Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблем обводненности нефти и решения этой задачи 10
1.1. Эмульсия как форма существования воды в нефти 10
1.2. Аномальная стабильность водонефтяных дисперсных систем и факторы ее определяющие 16
1.3. Механизм разрушения водонефтяных эмульсий 24
1.4. Технологические аспекты обезвоживания и обессоливания нефти 31
1.5. Аппараты для обезвоживания и обессоливания нефти 39
1.6. Цель работы и задачи исследования 59
2. Математическое моделирование процесса разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле 61
2.1. Особенности изучения процесса разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле 61
2.2. Физические основы процесса разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле 63
2.3. Математическое описание процесса разделения водонефтяной эмульсии 66
2.4. Приведение исходной задачи к виду автомодельной функции 73
2.5. Анализ возможностей использования автомодельной функции 76
3. Исследования эффективности применения различных деэмульгаторов в процессах обезвоживания нефти 78
3.1. Общие сведения об использовании деэмульгаторов в процессах подготовки нефти 78
3.2. Методика определения качественных показателей деэмульгаторов 79
3.3. Определение типа деэмульгатора для конкретного состава обрабатываемой нефти 81
3.4. Определение оптимальной температуры процесса обезвоживания нефти с выбранным деэмульгатором 83
3.5. Определение оптимальных технологических параметров процесса обезвоживания нефти с деэмульгатором Диссольван-4411 85
4. Исследования процесса разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле 87
4.1. Выбор факторов влияющих на моделируемый процесс афегата для обезвоживания и обессоливания нефти в электрическом поле 89
4.2. Описание экспериментальной пилотной установки 92
4.3. Принцип работы экспериментальной пилотной установки 95
4.4. Условия проведения эксперимента 96
4.5. Методика проведения эксперимента 97
4.5.1. Определение количества измерений в каждой серии 97
4.5.2. Выбор метода реализации плана эксперимента 98
4.5.3. Задание пределов изменения заданных значений исследуемых факторов 99
4.6. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 101
4.6.1. Аналитическое представление результатов испытаний 103
4.6.2. Исследование критических режимов функционирования элсктродегидратора 105
4.6.3. Метод графического представления зависимости расстояний между электродами от обводненности нефти 107
4.6.4. Графоаналитический метод определения оптимальной производительности агрегата 113
5. Оптимизация технологических режимов разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле 117
5.1. Выбор критериев оптимизации процессов разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле 117
5.2. Условия проведения эксперимента 119
5.3. Методы и средства экспериментального определения положения уровня раздела фаз «нефть-вода» 121
5.4. Экспериментальные методы определения положения уровня раздела фаз 122
5.4.1. Методика измерения проводимости водонефтяной эмульсии 122
5.4.2. Методика проведения эксперимента 125
5.4.3. Анализ результатов исследования 127
5.5. Основная концепция методики регулирования уровня раздела фаз 132
6. Внедрение оптимизированной конструкции агрегата для разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле в промышленности 136
6.1. Технологическая схема подготовки нефти ЭЛОУ месторождения Долни-Добнинск 136
6.2. Основные параметры оптимизированной конструкции агрегата для разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле. 140
6.3. Принципиальная электрическая схема и комп 143
6.4. Система регулирования уровня раздела фаз в электродегидраторе 146
Заключение 149
Литература 151
Приложение 1 166
Приложение 2 170
Приложение 3 1721
- Аномальная стабильность водонефтяных дисперсных систем и факторы ее определяющие
- Физические основы процесса разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле
- Определение оптимальной температуры процесса обезвоживания нефти с выбранным деэмульгатором
- Метод графического представления зависимости расстояний между электродами от обводненности нефти
Введение к работе
В настоящее время научно-техническую политику в нефтяной и газовой промышленности определяют современные требования, предъявляемые к объему добычи и качеству углеводородного сырья, поступающего от промыслов на заводскую переработку и в товарные парки. Наличие мощной сырьевой базы, дефицит нефтепродуктов и развитие в стране рыночных отношений создают объективные предпосылки для расширения масштабов использования природных углеводородов, совершенствования технологических схем подготовки и переработки нефти на промыслах и модернизации используемого оборудования. Развитие промысловых технологий идет по пути интенсификации и модернизации процессов в соответствии со все возрастающей значимостью жидких углеводородов в экономике страны и повышением требований к товарной нефти.
