Введение к работе
Актуальность работы
Наиболее масштабным и часто встречающимся в мире технологическим процессом является процесс подготовки воды для потребностей промышленности, сельского и жилищно-коммунального хозяйства. В последние годы наблюдается тенденция по ужесточению требований к предельно допустимым концентрациям примесей, загрязняющих воду и водные технологические жидкости (далее - технологические жидкости). Соответственно растут размеры штрафов, взимаемых с предприятий за нарушение экологических норм, что, в частности, неминуемо влечет за собой увеличение затрат на подготовку технологических жидкостей.
Добыче нефти сопутствуют различные осложнения, среди которых одним из наиболее опасных является развитие в пласте анаэробных бактерий, выделяющих сероводород, что приводит к снижению рН технологических жидкостей. Колонии бактерий, адгезированные на металле нефтепромыслового оборудования, способствуют усилению локальных коррозионных процессов, наводороживанию и охрупчиванию стали. Кроме того, дрейфующие с потоками технологических жидкостей планктонные формы бактерий заражают всю систему нефтедобычи. Рост скорости коррозии в присутствии сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) приводит к активному образованию сульфидных пленок на поверхности стали и увеличению количества мелкодисперсных механических примесей. Последние, в свою очередь, оказывают каталитическое воздействие на образование эмульсий. Распространенное в нефтегазовой отрасли использование для борьбы с коррозией и образованием эмульсий ингибиторов на основе аминов и деэмульгаторов на основе солей фосфора создает благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий, так как азот и фосфор необходимы для формирования белков в клетках бактерий.
Таким образом, биозаражение нефтяных промыслов является одной из наиболее актуальных проблем отрасли, для решения которой необходимо не только разработать эффективные методы подавления жизнедеятельности адгезированных и планктонных форм СВБ, но и создать новые технологии, позволяющие исключить введение в технологические жидкости химических реагентов или свести их количество к минимуму. Следует отметить, что наиболее часто применяемым в настоящее время способом борьбы с осложнениями при добыче нефти является использование химических методов подготовки технологических жидкостей, которые предусматривают введение в них сложных и, как правило, дорогостоящих реагентов - коагулянтов, флокулянтов, бактерицидов, умягчителей, ингибиторов коррозии и солеотложения, деэмульгаторов и т. д. Это связано со значительными материальными и энергозатратами.
Рядом исследователей (Классен В.И., Ланжевен П., Очков В.Ф., Тебенихин Е.Ф., Шайдаков В.В. и др.) для снижения энерго- и материальных затрат на подготовку технологических жидкостей предлагается использовать методы их безреагентной обработки (магнитные, ультразвуковые и др.). Однако до настоящего времени эти методы не нашли широкого применения в нефтяной промышленности, что связано с отсутствием теоретической базы и расчетных методов создания машин, агрегатов и устройств для безреагентной обработки технологических жидкостей на объектах их подготовки.
Установлено (работы Бугая Д.Е., Лаптева А.Б. и др.), что магнитогидродинамическая обработка (МГДО) технологических жидкостей позволяет целенаправленно перераспределять ионы в их объеме. Такого рода процессы осуществляются принудительно в нанослоях жидкости и приводят, в частности, к образованию протонированных молекул ингибиторов и деэмульгаторов, которые обладают повышенной способностью к взаимодействию с поверхностью трубных сталей, а также большей поверхностной активностью по отношению к глобулам нефти и воды. Кроме того, в технологических жидкостях формируются микрокристаллы слаборастворимых солей, которые не способны к отложению на стенках труб. Одновременное воздействие постоянного магнитного поля и центробежных сил в гидроциклоне создает в пристеночном слое технологических жидкостей условия для протонирования мембранных оболочек бактерий, что позволяет негативно воздействовать на их жизнедеятельность.
Отсюда следует, что особенности подготовки технологических жидкостей на нефтедобывающих предприятиях, осуществляемой с помощью МГДО, относятся к категории ресурсосберегающих технологий, поскольку связаны с манипулированием микрочастицами в нанослоях флюидов с образованием необходимых структур без применения внешних источников энергии с использованием исключительно энергии потока и постоянных магнитов.
Таким образом, создание новых технологий повышения энергоэффективности процессов подготовки технологических жидкостей, а также устройств для их комплексной обработки представляется важной научно-технической проблемой, решение которой позволит снизить затраты на подготовку и транспортировку нефти, а также повысить безопасность и эффективность эксплуатации трубопроводов и оборудования нефтяных промыслов.
Цель работы
Предотвращение биокоррозии и образования эмульсий в процессах нефтедобычи в результате создания и внедрения ресурсосберегающих технологий и соответствующих им устройств для комплексной подготовки технологических жидкостей.
В диссертации решались следующие задачи:
1 Разработка лабораторных методик и устройств для исследования влияния магнитогидродинамической обработки, проводимой совместно с введением химических реагентов, на биозараженность технологических жидкостей, их коррозионную активность и способность к образованию эмульсий. Создание научно обоснованных методик расчета и изготовления устройств, позволяющих подавлять жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих бактерий.
