Исследование и разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением физических методов

Судыкин, Александр Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование и разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением физических методов
ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением физических методов"

005536495

На правах рукописи

СУДЫКИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ РАЗДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Специальность 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

З 1 (Ж Г 2013

Бугульма-2013

005536495

Работа выполнена в Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина.

доктор технических наук, профессор Сахабутдинов Рифхат Зиннурович

Мусабиров Мунавир Хадеевич доктор технических наук, Институт «ТатНИПИнефть», отдел эксплуатации и ремонта скважин, заведующий лабораторией

Якубов Махмут Ренатович

кандидат химических наук, доцент, Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, лаборатория переработки нефти и природного битума, заведующий лабораторией

Государственное унитарное предприятие «ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТРАНСПОРТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ» РБ (г. Уфа)

Защита диссертации состоится 28 ноября 2013 г. в 14® на заседании диссертационного совета Д 222.018.01 в Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) по адресу: 423236, Республика Татарстан, г. Бугульма, ул. М. Джалиля, д. 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Татарского научно-исследовательского и проектного института нефти.

Автореферат разослан октября 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Учёный секретарь диссертационного совета ¿.¡^¿ЬмЖ, Львова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное состояние добычи нефти в мире характеризуется увеличением доли сверхвязких нефтей (СВН) и природных битумов. Высокая вязкость и плотность, повышенное содержание высокомолекулярных компонентов существенно затрудняют процессы добычи, промысловой подготовки, транспортировки и переработки такого углеводородного сырья. На сегодняшний день многие месторождения находятся на поздней стадии разработки, характеризующейся значительным ухудшением структуры, непрерывным увеличением доли трудноизвлекаемых запасов, обводнением продукции скважин. Формируются устойчивые водонефтяные эмульсии в промежуточных слоях отстойного оборудования, осложняющие процессы подготовки нефти. Для разделения устойчивых эмульсий применяют высокие температуры нагрева, повышенные дозировки деэмульгатора, смешение с разбавителем, центрифугирование. Эти методы характеризуются высокими эксплуатационными и капитальными затратами, нестабильным эффектом по разрушению эмульсий. Поэтому актуальными задачами являются совершенствование существующих и разработка новых эффективных методов разделения устойчивых эмульсий.

Целью работы является повышение эффективности процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий.

Основные задачи работы

1. Математическое моделирование процесса коагуляции капель воды в эмульсии при ультразвуковом воздействии (УЗВ).

2. Исследование процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ.

3. Исследование процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды.

4. Разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ и методом испарения воды.

Научная новизна

1. Теоретически и экспериментально установлена зависимость между размером капель воды в эмульсии и частотой акустического воздействия при обезвоживании СВН. Показано, что с уменьшением размера капель воды увеличивается частота акустического воздействия для обезвоживания нефти.

2. Выявлено, что зависимость остаточной массовой доли воды в СВН от удельной акустической мощности при УЗВ на эмульсию характеризуется наличием' экстремума. Показано, что с увеличением частоты ультразвука в диапазоне от 20 до 100 кГц уменьшается удельная акустическая мощность воздействия и снижается остаточная массовая доля воды в нефти.

3. Установлена зависимость между интенсивностью УЗВ на эмульсию и остаточной массовой долей воды в СВН. Показано, что при увеличении интенсивности УЗВ более 5 Вт/см2 остаточная массовая доля воды в нефти увеличивается. С увеличением частоты ультразвука в диапазоне от 20 до 100 кГц повышение интенсивности воздействия вызывает меньшее увеличение остаточной массовой доли воды в нефти.

4. Выявлена зависимость между выходом углеводородного дистиллята в процессе испарения воды и температурой нагрева эмульсии. Показано, что при повышении температуры нагрева эмульсии снижается доля выхода углеводородного дистиллята от его потенциального содержания в нефти.

Защищаемые положения

1. Результаты математического моделирования процесса коагуляции капель воды в эмульсии СВН с целью определения частоты акустического воздействия для максимального обезвоживания нефти.

2. Оптимальные параметры УЗВ (частота ультразвука, удельная акустическая мощность, интенсивность, время воздействия) для обезвоживания СВН Ашальчинского месторождения.

3. Алгоритм определения температуры нагрева эмульсии для процесса испарения воды.

4. Результаты лабораторных исследований и промысловых испытаний по разделению устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ и методом испарения воды.

5. Технологии разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ и методом испарения воды.

Практическая ценность

1. Разработана технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ.

2. Определены оптимальные параметры непрерывного УЗВ на эмульсию СВН Ашальчинского месторождения: частота ультразвука 100 кГц (в диапазоне 20-100 кГц), удельная акустическая мощность 10-20 Вт/дм3 (при частоте

100 кГц), интенсивность воздействия до 5 Вт/см2, позволяющие при температуре 85 °С без применения деэмульгатора обезвоживать СВН до массовой доли воды 1,0 %.

3. Показано, что непрерывное УЗВ на эмульсию СВН с частотой 100 кГц, удельной акустической мощностью 10 Вт/дм3 и интенсивностью 5 Вт/см2 позволяет сократить в б раз (с 12 до 2 ч) время отстаивания при температуре 85 °С и снизить концентрацию деэмульгатора с 200 до 100 г/т для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.

4. Установлено, что предварительное УЗВ на эмульсию СВН в течение 5 мин с частотой ультразвука 100 кГц, удельной акустической мощностью 200 Вт/дм3 и интенсивностью 5 Вт/см2 позволяет сократить в 3 раза (с 12 до 4 ч) время отстаивания при температуре 85 °С и концентрации деэмульгатора 200 г/т для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.

5. Разработана технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды. При исходной массовой доле воды в эмульсии СВН Ашальчинского месторождения менее 10 % достаточно одного цикла испарения с температурой нагрева до 180 °С для обезвоживания нефти до массовой доли воды менее 0,5 %. При исходной массовой доле воды в эмульсии более 10 % обезвоживание нефти необходимо проводить либо за несколько циклов испарения при температуре нагрева не выше 180 °С, либо в два этапа: отделение основного количества воды за счёт отстаивания эмульсии при температуре 110-180 °С, давлении 0,2-1,0 МПа и последующее удаление остаточной воды испарением.

6. Установлено, что при увеличении исходной массовой доли воды в эмульсии от 1 до 10 % температура нагрева для испарения воды повышается: для эмульсии СВН Ашальчинского месторождения от 109 до 180 °С, для эмульсии СВН Мордово-Кармальского месторождения от 110 до 182 °С и для эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН от 114 до 185 °С.

7. Разработан алгоритм определения температуры нагрева эмульсии для процесса испарения воды исходя из её обводнённости и фракционного состава нефти.

8. Созданные технические решения выполнены на уровне изобретений и защищены патентом РФ.