Однако, многообразие характеристик продукции нефтяных и газокон-денсатных промыслов ограничивает использование типовых технологических схем и аппаратов, что вызывает необходимость дифференцированного подхода для каждого конкретного случая.
Обсуждая перспективы развития промысловой подготовки, нефти целесообразно отдельно рассмотреть проблемы качества углеводородного сырья, поступающего на переработку. Повышение требований к качеству подготавливаемой нефти и обеспечению надежности работы оборудования на всех стадиях процесса подготовки и, особенно, на конечных его этапах обезвоживания и обессоливания, влечет за собой необходимость применения на промыслах типично заводских технологий и агрегатов.
В настоящее время на небольших месторождениях, которые по экономическим или иным соображениям не могут быть связаны между собой транспортными трубопроводами, используют комплексную систему подготовки жидких углеводородов с конечной целью получения некоторых про- дуктов переработки, таких как, например, бензин, дизельное топливо и печной мазут. Поэтому условия подготовки жидких углеводородов непосредственно на промыслах могут быть приравнены к заводским, несмотря на то, что углеводородное сырье, поступающее на первичную переработку, как правило, имеет нестабильные характеристики: содержание воды от 1% до 25% (в некоторых случаях значительно выше), содержание солей до 24 г/л.
Кроме того, необходимо отметить, что в современных условиях требования к экологии значительно возросли, поэтому остатки нефти извлекаются даже из заброшенных нефтеловушек и прудов- испарителей. В этом случае остатки нефти можно извлечь при помощи блочных малогабаритных установок, содержащих агрегаты для ее обезвоживания и обессоливания, а отделенная вода и шлам могут напраатяться на асфальтобетонные заводы.
Процесс подготовки нефти на промыслах должен обеспечивать одновременно выполнение следующих основных требований: эффективное извлечение и отделение жидких углеводородов от пластовой воды; увеличение производительности и степени использования технологи ческого оборудования; соответствие товарной продукции существующим стандартам.
Учитывая потребности отрасли, необходимо внедрение перенастраиваемого оборудования с увеличенным и гарантированным сроком службы до 20 лет. Особенно это касается систем, предназначенных, для последних стадий процесса подготовки нефти для дальнейшей се переработки -обезвоживания и обессоливания.
Поставленная задача может быть решена в двух направлениях: разработка и внедрение новых высокопроизводительных перенастраиваемых конструкций агрегатов; на базе серийно существующих конструкций использование гибких
8 перенастраиваемых устройств, обеспечивающих разделение водонефтя-ной эмульсии с высокой обводненностью и автоматическое регулирование процесса.
Второй путь более приемлем, так как на уже действующем оборудовании появляется возможность перенастраивания системы в соответствии с физико-химическими характеристиками исходных жидких углеводородов и необходимостью обработки водонефтяных эмульсий с содержанием воды от 5 до 25 %у что невозможно в существующих традиционных аппаратах. К числу наиболее эффективных технологических процессов обезвоживания и обессоливания нефти на конечном этапе ее подготовки на промыслах относится разделение водонефтяной эмульсии в электрическом поле.
В настоящее время трудами отечественных ученых В.П Тронова, К. И. Каспарьянца, А. И. Ширяева, Ф. Ф. Хамидулина, А. А. Петрова, Г. Н. По-зднышева созданы основные научные и технологические основы интенсификации этого процесса, установлены его технические возможности и области применения. Однако, несмотря на достигнутые успехи в развитии этого способа обезвоживания и обессоливания нефти, широкое его использование в процессах подготовки ее к транспорту или первичной переработки на промыслах сдерживается отсутствием четких рекомендаций по выбору рациональных конструктивных параметров оборудования, технологических режимов и созданию универсальной системы регулирования процесса. Отсутствует методика проектирования основных конструкгивных элементов агрегатов для осуществления обезвоживания и обессоливания, обеспечивающая возможность управления качеством процесса на стадии проектирования.
