Осложнения в нефтедобыче

Такой механизм дробления капель имеет место в тех случаях, когда причиной деформации являются вязкие напряжения, действующие по сечению капель. При турбулентном течении распад капель под действием этих напряжений происходит, когда диаметр капель меньше микромасштаба турбулентности. На капле большего диаметра в большей мере сказывается действие пульсации потока. Капля воды в потоке нефти принимает непра­ вильные формы и при совпадении частоты наложенной пульса­ ции с частотой собственных колебаний рвется на более мелкие составляющие.

Ввиду большого разброса размеров капель нефтяных эмуль­ сий (от одного до сотен мкм), а также различия режимов потока, эмульгирование происходит как под действием вязких, так и ди­ намических сил.

Эмульгированию способствуют перемешивание пластовых флюидов в насосных установках и присутствие газовой фазы, осу­ ществляющей массоперенос в жидкостях. В табл. 1.2 представле­ ны некоторые свойства нефти и эмульсии ряда месторождений

взависимости от способа эксплуатации скважин.

Вскважинах, оборудованных УЭЦН, образование эмульсий происходит наиболее интенсивно. Средний поверхностно-объем­ ный диаметр капель равен 3-8 мкм, причем какой-либо опреде­ ленной зависимости размера капель от типоразмера насоса не установлено. На месторождениях вязкой нефти диаметр эмуль-

тированных капель несколько больше. Согласно [7] формирова­ ние дисперсной структуры эмульсии в УЭЦН завершается на пер­ вых сорока ступенях насоса. В дальнейшем, по мере подъема нефти в НКТ, структура эмульсии не претерпевает существенных изменений.

С повышением вязкости и плотности нефти вязкость эмульсий, образовавшихся в УЭЦН, возрастает, а их стойкость увеличивается.

При добыче нефти штанговыми насосами особенно сильное эмульгирование происходит в клапанных узлах насосов и резьбо­ вых соединениях НКТ. Эмульсия начинает формироваться при движении жидкости через насос. Средний диаметр капель водной фазы на выходе из насоса составляет около 90 мкм. В дальнейшем эмульгирование нефти протекает в НКТ за счет турбулизации по­ тока при омывании встречных конструктивных элементов труб (например, муфт штанговых колонн).

Установлено [8], что газовая фаза способствует диспергирова­ нию нефтяной эмульсии вследствие флотации, при которой происходит перенос одной фазы в другую. При выраженном турбулентном течении трехфазной смеси газовая фаза участвует также в массопереносе жидких фаз [9]. Однако эмульгирующее действие газовой фазы незначительно по сравнению с другими факторами, такими как дросселирование нефтяной смеси через узкие щели.

Большая часть энергии, затрачиваемой на диспергирование эмульсии, концентрируется на межфазной поверхности в виде энергии поверхностного натяжения. Однако ожидаемое слияние капель сдерживается защитными адсорбционными слоями эмуль­ гатора на межфазной поверхности. По той же причине затрудне­ но дробление капель дисперсной фазы в движущемся потоке. Таким образом, при одинаковых исходной дисперсности капель и параметрах потока для разрушения эмульсии, прошедшей про­ цесс старения, требуется затрата большей энергии, чем для только что появившейся.

Разрушение нефтяных эмульсий происходит при:

—гравитационном холодном разделении (отстаивание);

—фильтрации;

—разделении в поле центробежных сил (центрифугирование);

—электрическом воздействии;

—термическом воздействии;

—воздействии магнитного поля;

—в процессе перекачивания (внутритрубная деэмульсация). Отстаивание применяют при высокой обводненности нефти

иосуществляют путем гравитационного осаждения диспергиро­ ванных капель воды. На промыслах применяют отстойники периодического и непрерывного действия разнообразных конст­ рукций [10-21]. В качестве отстойников периодического действия обычно используют сырьевые резервуары, при заполнении кото­ рых сырой нефтью происходит осаждение воды в их нижнюю часть. В отстойниках непрерывного действия отделение воды происходит при непрерывном прохождении обрабатываемой сме­ си через отстойник. В зависимости от конструкции и расположе­ ния распределительных устройств движение жидкости в отстой­ никах осуществляется в преобладающем направлении — горизон­ тально или вертикально.

Фильтрацию применяют для разрушения нестойких эмуль­ сий. В качестве материала фильтров используют вещества, не сма­ чиваемые водой, но смачиваемые нефтью. Поэтому нефть прони­

кает через фильтр, а вода — нет.

Центрифугирование производят в центрифуге, которая пред­ ставляет собой вращающийся с большой скоростью ротор. Эмульсия подается в ротор по полому валу. Под действием сил инерции эмульсия разделяется, так как вода и нефть имеют раз­ ные значения плотности.

Воздействие на эмульсии электрическим полем производят в электродегидраторах, снабженных электродами, к которым подводят высокое напряжение переменного тока промышленной частоты. Под действием электрического поля на противополож­ ных концах капель воды появляются разноименные электриче-

ские заряды. В результате капли притягиваются, сливаются в бо­ лее крупные и оседают на дно емкости.