9. Разработаны руководящий документ РД 153-39.0-692-11 «Инструкция по применению технологии обезвоживания сверхвязкой нефти методом

испарения» и технологический регламент на проектирование опытно-промышленного блока для подготовки устойчивых эмульсий сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения методом испарения.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 50-летию ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть» (г. Бугульма, 2006 г.), на 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2007 г.), на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2007 г.), на технической ярмарке идей и предложений ОАО «Татнефть», посвященной добыче трёхмиллиардной тонны нефти (г. Альметьевск, 2007 г.), на семинаре «Современное состояние проблем подготовки продукции скважин» (г. Бугульма, 2010 г.), на XI молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 55-летию НГДУ «Азнакаевскнефть» (г. Азнакаево, 2011 г.), на международной научно-практической конференции «Сбор, подготовка и транспортировка углеводородов - 2012» г. Сочи, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 6 статей, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патент на изобретение, 5 тезисов докладов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, пяти приложений и содержит 159 страниц, 68 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведён анализ современного состояния по вопросам образования и разделения устойчивых водонефтяных эмульсий.

Высокая устойчивость водонефтяных эмульсий может быть обусловлена высокой вязкостью и плотностью нефти, наличием стабилизаторов эмульсий (смолы, асфальтены, механические примеси, в т.ч. сульфид железа), низкой минерализацией и высокой степенью дисперсности водной фазы.

Представлен опыт по разделению устойчивых водонефтяных эмульсий с применением следующих технологических приёмов: длительное отстаива-

ние при высоких температурах, обработка высокоэффективными реагентами с повышенными дозировками, смешение с разбавителем и солевым раствором, оснащение отстойного оборудования различными интенсифицирующими устройствами, центрифугирование, выпаривание, воздействие полями различной физической природы (акустическими, магнитными, электромагнитными, микроволновыми). Существующие методы разделения устойчивых водонефтяных эмульсий характеризуются высокими капитальными (большое количество отстойного оборудования, громоздкие выпарные колонны, центрифуги) и эксплуатационными (высокие температуры нагрева, повышенные дозировки реагентов, использование разбавителей) затратами, отсутствием системных теоретических и экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров воздействия полями различной физической природы.

Научные основы разрушения дисперсных систем заложены академиком П.А. Ребиндером. Значительный вклад в развитие способов разделения водонефтяных эмульсий внесли В.П. Тронов, Б.М. Сучков, Р.З. Сахабутдинов, А.К. Розенцвайг, Г.Н. Позднышев, И.И. Дунюшкин, Л.Г. Григорян, Я.М. Каган, А.И. Гужов, В.Ф. Медведев, В.И. Грайфер, А.И. Ширеев, И.Х. Исмаги-лов, Ф.Р. Губайдулин, К.С. Каспарянц, В.И. Кузин, И.Д. Муратова, Р.И. Мансуров, Д.С. Баймухаметов и др. Исследованиями по воздействию ультразвуковых колебаний на дисперсные системы занимались Л.Д. Розен-берг, H.A. Фукс, В.Ф. Юдаев, Е.П. Медников, Р.Ш. Школьникова, В.И. Тимошенко, В.Н. Хмелёв, Л. Бергман, О. Брандт, Е. Гидеман, X. Фройнд, К. Золльнер, С. Бонди и др.

Показано, что перспективными направлениями для разделения устойчивых водонефтяных эмульсий являются применение УЗВ, интенсифицирующего процессы коалесценции капель воды, и метод испарения воды, позволяющий разделять эмульсии вне зависимости от их устойчивости и механизма стабилизации.

Во второй главе приведены результаты исследований физико-химических свойств и состава нефти, попутно добываемой воды и эмульсий Ашальчинского и Мордово-Кармальского Месторождений СВН и промежуточного слоя Ямашинской УПВСН ОАО «Татнефть».

Основные физико-химические свойства и состав СВН Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений представлены в таблице 1. СВН характеризуются высокими значениями плотности (до 962 кг/м3 при 20 °С), вяз-

Таблица 1 — Основные физико-химические свойства и состав СВН Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений_

Наименование показателя Значение показателя

Ашальчинское месторождение Мордово-Кармальское месторождение

Плотность при 20 °С, кг/м'* 962 934

Вязкость динамическая при 20 °С, мПа с 2900 317

Массовая доля серы, % 4,5 3,8

Массовая доля смол, % 28,0 18,3

Массовая доля асфальтенов, % 5,5 3,1

Массовая доля парафина, % 1,4 3,2

Фракционный состав: температура начала кипения, °С выход фракций, % об. до температуры 200 °С до температуры 300 "С 170 2 14 95 12 29

кости (до 2900 мПа-с при 20 °С), высоким содержанием серы (до 4,5 %), смол (до 28,0 %) и асфальтенов (до 5,5 %). Попутно добываемые воды являются слабоминерализованными (общее содержание солей до 3520 мг/дм3), основное количество капель воды в эмульсии имеет размеры от 2 до 10 мкм. Высокая вязкость и плотность СВН, небольшая разность плотностей между нефтью и водой, высокая степень дисперсности водной фазы, повышенное содержание смол и асфальтенов в нефти, являющихся природными стабилизаторами, обуславливают высокую устойчивость эмульсий СВН к разрушению.

Высокая устойчивость эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН обусловлена высокой концентрацией сульфида железа (7757 мг/дм3) и массовой долей механических примесей (3,93 %), низкой минерализацией воды (14460 мг/дм3).Сульфид железа и механические примеси, ассоциированные с асфальтосмолистыми и парафиновыми компонентами нефти, образуют прочные бронирующие оболочки на каплях воды, что препятствует их укрупнению и дальнейшему осаждению.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ.

Для математического моделирования процесса коагуляции капель воды в эмульсии при акустическом воздействии применялся подход, основанный на вероятностной модели парных соударений, предложенный Смолуховским. Предполагается, что масса каждой частицы (капли воды в эмульсии) пропор-

циональна заданной величине т0 и равна кт0, где ¿-натуральное число. Далее вводятся функции пк(!) — концентрации частиц с массой кт0 в зависимости от времени. Кинетика процесса коагуляции частиц описывается системой уравнений Смолуховского:

сіп 1 *~1

«= т І Рі,к-іпі (!)пк-і (О -щ (0І А,л (0, (1)

С» / ,=1 ,=1

где і — натуральное число, изменяющееся от 1 до бесконечности; пк(і), 14,(1), г>к-/(0 — концентрации частиц к, /, к-і соответственно в момент времени м"3; Рі,к-и Рік— константы коагуляции, характеризующие вероятность столкновения частиц /', к-і и /, к соответственно, м3/с.

Для вычисления константы коагуляции в ряде известных работ (СИагщсІопд ЗЬегщ, Xianglin 8Ьеп) во внимание принимаются два механизма взаимодействия частиц: ортокинетический и гидродинамический. Результирующая константа коагуляции представляет собой сумму этих двух компонент:

А,* = Ро),к + Рю,к ^2)

где ¡¡оі,к, Рю.к — компоненты константы коагуляции, характеризующие вероятность столкновения частиц /, к за счёт механизмов ортокинетического и гидродинамического взаимодействия соответственно, м3/с.

Ортокинетическая компонента константы коагуляции Ра.ь обусловленная различной степенью увлечения частиц разных размеров в акустическом поле, находится следующим образом:

РОік=2{гІ+гк)2и0.НІк^ (3)

где и о - амплитуда колебательной скорости, м/с; г,,гк - радиусы частиц і и к, м; Нщ- комплексный коэффициент, характеризующий амплитуду колебательной скорости относительного смещения частиц.