Целью настоящего исследования является развитие теории разделения водонефтяной эмульсии в электрическом ноле, позволяющей на основе выявленных силовых, линейных, кинетических и физических закономерностей, полученных как теоретическим, так и экспериментальным путем, обосновать методы инженерного расчета и регулирования рабочих параметров технических систем, предназначенных для разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле, реализация которых может быть достигнута не только при проектировании оборудования, но и на действующих типовых агрегатах без их радикальной реконструкции.
Достижение поставленной цели может быть осуществлено следующими путями: на основании анализа существующих методов разделения водонефтя-ной эмульсии определить наиболее приемлемый вариант технической системы, предназначенной для одновременного обезвоживания и обессолива-ния нефти непосредственно на промыслах в составе малогабаритных блочных установок; исследовать зависимость технологических режимов агрегата от характеристик обрабатываемой среды; разработать общие методы определения основных конструктивных параметров агрегата от которых зависят качественные показатели процесса; на основании проведенных исследований разработать рациональную конструкцию агрегата и гибкие методы регулирования его технологических режимов.
Следует отметить, что затраты на переоборудование технических систем предназначенных для разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле полностью окупаются экономией электроэнергии за счет оперативного регулирования выходных параметров электрического поля и получением стабильного качественного продукта, соответствующего существующим стандартам.
Аномальная стабильность водонефтяных дисперсных систем и факторы ее определяющие
С увеличением показателя у возрастает способность к образованию эмульсий типа В/Н, а с уменьшением - к образованию эмульсий типа Н/В. Соотношение времени жизни капель нефти и воды tg на границе раздела фаз является мерой способности системы к обращению фаз, определяющей выживание эмульсии первого или второго типа.
В условиях образования нефтяных эмульсий при добыче и обессолива-нии нефти на границе раздела нефть - вода могут существовать более продолжительное время капли воды (tB tH), поэтому образуется эмульсия типа В/Н.
С учетом изложенного, дисперсная система, образованная жидкостями с такими различными свойствами, какими обладают нефть и вода, должна быть крайне неустойчивой и обладать временем жизни, ограниченным минутами. В действительности , нефтеводяные эмульсии, с которыми приходится иметь дело в промысловой практике, обладают устойчивостью, выражающейся временем жизни в часах, сутках, а в некоторых случаях эмульсии не расслаиваются годами [29,30].
Механизм образования агрегативно устойчивых прямых и обратных нефтяных эмульсии, аналогично общим вопросам стабилизации и разрушения дисперсных систем, имеет исключительное прикладное значение и является предметом глубокого и всестороннего изучения в течении многих лет. На сегодняшний день существует ряд общих теорий, объясняющих возникновение агрегативной устойчивости эмульсионных систем, которые условно можно разделить на термодинамические (энергетические) и надмолекулярные, связанные с образованием структурно-механического барьера. Однако, все эти теории едины в том, что для придания шрегативной устойчивости эмульсионной системе, приготовленной из двух однородных, несмешивающихся жидкостей, необходимо присутствие третьего, стабилизирующего компонента.
