Интенсификация процесса подготовки нефти

Введение

В процессе добычи нефти и совместного движения её с пластовой водой образуются устойчивые нефтяные эмульсии с различным содержанием в ней воды.
Использование добываемой нефти возможно при условии удаления из неё эмульгированной воды, так как присутствие солей в пластовой воде способствует коррозии оборудования, нейтрализует катализаторы нефтехимических процессов, повышает зольность концевых продуктов переработки нефти [1].
Основным процессом подготовки нефти до товарных кондиций на установках подготовки нефти является процесс её обезвоживания. В основе технологии обезвоживания лежит процесс разрушения водонефтяных эмульсий, заключающийся в превращении их из устойчивого мелкодисперсного состояния в кинетически неустойчивую, крупнодисперсную расслаивающуюся систему.
Можно выделить три основные стадии процесса деэмульсации и традиционно применяемые при них методы:
I - Разрушение бронирующих оболочек (термохимический метод)
II - Укрупнение капель (применение электрических полей, промывка эмульсии в слое воды)
III - Разделение фаз (гравитационное отстаивание) [2].
Общепринято представление, что бронирующий слой глобулы представляет собой гелеобразную плёнку, состоящую из слоя асфальтеновых и смолистых соединений, адсорбировавшихся из нефти на поверхность раздела фаз «нефть-вода», затем - слоя осадившихся на них твердых парафинов и механических примесей. Таких слоёв может быть до нескольких десятков. Именно в разрушении бронирующего слоя лежит главная задача процесса деэмульсации.
В течение последних лет в нефтяной промышленности наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению структуры запасов нефти, что проявляется в росте объемов трудноизвлекаемой нефти, увеличении количества вводимых в разработку месторождений с осложненными геолого-физическими условиями, повышении удельного веса карбонатных коллекторов с высокой вязкостью нефти, наличии большого количества залежей с обширными нефтегазовыми зонами и подстилаемых подошвенной водой т.д. [3].
Это приводит к увеличению себестоимости добычи и подготовки нефти на промыслах традиционными способами и заставляет вести научный поиск альтернативных способов подготовки нефти. К таким способам можно отнести воздействия на нефть полей различной физической природы: нагревание микроволновым излучением, обработка инфра- и ультразвуком в роторно-пульсационных акустических аппаратах, радиационное воздействие. Одним из интересных, на сегодняшний день, нетрадиционных методов деэмульгирования считается обработка магнитными полями.
Магнитная обработка водных систем проводится давно. Есть сведения, что такие опыты проводил ещё М. В. Ломоносов. Первый патент на магнитную обработку воды с целью её «умягчения» был получен в Германии в 1892 году. В настоящее время известны тысячи публикаций, посвященных магнитной обработке различных жидкостей.
В последние годы предпринималось множество попыток применения магнитного и вибрационного полей для улучшения расслоения промысловых эмульсий. Среди них следует отметить работы В.В. Лeoненко, Г.А. Сафонова, А.В. Сорокина, А.Я. Хавкина и других. В своих работах В.И. Лесин, А.Х. Мирзаджанзаде и другие показали достаточную эффективность магнитной обработки промысловых сред. Перспективность данного направления обосновали научно- исследовательские работы, проведенные в Новочеркасском политехническом институте, Московском энергетическом институте, Азербайджанском государственном научно-исследовательском и проектном институте нефти, Уфимском государственном нефтяном техническом университете и других организациях. Однако общим и главным недостатком проведенных исследований является отсутствие нацеленности на изучение механизма происходящих при этом процессов.
При весьма широком внедрении магнитной обработки жидкостей отсутствует в полной мере разработанная теория, которая позволяла бы на
основе данных о жидкости проектировать промышленные аппараты и технологии. Поэтому для разработки новых магнитных аппаратов проводят лабораторные исследования, на основе которых определяют и выбирают параметры магнитного поля, необходимого для воздействия на ту или иную жидкость [4].


