Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции сква

3.2.3.Применение поршней и химическихреагентов в трубопроводном транспорте нефти и газа

Химические реагенты, включая депрессанты гидратообразования и по­ тери текучести, биоциды и ингибиторы коррозии, а также реологические присадки, используемые для обработки газонефтепроводов, часто вводятся с помощью трубопроводных поршней для повышения эффективности хими­ ческой обработки, в т. ч. благодаря дополнительному воздействию поршней на внутреннюю поверхность стенок труб [36].

Поршни применяются для удаления отложений парафина, нанесения ингибиторов коррозии, очистки трубопроводов от осадконакоплений, а также для вытеснения воды, которая служит средой для развития бактерий

испособствует коррозии. Продуктами жизнедеятельности бактерий являют­ ся сероводород, активизирующий коррозионные процессы, а также слизь

итвердые частицы, образующие основу трубопроводных пробок.

Также ценной является способность поршней удалять из трубопровода отложения песка и мела, ржавчину и окалину, под которыми возможно разви­ тие одной из форм ускоренной коррозии, сходной с коррозией питтинговой.

Депарафинизация. Депарафинизирующие химические составы (депа­ рафинизаторы) в основном используются для снижения вязкости нефти, предотвращения отложений парафина на стенках труб и предупреждения закупоривания контрольно-измерительного оборудования. В трубопровод­ ном транспорте применяются депарафинизирующие реагенты двух типов, а именно: модификаторы кристаллов и диспергенты.

Действие модификаторов кристаллов основано на изменении формы

иповерхностной энергии кристаллов парафина. В результате снижается склонность кристаллов к взаимному объединению или присоединению

кстенкам трубы. Кроме того, размеры кристаллов остаются настолько не­ большими, что снижается вероятность их осаждения и слипания. По этой причине модификаторы кристаллов известны под названиями депрессантов потери текучести, или реологических присадок.

Диспергенты представляют собой поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые изменяют поверхностную энергию кристаллов парафина, что опять же приводит к меньшей склонности последних к присоедине­ нию к стенкам трубы и слипанию. Как модифицирование кристаллов, так

идиспергирование замедляют отложение парафина на стенки труб. Обычно депарафинизаторы обоих типов применяются в небольших количествах, их доля составляет 100...200-1.

Для того чтобы модификаторы кристаллов были эффективными, их необ­ ходимо добавлять в поток нефти непрерывно при температуре, превышаю­ щей точку помутнения. Точка помутнения - это та температура, при которой

нефть начинает мутнеть в результате осаждения кристаллов парафина, т.е. она соответствует пределу растворимости парафина в нефти.

Точку помутнения следует отличать от точки потери текучести нефти, поскольку под последней понимают температуру, при которой нефть пере­ стает вытекать из химического стакана при некоторых стандартных усло­ виях. Даже если температура нефти ниже точки потери текучести, нефть по-прежнему сохраняет пригодность к перекачке по трубопроводу.

Малая подвижность нефти и полное ее охлаждение ускоряют отложение парафина. Причем выпавший в осадок парафин повторно уже не раство­ рится, даже если температура нефти будет выше точки помутнения или со­ держание парафина в нефти будет ниже предела растворимости. Отложения парафина необходимо из трубопровода удалять либо с помощью растворите­ лей-диспергентов, либо механически, либо термическими методами.

Применение поршней для удаления парафина. Поршни широко ис­ пользуются для удаления отложений парафина с внутренней поверхности стенок труб. Известно много конструкций поршней подобного назначения, включая поршни типа Polly Pig, сферические поршни и составные (набор­ ные) поршни-сердечники, оснащаемые скребками и коническими чашками или дисками, а то и комбинированным комплектом последних. Принцип действия поршней при удалении парафина таков: во-первых, они счищают парафиновую корку со стенок труб и, во-вторых, выталкивают рыхлые па­ рафиновые отложения из трубопровода. Взаимодействие внешней поверх­ ности поршня со стенкой трубы вызывает усилие сдвига (среза) и приводит

кочищающему эффекту. Переток нефти за движущийся по трубопроводу поршень способствует под держанию загрязняющих частиц во взвешенном состоянии перед поршнем и облегчает их удаление. Плотные отложения парафина могут быть удалены с помощью поршней, оснащенных проволоч­ ными щетками, очистными дисками и иными приспособлениями. Эффектив­ ность поршня применительно к удалению парафина совсем не обязательно определяется плотностью его прилегания к стенкам трубопровода, что спра­ ведливо, например, при последовательной перекачке нескольких продуктов по одному трубопроводу. В рассматриваемом случае эффективность поршня определяется его режущей, очищающей и толкающей (транспортирующей) способностями.