Наиболее универсальным фактором стабилизации дисперсных систем, в соответствии с представлениями, развиваемыми академиком П.А. Ребин-дером и его школой, являются адсорбционные слои, которые формируются на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды [14, 15, 31]. Стабилизирующее действие адсорбционных слоев может быть обусловлено: 1) кинетическим действием, приводящим к появлению эффективной вязкости или мгновенной упругости благодаря локальной неравномерности двухмерных давлений; 2) структурно-механическим свойством адсорбированных слоев (структурная вязкость, упругость и механическая прочность); 3) стабилизирующим действием жидких прослоек между каплями дисперсной фазы - так называемое «расклинивающее давление». Однако, как было показано в работах [23], первый и третий факторы являются сравнительно слабыми, имеющими значение лишь для малоустойчивых эмульсий. Для образования и стабилизации высокоустойчивых систем необходимо, чтобы адсорбционные слои и связанные с ними сольват-ные оболочки при насыщении обладали упругостью и механической прочностью на сдвиг. Такими свойствами обладают адсорбционные слои поверхностно-активных молекул и коллоидных частиц [33, 34], образующих двухмерные структурированные системы, что может привести к практически безграничному повышению устойчивости дисперсных систем [25]. Структурированный слой, представляет собой коагуляционную сетку с элементами в виде агрегатов или цепочек, причем в зоне контакта между частицами остается весьма тонкая равновесная прослойка жидкой дисперсионной среды, толщина которой соответствует минимуму свободной энергии системы. Образование на глобулах воды стабилизирующих адсорбционных елоев со структурно-механическими свойствами препятствует их коалесценции при столкновении. Состав и строение этих слоев весьма разнообразны и зависят от состава нефти и содержания в ней диспергированных частиц. Большое значение имеют также содержание в пластовой воде, сопутствующей нефти, растворенных и диспергированных веществ и кислотность воды. Стабилизаторы водонефтяных эмульсий Установлено, что образованию эмульсии должны предшествовать понижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз и создание вокруг частиц, дисперсной фазы прочного адсорбционного слоя [23]. Оба эти явления связаны с наличием в системе особых веществ, молекулярно растворенных или коллоидно-диспергированных, обладающих дифильным строением молекул или поверхностей, вследствие чего они способны избирательно сорбироваться на поверхности раздела фаз. Такие вещества-эмульгаторы или стабилизаторы эмульсий имея, как отмечалось, в целом дифиль-ную молекулу, бывают преимущественно гидрофильными или гидрофобными. Первый тип, преимущественно, гидрофильный, - способствует образованию прямой эмульсии «нефть в воде», второй тип, гидрофобный, растворимый преимущественно в нефти, стабилизирует обратную эмульсию - «вода в нефти». Такими веществами в нефти и сопутствующей ей пластовой воде являются [26, 32]: - вещества с сильными поверхностно-активными свойствами, например, нафтеновые и жирные кислоты, низшие смолы; эти вещества способствуют интенсивному диспергированию системы, при адсорбции на границе фаз создают неструктурированные молекулярные слои; - вещества со слабыми поверхностно-активными свойствами, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и ангидриды, высшие смолы; эти соединения образуют структурированные слои, которые обеспечивают высокую стабилизацию эмульсий; - твердые вещества минерального и органического характера; благодаря их избирательному смачиванию фазами прилипают к дисперсионным каплям и образуют прочные бронированные слои. Механизм их стабилизирующего действия заключается в следующем. В процессе диспергирования пластовой воды в объеме нефти происходит, как уже отмечалось, резкое увеличение межфазной поверхности, обладающей избыточной свободной энергией. Молекулы эмульгаторов за счет адсорбционно-адгези-онных сил поглощаются поверхностью раздела, ориентируясь гидрофобной частью своих молекул в дисперсионную среду- нефть (рисунок 1.3, а).
По мере насыщения адсорбционных слоев молекулы эмульгаторов входят во все более тесный контакт друг с другом. Способность молекул мигрировать в пределах насыщенного адсорбционного слоя обеспечивает восстановление дефектов, возникающих в защитной оболочке, что приводит к их большей устойчивости. За короткий промежуток времени на поверхности капель формируются сплошные механически прочные защитные пленки, обладающие аномальной вязкостью. Структура и состав «бронирующих оболочек» стабилизируется.
Физические основы процесса разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле
Научное исследование сложных систем обязательно должно включать в себя элементы математического моделирования, основанные на глубоком изучении физико-механических и геометрических параметров объекта с целью прогнозирования как возможности получения заданных конечных результатов, так и применения предпочтительных вариантов тех или иных технологических приемов.
Повышение эффективности процесса разделения нефтеводяной эмульсии в электрическом поле является сложной и актуальной задачей, так как опыт эксплуатации агрегатов для разделения водонефтяной эмульсии в электрическом поле (электродегидраторов) наглядно показывает, что качество конечного продукта - товарной нефти (содержание солей и воды) во многом зависит от параметров процесса и конструктивных особенностей аппарата в котором он осуществляется.