Гидродинамическая компонента константы коагуляции Ртм обусловленная возникновением сил притяжения и отталкивания между частицами в акустическом поле, находится следующим образом:

_ 2д/зярЦ02 г*гк2 Рт.к ~ „ "

П+гкг (4)

гдер - плотность нефти, кг/м3; ц - вязкость нефти, Па-с.

По уравнению (I) проведены расчёты для оценки эффективности процесса коагу ляции капель воды в эмульсии от частоты акустического воздействия для СВН Ашальчинского месторождения (рисунок 1). Результаты математического моделирования показали, что с уменьшением размера капель воды в эмульсии от 100 до 2 мкм оптимальная частота акустического воздействия для максимального обезвоживания нефти возрастает от 8 до 100 кГц.

•JOT?

• » « и т ш 1» і« м Членні, кГц

• • • КЯМОМ«!»»»!« • II » ■ Л »

Частот д. кГц Частота. кГн

Рисунок I - Зависимости эффективности коагуляции от частоты акустического воздействия

Для подтверждения теоретически установленных зависимостей проведены экспериментальные исследования (рисунок 2). Установлено, что при температуре нагрева 85 °С для эмульсии СВН с размерами основного количества капель воды 1-3 мкм. из ряда частот 20.50 и 100 кГц, оптимальной является 100 кГц, при которой достигается минимальная остаточная доля воды в нефти - 2,4 %. Для эмульсии СВН с размерами основного количества капель воды 20-40 мкм минимальная остаточная доля воды в нефти 1,4 % достигается при частоте ультразвука 50 кГц, и ей увеличение до 100 кГц уже не приводит к повышению степени обезвоживания нефти. Результаты эксперн-

107

в » а м и м

Частота. кГц

■

ос

Часта». кГц

-•рамсросионяовиткспааваикш! нилпош Ыикч

ОСИЦ—КО Ш1ПСПМ опель 1КХШ а -ПЛЯЮ1И ЭД40 ни

Рисунок 2 - Зависимости остаточной массовой доли воды в СВН от частоты ультразвука

ментальных исследований подтвердили теоретические расчёты, показывающие увеличение оптимальной частоты акустического воздействия для обезвоживания СВН с уменьшением размера капель воды в эмульсин. В процессе УЗВ на эмульсию происходит укрупнение капель воды, и для эффективного обезвоживания нефти необходимо проводить обработку со снижением оптимальной частоты ультразвука. 1пх> способствует дальнейшему укрупнению капель и их отделению от нефти. На данное техническое решение направлена заявка на предполагаемое изобретение «Способ разделения водо-нефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия».

Установлено, что зависимость остаточной массовой доли воды в СВН от удельной акустической мощности ультразвука при воздействии на эмульсию характеризуется наличием экстремума (рисунок 3). Если при низкой удельной мощности акустического воздействия процессы коа-лесценции капель волы интенсифицируются недостаточно. то при высоких значениях удельной акустической мощности возрастает роль процессов диспергирования, которые начинают преобладать над коалесценцисй капель во

» м » I» I» 1м I«* но мо

» НИИ аетпй'кекгя мощность. Вт дм'

♦частота у!ьтр»вуо 20 кГц ♦частота тгрпауха 50 «Гп ♦•«поп улирпуп 100 кГц

Рисунок 3 - Зависимости остаточной массовой доли воды в СВН от удельной акустической мощности ультразвука

ды. Определены диапазоны удельной акустической мощности, в которых достигается максимальное обезвоживание СВН при непрерывной обработке эмульсии ультразвуком без применения деэмульгатора при температуре 85 "С. Для частоты ультразвука 20 кГц оптимальный диапазон удельной акустической мощности находится в пределах от 50 до 100 Вт/дм1, при частоте 50 кГц -от 20 до 30 Вт/дм', при частоте 100 кГц - от 10 до 20 Вт/дм3. Выявлено, что с увеличением частоты ультразвука от 20 до 100 кГц остаточная массовая доля воды в нефти снижается от 9,8 до 0,9 %, необходимая удельная акустическая мощность воздействия уменьшается от 100 до 10 Вт/дм5.

Выявлено, что при увеличении интенсивности УЗВ более 5 Вт/см: происходит увеличение остаточной массовой доли воды в СВН (рисунок 4), что связано, вероятно, с возникновением в среде кавитации, вызывающей диспергирование капель воды. С увеличением частоты ультразвука повышение интенсивности воздействия вызывает меньшее увеличение остаточной массовой доли воды в нефти. С повышением интенсивности УЗВ от 5 до 12 Вт/см: остаточная массовая доля воды в СВН для эмульсии с исходной обводнённостью 52 % увеличивается при частоте ультразвука 20 кГц с 9,8 до 16.8 % (на 71 %), при частоте 50 кГц - с 5,3 до 6.5 % (на 23 %). при частоте 100 кГц - с 0,9 до 1.1 %(на 20%).

Определены оптимальные параметры непрерывного УЗВ на эмульсию СВН Ашальчинского месторождения при температуре 85 вС без применения деэмульгатора: частота ультразвука 100 кГц (в диапазоне 20-100 кГц), удельная акустическая мощность 10-20 Вт/дм1 (при частоте 100 кГц), интенсивность воздействия до 5 Вт/см2, позволяющие обезвоживать СВН до массовой доли воды 1,0 %.

Исследование влияния на процесс обезвоживания СВН времени УЗВ

• I И . II

Міпгнсиаиосіь у.и.іра»>мж<мо мікйстви«. Вт/см'

-•-частота 20 кГц, узелыш «."устичссыя мощность 100 Вт' д*' «-частота 50 к! и. )Хіииі акустичссил чоиколь 30 Вт ш* ♦частот» 100кГи,уэсаииа ааулнчеезд мооиюстъ 10 Вт дч'

Рисунок 4 • Зависимости остаточной массовой доли воды в СВІI от интенсивности УЗВ

с частотой ультразвука 100 кГц показало, что при низкой удельной акустической мощности равной 2 Вт/дм' наблюдается слабая динамика отделения воды: в течение 5 ч УЗВ массовая доля воды в СВН снижается с 52 до 28 %, что свидетельствует о недостаточной интенсификации процессов коалссценции капель воды. При высокой удельной акустической мощности равной 200 Вт/дм' в течение 30 мин обработки массовая доля воды в нефти снижается до 8,3 %, но дальнейшего обезвоживания нефти не происходит, что обусловлено увеличением роли процессов диспергирования. При оптимальном значении удельной акустической мощности 10 Вт/дм' в течение 4 ч УЗВ массовая доля воды в СВН снижается до 0,9 %. Последовательная обработка эмульсии ультразвуком с высокой удельной акустической мощностью для отделения основного количества воды, и последующая обработка с оптимальной удельной акустической мощностью для максимального обезвоживания нефти позволяет сократить время УЗВ. На данное техническое решение направлена заявка на предполагаемое изобретение «Способ разрушения во-донефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия».