Совместное применение поршней и депарафинизаторов. Теорети­ чески, для регулирования количества парафиновых отложений в трубопро­ воде вполне достаточно либо химической обработки депарафинизаторами, либо предупредительных мероприятий, связанных с использованием порш­ ней. Однако в реальных условиях эксплуатации трубопроводов ни один из двух этих методов не дает полной гарантии. В первую очередь это относится

ктрубопроводам, по которым с малой подачей транспортируются нефти

с высоким содержанием парафинов или асфальтенов и значением точки по­ мутнения.

Скорость отложения парафинов может быть настолько велика, что эффек­ тивная химическая обработка будет связана с большими количествами не­ обходимых реагентов и в силу этого окажется экономически нецелесообраз­ ной. Кроме того, некоторые парафины недостаточно поддаются химической обработке. Обычная частота пропуска очистных поршней по трубопроводу также будет недостаточной.

Надлежащим образом разработанная программа депарафинизации преду­ сматривает совместное (комплексное) использование поршней и химреа­ гентов, поскольку ни один из рассматриваемых методов не может самостоя­ тельно обеспечить те же преимущества, которыми обладает комплексная программа. При разработке программ депарафинизации исходят из следую­ щих основных положений:

•скорость отложения парафинов наиболее высока, когда совсем не ис­ пользуются химреагенты;

•затраты на полную депарафинизацию с помощью химреагентов могут быть чрезмерно высокими.

Для удаления накапливающихся на стенках труб отложений парафина,

которых не удалось избежать, несмотря на химическую обработку, по трубо­ проводу необходимо периодически пропускать очистные поршни. При этом можно снизить расход химреагентов, поскольку целью их применения уже не является полное предотвращение отложений парафина. Оптимизирован­ ные программы депарафинизации предусматривают совместное использо­ вание поршней и химреагентов для одновременного решения нескольких задач, к которым, в частности, относятся:

•поддержание чистоты внутренней полости трубопровода;

•обеспечение возможности возобновления перекачки по трубопроводу при низких температурах;

•снижение опасности застревания поршня внутри трубопровода, особен­ но если это подводный трубопровод;

•предотвращение снижения пропускной способности или увеличения падения давления вдоль трубопровода;

•сохранение работоспособности и незагрязненности линейного конт­ рольно-измерительного и пробоотборного оборудования;

•экономия эксплуатационных затрат.

Коща в результате недостаточного выполнения предупредительных ме­ роприятий или вообще отсутствия таковых в трубопроводе накапливаются чрезмерные отложения парафина, к разработке программы депарафинизации следует подходить с особой тщательностью. Если отложения отличаются значительной мощностью, то вполне вероятно, что использование химре-

агентов для диспергирования парафина окажется технически неосуществи­ мым или неэкономичным в связи с необходимостью в слишком большом их количестве.

Такой же сложной и даже опасной может оказаться попытка перемеще­ ния значительных объемов парафина с помощью поршней по трубопрово­ дам большой протяженности. Такая попытка вполне способна завершиться полной закупоркой трубопровода, для ликвидации которой могут потребо­ ваться чрезмерные рабочие давления. Следует предусмотреть осторожное удаление парафина в ограниченных объемах благодаря последовательному пропуску нескольких поршней. Как только поршни удалят весь парафин, который можно было удалить механически, появляется возможность эко­ номично обработать его остатки химическими реагентами.

Предотвращение внутренней коррозии

Коррозия является наиболее серьезной проблемой, связанной с техничес­ ким обслуживанием и эксплуатацией трубопроводов. Ежегодно на преду­ преждение, контроль, инспектирование и ремонт повреждений, вызываемых коррозионными процессами, расходуются значительные финансовые сред­ ства. В большинстве случаев проблему коррозии внутренней поверхности труб решают химическими методами с помощью ингибиторов, используе­ мых для создания защитной пленки на стенках труб. Существует несколько базовых типов ингибиторов коррозии, применяемых индивидуально в за­ висимости от конкретных условий.