Несмотря на всю сложность составов нефтей и разнообразие водонеф-тяных эмульсий, построение математической модели физического процесса разделения дисперсной фазы нефть-вода содержит следующие этапы: - формализация задачи; - анализ и выделение существенных характеристик процесса и их связь с конструктивными элементами агрегата; - построение математического описания,отражающего взаимосвязь существенных свойств процесса и агрегата между собой. Исходной информацией при этом являются данные о надежности, условиях применения и режимах работы изучаемой технической системы. Эти данные позволят определить основную задачу исследования и формализовать требования, предъявляемые к агрегату, так как каждое конкретной устройство обладает некоторым набором свойств, которые могут быть измерены и вычислены. В зависимости от характера решаемой задачи свойства реального агрегата могут быть отнесены либо к свойствам объекта, либо к свойствам среды.
Очевидно, что оптимизировать конструкцию агрегата и параметры процесса разделения можно лишь имея четкое представление о закономерностях поведения дисперсной фазы - капель воды, под воздействием переменного электрического поля.
В разделе 1 настоящей работы подробно рассмотрен этот вопрос, а так же возможные граничные ситуации, приводящие к срыву технологического режима и потере качественных показателей продукции - т.е. повышению содержания в товарной нефти соли и воды выше предельного значения. Эти граничные ситуации, хорошо известные из многолетнего опыта эксплуатации дегидраторов следующие:
-электрический пробой межэлектродного пространства и короткое замыкание электродов при увеличении обводненности нефти, поступающей на обработку в электродегидратор, выше некоторого критического уровня; - вторичное диспергирование водной эмульсии под воздействием электрического поля при увеличении его напряжения выше допустимого значения.
Очень важно заметить, что большинство параметров процесса глубокого обессоливания нефти являются общими и для первой стадии - термохимического обезвоживания (т.е. нагрев, воздействие деэмульгаторов и т.п.). Приведенные же явления свойственны только и исключительно электроде-гидраторам. Поэтому естественно было сосредоточить внимание именно на этих явлениях, служащих наиболее частой причиной срыва технологического режима, перерасхода электроэнергии и снижения качества готовой продукции. Несмотря на актуальность этой проблемы на настоящий момент автору не известны работы, которые устанавливали строгую математическую взаимосвязь между основными параметрами процесса - степенью обводненности нефти, напряжением между электродами и межэлектродным расстоянием. Для решения этой задачи предпринята попытка разработать математическую модель поведения двухфазной жидкости, составленной из полярной дисперсной фазы и гидрофобной дисперсной среды в электрическом поле.
Математическое моделирование процесса разделения движущегося потока двухфазной жидкости является сложной структурной проблемой. В существующей технической литературе приводится несколько довольно простых моделей [15], которые имеют весьма отдаленное отношение к реальным условиям работы и не дают возможности провести оптимизацию его конструктивных параметров и технологических режимов, как например: где к - коэффициент пропорциональности; є - напряженность электрического поля; г - радиус капли; d -расстояние между центрами капель [78-80]. Данная зависимость не дает реальной возможности определить основные параметры процесса или технической системы, так как ее составляющие довольно сложны для однозначной идентификации с параметрами среды или агрегата и не имеют практического значения для расчета конкретного агрегата, предназначенного для определенного типа эмульсий.
Известно, что для каждого исследуемого объекта можно построить не- сколько математических моделей. В зависимости от постановки задачи может быть разработана та или иная модель, отражающая локальные свойства рассматриваемой технической системы и определяемая знаниями и опытом исследователя [122]. Однако, общее требование к любой модели состоит в том. что она должна быть адекватна реальному процессу (или техническому устройству), то есть ее математическое описание должно с заданной точностью отражать существенные свойства, присущие изучаемому объекту. Из-за большого количества взаимосвязей свойств объекта как между собой так и со средой, построение полностью адекватной модели практически невозможно.
Математическую модель данного реального процесса автору настоящей работы представляется возможным найти методом имитационного моделирования с последующим приведением ее к виду автомодельной функции, позволяющей в конечном итоге выделить наиболее информативные критерии, которые и будут определять динамику процесса.
