содержание асфальтенов, % |
| 1 | Азнакаевский товарный парк резервуар № 20 | Девон | 890 | 960 | 35 | 2,7 | 10,7 | 14,8 |
| 2 | Горкинский товарный парк резервуар № 2 | Карбон | 925 | 980 | 13 | 3,9 | 18,5 | 19,6 |
Обработка образца №1 различными способами показала следующее (рисунок 10). При введении в систему реагента-деэмульгатора (Реапон 4В, Рекод 752А, Полинол, 500 г/т.) выделения обезвоженной нефти не происходит, отделение воды незначительно – 14% от общей воды в нефти. При дополнительном введении в промслой небольшого объема прямогонного бензина (tкипения – до 180 0С) (метод, облегчающий разрушение промслоя за счет снижения его вязкости и плотности) выделяется 70% обезвоженной нефти, а оставшиеся 30% приходятся целиком на промежуточный слой. Выделения воды из него не происходит: она перераспределяется, образуя нижний обводненный (более плотный и устойчивый промслой) и верхний безводный нефтяные слои. При обработке нефтяной системы, содержащей деэмульгатор (Реапон 4В, 500 г/т.) и растворитель, в микроволновой камере из промслоя выделяется 28% воды и 62% обезвоженной нефти. Количество промежуточного слоя при этом уменьшается до 10%. Подобный эффект достигается и при использовании другого химреагента (Полинол): совместное воздействие деэмульгатора, микроволн и добавки бензина (растворителя) позволяет получить обезвоженную нефть в количестве 65%, при этом количество промежуточного слоя уменьшается до 5%.
При обезвоживании более устойчивого промежуточного слоя №2, образованного из нефти карбонового горизонта, отделения воды не происходило - отмечался лишь ее переход из всего объема промслоя в нижние слои, в результате чего образовался верхний безводный слой нефти (рисунок 11).
Видно, что больший объем сухой нефти выделяется при микроволновом воздействии с введением в систему реагента-деэмульгатора и бензина.
Таким образом, для разрушения высокостойких водонефтесодержащих систем целесообразно использовать кратковременное воздействие на них микроволновых полей в сочетании со специально подобранными деэмульгаторами.
Подобная обработка через сутки отстоя позволяет резко уменьшить количество трудноразрушимых нефтяных систем и выделить из них до 85% обезвоженной нефти.
На действующих установках по подготовке нефти микроволновую технологию можно внедрить следующим образом. Промежуточные слои, образовавшиеся в отстойниках, смешиваются с реагентом и прямогонным бензином и прокачиваются через узел микроволновой обработки с определенной скоростью. Далее обработанные слои направляются в резервуары на суточный отстой (рисунок 12).
 |
 |
| Рисунок 11 – Количество промслоя, нефти и воды (% масс.), полученных из промслоя № 2 при различных условиях воздействия на него (время отстоя 24 часа): 1 – исходный промслой; 2 – термохимия (300 г/т) с введением бензина; 3 – термохимия (500 г/т) с введением бензина; 4 – обработка микроволнами без реагента; 5 – обработка микроволнами с термохимией (300 г/т) и с введением бензина; 6 - обработка микроволнами с термохимией (500 г/т) и с введением бензина. |
| Рисунок 10 – Количество промслоя, нефти и воды (% масс.), полученных из промслоя № 1 при различных условиях воздействия на него (время отстоя 24 часа): 1 – исходный промслой; 2 – термохимия; 3 – термохимия с введением бензина; 4 – обработка микроволнами с термохимией (Реапон 4В) и бензином; 5 – обработка микроволнами с термохимией (Полинол) и с введением бензина. |
Рисунок 12 Принципиальная технологическая схема по подготовке промежуточных слоев на местах его образования.
Отмеченная избирательность микроволнового поля к нефтям карбоновых горизонтов, вероятно, обусловленная значительно более высоким содержанием стабилизаторов-диполей в адсорбционных слоях эмульсий, так как диполи наиболее восприимчивы к воздействию микроволн. Определенная подвижность, вращение таких молекул приводит к разрыхлению прочной оболочки на глобулах воды, к существенному ослаблению ее структурно-механической прочности, что, в свою очередь, становится важнейшим фактором эффективного разрушения эмульсии при воздействии реагента-деэмульгатора. В дополнение к этому, различная скорость нагрева компонентов нефтяной эмульсии способствует резкому увеличению разности плотностей двух фаз, что по закону Стокса (1) существенно облегчает расслоение эмульсии на нефть и воду.