Применение ингибиторов коррозии в трубопроводном транспорте нефти и газа. Одна из сложностей в обработке газопроводов ингибитора­ ми коррозии заключается в том, что в трубопроводе возможно расслоение транспортируемого продукта. Поэтому при планировании использования ингибиторов коррозии необходимо учитывать характер или режим потока. При установлении в трубопроводе многофазового режима течения жидкие компоненты транспортируемого продукта формируют отдельный слой у дна трубопровода, в котором вода занимает самое нижнее положение под жид­ кими углеводородами.

В этих условиях ингибиторы коррозии некоторых типов не могут в доста­ точном количестве попасть на внутреннюю стенку трубопровода в верхней части его поперечного сечения, из-за чего значительные участки внутренней поверхности остаются незащищенными от коррозии. На рис. 61 показано изменение характера потока в трубопроводе в зависимости от рельефа мест­ ности, по которому он проходит. Эти изменения выражаются в развитии по­ слойного течения или течения структурированными ядрами на нисходящих и восходящих участках трассы.

необходимо с помощью поршней удалить из внутренней полости воду и от­ ложения на стенках труб. Если предстоит удалять только воду, достаточно использовать разделительные поршни, конструкция которых обеспечивает плотное их прилегание к стенкам труб.

Очистные поршни, оснащенные проволочными щетками или скребковы­ ми дисками, рекомендуется применять, когда внутри трубопровода безуслов­ но присутствуют отложения парафина или ржавчины. В результате внесения ингибитора коррозии следует обеспечить его распространение в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб, что достигается периодическим пропуском порций ингибитора по трубопроводу между разделительными поршнями. При этом порция ингибитора сохраняет форму концентрирован­ ного ядра, заключенного между двумя разделительными поршнями (рис. 63), что позволяет ему контактировать с внутренними стенками труб по всей их поверхности.

г

з

Рисунок 63 — Концентрированная подача химреагента в трубопровод:

1 — транспортируемый по трубопроводу газ; 2 — замыкающий разделительный поршень; 3 — порция химреагента; 4 — головной разделительный поршень

Если разделительные поршни не использовать, то поданная в трубо­ провод порция ингибитора коррозии вскоре потеряет единую форму, что приведет к неполной антикоррозионной защите внутренней поверхности труб. Периодическая подача ингибитора между разделительными поршнями с последующим непрерывным впрыском «свободного» ингибитора в малых концентрациях в трубопровод более предпочтительна, чем просто впрыск ингибитора, поскольку в последнем случае отсутствует гарантия полной обработки всей внутренней поверхности труб.

Применение биоцидов в трубопроводном транспорте. Предотвра­ щение развития бактерий и связанных с ними коррозионных процессов в трубопроводах является еще одной задачей, решение которой с помощью химической обработки значительно облегчается при параллельном исполь­ зовании поршней.

Анаэробные бактерии, потребляющие сульфаты и производящие кисло­ ты, - два основных вида микроорганизмов, обычно встречающихся в нефте­ газопроводах. Продуктами жизнедеятельности первых является сероводо­ род, вторых - уксусная кислота, причем оба относятся к сильно агрессивным соединениям.

Жизнедеятельность бактерий в трубах. Бактерии живут в воде, но расти предпочитают на поверхности металла. Как только бактерии обоснуются на стенке трубы как жизнеспособная колония, они создают внешний защитный полисахаридный слой, способный эффективно отфильтровывать биоциды

ихимреагенты. Этот защитный слой, может свести на нет обычные мероприя­ тия по борьбе с бактериями, предполагающие просто впрыск бактерицидов внутрь трубопровода.

Применение поршней в дополнение к таким мероприятиям позволяет значительно повысить эффективность последних. Сначала по трубопроводу следует пропустить поршень для удаления сколько-нибудь значительных скоплений воды. Затем можно использовать очистной ерш с проволочны­ ми щетками для уничтожения внешнего защитного слоя колонии бактерий

иосвобождения стенок труб от основной массы бактерий.