Термическое воздействие на нефтяные эмульсии заключается

втом, что нефть, подвергаемую обезвоживанию, перед отстаива­ нием нагревают до температуры 45-80 °С. При нагревании умень­ шается прочность слоев эмульгатора на поверхности капель, что облегчает их слияние. Кроме того, уменьшается вязкость нефти и увеличивается разница плотностей воды и нефти, что способ­ ствует быстрому разделению эмульсии. Подогрев осуществляют

врезервуарах, теплообменниках и трубчатых печах.

При перекачивании в эмульсию добавляют деэмульгатор и далее в трубопроводе происходит разрушение эмульсии, что снижает вязкость и гидравлические потери. Данный процесс получил название внутритрубной деэмульсации.

Для каждого состава нефти подбирают свой наиболее эффек­ тивный деэмульгатор, предварительно оценив результаты отделе­ ния пластовой воды в лабораторных условиях.

Любое органическое вещество, обладающее моющими свойствами, можно с той или иной эффективностью использовать в качестве деэмульгатора. Существует большое количество деэмульгирующих композиций для обезвоживания и обессоли­ вания нефтяных эмульсий на основе алкилбензосульфоната каль­ ция и алкансульфоната натрия [22, 23], азотсодержащих соедине­ ний [24], оксиэтилированного алкилфенола и тримеров пропиле­ на [25], блоксополимера оксидов этилена и пропилена, а также глутарового альдегида [26], продуктов оксиалкилирования соединений с подвижным атомом водорода в органическом растворителе [27].

Высокоэффективные деэмульгаторы, применяемые на нефте­ промыслах и нефтеперерабатывающих заводах для обезвожива­ ния нефти, содержат смесь ПАВ различных структур и модифика­ ций, которые, как правило, являются синергистами [28, 29].

Теории, объясняющие механизм действия деэмульгаторов, разделяют на две группы:

— физическая, предполагающая протекание физической адсорбции молекул деэмульгатора на коллоидных частицах, раз­ рыхляющее и модифицирующее действие деэмульгаторов на меж14

фазный слой, которое способствует вытеснению и миграции молекул (частиц) стабилизатора в ту или иную фазу [29, 30];

—химическая, основанная на предположении о преобладаю­ щей роли хемосорбции молекул деэмульгатора на компонентах защитного слоя с образованием прочных химических связей, в ре­ зультате чего природные стабилизаторы нефти теряют способ­ ность эмульгировать воду [29-32].

Согласно общепринятой в настоящее время теории, разрабо­ танной под руководством академика П. А. Ребиндера [30], при введении ПАВ в нефтяную эмульсию на границе раздела "нефтьвода" протекают следующие процессы. ПАВ, обладая большей поверхностной активностью, вытесняют природные стабилизато­ ры с поверхности раздела фаз, адсорбируясь на коллоидных или грубодисперсных частицах природных стабилизаторов нефтяных эмульсий. Молекулы деэмульгаторов изменяют смачиваемость, что способствует переходу этих частиц с границы раздела в объем водной или нефтяной фаз. В результате происходит коалесценция.

Таким образом, процесс разрушения нефтяных эмульсий является в большей степени физическим, чем химическим, и зави­ сит от:

—компонентного состава и свойств защитных слоев природ­ ных стабилизаторов;

—типа, коллоидно-химических свойств и удельного расхода

применяемого деэмульгатора;

— температуры, интенсивности и времени перемещения нефтяной эмульсии с деэмульгатором.

Технологический эффект применения деэмульгатора заклю­ чается в обеспечении быстрого и полного отделения пластовой воды при его минимальном расходе.

Как правило, подбор высокоэффективного, оптимального для конкретной нефтяной эмульсии деэмульгатора осуществляют эмпирически [33-35]. Это обусловлено тем, что в зависимости от технологии добычи и подготовки нефти, ее химического соста­ ва, физико-химических свойств и обводненности, минерализации пластовой воды, наличия в ней механических примесей и других факторов к деэмульгатору предъявляются специфические требо­ вания.

нагрев высоковязкой парафинистой нефти на забое до 60 °С.

На 400 скважинах внедрены входные устройства ВУ-11-89, обеспечивающие поочередную подачу нефти и воды на прием на­ соса, что позволило в течение двух последних лет извлечь 47 глу­ бинных дозаторов и исключить 286 промывок на 126 скважинах.

Первые промысловые испытания цепных приводов ПЦ-60-18-3-0,5/2.5 конструкции ТатНИПИнефть показали их ра­ ботоспособность при добыче высоковязкой нефти; при этом дос­ тигнуто снижение нагрузок на 20 % на штанги, повышение коэф­ фициента подачи насоса до 20 %, снижение энергозатрат на подъем продукции на 15-25 %.

Предупреждение образования стойких эмульсий в скважинах

смеханизированной добычей позволяет также снижать давление

всистемах промыслового сбора нефти и газа и улучшать условия разрушения эмульсий в пунктах подготовки нефти.