На рисунке 5 представлены микрофотографии эмульсии СВН в пронес-

а) исходная эмульсия б) эмульсия после 5 мин УЗВ

в) эмульсия после 2 ч УЗВ г) эмульсия после 4 ч УЗВ

- одно промежуточное деление шкалы соотистствуст 10 мкм

Рисунок 5 - Микрофотографии эмульсин СВН

се обработки с опгнмальпыми параметрами УЗВ при температу ре 85 "С без применения деэмульгатора. Исходна« эмульсия с обводнённостью 52 % представляет собой насыщенную мелкодисперсную систему, в которой основное количество капель воды имеет размеры от 2 до 10 мкм, единичные капли -до 30 мкм (а). Уже после 5 мин обработки ультразвуком происходит заметное укрупнение дисперсной фазы и появляются капли воды размерами от 50 до 100 мкм (б), что достаточно для начала процесса их осаждения в отдельную фазу. УЗВ в течение 2 ч приводит к отделению основной часті! воды, и эмульсия становится менее насыщенной, массовая доля воды снижается до 12 % (в). После 4 ч обработки ультразвуком в кефти остается незначительное количество капель воды с размерами до 10 мкм, массовая доля воды составляет 0,9 % (г).

Установлено, что совместное действие ультразвука и деэмульгатора усиливает процессы коалссцснции капель воды и позволяет добиться большей степени обезвоживания нефти - до массовой доли воды 0,28 % (рисунок 6). При этом оптимальный диапазон удельной акустической мощности при частоте 100 кГц расширяется в область низких значений и составляет от I до 20 Вт/дм5. Применение непрерывного УЗВ позволяет в 6 раз сократить время отстаивания (с 12 до 2 ч) и снизить концентрацию деэмульгатора с 200 до 100 г/т для обезвоживания СВН до массовой доли воды менее 0,5 %.

Исследования показали, что без применения деэмульгатора после прекращения УЗВ на эмульсию СВН дополнительного отделения воды при сё отстаивании не происходит. В присутствии деэмульгатора (Интекс-720) с концентрацией 200 г/т отделение воды продолжаете» и после прекращения обработки эмульсин ультразвуком. Предварительное УЗВ на эмульсию в течение 5 мин с час-

1гигмч.аыа|«ря «м)л»ну)||1 кмиым^ 100 т аир НИ

4ч I* )• 1ч

■ бс> обработки ультразвуком

■ обработка )ЛИра'1*)1сом (100 кГц. 10 Вт/дм\ 5 Вг см")

Рисунок 6 - Результаты обезвоживания СВН ультразвуком при различной концентрации деэмульгатора

тотой ультразвука 100 кГц, интенсивностью 5 Вт/см2 и удельной акустической мощностью 200 Вт/дм3 позволяет сократить в 3 раза (с 12 до 4 ч) время отстаивания при температуре 85 °С и концентрации деэмульгатора 200 г/т, при 100 Вт/дм3 - в 2 раза (с 12 до 6 ч) для обезвоживания СВН до массовой доли воды 0,5 %.

Результаты промысловых испытаний показали, что при температуре 85 °С и концентрации деэмульгатора 200 г/т непрерывная обработка эмульсии СВН в отстойнике с частотой УЗВ 30 кГц, удельной акустической мощностью 10 Вт/дм3, интенсивностью воздействия 4 Вт/см2 позволяет сократить в 2 раза (с 4 до 2 ч) время обезвоживания нефти до массовой доли воды 1,0 %. Увеличение времени обработки до б ч не приводит к обезвоживанию СВН до массовой доли воды 0,5 %, что связано, вероятно, с недостаточной частотой ультразвука (по результатам лабораторных исследований из диапазона частот 20-100 кГц оптимальной является 100 кГц). Предварительная обработка эмульсии СВН в течение 1 мин в выносном ультразвуковом коалес-центоре с частотой УЗВ 50 кГц, удельной акустической мощностью 100 Вт/дм3 и интенсивностью воздействия 5 Вт/см2 позволяет сократить в 1,7 раза (с 10 до 6 ч), в течение 5 мин обработки - в 2,5 раза (с 10 до 4 ч) время отстаивания для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.

На основании проведённых экспериментальных исследований и промысловых испытаний разработаны технология и схемы подготовки нефти с применением УЗВ (рисунок 7, 8), позволяющие получать товарную нефть, соответствующую 1 группе качества по ГОСТ Р 51858 «Нефть. Общие технические условия». Для нефти с низкой минерализацией попутной воды (например, СВН Ашальчинского месторождения) отпадает необходимость в ступени обессоливания (отстойник О-З). Отличительной особенностью технологии является изменение параметров УЗВ по мере осуществления процесса с целью максимального повышения эффективности обезвоживания нефти. На данное техническое решение направлены 2 заявки на предполагаемые изобретения.

Полученные теоретические и экспериментальные зависимости влияния параметров УЗВ на обезвоживание СВН Ашальчинского месторождения могут быть использованы для повышения эффективности процесса разделения и других водонефтяных эмульсий с проведением дополнительных исследований.

С-І - мфкттіїиіі «імргцір. О-І ■ оглоГіш» прсімригслинхо сброс« кии с рмритсяичи исюттшя; Е-1 - сырксмя смюх-іі. Н-ІІЛ - юсосы: П-І • печі.; 0-2 ■ шггойїпге пкшппи« с улмркмукчиии жштш 0-.' - <лсгоЛиіяг оЛсссшюшш с кікграіауюиіиіі укчемамі. Е-2 - і-чвхії гомріоЯ ікфги: 0ЖГФ-1 ■ оігтоЯик* очистки аікпиО юзи; Е-) - ¿шості пмстсжій юли.

Рисунок 7 - Принципиальная технологическая схема установки подготовки нефти с применением УЗВ в отстойниках

пщ......I

яЩгтоЛпа

жупьо«

S Г*

п-і

_,»1 п У».» г

„ I УХ.) --» --- tw

04 —» _ _ -

• систему mo

C-l - nc+itmwtifl оспэрвтср. УЯС-1ЛЗ. umxHue уіьгрмцктк вм.каісктори.0-1 - «сто**!«: iipti»J^irf.»iwro сброс» юам; Е-1 - сир««« «шості; H-I2J - ыгоси, П-І • печь: 0-2 - <псі<*иіиі Лшпмі«»". O-J - отстоіии« обкюлпинт: Ы • (vwcrv теюріюА кефт»; ОЖГФ-І • аістс*лнк пчетт наспім* мак. Е-} • cwiuciw lujciino» мли.

Рисунок 8 - Принципиальная технологическая схема установки подготовки нефти с применением УЗВ в выносных коалесцеиторах

В четвёртой главе приведены результаты исследований процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды.

Для устранения осложнений, возникающих при испарении воды (выбросы жидкости, пенообразование, значительные солеотложения на нагревательном элементе), предложено разделить стадии нагрева и испарения. На разработанной лабораторной установке (рисунок 9) нагрев водо-нефтяной эмульсин осуществляется на первой стадии (ёмкость-нагреватель /)

под давлением, исключающим кипение воды, испарение - на второй стадии (испаритель 5).