Для построения такой математической модели, несколько упрощая задачу, рассмотрим каплю жидкости - электролита, диспергированную внутри другой жидкости, являющейся типичным диэлектриком, находящуюся в равновесном состоянии. При наложении на систему внешнего электрического поля некоторой напряженности Е происходит изменение формы поверхности капли - вытягивание в направлении силовых линий электрического поля и, как следствие, потеря устойчивости системы. Капля удерживается в связном состоянии силами поверхностного натяжения, с некоторым коэффициентом X.
Так как жидкость, из которой состоит капля является электролитом, наложение электрического поля приведет к распределению свободных зарядов по ее поверхности с заранее неизвестной плотностью о. После наложения поля капля вытягивается вдоль его силовых линий, и у точек наибольшей кривизны происходит скопление соответствующих противоположных зарядов, то есть возникает поверхностное распределение сил, препятствующих возвращению капли к первоначальной сферической форме.
Определение оптимальной температуры процесса обезвоживания нефти с выбранным деэмульгатором
Наиболее сложными проблемами сбора, транспорта и подготовки нефти на промыслах (переработки на заводских установках) являются высокая обводненность нефти и стойкость водонефтяных эмульсий, образующихся на различных стадиях процесса добычи. Проблема эта приобретает особую остроту в связи с тем, что многие эксплуатируемые месторождения находятся на поздних стадиях разработки и для поддержания стабильного дебита скважин на экономически приемлемом уровне необходимы методы интенсивного гидравлического, химического или теплового воздействия на пласт. Успешно решая задачу повышения нефтеотдачи пласта, эти методы существенно осложняют процессы разделения нефтеводяных смесей и получения товарной нефти высокого качества - с минимальным содержанием солей (до 5 мг/ л) и воды (следы воды).
Традиционным способом решения этой задачи является термохимическая обработка эмульгированной нефти, то есть подогрев и воздействие на нее поверхностно-активными веществами (ПАВ) - деэмульгаторами, значительно снижающими стойкость эмульсий и способствующими расслоению нефтеводяной дисперсной системы на образующие фазы - нефть и воду. Специфической особенностью осуществления этого процесса является необходимость учета большого количества факторов: компонентного состава нефти и воды, обводненности нефти, рабочих температур, применяемого технологического оборудования. На практике это приводит к необходимости индивидуального подбора реагентов- деэмульгаторов и температурных условий для каждого конкретного объекта с возможной их корректировкой с течением времени в зависимости от качества поступающего сырья.
Методика определения качественных показателей деэмульгаторов В настоящей работе исследов&юсь влияние существующих деэмульгаторов Диссольван 4411, Сепарол WF-41, СНПХВ (Бугуруслан ), относящих-ся к классу неионогенных ПАВ и Бишофит (Волгоград) - ионогенное ПАВ, на кинетику водоотделения при разрушении водонефтяных эмульсий [127]. Важной характеристикой ПАВ является значение межфазного поверхностного натяжения на границе раздела вода - углеводородный растворитель. Чем сильнее ПАВ снижает поверхностное натяжение, тем большей эффективности можно ожидать при его применении в качестве деэмуль-гатора. Высокая поверхностная активность на границе раздела фаз способствует нарушению целостности «бронирующих оболочек» капель эмульгированной воды. В этой связи, в качестве предварительного теста для рассматриваемых деэмульгаторов были определены значения величин поверхностного натяжения на границе раздела фаз вода - очищенный керосин. Керосин в данном случае использовался как модель гидрофобной фазы. Поверхностное натяжение (в его силовом определении) - сила обусловленная межмолекулярными связями и взаимодействиями и действует на единицу длины контура, ограничивающего поверхность данной фазы (мН/м). Эта сила направлена тангенциально поверхности и перпендикулярно ограничивающему контуру. Известна зависимость для определения состояния адсорбционного слоя ПАВ на поверхности жидкости [128] - уравнение Фрумкина-Фольмера a - константа, аналогичная константе Ван-дер-Ваальса, Дж/м2; А - площадь поверхностного слоя, приходящаяся на одну молекулу адсорбированного ПАВ; b - собственная площадь этой молекулы; к - константа Больцмана. Однако воспользоваться этой зависимостью в данном случае не представляется возможным, так как измерить величины А и b в обычных лабораторных условиях не представляется возможным. Кроме