Указанные операции подготавливают поверхность труб к обработке био­ цидами, позволяя последним проникнуть внутрь колонии бактерий и раз­ рушить ее, а также уменьшая количество бактерий, подлежащих уничтоже­ нию с помощью биоцидов. Для труб с внутренним защитным покрытием в качестве очистных можно использовать поршни с щетками из нейлоно­ вого волокна. После очистки трубопровода подачу в него биоцидов можно выполнять отдельными порциями между разделительными поршнями, что обеспечивает наиболее полную обработку участков внутренней поверхности труб, пораженных бактериями.

Выбор поршней. В любом из случаев применения поршней наилучшие результаты достигаются тоща, когда конструкция поршня более всего соот­ ветствует характеру решаемой задачи. Использование неправильно выбран­ ных поршней для усиления мероприятий по химической обработке способ­ но привести к бесполезному расходованию дорогостоящих химреагентов, недостаточной очистке внутренней поверхности труб и, в конечном итоге, фактически способствовать разрушению трубопровода. В области, которой посвящена настоящая глава, в основном следует использовать очистные и разделительные поршни.

Химическая обработка наиболее эффективна тогда, когда проводится над очищенной поверхностью труб. Поэтому перед химической обработ­ кой необходимо пропускать по трубопроводу специальные очистные порш­ ни, рассчитанные на удаление парафиновых отложений и ржавчины. Хотя пропуск поршня любой конструкции в какой-то мере очищает внутреннюю

поверхность труб, в случае ожидаемого наличия отложений рекомендуется использовать поршни с мощными чашкообразными скребками, жесткими направляющими дисками и проволочными щетками.

Стойкие загрязняющие наросты внутри труб, какими являются ржавчи­ на, отложения парафина или колонии бактерий, как правило, не поддаются внешнему воздействию, если только их не срежет проходящий мимо пор­ шень. Конические чашки и подпружиненные скребки в какой-то степени эффективны применительно к очень рыхлым отложениям, но не совсем при­ годны для удаления клейких или плотных парафинов, поскольку склонны к прогибанию и поверхностному преодолению препятствий.

Подпружиненные щетки также склонны к прогибанию, но они врезают­ ся в плотные отложения намного лучше, чем скребки. Следует отметить, что сферические поршни не являются очистными устройствами и способ­ ны лишь придавить отложения к внутренним стенкам трубы. Полимерные поршни типа Polly Pig пригодны для удаления парафиновых отложений и ржавчины, если выполнены из плотного пенопласта и оснащены прово­ лочными щетками или иными очистными устройствами.

Для удаления из трубопровода скоплений воды или концентрированной подачи химреагентов рекомендуется применять надежные разделительные поршни. Известно много разделительных поршней различных конструкций,

втом числе полимерные поршни, шары (сферы) и поршни с чашками или дисками. Считается, что для разделения транспортируемых по трубопроводу продуктов более всего подходят конические чашки, хотя форма чашек не имеет значения, если их установлено на поршне не менее четырех.

Если используется поршень с дисками, то желательно, чтобы среди них было несколько направляющих дисков для поддержания общего сердеч­ ника поршня и снижения опасности перетока вокруг поршня. Надувные сферические поршни также способны обеспечить надежное разделение

взависимости от степени их наполнения. Однако из всех поршней надувные сферы характеризуются наименьшей площадью контакта со стенками труб и минимальной очищающей способностью.

Также хорошее разделение обеспечивают полимерные поршни с встреч­ ной оплеткой, но их долговечность не так велика, как у поршней других конструкций. При концентрированной подаче химреагентов рекомендуется использовать два поршня - один спереди, а другой позади поданной порции для предотвращения ее размывания. В качестве головного поршня можно использовать поршень с очистными щетками, которые будут подготавливать поверхность труб к химической обработке.

Для того чтобы поршень смог успешно выполнить поставленную перед ним задачу, необходимо его поддерживать в хорошем рабочем состоянии. Та­ кие элементы поршней, как чашки, диски, пружины, следует периодически

проверять на износ и усталостную прочность. Сразу же, как только стано­ вится ясно, что эти элементы более не пригодны для выполнения очистных, разделительных или опорных функций, их необходимо заменять на новые.

При использовании изношенных или неработоспособных поршней

втрубопроводе возможно сохранение скоплений воды и загрязняющих отло­ жений, даже если пропуск поршней выполняется часто. Применение таких поршней для концентрированной подачи химреагентов способно привести к потере последних из-за чрезмерного перетока через изношенные уплот­ нительные (разделительные) элементы.