Из уравнения теплового баланса выведена формула для определения температу ры нагрева I, для процесса испарения воды в зависимости от массовой доли воды в исходной эмульсии:

(100-«у. -о), + 0,01 • о), (о,) с„г tj +<w. + <»„ iy

(100-<у.) •<:„+*„ с. ' (5)

где ш, - массовая доля воды в исходной эмульсии, %; шу - массовый выход углеводородного дистиллята в процессе испарения воды, %; с„, с„2 - удельные теплоёмкости нефти при температурах // и h соответственно, Дж/(кг К); с, - удельная теплоёмкость воды при температуре I/, Дж/(кгК); 1г - температура обезвоженной нефти, "С; /. - энтальпия водяного пара при температуре О, Дж/кг; iy - энтальпия паров углеводородного дистиллята при температуре 1} Дж/кг.

Экспериментально получены графические зависимости выхода углеводородного дистиллята от температуры нагрева при испарении воды (рисунок 10). Фактический выход углеводородного дистиллята при испарении воды из эмульсии ниже его потенциального содержания в нефти (по фракционному составу), что обусловлено снижением температуры в процессе испарения за счёт расходования тепла на парообразование воды и углеводородных фракций. С увеличением исходной обводнённости эмульсии от I до 10 % температура нагрева для испарения воды повышается: для эмульсии СВН Мордово-Кармальского месторождения от 110 до 182 "С, для эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН - от 114 до 185 °С, при этом доля выхода углеводородного дистиллята снижается от его потенциального содержания в нефти от 70 до 40 % и от 56 до 42 % соответственно. Для нефти

I • CMHot°ri-iuipciMtc-it.. - • ісрішмсір. З - метрі«««« іілнію: 4 . ідмомсір, .1 • нешрпель: 4 • юдяшні мимиижмик: 7 * Мр«іСміИІК .1» СШМСКЖМриММіМкСІ миями* ІШ|ЮО-

Рисунок 9 - Схема лабораторной установки

• і I > J И 11 H U П Зі

—twax «кммщакг) жтнит \|,сс«ый iuw. Ч

і цмкш auupuui юы

- чоюмшиик* rcocpmar юшозр«.ш\ фрігоп

(IK? ^WUUHAMY CtV ІМ'І

- или и »J • цхіггсс ueafaot (ютіня ібнткп питані

Эцпкп СВН Моржжо-Кцяиоыжого м-«

Я /

v / " Рг

Iх /Л'"'" і » Л'. '

л 11 1Н і

«I !)<)() I «И II -шта>™«іЧ«»»")жімит> MlMNWiaiM, %

I прлгсс; iuo((hu щи - ихоааамс оофдок упаожришл ¿faroti

IOC tfUCIUMOrv COCWf) ■ ' ІДИ М>| I Sfrtjtccc макаем

Нош сбюимюеті vratml

'Эмулмж промежуточного сім Ямаилаккой УПВОН

Рисунок 10 - Зависимости массового выхода углеводородного дистиллята от температуры нагрева при испарении воды

с содержанием фракций, выкипающих до температуры 200 °С, не более 2 % (например, СВН Ашальчинского месторождения) при определении необходимой температуры нагрева для испарения воды с достаточной точностью можно пренебречь выходом углеводородного дистиллята. Установлено, что при увеличении исходной обводненности эмульсии СВН Ашальчинского месторождения от I до 10 % температура нагрева для испарения воды повышается от 109 до 180 "С.

Прн отсутствии данных по фактическому выход)' углеводородного дистиллята при испарении воды предложено использовать разработанный алгоритм (рисунок II) для определения необходимой температуры нагрева эмульсии. Для эмульсий с массовой долей воды до 10 % рассчитанные по данному алгоритму температуры нагрева выше экспериментальных значений не более чем на 0,1 % для СВН Ашальчинского месторождения, на 3 % для СВН Мордово-Кармальского месторождения, на 5 % для промежуточного слоя Ямашинской УПВСН.

Результаты лабораторных исследований по обезвоживанию СВН Ашальчинского месторождения методом испарения воды (рисунок 12) показали, что прн исходной обводнённости эмульсин СВН менее 10 % достаточно одного цикла испарения с температурой нагрева до 180 °С для обезвоживания

нефти до массовой доли воды менее 0,5 %. При исходной обводнённости эмульсин более 10 % обезвоживание нефти необходимо проводить за несколько циклов испарения при температуре не выше 180 °С (давлении на стадии нагрева не выше 1,0 МПа). С увеличением обводненности исходной эмульсии от 2,1 до 15,6 % концентрация хлористых солей в обезвоженной нефти увеличивается от 10 до 76 мг/дм3. массовая доля механических примесей -от 0,01 до 0.02%.

Для снижения энергозатрат на испарение воды из высокооб-воднднных эмульсий целесообразно проводить их предварительное отстаивание при температурах 110-180 "С и давлении 0,2-1.0 МПа с последующим испарением остаточной воды. С повышением температуры нагрева от 110 до 180 ®С в течение 4 ч отстаивания без применения дс-эмульгатора эмульсия СВН с исходной обводненностью 55 % разрушается до остаточной массовой доли воды от 10,0 до 1.8 % соответственно. Применение де-эмульгатора позволяет сократить время отстаивания до 2 ч и снизить остаточную массовую долю

Прсияротсльмий pKMÎT Tiiuuqiuiypu Kupon шулммк »', по uewwoft шссоюй доле wau а «и."0

Пропишет« нп «ктмллип ». IX IIO .мнмым Фрмиис и yr.KHUOfXUUOro и icMiiquiypc /', МИ<ИО С0С14М НСф! И

1 г

Pievit температуры lurpcw iwyjiKiui / с учетом «иши упскиоролного JIMOILLUl* I».

Ирнинмлсик TCMIICpJlYpIl

lUipCKI >Ч>.П*(1И 1

Рисунок 11 - Алгоритм определения температуры Haipcea эмульсии

* и 13 I» I

• м

l»*C

• ®4

l»«C ISIT IMT 1*04' IkVURU <XV-feJUI ТсЧ11Ср.11лрл ||Л|№ВЛ, "С

■ нефа ik u I ihu iinufoni

■ lk'1'П. »KJK : IM.U Ж1МГЛО»

Рисунок 12 - Результаты лабораторных исследований по обезвоживанию СВН методом испарения воды

воды от 2,0 до 0,7 % соответственно. Необходимо отметить, что отстаивание эмульсии без деэмульгатора при температуре 85 °С не приводит к ее разрушению.

Для эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН отделение воды при отстаивании начинается при температуре выше 130 °С. С повышением температуры от 130 до 180 °С в течение 4 ч отстаивания без дозирования реагента эмульсия разрушается до остаточной массовой доли воды от 32,8 до 12,6 % соответственно. Применение реагентов не приводит к более глубокому обезвоживанию нефти. Последовательное отстаивание, испарение и центрифугирование эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН позволяют получ1ггь нефть с массовой долей воды 0,01 %. концентрацией хлористых солей 156 мг/дм\ массовой долей механических примесей 0,02 %.

Проведённые исследования показали, что метод испарения воды позволяет разделять любые водонефтяные эмульсии вне зависимости от их устойчивости и механизма стабилизации.