этого, для наших целей более важно иметь не абсолютное значение величины поверхностного натяжения для каждого деэмульгатора в отдельности, а их соотношения. Поэтому в данном случае была использована более простая формула [20] в соответствии с которой поверхностное натяжение определялось как где a - поверхностное натяжение, мН/м; к - постоянная капилляра; v - объем выдавливаемой капли; р, и р2 -соответственно плотности разделяемых жидкостей. Поверхностное натяжение измерялось на сталагмометре методом определения объема капель, выдавливаемых на границе раздела фаз вода-керосин. Объем капель брался как среднее из 12 определений. Измерения проводились при 20 С. В экспериментах использовался очищенный авиационный керосин и дистиллированная вода. Определенные таким образом величины поверхностных натяжений для перечисленных деэмульгаторов, при температуре 20 С и концентрации их в воде 0,1% масс приведены в таблице 3.1. Растворы испытуемых деэмульгаторов, концентрацией 1,0 % масс вводились в объем предварительно нагретой нефти и для равномерного распределения перемешивался в течение 10 минут лабораторной мешалкой Объем нефти составлял 500 мл, объем вводимого деэмульгатора - 2 мл, что при плотности нефти 0,827 г/см3 составляет примерно 50 мг/кг (50 г/т). Тщательно перемешанная с деэмульгатором нефть переносилась в градуированный цилиндр и помещалась в термостат при температуре 40 С. Через определенные промежутки времени измерялся объем отделившейся воды. Результаты испытаний влияния различных деэмульгаторов на кинетику водоотделения приведены на рисунке 3.1. Из приведенных на графике данных очевидно, что при разрушении эмульсии, образованной исследуемой нефтью, наилучшие результаты дает деэмульгатор диссольван 4411, который не только превосходит все остальные по скорости и глубине обезвоживания, но и обеспечивает минимальное содержание остаточной нефти в отделившейся воде. Сравнимый, но несколько худший, результат показывает Сепарол WF-41. Хотя он достигает за тот же период времени близкой глубины обезвоживания, что и образец Диссольвана 4411, отделяемая при использовании этого реагента вода содержит большее количество нефтепродуктов, по сравнению с лучшим образцом.
Метод графического представления зависимости расстояний между электродами от обводненности нефти
Разделение водонефтяной эмульсии в электрическом поле представляет собой довольно сложный процесс, на который оказывает влияние большое количество факторов, таких как: продолжительность процесса, температура среды в аппарате, количество и технологические характеристики деэмуль-гатора, процентное содержание воды и солей в эмульсии, расстояние между электродами и напряженность электрического поля. Анализ литературных источников, выполненный в главе 1, показал, что механизм оптимизации технологических процессов, протекающих в аїрегате, изучен недостаточно. Отсутствуют рекомендации, необходимые для определения наиболее эффективных режимов обработки водонефтяной эмульсии, а именно: минимальная, но достаточная величина действующего напряжения, взаимосвязь характеристик электрического поля с положением уровня раздела фаз, зависимость содержания солей и воды в отделенной нефти от уровня раздела фаз «нефть-вода».
Предварительные лабораторные исследования и опыт эксплуатации промышленных установок показали, что, после определения оптимального расстояния между электродами для номинальной величины обводненности водонефтяной эмульсии, определяющее значение приобретают: величина подаваемого на электроды агрегата напряжения и положение уровня раздела фаз «нефть-вода». Этот вывод основан на том, что при нестабильном содержании воды в эмульсии, что практически всегда имеет место при подготовке нефти на промыслах, качество отделяемой нефти (при прочих равных условиях) в основном зависит от этих двух факторов.
Основным потребителем электроэнергии в ЭДГ является высоковольтный источник питания, осуществляющий преобразование переменного тока напряжением 380 В и частотой 50 Гц в ток до 60 кВ с той же частотой в зависимости от размеров аппарата. Данный процесс весьма энергоемкий н требует значительного расхода электроэнергии. Поэтому весьма важно решить задачу не только оптимизации процесса, но и возможности автоматического регулирования с целью повышения его эффективности и получения на выходе из агрегата продукта со стабильными характеристиками, отвечающими требованиям стандартов. Кроме того, в связи с обостряющимся энергетическим кризисом необходимо изыскать пути значительного сокращения потребления электроэнергии.