2 Разработка научно обоснованного метода увеличения срока безаварийной эксплуатации нефтепромыслового оборудования, подверженного биокоррозии, путем применения магнитогидродинамической обработки для подавления жизнедеятельности планктонных форм сульфатвосстанавливающих бактерий.
3 Разработка научно обоснованного метода предотвращения жизнедеятельности адгезированных форм сульфатвосстанавливающих бактерий путем проведения магнитогидродинамической обработки технологических жидкостей и одновременного введения в них растворов неорганических солей с целью увеличения срока безаварийной эксплуатации нефтепромыслового оборудования, подверженного биокоррозии.
4 Разработка научно обоснованного метода увеличения эффективности реагентов нефтедобычи с использованием магнитогидродинамической обработки технологических жидкостей. Исследование ее влияния на строение и физико-химические параметры молекул ингибиторов и деэмульгаторов с целью выявления механизмов происходящих при этом процессов.
5 Создание на основе разработанных методов ресурсосберегающих технологий и соответствующих им устройств для комплексной подготовки технологических жидкостей и их внедрение на объектах нефтедобычи.
Научная новизна
1 С использованием современных методов исследования адсорбции и эффективности реагентов нефтедобычи (ингибиторы коррозии и деэмульгаторы), квантовохимических расчетов молекул этих веществ научно доказано, что при одновременном проведении внутритрубной магнитогидродинамической обработки технологических жидкостей и введении в них данных реагентов ионы гидроксония под воздействием магнитного поля можно принудительно направлять в нанослои ингибиторов и деэмульгаторов еще до их перемешивания с технологическими жидкостями, в результате чего образуются новые молекулярные комплексы. Они имеют более высокие заряды на адсорбционных центрах и дипольные моменты, а также происходит перераспределение электрических зарядов на атомах молекул реагентов, что в целом значительно повышает адсорбционную способность ингибиторов и поверхностную активность деэмульгаторов. Данные молекулярные комплексы изменяют механизмы ингибирования и деэмульсации: комплексы с молекулами ингибиторов адсорбируются на катодных участках поверхности металла, замедляя его коррозию, а комплексы с молекулами деэмульгаторов активнее взаимодействуют с глобулами нефти, приводя к их ускоренному слиянию.
2 Выдвинут и экспериментально подтвержден научно обоснованный механизм подавления жизнедеятельности адгезированных форм сульфатвосстанавливающих бактерий путем магнитогидродинамической обработки технологических жидкостей. Ионы разного знака движутся в противоположные стороны к области максимального воздействия магнитного поля. В зоне с нулевой магнитной индукцией происходит значительное увеличение концентрации катионов и анионов. Если при этом в технологическую жидкость добавлять расчетный избыток ионов кальция по отношению к имеющемуся в ней количеству сульфат-ионов, дозируя в жидкость, например, хлорид кальция, то наличие данного избытка обеспечивает уменьшение концентрации сульфат-ионов до значений ниже 0,05 % масс., при которых жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих бактерий невозможна вследствие замещения сульфат-ионов труднорастворимыми микрокристаллами сульфата кальция, непригодными для этого вида бактерий в качестве питательной среды. Важно, что данные микрокристаллы имеют размеры до 4 мкм и при высоких скоростях потока не способны к отложению на стенках труб и оборудования. Они перемещаются в объеме транспортируемой технологической жидкости в виде мелкодисперсной взвеси.
3 Научно доказано и экспериментально подтверждено, что при проведении магнитогидродинамической обработки закрученного в гидроциклоне потока технологической жидкости, наряду с увеличением концентраций механических примесей и бактерий в зоне ее пристеночного слоя, в самом потоке, проходящем через магнитное поле, индуцируется электрический ток таким образом, что положительно заряженные ионы перемещаются к стенке гидроциклона, в результате чего происходит локальное снижение рН технологической жидкости. Это приводит к практически полному подавлению жизнедеятельности планктонных форм сульфатвосстанавливающих бактерий, которые не могут существовать при значениях рН менее 3. В результате необходимость в использовании биоцидов либо вообще отпадает, либо сводится к минимуму.
Практическая ценность
1 На разработанные при участии соискателя устройства для антибактериальной обработки потоков водных сред, дозирования деэмульгаторов и ингибиторов коррозии получен патент РФ на способ и устройство № 2376247 и патенты РФ на полезные модели № 54035 и № 59628.
2 При участии соискателя в ООО «Научно-производственное предприятие «Регион-сервис» (г. Уфа) разработаны технические условия «Устройство для антибактериальной обработки жидкости» ТУ 3667–005–80005313–2007 и согласованы в Управлении по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Республике Башкортостан. Изготавливаемые в соответствии с этими техническими условиями устройства предназначены для использования в процессах добычи и транспортировки нефти в умеренных и холодных макроклиматических районах РФ.