1.3.ПРОБЛЕМ Ы ПРОМ ЕЖ УТОЧНЫ Х СЛОЕВ

ВЕМ КОСТНОМ ОБОРУДОВАНИИ

На поздней стадии разработки нефтяных месторождений, как правило, осложняются технологические процессы сбора и подго­ товки нефти. Это связано с увеличением обводненности добывае­ мой продукции, с возрастающим объемом применяемых химиче­ ских реагентов при ремонтных работах и для интенсификации до­ бычи нефти, борьбы с солеотложениями, АСПО, образованием эмульсий, коррозией. Увеличивается содержание сульфидов желе­ за в нефти и пластовой воде, в связи с чем повышается стойкость нефтяных эмульсий. Микрокристаллы парафина, смолы и асфаль­ тены концентрируются на межфазной поверхности при расслое­ нии нефтяных эмульсий в емкостном оборудовании, что в итоге приводит к образованию так называемых промежуточных слоев.

При образовании промежуточного слоя, содержащего значи­ тельное количество Парафинов, смол, асфальтенов, механических примесей и стойкой эмульсии, снижается эффективность работы и уменьшается полезный объем емкостного оборудования, что препятствует дренированию отделяемой воды. С целью предот-

ла фаз, образуя защитную пленку. Этот процесс является необратимым. Асфальтены проявляют как кислотные, так и основные свойства. При более низких значениях концентрации водородных ионов (pH) они образуют упругие и прочные пленки. При более высоких значениях pH — формируется подвижная слабая пленка.

Смолы, находящиеся в сырой нефти, считаются слабыми органическими кислотами с более низкой по сравнению с асфаль­ тенами молекулярной массой. При высоких значениях pH они об­ разуют более прочную пленку, чем при низких значениях. Каче­ ственная оценка влияния асфальтенов и смол на свойства эмуль­ сии показана в табл. 1.3.

Другими компонентами пленки являются минеральные веще­ ства и микрокристаллы парафина, не проявляющие поверхност­ ной активности. Они увеличивают вязкость пленки, тем самым, повышая стабильность эмульсии.

На устойчивость эмульсии также могут оказывать влияние ионы растворенных солей, содержащиеся во всех пластовых во­ дах. Они адсорбируются на границе раздела фаз, образуя заря­ женный слой, под действием которого происходит отталкивание капель.

Металло-порфириновые комплексы, в состав которых входят порфирин — хромофорная группа гемоглобина и хлорофилла, а также металлы ванадий, никель, цинк, железо, титан, литий и др. раздельно или совместно с асфальтенами, смолами и пара­ финами приводят к образованию прочной оболочки вокруг частиц воды, диспергированной в нефти. В составе этой оболочки

Таблица 1.3

Влияние асфальтенов и смол на свойства эмульсии

находятся минеральные соли, выделившиеся из истинного раство­ ра пластовой воды, твердые частицы (песок, известняк и т. д.), глины и др., способствующие также повышению ее прочности.

Нефтяные эмульсии, содержащие нейтральные воды, в боль­ шинстве случаев малостойкие, а с увеличением кислотности или щелочности пластовых вод их стойкость повышается. Наиболь­ шей стойкостью обладают эмульсии, содержащие щелочные воды, так как в них легко образуются нафтеновые или смолистые мыла, являющиеся активными эмульгаторами [39].

Существенно влияет на стабилизацию эмульсии вязкость. В тяжелых нефтях присутствует больше полярных фракций ас­ фальтенов и смол, которые делают их высоковязкими и высоко­ плотными, что, в свою очередь, увеличивает время флокуляции диспергированных водных капель.

Пленкообразующие компоненты в нефти тесно связаны с асфальтеновыми веществами и являются главными факторами, ука­ зывающими на стабильность нефтяной эмульсии. Эмульсии ста­ билизируются главным образом пленками, которые образуются вокруг капель диспергированной фазы. Эти пленки содержат органические кислоты и основания в различных объемах. Добав­ ка неорганических кислот и оснований сильно влияет на иониза­ цию органических кислот и оснований в граничных пленках. Из­ менение pH в водной фазе приводит к радикальному изменению физических свойств пленок (стойкость и подвижность).

Полярные фракции нефти содержат кислотные и основные группы, поэтому можно ожидать, что pH воды в эмульсии влияет на количество и тип материалов, содержащихся на поверхности пленки. Исследования влияния pH на свойства пленки подтверди­ ли это предположение (табл. 1.4) [40].

Установлено, что изменение величины pH значительно влия­ ет на пленкообразующие, нефтесмачивающие и эмульсионно-ста- билизирующие свойства полярных асфальтенов и смол. Нефтяная фракция, после удаления из нее полярных асфальтенов и смол, состоит в основном из неполярных парафинов и не подвергается значительному влиянию pH. Пленки, образованные фракцией парафин-нефть, не оказывают существенного влияния на стаби­ лизацию эмульсий.