В настоящее время существует несколько схем, по которым осуществляется регулирование процесса в электродегидраторе. Следует особо отметить, что все они базируются не на изменении напряжения в зоне воздействия на эмульсию электрическим нолем, а на автоматическое закрытие или открытие дренажного клапана в зависимости от положения уровня раздела фаз, контролируемое датчиками, оставляя напряжение на электродах неизменным, что в значительной степени увеличивает энергопотребление агрегата. Однако, как показывает опыт эксплуатации ЭДГ, в зоне активного разрушения водонефтяной эмульсии не требуется постоянного присутствия электрического поля одной и той же напряженности [12,15], так как период воздействия высоким напряжением на эмульсию может быть достаточно кратковременным, для того, чтобы интенсифицировать процесс слияния капель воды. Затем можно поддерживать стабильное течение процесса изменяя параметры электрического поля и устанавливая, тем самым, заданный уровень раздела фаз.
Известно, что эффективность разрушения водонефтяной эмульсии в электрическом поле переменного тока выше, чем в поле постоянного тока, что можно объяснить следующими причинами. В поле переменного тока происходит циклическое изменение направления напряженности электрического поля, в результате чего капли воды постоянно получают противоположные импульсы, заставляющие их совершать вынужденные колебания в направлении силовых линий приложенного электрического поля. В разделе 2 настоящей работы показано, как под действием электрического поля (рисунок 2.4) изменяется форма капель. Вынужденные колебания значительно ускоряют этот процесс, способствуют более интенсивному разрушению «бронирующих оболочек» и слиянию этих капель.
Одним из основных условий эффективной работы агрегатов является поддержание оптимального уровня раздела фаз «нефть- вода», который в значительной степени зависит от системы регулирования течения процесса. Поэтому, при оптимизации технологического режима должны соблюдаться условия, сохраняющие стабильность процесса и минимизирующие расход электроэнергии. То есть в данном случае необходимо применение комплексного подхода, позволяющего разработать такую систему, которая позволила бы осуществлять контроль и регулирование положения уровня раздела фаз, а тем самым обеспечить эффективное течение процесса разделения во-донефтяной эмульсии в электрическом поле
Выбор методов и средств автоматического регулирования технологического режима в агрегате во многом определяется контролепригодностью процесса, то есть возможностью получения достоверной информации для объективной оценки течения процесса. При построении системы контроля и регулирования объекта с ограниченным числом текущих контрольных параметров необходим самый тщательный выбор возможных эффективных вариантов. Определение параметров регулирования и контроля, наиболее полно раскрывающих динамику процесса, возможно только путем глубокого теоретического и экспериментального анализа. Решение этой задачи необходимо осуществлять путем проведения натурного эксперимента с последующей математической обработкой полученных результатов, на основании которых можно произвести оценку наиболее вероятной области оптимального течения процесса разделения водонефтянои эмульсии в электрическом поле.
Для изучения возможности автоматического регулирования уровня раздела фаз «нефть-вода» в рабочем пространстве агрегата, необходимо экспериментальным путем установить соотношение между действующим напряжением источника питания и положением «зеркала» границы раздела фаз. То есть в данном случае, ставится задача нахождения некоторой функциональной зависимости U=f(D), где U- действующее значение напряжения источника питания, D- положение уровня раздела фаз в некоторый момент времени.
Исследования проводились на пилотной экспериментальной установке, описание которой и принцип действия даны в разделе 4 настоящей работы. В ходе исследования фиксировались основные технологические параметры процесса - содержание воды и солей во вводимом сырье и готовом продукте, температура среды в аппарате, положение уровня раздела фаз и напряжение на электродах. Исходное содержание воды в эмульсии подаваемой на электродегидратор поддерживалось на уровне 10%, расстояние между электродами, согласно номограмме рисунок 4.7 (раздел 4) настоящей работы устанавливалось на величине 100 мм. В соответствии с этим производительность агрегата (рисунок 4.8) определялась в количестве 50 л/час.