3 Изготовлено антибактериальное устройство МГДО для проведения промысловых испытаний, которые показали, что его использование на водоводе системы поддержания пластового давления (ППД) ОАО «АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфа» привело к снижению количества СВБ с 106 кл/мл до следовых значений.
4 Для ЗАО «ОЗ Нефтехим» (г. Уфа) разработана методика «Исследование влияния МГДО модельных и промысловых сред на защитную способность ингибиторов коррозии и эффективность деэмульгаторов». Выполненные в соответствии с данной методикой промысловые испытания разработанного при участии соискателя пилотного устройства УВМГДО-1.1 для проведения МГДО водонефтяных сред с ингибиторами и деэмульгаторами в цехе подготовки и перекачки нефти Аксаковской группы месторождений филиала ОАО «АНК «Башнефть» «Башнефть-Ишимбай» показали повышение эффективности ингибиторов коррозии на 7-21 % в зависимости от химической основы реагента, а испытания на скважинах № 413 и № 746 Сергеевского месторождения филиала ОАО «АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфа» - улучшение деэмульсации на 5-19 %.
5 При участии соискателя в ООО «Научно-производственный центр «Знание» (г. Уфа) разработаны методические указания «Устройство для подавления жизнедеятельности СВБ путем МГДО жидкости с предварительным дозированием раствора CaCl2». Промысловые испытания сконструированного в соответствии с этими указаниями устройства МВ-1-300-0,1 на водоводе системы ППД филиала ОАО «АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфа» показали, что концентрация растворенных сульфат-ионов снизилась до 0,05-0,1 % масс., и, тем самым, была полностью предотвращена жизнедеятельность СВБ. Скорость коррозии гравиметрических образцов по истечении 30-ти суток после начала испытаний снизилась на 70 %, а локальная коррозия металла, вызываемая колониями СВБ, не наблюдалась, что обеспечило значительное повышение безопасности эксплуатации водовода.
Достоверность результатов проведенных исследований
Достоверность результатов проведенных исследований не вызывает сомнений, поскольку они базируются на фундаментальных представлениях теории магнитных явлений, теории коррозии и защиты металлов, а также общепринятых концепциях в области подготовки нефти на промыслах. Все экспериментальные исследования проводились в соответствии с известными и разработанными при участии соискателя методиками на оборудовании, прошедшем государственную поверку. Достоверность полученных результатов подтверждается и тем, что массивы исходных экспериментальных данных обрабатывались с помощью методов теории ошибок эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту
1 Научное обоснование целесообразности и эффективности использования метода магнитогидродинамической обработки технологических жидкостей для предотвращения биокоррозии и образования эмульсий в процессах нефтедобычи.
2 Доказательство научной корректности выдвинутых автором механизмов ингибирования и деэмульсации технологических жидкостей с участием карбоионов, образующихся в них в результате внутритрубного протонирования молекул ингибиторов и деэмульгаторов в ходе магнитогидродинамической обработки.
3 Научное обоснование установленного механизма подавления жизнедеятельности адгезированных форм сульфатвосстанавливающих бактерий в результате магнитогидродинамической обработки технологических жидкостей.
4 Научное обоснование разработанного автором метода подавления жизнедеятельности планктонных форм сульфатвосстанавливающих бактерий путем принудительного снижения рН технологической жидкости в ходе ее магнитогидродинамической обработки.
5 Изложение сути и доказательство эффективности новых ресурсосберегающих технологий подготовки нефти, созданных на основе полученных научных результатов и разработанных методов.
Апробация работы и публикация результатов
Основные результаты работы доложены и обсуждались на 55-й, 56-й и 57-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Уфимского государственного нефтяного технического университета (Уфа, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); VII специализированной выставке-конференции «Коррозия металлов, предупреждение и защита» в рамках инновационно-промышленного форума «Промэкспо-2006» (Уфа, 2006); научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2006); научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (г. Уфа, 2007, 2008, 2009);. учебно-научно-практической конференции Уфимского государственного нефтяного технического университета «Трубопроводный транспорт–2006» (Уфа, 2006), «Трубопроводный транспорт – 2007» (Уфа, 2007);, научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса» в рамках VII Российского энергетического форума (Уфа, 2007); 7-ой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2007); научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2008); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2008); научно-техническом семинаре «Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2009); The European Corrosion Congress «EUROCORR-2010», 13-17 September (Москва, 2010).
По результатам работы опубликовано 54 труда: 15 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, выпускаемых в РФ, в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ; 33 статьи в материалах различных конференций и семинаров; 2 учебных пособия; 1 монография; 2 патента РФ на полезную модель; 1 патент РФ на изобретение.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и приложений. Объем диссертации составляет 285 страниц машинописного текста; приводится 39 таблиц, 88 иллюстраций, 6 приложений. Список литературы содержит 230 наименований.