Результаты промысловых испытаний на пилотной установке показали, что при исходной массовой доле воды в эмульсии СВН Мордово-Кармальского месторождения 1.8 и 8.0 % за один цикл испарения при температурах нагрева 120 н 170 °С соответственно, нефть обезвоживается до массовой доли воды 0,04 и 0,12 %. при этом концентрация хлористых солей составляет 4,5 и 11.5 мг/дм' соответственно, что отвечает требованиям I группы качества по ГОСТ Р 51858 «Нефть. Общие технические условия».

На основании проведённых экспериментальных исследований и промысловых испытаний разработаны технология и схема установки для разделения устойчивой эмульсий СВН методом испарения воды (рисунок 13). На данное техническое решение получен патент РФ на изобретение № 2468850. При необходимости удаления механических примесей (для эмульсий промежуточных слоёв) нефть после обезвоживания в испарителе направляется для центрифугирования в декантср.

Технология разделения устойчивой водонефтяной эмульсин методом испарения волы предназначена дня осложнённых эмульсий, которые другими методами не разрушаются. В связи с развитием проекта по добыче СВН в Республике Татарстан увеличиваются объёмы устойчивых эмульсий, поступающих на установки подготовки нефти. Для повышения надежности работы установок по подготовке СВН до I группы качества разработаны руково-

«ш

/.'•/ - сырксш буферная смич-іь: //-/ ■ 4 - насоси; Г-1.2 • ісшообилімнки: НС В-1 - иагрсміслк со сбросом ноли, //■/ • ноиршыь. АХ І ■ омиешмюр-шккиыымж, С-1 - ссшриіор. СМ-/ - смссшслк. ЬГ • блок лошроишм рсаіскта.

Рисунок 13 - Принципиальная технологическая схема установки разделения устойчивой эмульсин СВН методом испарения

дяіцнй документ РД 153-39.0-692-11 «Инструкция по применению технологии обезвоживания свсрхвязкой нефти методом испарения» и технологический регламент на проектирование опытно-промышленного блока для подготовки устойчивой эмульсии СВН Ашальчннского месторождения ОАО «Татнефть» методом испарения воды.

В пятой главе приведена технико-экономическая оценка внедрения ультразвуковых коалесценторов и установки разделения устойчивой водо-нефтяной эмульсии методом испарения воды.

Эффект от внедрения ультразвуковых коалесценторов для 2-х отстойников объёмом 50 м' на общую производительность по нефти 100 тыс. т/год достигается за счет снижения капитальных затрат исключением из технологической схемы 3-го отстойника. Ожидаемый среднегодовой экономический эффект от внедрения 2-х ультразвуковых коалесценторов для отстойников объёмом 50 м3 составит 194,2 тыс. руб.

Эффект от внедрения установки разделения устойчивой эмульсии СВН методом испарения воды достигается за счет исключения затрат на утилизацию эмульсий промежуточных слоёв (нефтешлама) и стабилизации работы установок подготовки СВН. Ожидаемый среднегодовой экономический эффект от внедрения установки разделения устойчивой водонефтяной эмульсии методом испарения воды на производительность по сырью 100 тыс. т/год составит 76,58 млн руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнено математическое моделирование процесса коагуляции капель воды при акустическом воздействии на эмульсию с использованием уравнения Смолуховского. Установлено, что с уменьшением размера капель воды увеличивается частота акустического воздействия для максимального обезвоживания нефти.

2. Лабораторными исследованиями установлено, что высокая устойчивость эмульсий СВН Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений обусловлена высокой вязкостью (до 2900 мПа-с при 20 °С), плотностью (до 962 кг/м3 при 20 °С) нефти, повышенным содержанием смол (до 28,0 %) и асфальтенов (до 5,5 %), а также низкой минерализацией (до 3520 мг/дм3) и наличием мелких капель (2-10 мкм) водной фазы. Высокая устойчивость эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН обусловлена высокой концентрацией сульфида железа (7757 мг/дм3), массовой долей механических примесей (3,93 %) и низкой минерализацией воды (14460 мг/дм3).

3. Экспериментально установлены зависимости влияния параметров УЗВ на разделение эмульсии СВН Ашальчинского месторождения, в частности:

- с уменьшением размера капель воды в эмульсии увеличивается оптимальная частота ультразвука для максимального обезвоживания нефти;

- с увеличением частоты ультразвука снижается остаточная массовая доля воды в нефти, уменьшается необходимая удельная акустическая мощность воздействия, и повышение интенсивности воздействия вызывает меньшее увеличение остаточной массовой доли воды в нефти.

4. Определены оптимальные параметры УЗВ в зависимости от технологических параметров процесса обезвоживания СВН Ашальчинского месторождения. Показано, что непрерывное УЗВ позволяет обезвоживать СВН без применения деэмульгатора. В присутствии деэмульгатора непрерывное УЗВ позволяет сократить время отстаивания до 6 раз, а предварительное УЗВ с последующим отстаиванием — до 3 раз.

5. Установлено, что при повышении температуры нагрева эмульсии для процесса испарения воды снижается доля выхода углеводородного дистиллята от его потенциального содержания в нефти.

6. Разработан алгоритм определения температуры нагрева эмульсии для процесса испарения воды исходя из её обводнённости и фракционного состава нефти.

7. Определены варианты процессов и технологические параметры для обезвоживания нефти методом испарения воды в зависимости от исходной обводнённости эмульсии.

8. Разработаны технологии с применением УЗВ и метода испарения воды, которые позволяют повысить эффективность процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий и надёжность технологических процессов подготовки нефти.

9. Созданные технические решения выполнены на уровне изобретений и защищены патентом РФ.

10. Ожидаемый среднегодовой экономический эффект от внедрения 2-х ультразвуковых коалесценторов для отстойников объёмом 50 м3 составит 194,2 тыс. руб. Ожидаемый среднегодовой экономический эффект от внедрения установки разделения устойчивой водонефтяной эмульсии методом испарения воды на производительность по сырью 100 тыс. т/год составит 76,58 млн руб.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Судыкин А.Н., Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р. Исследование процесса обезвоживания сверхвязкой нефти методом испарения воды // Технологии нефти и газа. - 2013. —№ 1. - С. 28-31.

2. Сахабутдинов Р.З., Судыкин А.Н., Губайдулин Ф.Р. Исследование процесса обезвоживания сверхвязкой нефти при ультразвуковом воздействии //Нефтяное хозяйство.-2013.-№ 10.-С. 116-119.

3. Судыкин А.Н., Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р., Судыкин С.Н. Новые технологии подготовки тяжёлых высоковязких нефтей и природных битумов // Нефть. Газ. Новации. - 2012. - № 5. - С. 20-24.

4. Судыкин А.Н., Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р., Судыкин С.Н. Разработка технологий промысловой подготовки тяжёлых высоковязких нефтей, добываемых тепловыми методами // Газовая промышленность. -2012. - Спецвыпуск 676. - С. 48-50.

5. Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р., Судыкин А.Н., Мухаметгале-ев P.P. Исследование и разработка технологии обезвоживания сверхвязкой

нефти методом испарения // Сб. науч. тр. ТатНИПИнефть. - Выпуск № LXXIX. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». - 2011. - С. 303-309.