, (1)где W – скорость оседания капель, см/с.;
d – диаметр отделяющихся капель воды, см;
ρводы, ρнефти – плотности соответственно воды и нефти, г/см3;
g – ускорение свободного падения, см/с2;
n – динамическая вязкость нефтяной среды, г/см·с.
В отличие от классических методов, нагрев с помощью СВЧ-генератора глобул воды в эмульсии происходит не со стороны дисперсионной среды, а изнутри за счет вращения, трения непосредственно молекул воды (рисунок 13). Таким образом, стабилизирующий слой дополнительно прогревается с внутренней стороны, со стороны воды. Видимо, это вносит определенный вклад в положительное воздействие микроволн на процесс обезвоживания нефти.
Рисунок 13 Нагрев нефтяной эмульсии: а) термическим методом; б) с помощью СВЧ-генератора.
Третья часть третьего раздела. Известно, что основной причиной образования промежуточных слоёв является присутствие в эмульсиях механических примесей и сульфида железа. Однако причинами образования промежуточных слоёв могут быть и применяемые деэмульгаторы, их высокая концентрация в системе. Для борьбы с механическими примесями и сульфидом железа, содержащимися в нефтяной эмульсии, существуют специальные способы и мероприятия. Систематических же исследований ассортимента деэмульгаторов на склонность их к образованию промежуточных слоев практически не проводилось. В заключительной части третьего раздела представлены результаты исследования реагентов-деэмульгаторов на склонность к образованию промежуточных слоев, а также рассмотрены некоторые пути, обеспечивающие существенное ослабление этого нежелательного свойства деэмульгаторов.
На наличие указанной склонности нами был проверен, в первую очередь, большой ассортимент реагентов (22 наименования), наиболее используемых для разрушения эмульсий в промысловых условиях. Все они являлись неионогенными ПАВ, в основном - блоксополимерами на основе оксидов алкиленов и их смесей. Испытания реагентов проводили на четырех естественных эмульсиях, которые были устойчивы в условиях испытаний и без реагентов не разрушались. В зависимости от стойкости эмульсий их разрушение проводили при различных расходах реагентов (50, 100, 150, 200 г/т.) при температуре 55 и 70 °С в течение двухчасового отстоя методом «бутылочной пробы». В этих условиях большинство реагентов обеспечили глубокое обезвоживание нефти (содержание остаточной воды составляло не более 1% мас.). После отстоя с границы раздела фаз нефть-вода отбирали промежуточный слой, в котором определяли содержание воды.
Результаты анализа показали, что наибольший объем промежуточного слоя высокой обводненности (до 10%) наблюдается при использовании реагентов Лапрол, Рекод 752А, Рекод 758, Дипроксамин 157, Проксамин 385, Сепарол 5084. Небольшой объем промежуточного слоя с малым содержанием воды в нем (до 3 % мас.) получали при применении реагентов LML, СНПХ 4315, Полинол.
Сравнение фенольных индексов испытуемых реагентов с их склонностью к образованию промежуточных слоев показало, что более гидрофобные реагенты (Полинол) не дают объемных промежуточных слоев. И наоборот, реагенты марки Лапрол со значительно большим фенольным индексом, т.е. с большей гидрофильностью, образуют устойчивые промежуточные слои.
Реагенты-деэмульгаторы, применяемые на промыслах, являются блоксополимерами и имеют различное строение. Строение их зависит от стартового вещества, к которому присоединяются оксиды алкилена, или от структуры алкилфенолформальдегидных смол как гидрофобной составляющей неионогенных ПАВ. Для изучения влияния структуры реагентов на их склонность к образованию промежуточного слоя были проведены исследования, в которых использовались деэмульгаторы различной структуры. В результате эксперимента было обнаружено, что реагенты, имеющие разветвленную структуру (Дипроксамин-157 и Лапрол 6003-18) дают промежуточный слой с большим содержанием воды - 3,6 и 3,01% соответственно. Реапон-4В, имеющий прямоцепочную структуру (таблица 3), практически не образует промежуточного слоя – содержание воды в нем составляет 0,86%.
