Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Осложнения в нефтедобыче

..pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
10.46 Mб
Скачать

Таблица 1.4

Стабильность эмульсий в зависимости от pH водной фазы

pH

Тип эмульсии

3

Вода в нефти

6

Вода в нефти

10

Вода в нефти

10,5

ИНефть в воде

13

Нефть в воде

Стабильность эмульсии

Высокая

Высокая

Низкая

Нестабильная

Низкая

Высокая

Эмульсии могут быть стабилизированы мелкозернистой твердой фазой (осажденный твердый парафин, продукты корро­ зии и солеотложений). Данные механические примеси становятся смачиваемыми нефтью при адсорбции на них полярных асфальте­ нов и смол.

Стабилизаторы (твердые частицы органического и неоргани­ ческого происхождения) образуются при:

выносе породы из пласта (глин, песка, пирита) при форси­ рованном отборе жидкости с применением глубинных электроцентробежных насосов;

откачке в нефтесборный коллектор утяжеленных (баритом

иизвестью) гидрофобных эмульсий, применяемых для глушения эксплуатационных скважин;

попадании в продукцию скважин утяжеленных гидрофоб­

ных растворов на нефтяной основе, применяемых при бурении скважин с повышенным пластовым давлением;

подкачке в нефтесборный коллектор разлитой в аварий­ ных случаях нефти;

смешении скважинной продукции различных стратиграфи­ ческих горизонтов (тонкодисперсные взвешенные частицы в виде сульфидов и оксидов железа, карбоната и сульфата кальция, суль­

фата бария);

— периодически проводимых мероприятиях по очистке ство­ лов скважин и нефтяных коллекторов от АСПО и неорганических солей;

— применении неподготовленной пресной воды для обессо­ ливания нефти; образующиеся при этом механические примеси при тесном контактировании с водонефтяной смесью, гидрофобизируясь, способствуют образованию более устойчивых к разруше­ нию эмульсий типа "вода в нефти"

Степень повышения устойчивости смеси эмульсий по сравне­ нию с эмульсиями, обрабатываемыми раздельно, характер проме­ жуточного слоя и скорость его накопления обусловливаются дис­ персным состоянием сульфида железа и удельным его количе­ ством (количеством сульфида железа, приходящегося на единицу массы нефти). Дисперсное состояние сульфида железа и характер слоя определяются величиной pH водной фазы смеси эмульсий. При увеличении содержания сульфида железа в нефтяном слое на границе раздела выше предельного, при котором эмульсия в задан­ ных условиях постоянно разрушается, происходит стабилизация капель эмульгированной воды, попадающих в этот слой. Это приво­ дит к постепенному накоплению неразрушенной эмульсии [41].

В пластовых и сточных водах железо может находиться в виде ионов Fe2+, Fe3+ и Fe(OH)2 [42, 43]. Сернистые соединения в пла­ стовых и сточных водах находятся в виде молекулярно растворен­ ного сероводорода (H2S), гидросульфид-иона (S2-), сульфат-иона (S042-), а также элементной серы (S0). Формы, в которых присут­ ствуют соединения серы, зависят от величины окислительно-вос­ становительного потенциала, pH, температуры и ионной силы воды (минерализации) [44].

В окислительной среде ионы серы могут изменять валент­ ность от 2 (в сульфидах) до 6 (в сульфатах). Соединения серы присут­ ствуют в виде ионов HS04 в очень кислой среде, т. е. при pH < 2, и превалируют в виде сульфат-ионов HSO|“ в пластовых и сточ­ ных водах (pH = 7,5-8,2). В восстановительной среде при pH < 5 соединения серы присутствуют в виде свободного сероводорода [45]. При более высоком значении pH (больше 7) в воде преобла­ дают гидросульфид-ионы, а при pH не менее 14 — сульфид-ионы. С увеличением температуры, при постоянном значении pH, дис­ социация сероводорода в пластовой воде повышается [46]. Обра­ зующиеся в результате взаимодействия закисного железа с серо­ водородом кристаллики сернистого железа представляют собой