6. Космачёва Т.Ф., Губайдулин Ф.Р., Татьянина О.С., Судыкин А.Н. Подготовка осложнённых водонефтяных эмульсий // Сборник докладов семинара «Современное состояние проблем подготовки продукции скважин». Бугульма. - 2010. - С. 76-78.

7. Космачёва Т.Ф., Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р., Судыкин А.Н. Особенности действия деэмульгаторов при разрушении эмульсии природного битума // Нефтепромысловое дело. - 2008. - №3. - С. 53-58.

8. Судыкин С.Н., Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р., Исмагилов И.Х., Судыкин А.Н. Концепция сбора, подготовки и транспорта сверхвязких нефтей ОАО «Татнефть // Нефтяное хозяйство. - 2010. - №7. - С. 61-64.

9. Установка обезвоживания тяжёлой нефти и природного битума: пат. 2468850 Рос. Федерация. - Заявл. 14.06.11. - Опубл. 10.12.2012.-Бюл. № 34.

10. Судыкин А.Н., Судыкин С.Н. Анализ вариантов использования и переработки природных битумов // Сборник тезисов докладов молодежной научно-практической конференции, посвященной 50-летию института «ТатНИПИнефть». - Бугульма. - 2006. — T. II. - С. 155-156.

11. Судыкин С.Н., Сахабутдинов Р.З., Губайдулин Ф.Р., Исмагилов И.Х., Судыкин А.Н. Исследование свойств, разработка технологии подготовки природных битумов и анализ вариантов их переработки // Тезисы докладов 7-ой Всероссийской научно-технической конференции. - Москва. - 2007. -С. 158-159.

12. Судыкин С.Н., Судыкин А.Н., Сахабутдинов Р.З., Исмагилов И.Х., Губайдулин Ф.Р., Космачёва Т.Ф. Исследование свойств битумных нефтей, разработка технологий их подготовки и анализ вариантов их переработки // Материалы научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа». - Уфа. — 2007. - С. 291-293.

Отпечатано в секторе оперативной полиграфии института «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть» наШсоЬ Айсю3045 тел.: (85594) 78-656,78-565 Подписано в печать 21.10.2013 г. Заказ №21102013 Тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Судыкин, Александр Николаевич, Бугульма

Татарский научно - исследовательский и проектный институт нефти (ТатНИПИнефть) ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина

На правах рукописи

Судыкин Александр Николаевич

Специальность 25.00.17 СО Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

СМ

со ™

О Диссертация

сч! на соискание учёной степени кандидата технических наук

СМ £

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Сахабутдинов Р.З.

Бугульма - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО ВОПРОСАМ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ............................................................................................................................................................11

1.1 Образование устойчивых водонефтяных эмульсий......................................................11

1.2 Методы и технологии разделения устойчивых водонефтяных эмульсий......................................................................................................................................................................................18

1.2.1 «Жёсткий» термохимический режим................................................................................19

1.2.2 Использование разбавителя..........................................................................................................22

1.2.3 Применение коалесцирующих устройств......................................................................24

1.2.4 Центрифугирование............................................................................................................................27

1.2.5 Использование солевого раствора..........................................................................................30

1.2.6 Выпаривание воды..............................................................................................................................31

1.2.7 Электромагнитное воздействие...................:........................................................34

1.2.8 Ультразвуковое воздействие........................................................................................................37

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УСТОЙЧИВЫХ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ........................................................................................43

2.1 Исследование физико-химических свойств эмульсий сверхвязких нефтей Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений..................43

2.2 Исследование физико-химических свойств эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН..................................................................................................................48

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ....................................................................................52

3.1 Теоретические исследования процесса коагуляции капель воды

в эмульсии при ультразвуковом воздействии...................................... 52

3.2 Экспериментальные исследования процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением ультразвукового воздействия........................................................................................ 59

3.2.1 Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментов........................................................................... 59

3.2.2 Результаты лабораторных исследований.................................... 60

3.3 Промысловые испытания по разделению эмульсии сверхвязкой нефти с применением ультразвукового воздействия........................... 74

3.3.1 Описание работы пилотной установки...................................... 74

3.3.2 Результаты промысловых испытаний........................................ 77

3.4 Технология подготовки нефти с применением ультразвукового воздействия................................................................................ 81

3.5 Выводы................................................................................. 83

4 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ МЕТОДОМ ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ............................................................................ 89

4.1 Лабораторные исследования..................................................... 89

4.1.1 Методика проведения экспериментов....................................... 89

4.1.1.1 Описание работы лабораторной установки............................................................89

4.1.1.2 Определение параметров процесса испарения воды......................................91

4.1.2 Результаты исследований по разделению эмульсии сверхвязкой нефти..............................................................................................................................................................................99

4.1.3 Результаты исследований по разделению эмульсии промежуточного слоя..........................................................................................................................................................................106

4.2 Промысловые испытания по разделению эмульсии сверхвязкой

нефти методом испарения воды............................................................................................................111

4.2.1 Описание работы пилотной установки..............................................................................111

4.2.2 Результаты промысловых испытаний................................................................................113

4.2.3 Исследование свойств нефти, газа, углеводородного дистиллята и водяного конденсата......................................................................................................................................117

4.3 Технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды......................................................................................................................................................121

4.4 Выводы..................................................................................................................................................................127

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА........................................................................130

5.1 Расчёт экономического эффекта от внедрения ультразвуковых коалесценторов......................................................................................................................................................130

5.2 Расчёт экономического эффекта от внедрения установки разделения устойчивой эмульсии сверхвязкой нефти методом испарения воды..................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние добычи нефти в мире характеризуется увеличением доли тяжёлых нефтей и природных битумов. Высокая вязкость и плотность, повышенное содержание высокомолекулярных компонентов существенно затрудняют процессы добычи, промысловой подготовки, транспортировки и переработки такого углеводородного сырья. На сегодняшний день многие месторождения находятся на поздней стадии разработки, характеризующейся значительным ухудшением структуры, непрерывным увеличением доли трудноиз-влекаемых запасов, обводнением продукции скважин. Для стабилизации добычи на этой стадии применяют различные методы интенсивного воздействия на пласт (кислотные и щелочные обработки, закачка полимеров, гидроразрыв пласта), что приводит к повышению коррозионной активности добываемой жидкости, выносу из пласта механических примесей. При этом формируются осложнённые водонефтяные эмульсии, затрудняющие подготовку нефти, приводящие к образованию устойчивых эмульсий в промежуточных слоях отстойного оборудования, что вызывает срывы в работе установок. Для разрушения устойчивых водонефтяных эмульсий применяют высокие температуры нагрева, повышенные дозировки деэмульгатора, смешение с разбавителем, центрифугирование. Эти методы характеризуются высокими эксплуатационными и капитальными затратами, нестабильным эффектом по разделению эмульсий. Поэтому актуальными задачами являются совершенствование существующих и разработка новых эффективных методов разделения устойчивых эмульсий.

Перспективным направлением для разделения водонефтяных эмульсий является применение ультразвукового воздействия (УЗВ), интенсифицирующего процессы коалесценции капель воды. Основной причиной, по которой УЗВ не нашло широкого применения в промышленности, является отсутствие системных теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих установить оптимальные параметры ультразвуковой обработки (частота

ультразвука, удельная акустическая мощность, интенсивность, время воздействия) для достижения максимального эффекта.