Таблица 3 – Структурные формулы исследуемых реагентов.
| Название реагента | Структурная формула |
| Реапон–4В |  |
| Дипроксамин-157 |  |
| Лапрол 6003-18 |  |
Таким образом, было показано, что наибольшей склонностью к образованию промслоев обладают структурно-разветвленные реагенты с повышенной гидрофильностью. Подобными характеристиками обладает деэмульгатор марки Лапрол 6003-18 и именно при его использовании, как отмечено в предшествующих испытаниях, образуются объемные обводненные промежуточные слои. С целью устранения такого недостатка были проведены исследования композиционных составов на основе Лапрола 6003-18.
Композиции были получены с применением четырех импортных присадок. Объем присадки в каждой композиции составлял 20% (в среднем на практике объем присадок к реагентам составляет 10-20%):
композиция №1 – Лапрол 6003-18 + присадка №1 (9909, Китай);
композиция №2 – Лапрол 6003-18 + присадка №2 (ХТ-420, Канада);
композиция №3 – Лапрол 6003-18 + присадка №3 (LML);
композиция №4 – Лапрол 6003-18 + присадка №4 (S-15, Канада).
Полученные смеси испытывали в процессе обезвоживания и сравнивали эффективность каждой композиции с действием самого Лапрола 6003-18 (таблица 4).
Как видно, положительный результат получен только при использовании композиции №2, которая обеспечивает наиболее глубокую степень обезвоживания нефти и минимальное содержание воды в промежуточном слое. Добавка к Лапролу присадок №1, №3, №4, при отсутствии положительных сдвигов по промслою ухудшает динамику отстоя воды.
В качестве присадок также были использованы реагенты-деэмульгаторы, не образующие промслоев – Реапон-4В и Полинол-53. При добавке реагента Полинол-53 в качестве присадки значительно снижается содержание воды в промежуточном слое (до 1,9%). При использовании в качестве присадки реагента Реапон-4В содержание воды в промежуточном слое не уменьшается.
Таблица 4 – Исследование композиций на основе Лапрол 6003-18 на склонность к образованию промслоев.
| Название реагента | Глубина обезвоживания (% мас.) за время отстоя, мин. | Остаточная вода в промежуточном слое, % мас. | Остаточная вода в верхнем слое, % мас. | |||||||
| 15 | 30 | 45 | 60 | 75 | 90 | 105 | 120 | |||
| Комп. №1 | 8 | 12 | 18 | 30 | 61 | 76 | 76 | 76 | 3,40 | 1,10 |
| Комп. №2 | 0 | 5 | 30 | 76 | 92 | 95 | 99 | 99 | следы | следы |
| Комп. №3 | 0 | 15 | 38 | 68 | 76 | 76 | 76 | 76 | 3,50 | 2,21 |
| Комп. №4 | 0 | 20 | 73 | 87 | 94 | 96 | 96 | 96 | 3,34 | следы |
| Лапрол 6003-18 | 0 | 0 | 18 | 30 | 68 | 76 | 91 | 91 | 3,99 | 1,2 |
Для объяснения эффекта от действия присадок была исследована смачивающая способность реагента Лапрол 6003-18 и композиций на его основе. Смачивающую способность фиксировали скоростью капиллярной пропитки твердой фазы. В качестве твердой фазы использовали кварцевый песок с диаметром частиц 0,3 – 1 мм. В этом случае твердая фаза (подложка) имела гидрофильную поверхность. Для создания гидрофобной поверхности на кварцевом песке были использованы природные эмульгаторы – асфальтены, выделенные из нефти. Сначала измеряли смачивающую способность присадок (рисунок 14). Наибольшая скорость капиллярной пропитки была характерна для присадки №2. Наименьшая смачивающая способность была у реагента Лапрол 6003-18 и присадки №1. Композиции №1, №3, №4, по сравнению с исходным Лапролом, дают несущественное улучшение капиллярной пропитки.