22

молекулярные агрегаты. Данные агрегаты, имея развитую поверх­ ность, обладают значительной адсорбирующей способностью преимущественно для тех ионов, которые составляют кристалли­ ческую решетку адсорбента и способны ее достраивать [47]. Адсорбированные агрегатом ионы HS" определяют знак заряда агрегата и называются потенциалопределяющими. Агрегат вме­ сте с адсорбированными на нем потенциалопределяющими иона­ ми составляет коллоидное ядро. В непосредственной близости от ядра, т. е. в адсорбционном слое, находится часть противоионов Н+, которая прочно связана с ним электростатическими и адсорб­ ционными силами. Ядро с частью прочно связанных противоио­ нов образует коллоидную частицу. Остальные противоионы на­ ходятся на более далеком расстоянии от ядра и составляют диф­ фузионный слой противоионов. Сочетание коллоидной противочастицы с находящимися в диффузионном слое противоионами называется мицеллой.

Мицелла в целом электронейтральна, а частица всегда имеет заряд, в данном случае отрицательный.

Строение мицеллы (золя) сульфида железа по аналогии с ми­ целлами сульфидов других металлов можно представить в следу­ ющем виде:

{(FeS)m, лШ", (п - х)И+}К хН", где:

ядро

частица

мицелла

т— число молекул сульфида железа;

п— число адсорбированных ионов;

п- х — число противоионов адсорбированного слоя; х — число противоионов диффузионного слоя.

Золь сульфида железа практически очень быстро коагулирует

под действием электролитов, присутствующих в минерализован­ ной воде.

Выделившийся сульфид железа стабилизирует эмульсию, налипая на поверхность бронирующих оболочек глобул воды, а в соединении со смоло-парафиновыми частицами образует устойчивые агрегаты, которые под действием сил гравитации концентрируются на границе раздела фаз и формируют промежу­ точный слой [48], цвет которого в различных случаях изменяется от светло-коричневого до темно-бурого.

Отмечается неоднородность состава слоя по высоте и содер­ жанию механических примесей. Высота промежуточного слоя за­ висит не только от свойств нефти, параметров процесса предвари­ тельного обезвоживания, но и от содержания механических при­ месей в нефти [32].

Промежуточный слой имеет четкую границу, в верхней его части содержание воды находится в пределах 30-50 %, а в нижней достигает 90 % и зависит от температуры процесса обезвожива­ ния. Нижняя часть слоя представляет собой систему крупных капель воды, разделенных тонкими нефтяными прослойками с включением взвешенных частиц. При разрушении прослоек образуются агрегаты (нефтесодержащие хлопья), которые скап­ ливаются на границе раздела вода-промежуточный слой.

По мере накопления смол, асфальтенов и сульфида железа промежуточный слой существенно увеличивается в объеме (более 2 раз), содержание связанной воды растет. Для повышения эффек­ тивности процесса обезвоживания нефти возникает потребность

впериодическом сбросе нижней части этого слоя вместе с дрени­ руемой водой. Во время протекания этого процесса из этого же отстойника производится отбор нефтяной фазы, поэтому наличие

ваппарате промежуточного слоя негативно влияет также на каче­ ство нефти [49].

Всостав промежуточного слоя входят высокомолекулярные асфальтены, парафины, механические примеси, сильно сольватированные нефтью, а также ПАВ, представляющие собой мицеллы и находящиеся в определенных взаимодействиях с минерализо­ ванной водой.

Необходимо отметить влияние температуры процесса на ха­ рактер образования стойких эмульсий. Экспериментальными данными [50] установлено, что межфазные пленки тяжелых высо-

24

ковязких нефтей при нагреве более 45 °С и последующем охлажде­ нии упрочняются. Это объясняется тем, что при нагреве межфаз­ ные пленки утоньшаются, а содержащиеся в них стабилизаторы эмульсии уплотняются. Для разрушения такой эмульсии после ох­ лаждения и длительной транспортировки до УПН требуется больший нагрев. Аналогичное повышение стойкости эмульсии происходит при ее охлаждении ниже 5 °С с увеличением толщины межфазной пленки. В этом случае среди стабилизаторов эмульсии преобладают парафины.