Как химическая, так и механическая (с помощью поршней) обработка трубопроводов позволяют решать различные эксплуатационные задачи. Од­ нако ни один из этих методов не обладает преимуществами совместной или комплексной обработки. Химреагенты наиболее эффективны, если исполь­ зуются, в основном, для обработки поверхностных загрязнений, включая колонии бактерий и отложения парафина или продуктов коррозии.

Поршни больше всего подходят для подготовки внутренней поверхности труб к химической обработке, облегчения равномерного распределения хим­ реагентов по всей площади внутренней полости и снижения потребности

вхимреагентах, благодаря предварительному удалению мощных отложений и скоплений жидкости из трубопровода.

Если рационально совместить химическую обработку и применение поршней в комплексной программе предупредительных мер, то можно макси­ мально замедлить коррозионное разрушение, повысить эффективность экс­ плуатации трубопроводов и снизить расходы на приобретение химреагентов.

При разработке подобной комплексной программы желательно придер­ живаться следующих рекомендаций:

• провести тщательный анализ состояния трубопровода и выявить все возможные проблемы, связанные с коррозией, накоплением отложений

ипоявлением препятствий для потока транспортируемого продукта;

•определить наиболее подходящий в рассматриваемой ситуации химреа­ гент, его дозировку и способ применения;

•предусмотреть первоначальную очистку трубопровода с помощью порш­ ней соответствующей конструкции, включая удаление нежелательных скоплений жидкости, ржавчины и парафиновых отложений;

•по возможности предусмотреть периодическую концентрированную подачу химреагентов в трубопровод с помощью разделительных порш­ ней;

•предусмотреть между концентрированной подачей и пропуском порш­ ней обработку внутренней поверхности трубопровода путем свободно­ го впрыска химреагентов низкой концентрации;

•подобрать поршни наиболее подходящей для данного трубопровода конструкции и предусмотреть техническое обслуживание их изнаши­ ваемых элементов.

Очистные устройства с усиленным воздействием на внутренние стенки трубопроводов

Использование очистных внутритрубных снарядов, создающих усилен­ ное воздействие на стенки трубы, — доказанный метод борьбы с твердыми осадками и отложениями парафинов на внутренних стенках работающих трубопроводов, особенно продуктопроводов [15].

Присутствие твердых осадков, парафинов и других отложений, прочно прилипших к внутренним стенкам трубопроводов, может вызвать серьезные проблемы, если они не будут успешно удалены.

Во-первых, отложения могут повлиять на эксплуатационные характерис­ тики трубопровода, уменьшая его пропускную способность или увеличивая его рабочее давление. Во-вторых, они могут действовать как з^ЬШтный слой, мешающий воздействию на стенки трубы ингибитора коррозии. В-третьих, они могут серьезно мешать продвижению и правильной работе внутритрубного дефектоскопа.

Определенные трубопроводы подвержены отложению парафинов и смол. Наихудшие ситуации возникают тогда, когда внутритрубные приборы не применяются до тех пор, пока твердые осадки или наросты парафинов не начнут отделяться под действием собственной силы тяжести, засоряя трубо­ провод. Однако, даже при регулярных запусках стандартных внутритрубных устройств, большинство из них обычно не может удалить из трубопровода все твердые осадки и парафины. Есть основание полагать, что некоторые устройства фактически размазывают отложения по стенке трубы, помогая таким образом распространению образования на них наростов. Большинство владельцев трубопроводов могут не знать, что их трубопровод подвержен медленному обрастанию твердыми осадками или парафинами до тех пор, пока не изменится пропускная способность, не повысится давление при за­ качивании продукта в трубопровод или же пока они не запустят в трубопро­ вод дефектоскоп для выявления и регистрации уменьшения толщины стен­ ки. В случае обнаружения отложений, запуск стандартного устройства для очистки может изменить ситуацию путем удаления некоторого количества или большей части отложений со стенок, что приводит к улучшению про­ пускной способности трубопровода и режима давления. Однако при под­ готовке трубопровода к запуску дефектоскопа возникает более серьезная проблема: для обеспечения оптимальных результатов нужны чистые внут­ ренние стенки трубы.