Добавление присадки №2 к Лапролу существенно улучшает пропитку гидрофильной твердой фазы. Эти же закономерности, но с более явным эффектом, наблюдаются при смачивании асфальтеновой подложки. Таким образом, присадка №2 как индивидуально, так и в композиции проявляет лучшую смачивающую способность.
 |
| Рисунок 14 – Динамика смачивания гидрофобной твердой фазы реагентом Лапрол 6003-18 и присадками. |
Таким образом, существенного снижения склонности реагентов к образованию промежуточного слоя можно добиться деэмульгирующим композиционным составом, используя в качестве присадок поверхностно-активные вещества, улучшающие смачивающую способность основного деэмульгатора по отношению к природным эмульгаторам.
В приложении 1 представлен акт промыслового испытания смеси деэмульгатора и присадки ХТ-420 на водонефтяной эмульсии ЦДНГ-1 ЗАО «Геология». Испытание показало положительный результат на способность смеси реагента с присадкой уменьшать образование промежуточного слоя при подготовке продукции скважин.
В приложении 2 приведен расчет экономической эффективности внедрения технологии по переработке промежуточных слоев на Северо-Альметьевском промышленном узле НГДУ «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть». Средний чистый дисконтированный доход от внедрения данной технологии составит 1,1 млн. рублей в год (таблица 5).
Таблица 5 – Расчет экономической эффективности от внедрения технологии по переработке промежуточных слоев.
| № п/п | Наименование затрат | Ед. изм. | До внедрения | После внедрения | Отклонение +,- |
| 1 | Капитальные вложения | тыс. руб. | 0 | 5700 | 5700 |
| 2 | Объем утилизации промежуточного слоя в год | тонн | 2000 | 500 | -1500 |
| 3 | Эксплуатационные затраты: | тыс. руб. | 2865 | 3340,4 | 475,4 |
| 3.1 | транспортные затраты на вывоз промежуточного слоя на нефтешламовую установку в год | тыс. руб. | 1470 | 490 | -980 |
| 3.2 | переработка промежуточного слоя на нефтешламовой установке «Карабаш» (объем согласно п.2) | тыс. руб. | 1395 | 465 | -930 |
| 3.3 | на электроэнергию при эксплуатации СВЧ-генератора в год | тыс. руб. | 0 | 225,4 | 225,4 |
| 3.4 | на оплату труда при обслуживании СВЧ-генератора в год | тыс. руб. | 0 | 120 | 120 |
| 3.5 | на добавку в промежуточный слой растворителя (прямогонного бензина) в год | тыс. руб. | 0 | 2040 | 2040 |
| 4 | Дополнительный объем нефти в год полученной после переработки промежуточного слоя на месте его образования | тонн | 0 | 1500 | 1500 |
| 5 | Выручка от реализации дополнительного объема нефти в год, полученного после переработки промежуточного слоя на месте его образования | тыс. руб. | 0 | 8669 | 8669 |
| 6 | Срок окупаемости | лет | 2,2 | ||
| 7 | Средняя величина чистого дисконтированного дохода в год | тыс. руб. | 1100 | ||
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- В результате проведенного анализа, выявлена необходимость и возможность интенсификации процессов обезвоживания нефти при внутрипромысловой подготовке с применением различных физических полей. Доказано, что обработка «свежих» эмульсий в РПАА совместно с реагентом-деэмульгатором приводит к более интенсивному и более полному отделению воды от нефти, в сравнении с термическим или термохимическим воздействием на водонефтяную эмульсию, что позволяет рекомендовать его включение в систему сбора и подготовки нефти на промыслах, а именно, перед внутритрубной деэмульсацией.
- На основании изучения возможности применения микроволнового аппарата в процессе обезвоживания высоковязких нефтей и труднорасслаиваемых промежуточных слоев установлено, что под воздействием микроволн наиболее полно обезвоживаются тяжелые нефти карбонатных коллекторов и промежуточные слои, сформированные в отстойной аппаратуре. Показано, что деэмульгаторы с разветвленной структурой, как правило, приводят к образованию высокостойких эмульсий «промежуточных слоев».
- Разработан метод обработки промежуточных слоев в микроволновом аппарате, сочетающий в себе воздействие на них реагента-деэмульгатора и растворителей (прямогонного бензина).