1. Магнитные свойства нефтяных систем

Реальные объекты могут обладать как положительными, так и отрицательными магнитными восприимчивостями. Примером веществ с отрицательной восприимчивостью могут служить диамагнетики (вода, углекислый газ, многие органические соединения) — их намагниченность по направлению противоположна приложенному магнитному полю. Положительной восприимчивостью обладают, например, парамагнетики (медь, алюминий, жидкий кислород) и, в намного более высокой степени, ферромагнетики (магнетит, сталь) [5].
Магнитная восприимчивость — величина безразмерная. Объёмная магнитная восприимчивость χ равна отношению намагниченности единицы объёма вещества J к напряжённости Н намагничивающего магнитного поля: χ = J / H. Магнитная восприимчивость, рассчитанная на 1 кг (или 1 г) вещества, называется удельной (χуд = χ / r, где r — плотность вещества), а магнитная восприимчивость одного моля — молярной: χm = χуд × М, где М — молекулярная масса вещества.
Магнитная восприимчивость диамагнетиков и парамагнетиков мала и составляет величину порядка 10−4 — 10−6, при этом она практически не зависит от напряжённости приложенного магнитного поля. Заметные отклонения наблюдаются только в области сильных полей или низких температур.
В ферромагнетиках магнитная восприимчивость может достигать весьма больших значений, составляя величины от нескольких десятков до многих тысяч единиц, причём наблюдается её сильная зависимость от напряжённости приложенного поля [6].
Примеры магнитной восприимчивости некоторых веществ представлены в таблице 1.
Все из вышеперечисленных представителей магнетиков присутствуют в составах нефтей. Но, практически целиком, это вещества диамагнитной природы (вода и углеводороды). Парамагнетики и ферромагнетики существуют в нефтях в значительно меньших количествах. Они представлены различными металлами и их соединениями (солями, оксидами, гидроксидами).

Таблица 1 - Атомная (молярная) магнитная восприимчивость воды и некоторых органических веществ
Вещество χm*10-6
Н2О (жидкость) -13,0 (0 °C)
СО2
-21
Анилин -62,95
Бензол -54,85
Дифениламин -107,1
Метан -16,0
Октан -96,63
Нафталин -91,8

Вероятно, что причиной разделения нефтяной эмульсии в постоянном магнитном поле, является различная магнитная восприимчивость воды и компонентов нефти, вследствие чего возникает разность потенциалов, появляется движущая сила и наблюдается расслоение. Диамагнетизм свойственен всем веществам.
При внесении какого-либо тела в магнитное поле, в его электронной оболочке, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления поля. Эти токи создают в теле индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему полю (независимо от того, имелся ли первоначально у тела собственный магнитный момент и как он был ориентирован)

. Таким образом, диамагнетики намагничиваются против поля.
В веществе диамагнетизм может перекрываться в большей или меньшей степени электронным или ядерным парамагнетизмом, ферромагнетизмом или антиферромагнетизмом. У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки не обладают постоянным моментом. Моменты, создаваемые отдельными электронами в таких веществах, в отсутствие внешнего поля, взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками, например, в инертных газах [7].
Для изучения диа- и парамагнитных свойств различных веществ используются сверхсильные электромагниты, а также крутильные или коромысловые весы.


2. Описание интенсификации процесса подготовки нефти путем воздействия магнитного вибрационного полей на промысловые эмульсии