При смешении пластовых вод и обводненных нефтей, содер­ жащих сероводород и закисное железо, образуются взвеси солей сульфидов и сульфата бария, что ведет к увеличению устойчиво­ сти смеси эмульсий за счет последующего накопления этих частиц в составе межфазных пленок. Наибольшее количество частиц об­ разуется при смешении эмульсий пластовых вод угленосного и де­ вонского горизонтов в соотношении, равном 3 1.

Промежуточный слой, образующийся в аппаратах установок комплексной подготовки нефти (УКПН), существенно влияет на эффективность разрушения нефтяных эмульсий, особенно стаби­ лизированных механическими примесями и сульфидом железа. Слой может структурироваться, и при определенной толщине полностью подавляется переход укрупнившихся глобул пласто­ вой воды в водную фазу, при этом резко ухудшается процесс обез­ воживания нефти. В связи с этим необходимо периодически конт­ ролировать образование промежуточного слоя в емкостном обо­ рудовании, отбирая послойные пробы по высоте оборудования спе­ циальными пробоотборниками (или из краников, находящихся на внутренней стороне аппарата). После отбора проб и их центрифуги­ рования определяют содержание воды, механических примесей.

Исследованиями [51] установлена тесная корреляционная связь изменения содержания воды и механических примесей в пробах нефтей, отобранных из емкостного оборудования. По содержанию воды в послойно отобранных пробах можно контро­ лировать работу емкостного оборудования. В работающем емко­ стном оборудовании обнаруживают четыре зоны: обезвоженная нефть, переходный и уплотненный слои эмульсии, обводненная нефть, находящаяся ниже уровня раздела фаз.

Толщина уплотненного слоя составляет примерно 1-2 м. Пе­ реходный слой при этом мал (около 1 м) и оказывает незначитель­ ное влияние на дополнительное отделение воды. Поступление

вемкостное оборудование плохо скоалесцированной эмульсии приводит к появлению мощного размытого переходного слоя. Очевидно, что переходный и уплотненный слои, наблюдаемые

внефтяной фазе и представляющие собой эмульсию обратного типа, необходимо отнести к компонентам нефтеэмульсионного промежуточного слоя. Оба этих слоя являются зонами со стабиль­ ным содержанием воды и наблюдаются в нефтяной и водной фазах.

Промежуточный слой со стороны водной фазы представляет собой множественную концентрированную эмульсию, стабилизи­ рованную эмульгаторами как органического, так и неорганиче­ ского происхождения. Стабилизаторы представлены асфальтена­ ми, смолами, парафинами с температурой плавления 60-80 °С, механическими примесями, в состав которых кроме сульфида же­ леза (40-50 %) входят также соединения кремния, алюминия, тон­ кодисперсная глина, пириты, сульфаты и т. д.

При нарушении режима работы в емкостном оборудовании нет четкого уровня раздела фаз и неразрушенная эмульсия "раз­ мазана” по всему объему. Применение деэмульгатора, приводя­ щего к изменению гидрофильное™ поверхности осаждающихся частиц, позволяет получить четкий раздел фаз нефть-вода.

Скорость формирования промежуточного слоя определяется

способностью глобул быстро войти в область раздела фаз и зави­ сит от их размеров, вязкости нефти, разности плотностей фаз эмульсии, скорости восходящего потока нефти и конвекционных токов, вызываемых разницей температуры в различных сдоях эмульсии по высоте.

Важным параметром является размер осаждающихся капель. Скорость перехода капель из промежуточного слоя в состав ДРе_ нажной воды зависит от интенсивности процессов их взаимной коалесценции, а также от состояния плоской границы раздела Фаз эмульсия-дренажная вода.

Промежуточный слой не будет негативно влиять на проНесс разделения эмульсии на фазы только в том случае, если скорость осаждения капель на границе раздела фаз будет равна скорости

26

перехода капель в состав дренажной воды.

Для определения источников механических примесей продук­ цию со скважин, поступающую на УПН, анализируют (по пото­ кам) на содержание воды (ГОСТ 2477-65) и механических приме­ сей (ГОСТ 6370-83). Установив корреляционную связь [51] между количеством механических примесей и изменением содержания воды в поступающих потоках, можно судить о скорости и количе­ стве накопления промежуточных слоев в емкостном оборудова­ нии. Это легло в основу СТП-0147276-009-88 "Метод анализа промежуточного слоя в процессе обследования установки подго­ товки нефти" [52].

Промежуточный слой существует в любом емкостном обору­ довании и выполняет важные технологические функции: через этот слой проходит вся отстаивающаяся вода; он способствует процессу коалесценции на границе раздела фаз; в самом слое мо­ жет идти межкапельная коалесценция; на нем может фильтро­ ваться мелкодисперсная составляющая эмульсии, когда обраба­ тываемое сырье вводят через этот слой.

Вемкостном оборудовании промежуточный слой является, пожалуй, наиболее сложным звеном. Он существует только в ус­ ловиях динамического равновесия совокупности процессов, спо­ собствующих его образованию и разрушению, обладает про­ странственно неоднородной структурой, обусловленной различ­ ной концентрацией, вязкостью и дисперсным составом образую­ щих его частиц.

Внастоящее время нет адекватных моделей для описания по­ ведения подобных гидродинамических систем, хотя и проведено

большое количество исследований.

Попадая в емкостное оборудование, эмульгированные капли воды начинают оседать и концентрироваться на границе раздела фаз нефть-вода. Это накопление происходит из-за того, что ско­ рость отдельной капли при приближении к границе раздела фаз резко замедляется, так как ей приходится преодолевать размытый переходный слой.

Время, отсчитываемое от начала замедления до момента коа­ лесценции капли, называют временем ее жизни на межфазной по­ верхности. Оно зависит от размера капли, вязкости размытого пе-

реходного слоя, разности значений плотности фаз и от чистоты межфазной поверхности. В отстойнике первые капли не могут бы­ стро преодолеть межфазную границу раздела, на них оседают другие капли и начинает формироваться промежуточный слой. По мере увеличения толщины промежуточного слоя растет его давление на нижние капли, что способствует более быстрому раз­ рыву вязкой пленки, отделяющей их от дренажной воды, а следо­ вательно, и более быстрой коалесценции. Слой будет нарастать до тех пор, пока количество воды, поступающее в его верхнюю часть в единицу времени, не сравняется с количеством воды, коа­ лесцирующей на межфазной поверхности. Высота слоя зависит от количества дисперсной и сплошной фаз, проходящих через него, от дисперсного состава эмульсии сырой нефти, условий отстоя и межкапельной коалесценции в слое.

По современным представлениям о механизме эмульгирова­ ния жидкостей твердыми эмульгаторами тип эмульсии и ее устой­ чивость определяются условиями избирательного смачивания вы­ сокодисперсных твердых частиц жидкими фазами, образующими эмульсию [53].

Неоднородность отдельных участков поверхности твердых частиц (мозаичность) приводит к их различной смачиваемости и тем самым создает возможность прилипания частиц к поверхно­ сти глобул. Следовательно, устойчивое эмульгирование достига­ ется образованием наружного слоя, бронирующего глобулы. Фи­ зико-химическая неоднородность поверхности частиц выражена настолько резко, что обеспечивает одновременное смачивание ее обеими фазами.

При снижении концентрации эмульгатора устойчивость эмульсии резко падает и становится очевидным, что не только бронирующий слой, непосредственно связанный с поверхностью глобул силами смачивания, но и значительно более толстые слои не в состоянии образовывать сколько-нибудь устойчивую эмуль­ сию из-за недостаточной прочности пространственной структуры в объеме водной среды.