- Разработана методика подбора реагентов-деэмульгаторов, используемых для разрушения нефтяных эмульсий, учитывающая их структуру и капиллярные свойства, позволяющая резко ослабить образование трудно расслаиваемых промежуточных слоев.
- Разработана усовершенствованная технологическая схема сбора и подготовки скважиной продукции с включением в неё роторно-пульсационного акустического аппарата и СВЧ-генератора, позволяющая получить экономический эффект более одно миллиона с одной установки.
Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
- Садриев А.Р. «Изучение влияния механико-акустического воздействия на процесс обезвоживания нефти» [Текст] /А.Р. Садриев, А.А. Гречухина, Р.Ф. Хамидуллин // «Технология нефти и газа» – 2008 г. – №3. – С. 42-46.
- Садриев А.Р. «Исследования воздействия микроволновой обработки на устойчивость нефтяных эмульсий» [Текст] / А.Р. Садриев, И.Р. Миргалиев, А.А. Гречухина, Г.А. Морозов // «Технология нефти и газа» – 2009 г. – №1. – С. 28-31.
- Патент 2354445 РФ, МПК7 B01F7/00. «Акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате для его осуществления» / А.Р. Садриев, В.М. Фомин, Р.Ф. Хамидуллин [и др.]; заявитель и патентообладатель А.Р. Садриев, В.М. Фомин, Р.Ф. Хамидуллин [и др.] - № 2007132601/15; заявл. 29.08.2007 г.; опубл. 10.05.2009 г.; Бюл. №13.
- Патент 2366497 РФ, МПК7 B01F7/00. «Роторно-пульсационный акустический аппарат» / А.Р. Садриев, В.М. Фомин, Р.Ф. Хамидуллин [и др.]; заявитель и патентообладатель А.Р. Садриев, В.М. Фомин, Р.Ф. Хамидуллин [и др.]. - № 2007132600/15; заявл. 29.08.2007 г.; опубл. 10.09.2009 г.; Бюл. №25.
- Садриев А.Р. «Исследование совместного воздействия на нефтяные эмульсии реагентов-деэмульгаторов и механико-акустической или микроволновой обработки» / А.Р. Садриев, И.Р. Миргалиев, А.А. Гречухина // «Нефтепромысловая химия» мат. IV Всероссийской науч.-практич. конференции. - Москва: РГУ. – 2008 г. - С. 173-175.
- Садриев А.Р. «Применение роторно-пульсационного акустического аппарата в процессе подготовки нефти» / А.Р. Садриев, Р.Р. Фазулзянов, А.А. Гречухина // «Жить в XXI веке» в мат. конкурса VIII Республиканской школы студентов и аспирантов. - Казань: Изд-во КГТУ. – 2008 г. - С. 87-89.
- Садриев А.Р. «Разрушение водонефтяных эмульсий с помощью роторно-пульсационного акустического аппарата» / А.Р. Садриев, Р.Р. Фазулзянов, А.А. Гречухина, Р.Ф. Хамидуллин // «Химия и химическая технология в XXI веке» мат. Всероссийской науч.-практич. конференции. - Томск. – 2009 г. – С. 253-254.
- Садриев А.Р. «Влияние реагентов-деэмульгаторов на склонность к образованию промежуточных слоев» / А.Р. Садриев, Л.И. Фаррахова, А.А. Гречухина, Р.Ф. Хамидуллин // «Химия и химическая технология в XXI веке» мат. Всероссийской науч.-практич. конференции. - Томск. – 2009 г. – С. 254-255.
- Садриев А.Р. «Исследование реагентов-деэмульгаторов на склонность к образованию промежуточных слоев» [Текст] / А.Р. Садриев, Л.И. Фаррахова, А.А. Гречухина // «Технология нефти и газа» – 2009 г. - №6. – С. 16-18.
Соискатель
А.Р. Садриев| Заказ №3557 | Тираж 100 экз. |
| Отпечатано в ООО «БИ Компани-Сервис» 423450, РТ, г. Альметьевск, ул. Нефтяников, д.37 Тел.: (8553) 22-08-73, 22-05-02 Подписано в печать 25.04.2010 г. | |