Поступление водонефтяных эмульсий, осложненных наличием различного рода стабилизаторов, на установке промысловой подготовки нефти (УППН) ведет к ухудшению процесса обезвоживания нефти. К сожалению, традиционные способы разрушения водонефтяных эмульсий в последнее время стали малоэффективны, что приводит к увеличению себестоимости подготовки нефти на промыслах традиционными способами и заставляет вести научный поиск альтернативных способов подготовки нефти. Одним из таких методов является обработка магнитными полями водонефтяной эмульсии.
Поступление водонефтяных эмульсий, осложненных наличием различного рода стабилизаторов, на УППН приводит:
– к ухудшению процесса обезвоживания нефти, соответственно, к ухудшению качества товарной нефти;
– нарушению технологического процесса;
– накоплению устойчивых эмульсий и т.д.
Промежуточные слои перестают исполнять роль зоны активной коалесценции и фильтрации капель воды и механических примесей и переходят в разряд устойчивых эмульсий.
К сожалению, первичного способа подготовки нефти недостаточно для полного разбиения водонефтяной эмульсии, следовательно, с течением времени она копится, тем самым занимает рабочее пространство в аппаратах нефте- и водоподготовки.
Один из самых распространенных способов (традиционный) разрушения водонефтяной эмульсии – это метод термохимического обезвоживания. Его суть заключается в разрушении эмульсии путем ее нагрева и ввода химического вещества (деэмульгатора), разрушающего бронирующую оболочку. Повышение температуры повышает скорость диффузии эмульгатора в эмульсию, снижает прочность и толщину бронирующей оболочки, а также вязкость нефти и увеличивает разность плотностей нефти и глобул. Все это способствует возрастанию скорости оседания частиц воды, но недостаточно для того, чтобы решить проблему накопления эмульсии.
В своей диссертации [8] А.А. Вольцов предположил, что основной механизм разрушения водонефтяных эмульсий в магнитном поле – это его воздействие на бронирующие оболочки глобул нефти в воде, которое заключается в разрыхлении бронирующих оболочек на границе «нефть – вода», вследствие перемещения в них соединений железа в сторону источников магнитного поля. Данное предположение, впрочем, требует глубокого исследования нефтяных эмульсий, а именно определения количества соединений железа в нефти и самого факта непосредственного их нахождения в бронирующем слое в достаточном, по предположению А.А. Вольцова, для деэмульсации количестве.
По другой из теорий при использовании сверхсильных магнитных полей можно достичь разделения водонефтяной эмульсии путем выталкивания нефтяной фазы как более сильного диамагнетика по сравнению с водой в направлении ослабления магнитного поля как параллельно, так и перпендикулярно магнитным линиям. Другими словами, с помощью магнитного поля можно ускорить гравитационное разделения фаз.
Вероятно также, что в однородном магнитном поле каждая глобула нефти в эмульсии типа «нефть в воде» испытывает изменение своей геометрической формы, а именно сплющивается параллельно магнитным линиям, так как компоненты нефти имеют более сильную отрицательную магнитную восприимчивость, нежели вода. В эмульсии обратного типа «вода в нефти» глобула воды растягивается вдоль магнитных линий, испытывая давление окружающей ее нефти, подвергающейся в разы более сильному диамагнитному выталкиванию, чем вода.
Если геометрическая форма глобулы изменится с шара на любую другую, то будет увеличиваться площадь ее поверхности, а толщина бронирующего слоя – уменьшаться, что является одной из главных составляющих процесса деэмульсации.
Известно, что материалы разрушаются быстрее, испытывая пульсирующую нагрузку, нежели статическую. Отсюда следует предположение, что при помещении эмульсии в переменное однородное магнитное поле будет происходить циклическое растяжение бронирующего слоя, причем в асфальтеновых и парафиновых его слоях могут появляться трещины, по которым молекулы деэмульгатора могут проникнуть непосредственно к поверхности раздела фаз «нефть – вода».
Вследствие того что асфальтены, смолы и парафины имеют разную магнитную восприимчивость, трещины в бронирующем слое могут появиться и в результате того, что на каждую прослойку бронирующей оболочки действует пульсационная нагрузка разной величины, т.е. парафиновый и, например, асфальтеновый слои растягиваются в магнитном поле с разной силой. Подтверждением вышеизложенного является то, что в ряде источников утверждается малая эффективность постоянного магнитного поля по сравнению с переменным. Однако затруднительно добиться знакопеременной механической нагрузки на глобулы, т.е. и растягивать, и сплющивать глобулы в одном процессе, из-за того что диамагнетики всегда выталкиваются из магнитного поля в сторону его ослабления вне зависимости от направления его силовых линий [10, 11].
Экспериментальная часть основана на лабораторных испытаниях Гимазовой, Вахитовой, Ермеева и Елпидинского [9]. Исследования проводились на модели искусственной эмульсии с содержанием воды 20 %, приготовленной из нефти с плотностью 896 кг/м3. В эмульсию дозировались (из расчета 75 гр реагента на 1 т эмульсии) деэмульгаторы СНПХ 4315Д, Рекод 118, Лапрол 4202, Лапрол 6003, Реапон 4В, LML 4312.
Использовался известная методика Bottle Test. Отстой нефтяной эмульсии проводили при комнатной температуре (22 °С). Проводились серии экспериментов с каждым из реагентов. В каждой серии:
– в отстойнике № 1 разрушение эмульсии проводилось химическим методом (добавление деэмульгатора) без использования магнитного поля;
– в отстойнике № 2 химический метод сочетался с воздействием постоянного магнитного поля (неодимовый магнит), причем источник магнитного поля помещался под отстойник;
– в отстойнике № 3 химический метод сочетался с воздействием постоянного магнитного поля (неодимовый магнит), причем источник магнитного поля помещался над отстойником;
– в отстойнике № 4 химический метод сочетался с воздействием переменного магнитного поля (электромагнитная катушка), причем источник магнитного поля находился вокруг отстойника.
При использовании СНПХ 4315Д постоянное магнитное поле в целом не дает изменений ни в динамике, ни в глубине обезвоживания