Устойчивые эмульсии прямого типа могут быть получены только при условии образования в водной фазе объемной коагу­ ляционной структуры, а бронирующий слой твердого эмульгато-

28

ра может стабилизировать эмульсии лишь в сочетании с образо­ ванием в поверхностном слое гидрофобных эмульгаторов основ­ ного характера. При этом важно отметить, что данные эмульгато­ ры, обычно стабилизирующие только эмульсии обратного типа, в присутствии одночастичного слоя твердой фазы гидрофильного характера, наоборот, могут упрочнять эмульсии прямого типа. Это показывает, что влияние механических свойств оболочки эмульгатора преобладает над влиянием другого стабилизирую­ щего фактора — смачивания, которое играет, по-видимому, под­ чиненную роль и не может обеспечить само по себе образование высокоустойчивых эмульсий. В зависимости от изменения меха­ нических свойств оболочки и смачивания высота слоя будет уве­ личиваться или уменьшаться. Лимитирующим фактором при этом будет чистота межфазной поверхности. Данные процессы, происходящие в отстойнике, начнут влиять на качество подготав­ ливаемой нефти только тогда, когда промежуточный слой вырастет настолько, что начнет захватываться и выноситься вместе с товарной обезвоженной нефтью.

Формирование промежуточного слоя начинается на границе раздела фаз нефть-вода до определенного момента, пока не начи­ нает изменяться смачиваемость частиц механических примесей, т. е. гидрофильно-олеофильное соотношение, из-за применения для деэмульсации нефти реагентов-деэмульгаторов. Далее, по мере накопления частиц механических примесей в верхних сло­ ях нефтяного слоя происходит залповый выброс их с товарной нефтью, что значительно снижает качество подготавливаемой продукции.

Физическая картина накопления частиц механических приме­ сей на границе раздела фаз нефть-вода и последующего формиро­ вания слоя может быть представлена следующим образом. Под действием гравитационных сил происходит осаждение крупных частиц и рост их концентрации в нижних слоях жидкости вплоть до формирования осадочного слоя. Более мелкие частицы, обла­ дающие недостаточной плотностью для их перехода сквозь гра­ ницу раздела фаз, обволакиваются нефтяной пленкой, которая со­ держит парафино-смолистые компоненты, и концентрируются там. Возникает градиент концентрации по высоте, и, согласно

закону Фика, ему будет соответствовать определенный диффузи­ онный поток, стремящийся уменьшить этот градиент. Это служив причиной формирования так называемого диффузионного слоя, который состоит в основном из частиц е измененной гидрофильностью их поверхностей. Выше располагается слой чистой безводной нефти.

Значительную часть объема, формирующегося за счет накоп­ ления частиц слоя, составляет вода, доля которой постепенно сни­ жается из-за накопления взвешенных частиц, имеющих по величи­ не промежуточную плотность (между водой и нефтью) или же на­ столько мелких, что они не способны преодолеть сопротивление слоя и перейти в маловязкую, чисто водную фазу [54].

Динамика накопления промежуточного слоя будет зависеть от плотности слоя осадконакопления (от концентрации механи­ ческих примесей в этом слое). Чем плотнее или концентрирован­ нее этот слой, тем быстрее будет идти процесс накопления. Про­ цесс осадконакопления подчиняется уравнению Фоккера-План- ка-Колмогорова. Для плотностей вероятности, отождествляемой с концентрацией твердой фазы, это уравнение сводится к более известной и простой форме, имеющей в одномерном случае следу­ ющий вид [55]:

( 1. 1)

дt dZ dZ2

где С — концентрация частиц; V — скорость осаждения;

D — коэффициент диффузии частиц; / — время процесса;

Z — вертикальная ось.

Для решения уравнения (1.1) необходимо знать распределе­ ние твердой взвеси по высоте слоя в начальный момент времени (начальное условие), а также краевые условия на верхней и ниж­ ней границе, т. е. закон изменения во времени концентрации взве­ си в диффузионном слое и слое осадконакопления.

Аналитическое решение уравнения (Ы ) возможно лишь в от­ дельных частных случаях. При бесконечно большом времени отстоя,

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]