Эффективным методом разделения водонефтяных эмульсий является испарение воды. Заложенный принцип позволяет разрушать эмульсию вне зависимости от её устойчивости и механизма стабилизации. Основными недостатками этого метода являются использование громоздких выпарных колонн, периодичность процесса, выбросы жидкости при кипении воды, пенообразование.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:

1. Математическое моделирование процесса коагуляции капель воды в эмульсии при УЗВ.

2. Исследование процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий при УЗВ.

3. Исследование процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды.

Решение поставленных задач проводилось с помощью теоретических, лабораторных исследований и промысловых испытаний. Для анализа использовалась информация НГДУ ОАО «Татнефть» и результаты, полученные при выполнении исследований в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ института «ТатНИПИнефть».

На основании исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Теоретически и экспериментально установлена зависимость между размером капель воды в эмульсии и частотой акустического воздействия при обезвоживании сверхвязкой нефти (СВН). Показано, что с уменьшением разме-

ра капель воды увеличивается частота акустического воздействия для обезвоживания нефти.

2. Выявлено, что зависимость остаточной массовой доли воды в СВН от удельной акустической мощности при УЗВ на эмульсию характеризуется наличием экстремума. Показано, что с увеличением частоты ультразвука в диапазоне от 20 до 100 кГц уменьшается удельная акустическая мощность воздействия и снижается остаточная массовая доля воды в нефти.

3. Установлена зависимость между интенсивностью УЗВ на эмульсию и остаточной массовой долей воды в СВН. Показано, что при увеличении интенсивности УЗВ более 5 Вт/см остаточная массовая доля воды в нефти увеличивается. С увеличением частоты ультразвука в диапазоне от 20 до 100 кГц повышение интенсивности воздействия вызывает меньшее увеличение остаточной массовой доли воды в нефти.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ.

2. Определены оптимальные параметры непрерывного УЗВ на эмульсию СВН Ашальчинского месторождения: частота ультразвука 100 кГц (в диапазоне

20-100 кГц), удельная акустическая мощность 10-20 Вт/дм (при частоте 100 кГц), интенсивность воздействия до 5 Вт/см , позволяющие при температуре 85 °С без применения деэмульгатора обезвоживать СВН до массовой доли воды 1,0 %.

3. Показано, что непрерывное УЗВ на эмульсию СВН с частотой 100 кГц,

3 2

удельной акустической мощностью 10 Вт/дм и интенсивностью 5 Вт/см позволяет сократить в 6 раз (с 12 до 2 ч) время отстаивания при температуре 85 °С

и снизить концентрацию деэмульгатора с 200 до 100 г/т для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.

4. Установлено, что предварительное УЗВ на эмульсию СВН в течение 5 мин с частотой ультразвука 100 кГц, удельной акустической мощностью

3 2

200 Вт/дм и интенсивностью 5 Вт/см позволяет сократить в 3 раза (с 12 до 4 ч) время отстаивания при температуре 85 °С и концентрации деэмульгатора 200 г/т для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.

8. Созданные технические решения выполнены на уровне изобретений и защищены патентом РФ.

9. Разработаны руководящий документ РД 153-39.0-692-11 «Инструкция по применению технологии обезвоживания сверхвязкой нефти методом испарения» и технологический регламент на проектирование опытно-

промышленного блока для подготовки устойчивых эмульсий сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения методом испарения.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 50-летию ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть» (г. Бугульма, 2006 г.), на 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2007 г.), на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2007 г.), на технической ярмарке идей и предложений ОАО «Татнефть», посвященной добыче трёхмиллиардной тонны нефти (г. Альметьевск, 2007 г.), на семинаре «Современное состояние проблем подготовки продукции скважин» (г. Бугульма, 2010 г.), на XI молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвящённой 55-летию НГДУ «Азнакаевскнефть» (г. Азнакаево, 2011 г.), на международной научно-практической конференции «Сбор, подготовка и транспортировка углеводородов - 2012» (г. Сочи, 2012 г.).

Научные основы разрушения дисперсных систем заложены академиком П.А. Ребиндером. Значительный вклад в развитие способов разделения водоне-фтяных эмульсий внесли В.П. Тронов, Б.М. Сучков, Р.З. Сахабутдинов, А.К. Розенцвайг, Г.Н. Позднышев, И.И. Дунюшкин, Л.Г. Григорян, Я.М. Каган, А.И. Гужов, В.Ф. Медведев, В.И. Грайфер, А.И. Ширеев, И.Х. Исмагилов, Ф.Р. Губайдулин, К.С. Каспарянц, В.И. Кузин, И.Д. Муратова, Р.И. Мансуров, Д.С. Баймухаметов и др. Исследованиями по влиянию ультразвуковых колебаний на дисперсные системы занимались Л.Д. Розенберг, H.A. Фукс, В.Ф. Юда-ев, Е.П. Медников, Р.Ш. Школьникова, В.И. Тимошенко, В.Н. Хмелёв, Л. Бергман, О. Брандт, Е. Гидеман, X. Фройнд, К. Золльнер, С. Бонди и др.

Результаты теоретических, лабораторных исследований и промысловых испытаний, изложенные в диссертации, являются результатом работы автора под руководством доктора технических наук, профессора Сахабутдинова Р.З. при активной помощи Губайдулина Ф.Р., Космачёвой Т.Ф. и других сотрудни-

ков отдела исследования и промысловой подготовки нефти, газа и воды института «ТатНИПИнефть». Автор благодарит всех, оказавших помощь в выполнении и обсуждении работы.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО ВОПРОСАМ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ 1.1 Образование устойчивых водонефтяных эмульсий

Добыча обводнённой нефти сопровождается образованием водонефтяных эмульсий, что обусловлено смешением нефти и воды при движении в пласте и по стволу скважин, интенсивным гидродинамическим воздействием рабочих органов электропогружных и штанговых насосов, турбулизацией потока в скважинной арматуре, а также разгазированием нефти при подъёме на поверхность. Самым важным показателем для водонефтяных эмульсий является их устойчивость, под которой понимается способность эмульсий в течение определённого времени не разделяться на нефть и воду. Различают агрегатив-ную и кинетическую устойчивость водонефтяных эмульсий [1]. Агрегативная устойчивость эмульсии характеризуется способностью глобул воды к укрупнению при их столкновении. Эта устойчивость определяется прочностью бронирующих оболочек на каплях воды и выражает способность эмульсии сохранять степень дисперсности внутренней фазы. Прочность бронирующим оболочкам придают такие вещества, как асфальтены, высокоплавкие парафины, механические примеси (частицы глины и песка, нерастворимые соли), комплексы пор-фиринов и др. Эти компоненты на границе раздела фаз «нефть-вода» создают адсорбционные плёнки, которые являются структурно-механическим барьером для слияния глобул воды.

Информация о работе

Судыкин, Александр Николаевич
кандидата технических наук
Бугульма, 2013
ВАК 25.00.17

Диссертация

Исследование и разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением физических методов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы