Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические основы процессов обезвоживания обессоливания и транспорта высоковязких нефтей 7
1.1 Водонефтяные эмульсии как нефтяные дисперсные системы- 7
1.2 Разрушение нефтяных эмульсий обратного типа (вода-масло). 15
1.2.1 Внутритрубная деэмульсация нефти, 19
1.2.2 Гравитационное разделение нефти и воды (холодный отстой).23
1.2.3 Разрушение нефтяных эмульсий в центрифугах. 23
1.2.4 Фильтрация эмульсии через твердые гидрофильные поверхности, 23
1.2.5 Термохимическая деэмульсация нефти, 25
1.2-6 Электродеэмульсация нефти. 27
1.2.7 Деэмульсация нефтяных эмульсий за счет выделяющегося из нефти газа. 28
1.3. Реологические свойства нефти 30
1.4 Методы снижения вязкости нефтей и нефтяных эмульсий. 31
2. Исследование физико-химических свойств нефтей 35
2.1 Исследование эмульсионных свойств водонефтяных эмульсий. 35
2.2 Исследование реологических характеристик водонефтяных эмульсий. 42
3. Исследование поверхностно-активных свойств реагентов-деэмульгаторов для обезвоживания высоковязкой нефти 48
3.1 Исследование поверхностного натяжения композиций. 49
3.2 Смачивающая способность композиций. 49
3.3 Оценка моющей способности. 51
3.4 Оценка деэмульгирующей эффективности реагента «РЭНТ». 53
3.5. Исследование деэмульгирующей эффективности реагента «РЭНТ» на смеси эмульсий, поступающих на переработку в ОАО «Волганефть». 55
4. Интенсификация процессов обезвоживания и обессоливания высоковязкой нефти в нгду "татритэкнефть" 63
5. Исследование влияния совместного действия акустики и реагентов на вязкостные свойства нефти 74
6. Промысловые испытания рпаа и внедрение композиционного деэмульгатора "рэнт" для подготовки высоковязких нефтей 82
6.1 Промысловые испытания роторно-пульсационного аппарата для обезвоживания и обессоливания высоковязкой нефти в НГДУ "ТатРИТЭКнефть" 82
6.2 Промысловые испытания и внедрение композиции реагента для подготовки высоковязкой нефти 84
Выводы 91
- Разрушение нефтяных эмульсий обратного типа (вода-масло).
- Деэмульсация нефтяных эмульсий за счет выделяющегося из нефти газа.
- Исследование реологических характеристик водонефтяных эмульсий.
- Промысловые испытания и внедрение композиции реагента для подготовки высоковязкой нефти
Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянно возрастающая доля добычи высоковязких нефтей угленосного горизонта существенно усугубляет проблему промысловой подготовки нефти, так как эти нефти способны к образованию с сопутствующими пластовыми водами чрезвычайно устойчивых эмульсий. Вместе с тем тенденция повышения агрегативной устойчивости и вязкости эмульсионных систем влечёт за собой увеличение удельного расхода деэмульгаторов и низкому качеству подготавливаемой нефти на промыслах, В связи с этим разработка и изыскание наиболее эффективных деэмульгаторов, новых приёмов в технологиях процессов обезвоживания и обессоливания реологически осложнённых нефтей является актуальной задачей, решение которой позволит повысить качество подготавливаемой нефти в соответствии с требованиями, предъявляемыми к дальнейшей ее транспортировке и переработке.
Цель работы — разработка реагента-деэмульгатора и способов разрушения устойчивых эмульсий вьтсоковязких нефтей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить физико-химический состав, эмульсионные и реологические
свойства высоковязких и устойчивых водонефтяных эмульсий;
исследовать коллоидно-химические свойства композиционных составов поверхностно-активных веществ (ПАВ) для обезвоживания и обессоливания высоковязких нефтей;
разработать новый деэмульгатор для подготовки высоковязких нефтей;
- изучить влияние механико-акустического воздействия совместно с
химическими реагентами на эффективность протекания процессов
обезвоживания и обессоливания нефтяной продукции, а также на
реологические свойства подготавливаемой нефти.
Научная новизна:
- определены закономерности изменения поверхностно- активных
свойств композиционных составов ПАВ, которые позволили установить
оптимальное соотношение компонентов в разработанном новом
деэмульгаторе, обеспечивающего повышение эффективности процессов
обезвоживания и обессоливания высоковязкой нефти;
- установлено» что смесь бутиловых эфиров моно- и диэтиленгликоля
с неионогенным блоксополимером окисей этилена и пропилена на
основе гликолей обладает хорошим смачивающе-моющим действием по
отношению к природным эмульгаторам;
- предложен механизм действия смеси бутиловых эфиров моно- и
диэтиленгликоля в процессе разрушения бронирующих оболочек на
поверхности капель воды и адсорбционных слоев на кристаллах
неорганических солей, заключающийся в отмывании и удалении
ассоциатов смолисто-асфальтеновых веществ (CAB) и легко
кристаллизующихся тугоплавких парафинов с границы раздела фаз;
- показано влияние механико-акустического воздействия на
водонефтяные эмульсии; установлен оптимальный интервал частотного
диапазона и интенсивности акустического излучения, при котором
усиливаются процессы коалесценции и седиментации капель воды;
- научно и экспериментально обоснована возможность улучшения
реологических свойств нефтяной продукции, обработанной на роторно-
пульсационном акустическом аппарате (РПАА), что позволяет снизить
вязкость и повысить эффективность транспортирования тяжелых и
высоковязких нефтей потребителю.
Практическая ценность:
- разработан состав композиционного деэмульгатора с торговым
знаком "РЭНТ" (реагент для эмульсий нефтяных тяжелых),
обеспечивающий высокую эффективность протекания процессов
обезвоживания и обессоливания высоковязких нефтей за счет
смачивающе-моющего действия его компонентов при разрушении
адсорбционных слоев на глобулах пластовой воды и кристаллов
неорганических солей, что позволило подготавливать нефть высокого
качества в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51858-2002;
опытно-промышленные испытания и внедрение деэмульгатора "РЭНТ" на нефтепромысловых объектах Российской Федерации и Республики Татарстан: в ОАО "Волганефть" (г.Самара); в ОАО "РИТЭК" НГДУ "ТатРИТЭКнефть" и "ЧелныРИТЭКнефть" (гЛурлат, г.Наб.Челны); в ОАО "Татнефтепром" (г.Черемшан); в ЗАО "Геология" ( г.Азнакаево) показали высокую эффективность процессов подготовки высоковязких нефтей;
выявлен эффект глубокого обессоливания нефти в результате акустического воздействия РПАА с широким диапазоном излучаемых частот;
опытно-промышленные испытания роторно-пульсационного акустического аппарата для обессоливания нефти и снижения ее вязкости, подготавливаемой на установке подготовки высокосернистой нефти (УПВСН) в НГДУ "ТатРИТЭКнефть", позволили получить товарную нефть, удовлетворяющую требованиям внешнего рынка (по экспортному варианту);
- разработаны и согласованы технические условия на промышленное
производство деэмульгатора "РЭНТ" в ОАО "Казаньоргсинтез\
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на межвузовской студенческой конференции "Нефть и газ" (Москва, 2000), на Всероссийской конференции "Актуальные проблемы нефтехимии" (Москва, 2001), на научной сессии (Казань, 2002), на Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003). По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей, 6 тезисов докладов и патент на изобретение.
Работа выполнена на кафедре химической технологии переработки нефти и газа Казанского государственного технологического университета в соответствии с программой исследований АН РТ по проблеме Нефтехимия с 1999 по 2001 г. Тема: «Разработка способов разрушения водных эмульсий высоковязких нефтей» и с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 203 - Химия и химические продукты, раздел 203,02 -Общая и техническая химия, название темы: «Научные основы эффективной переработки нефтехимического и газового сырья с получением органических продуктов» за 1999 - 2001 г., per. № 02.03.006.
Разрушение нефтяных эмульсий обратного типа (вода-масло).
В настоящее время существует несколько методов деэмульгиро-вания (разрушения ) нефтяных эмульсий типа В/М: 1) путевая (внутритрубная) деэмульсация за счет подачи искусственных более эффективных ПАВ, чем естественные ПАВ; 2) гравитационное разделение (отстой); 3) центрифугирование; 4) фильтрация через твердые поверхности (гидрофильные и гидрофобные); 5) термохимическое воздействие (тепло + химреагенты); 6) электродегидратирование; 7) деэмульсация нефтяных эмульсий за счет выделяющегося из нефти газа /24/. Процесс разрушения эмульсии зависит от ее строения, характера природных стабилизаторов, состава нефти и т.д., поэтому эффективные технологические приемы для обезвоживания необходимо подбирать для каждого конкретного случая /41-44/. Сущность процесса предварительной подготовки эмульсии к расслоению заключается в максимальном снижении ее агрегативной и кинематической устойчивости и включает несколько стадий. На первой стадии этого процесса (флокуляция) капельки диспергированной фазы образуют скопление, в котором еще не теряют индивидуальность. Это скопление может быть вторично диспергировано легким перемешиванием. На второй стадии (коалесценция) происходит слияние капель при взаимном столкновении или контактировании с гидрофильной поверхностью, и их оседание гтод действием силы тяжести (седиментация). Это необратимая ступень процесса, т.к. для вторичного диспергирования необходимо очень сильное перемешивание /6,45/. На нефтяных промыслах наибольшее распространение получили термохимические методы воздействия, состоящие в обработке эмульсии деэмульгаторами в сочетании с термической обработкой. В последние годы наметилась тенденция при разрушении эмульсии использовать не индивидуальные соединения, а композиции, которые наряду с деэмульгаторами содержат диспергаторы, смачиватели, моющие вещества и высокомолекулярные полимеры /2/. В основе всех этих методов лежит принцип, изложенный Ребинде-ром П.А и его школой /3,5/, Разрушить структурно-механический барьер, препятствующий уменьшению толщины пленки при сближении капель и, тем самым, предотвращающий процесс их коалесценции, можно только с введением в систему более поверхностно-активных веществ, чем коллоидные стабилизаторы, Проведенные авторами работы /46/ исследования позволили несколько расширить теоретические представления о механизме разрушения устойчивых нефтяных эмульсий. Мельчайшие частицы пород, сульфида железа, нерастворимых в воде солей в результате смачивания жидкостью и возникновения значительных сил поверхностного сцепления превращаются в центры коагуляции с образованием сначала нитей, перерастающих в пленки, что способствует образованию водонефтяной эмульсии высокой стойкости.
При этом, под действием сил земной гравитации пленки, располагаясь в объеме водонефтяной эмульсии, принимают выгнутую форму. На их поверхности вместе с микрочастицами накапливаются не прореагировавшие ранее реагенты-деэмульгаторы. Они снижают прочность пленок и одновременно разрушают нефтяную оболочку на поверхности капель воды, находящихся в эмульсии нефти- При этом капли воды освобождаются из нефтяной оболочки и, контактируя с выгнутой пленкой, постепенно укруп- няясь, стекают вниз до ее впадины и после накопления прорывают ее. Если капли воды стекают по наружной стороне пленки, то они, укрупнившись до критических размеров, срываются вниз до контакта с новой пленкой. При этом цепь пленок образует своего рода русла для транспортирования капель воды к границе водонефтяного контакта по криволинейной траектории. Микрочастицы с каплями воды также стекают по выгнутым пленкам, накапливаются в их впадинах, разрывают и по вновь образованным руслам продолжают двигаться к зоне раздела водной и нефтяной фаз, По мере осаждения, концентрация микрочастиц и удельная поверхность пленок возрастают. С достижением концентрации микрочастиц в пленках критической величины возросшие силы поверхностного сцепления замыкают пленки с формированием блоков, близких в идеальном случае к шарообразной форме- В зоне раздела фаз блоки образуют межфазный слой, имеющий плотную упаковку, С образованием межфазного слоя критической толщины начинается накапливание над ней четко видимого слоя водной фазы и процесс обезвоживания нефти резко ухудшается. Как показали визуальные наблюдения, жидкость по высоте отстойного резервуара в это время разделяется на 5 зон: обезвоженная нефть; обезвоживаемая нефть; накопление пластовой воды между обезвоживаемой нефтью и межфазным слоем; накопление межфазного слоя; дренажная вода- Несмотря на многочисленные исследования о механизме действия деэмульгатора, нет единого мнения. Так, некоторые исследователи считают /53/, что эмульсия разрушается в результате контакта капли с раствором деэмульгатора, содержащего глобулы диспергированной пластовой воды. Вытеснив с поверхности глобулы природные эмульгирующие вещества, деэмульгатор образует гидрофильный адсорбционный слой, не обладающий структурно-механической прочностью и препятствующий образованию новых пленок на границе раздела. Капли воды при столкновении сливаются в более крупные и образуют водную фазу. Согласно гипотезе Неймана/54/, разрушение эмульсии является коллоидно-физическим процессом, поэтому решающую роль играет не химическая структура деэмульгатора, а его коллоидные свойства. Деэмульгатор, адсорбируясь на границе раздела, изменяет смачиваемость природных эмульгаторов и способность перевода их с границы раздела в объем нефтяной или водной фазы. Сопоставляя действие водо- и нефте-растворимых деэмульгаторов, Нейман пришел к заключению, что водорастворимый деэмульгатор, оставаясь в водной фазе, способствует хорошему обезвоживанию нефти, но содержание нефтепродуктов в ней может быть высоким, в то время как нефтерастворимый деэмульгатор остается в обеих фазах и предотвращает диспергирование нефти в воде. Вследствие массопередачи глобулы воды быстрее коалесцируют во втором случае.
Некоторые исследователи /5,55,56/ считают, что при введении реагента-деэмульгатора в нефтяную эмульсию на границе раздела воды и нефти протекают следующие процессы: - инверсия (обращение) смачивания поверхности твердых частиц, входящих в состав защитных слоев, в результате чего частицы будут целиком смачиваться какой-либо одной фазой — нефтью или водой, и втягиваться полностью внутрь этой фазы; - адсорбционное вытеснение более поверхностно-активным реагентом молекулярных и коллоидных эмульгаторов, адсорбировавшихся на границе раздела нефть-вода. Одновременно реагент должен оказывать пептизирующее действие на гели этих эмульгаторов, то есть, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц, способствовать их диспергации, в объемных фазах эмульсии. В работах /57-59/, авторы предлагают разрушение эмульсий осуществлять с помощью пяти стадий ного процесса, включающего: смешение деэмульгатора с нефтяной эмульсией и доведение его до капель воды; разрушение защитных оболочек на каплях воды; сближение и контакт капель воды; слияние капель воды; разделение фаз. Для осуществления данных стадий процесса в технологии подготовки нефти применяют три технологические операции /2/: обработку эмульсии деэмульгатором; подготовку эмульсии к разделению; отстаивание эмульсии. При обработке эмульсии деэмульгатором завершаются первые две стадии процесса ее разрушения, при подготовке к разделению — третья и четвертая, при отстаивании - пятая. Технологическая операция, в свою очередь, включает набор различных технологических приемов. Например: операция по обработке эмульсии деэмульгатором предусматривает прием по вводу деэмульгатора в различном виде и через разные устройства в поток эмульсии, прием по транспортированию смеси деэмульгатора и эмульсии при соответствующем гидродинамическом режиме и др. Очевидно, что качественные и количественные показатели процесса обезвоживания нефти могут быть достигнуты й том случае, если осуществится последовательное и полное завершение всех трех входящих в него технологических операций. Для оценки полноты завершения первой технологической операции предложены методы /57-59/, позволяющие определить относительное количество воды, выделившейся при отстаивании эмульсии в обычных условиях или центробежном поле. Найденная величина, которая обозначена как "степень разрушения нефтяных эмульсий", показывает, у какой части дисперсной фазы разрушились защитные оболочки.
Деэмульсация нефтяных эмульсий за счет выделяющегося из нефти газа.
Сущность этого метода деэмульсации сводится к следующему. При движении эмульсии по нефтесборным системам, а также в оборудовании установок подготовки нефти и воды происходит постепенное снижение давления, приводящее к непрерывному зарождению, коалес-ценции, а затем расширению пузырьков газа, выделяющихся из нефти. Схема развития описанного процесса приведена на рис.1.5, где показан подъем капельки нефти 2, выходящей, например, из отверстий распределительного коллектора, через водяную "подушку" 1. Как видно из схемы рисЛ-5а, зарождающиеся в капле нефти (дисперсионной - сплошной среде) пузырьки газа могу иметь различное расположение и форму, которые зависят в основном от темпа падения давления и температуры в системе, количества растворенного газа в нефти и степени ее перемешивания. При снижении давления расширяющиеся пузырьки газа 4 в капле нефти 2 начинают сближаться друг с другом и коалесцировать, постепенно увеличивая объем этой капли нефти- На рисунке 1.5 условно показано пять положений (HW) поднимающейся через водяную подушку нефтяной капли. Положение I - это момент отрыва нефтяной капли от отверстия распределительного коллектора- В положении капли II показано расширение пузырьков газа 4 и за счет этого увеличение объема самой капли нефти 2. Положение III - это полное слияние пузырьков газа 4 и образование единого пузыря 6. Как видно из схемы, в этом положении капля нефти превращается в пленку нефти 5, в которой находятся капельки воды 3, оттесняемые пузырем газа 6 все ближе к водяной "подушке". В положении 4 показан момент полного вытеснения капель воды за пределы нефтяной пленки 5 и контакт "броней" 7 этих капель с ПАВ, находящимися в водяной подушке. В результате контакта ПАВ с "броней" она разрушается, и капельки воды, соединяясь с основной массой воды, вьшадают в дренаж. Далее нефтяная пленка вместе с пузырем газа поднимается за счет сил гравитации вверх и входит в контакт с основной массой нефти 8. В положении 5 показан момент вхождения пузыря 6 в слой нефти 8 и слияние нефтяной пленки 5 с основной массой нефти, В реальных условиях на границе трех фаз вода - газ - нефть имеет место неравенство а в- а н.г+а н.в, т.е. поверхностное натяжение системы вода-газ всегда больше поверхностного натяжения системы нефть-газ и нефть- вода Вода на границе с воздухом имеет поверхностное натяжение (при t=20 С и р=760 мм рт. ст.), равное 72,5 дин/см; нефть-газ - около 27 дин/см, а нефть-вода около 30 дин/см. Таким образом, на основании приведенного выше неравенства можно заключить, что газовые пузырьки в трехфазной системе вода -газ - нефть могут контактировать только с нефтью, а не с водой, ибо система вода-газ с энергетической точки зрения невыгодна.
Автор работы /91/ предлагает использовать газ как активатор разделения эмульсий ти- па В/М. Базисная идея состоит в том, что газовая фаза должна быть смешана с водной фазой на раннем этапе, эмульгирование происходит с водной фазой» обогащенной растворенным газом. При понижении давления в разделителе, произойдет выпуск газа в форме пузырьков, при этом они могут срывать поверхностно - активный материал с поверхности раздела фаз нефть/вода, 1.3. Реологические свойства нефти. Одним из важных параметров, влияющих на эффективность разрушения эмульсий, является вязкость нефти. Жидкость, поведение которой при чистом сдвиге можно описать с помощью постоянной вязкости» называется ньютоновской жидкостью-Жидкость, которая при постоянной температуре, но при различных скоростях течения жидкости характеризуется различными значениями вязкости, называется неньютоновской жидкостью /92/, Из результатов реологических исследований /94-97/, можно предположить, что данные системы, являясь неньютоновскими жидкостями, меняют свои реологические свойства в зависимости от скорости течения. По всей видимости, это связано с тем, что нефти и нефтяные эмульсии являются сложными смесями, содержащими огромное количество компонентов. От величины вязкости нефти в значительной степени зависит дебит скважин, срок эксплуатации залежи, полнота выработки запасов нефти, транспорт нефти и другие показатели разработки нефтяных месторождений. В связи с этим работы многих исследователей посвящены изучению факторов, определяющих величину вязкости различных нефтей. Показано, что вязкость нефтей меняется в широких пределах от десятых долей до сотен или тысяч сантипуазов. Хорошо изучена в настоящее время зависимость вязкости нефти от температуры и давления, от состава- количества жидких углеводородных компонентов, от содержания высокомолекулярных соединений и растворенного газа. Наиболее существенным фактором, обусловливающим многократное повышение эффективной вязкости нефти, может явиться структурообразование. Процессы структурообразования оказывают существенное влияние на вязкость нефти при течении со сравнительно низкими скоростями при небольших градиентах давления, сопоставимых с условиями фильтрации ее в пористой среде. Аномалии вязкости нефтей, т. е зависимость эффективной вязкости нефти от напряжения сдвига или градиента скорости изучались многими авторами /94-113/. В этих работах было установлено, что аномалии вязкости наблюдаются из-за присутствия в нефти кристалликов высокомолекулярных парафиновых углеводородов или мицелл асфальтенов, Г. И, Фукс, Р. А. Фридман, Б. И. Султанов, В. Ф. Нежевенко, А, X. Мирзаджанзаде, В- И. Цветков, И, Ф. Глумов, И Е. Фоменко, Л. Т.Дытюк и др. изучали аномалии вязкости парафинистых нефтей и нефтепродуктов при температурах ниже температуры насыщения их парафином. В работах этих исследователей показано, что в результате выделения из нефти газа и снижения температуры уменьшается растворимость парафинов, что приводит к появлению в нефти твердой фазы и к аномалиям вязкости.
Аномалии вязкости усиливаются с увеличением концентрации твердой фазы. Также существенное влияние на вязкость нефтяных эмульсий оказывает водородный фактор пластовой воды рН. Влияние рН сказывается на упругих свойствах поверхностных слоев, причем степень его воздействия на различные нефти не одинакова. С увеличением рН реологические свойства поверхностных слоев на границе нефть-вода снижаются, что влечет за собой расслоение эмульсий. Увеличение рН обычно достигается введением в эмульсию щелочи, способствующей снижению механических свойств бронированных оболочек и, как следствие, разложению эмульсии/97/. Как показывают многочисленные исследования /98/, на вязкость дисперсной системы влияют также не только концентрация дисперсной фазы, но также размер частиц. Отмечается, что уменьшение размера частиц при одинаковой концентрации дисперсной фазы приводит к увеличению вязкости системы/99А Связь эта нелинейна и ослабевает по мере увеличения размера частиц. Так по данным /100/при диаметрах частиц более ЮОмкм влияние их размера на вязкость системы становится пренебрежимо малым, И наоборот /101/, оно становится весьма ощутимым, когда размер капель достигает 10 и менее мкм. Однако имеются работы, отрицающие это влияние/102/, 1.4 Методы снижения вязкости нефтей и нефтяных эмульсий. Одной из наиболее актуальных проблем в области транспорта нефтей по магистральным трубопроводам является улучшение реологических свойств высокопарафинистых и высоковязких нефтей- Транспортируют высоковязкие нефти по магистральным трубопроводам в основном с помощью их подогрева и с использованием высокомолекулярных диспергентов, известных как депресорные присадки- полимерные вещества» препятствующие образованию пространственной кристаллической решетки парафинов в объеме нефти и, как правило, снижающие температуру застывания, улучшающих реологические параметры нефти и предотвращающих выпадение асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) на стенках трубопровода. В настоящее время не существует методики выбора оптимальной депрессорной присадки к данной неиьюто-новской нефти- Подбор присадки и ее концентрации осуществляется экспериментально/103,104/. В настоящее время различными отечественными и зарубежными фирмами предлагается широкий ассортимент де-прессорных присадок/110, 111/. Однако ни одна депрессорная присадка не может эффективно применятся для снижения температуры застывания всех нефтей.
Исследование реологических характеристик водонефтяных эмульсий.
Процесс разрушения нефтяных эмульсий может быть осуществлен эффективно только в том случае, если под действием гравитационных сил преодолевается противостояние системы к коалесценции и седиментации эмульгированных глобул воды в среде с аномальной и структурированной вязкостью. Это возможно лишь при условии максимального снижения вязкости эмульсионной системы, когда начнут работать силы Стокса. Следовательно, исследование вязкостных свойств и изучение влияния различных факторов на реологические параметры позволят установить тот минимум структурно-механической прочности граничных адсорбционных слоев, при котором вероятность разрушения эмульсионной системы будет наиболее высока. Для определения эффективной вязкости нефтей используется ротационный вискозиметр. Методика определения вязкости основана на законе течения жидкости в кольцевом зазоре между соосными вращающимися цилиндрами. Ротационный вискозиметр РЕОТЕСТ -2. Ротационный вискозиметр является двухсистемным устройством (имеет цилиндрическое и конусно- пластинчатое измерительное устройство). Принципиальная Наружный неподвижный цилиндр радиусом R является измерительной емкостью, таким образом, исследуемая жидкость находится в кольцевом зазоре, образующимся между коаксиальными цилиндрами радиусом R и г. Для поддержания температуры цилиндр R снабжен термостатирующей баней. Внутренний цилиндр радиусом г и длиной 1, вращающийся с постоянной скоростью w, соединен через измерительный вал с цилиндрической винтовой пружиной, отклонение которой является мерой вращающего момента М, действующего на внутренний цилиндр. Отклонение пружинного элемента воспроизводится потенциометром, включенным в мостовую схему, причем изменение тока, проте-каемого по диагонали мостовой схемы, является пропорциональным вращающему моменту М пружины. Для данного случая R является постоянной величиной, т.к наружный цилиндр остается неподвижным. Диапазон измеряемых параметров регулировали величиной кольцевого зазора, которая зависит от диаметра внутреннего вращающегося цилиндра. Величину кольцевого зазора подбирали с помощью измерительных устройств SI, S2 или S3. Пробу исследуемой нефти помещали в измерительную емкость вискозиметра РЕОТЕСТ -2, количество пробы взятое на испытание, зависит от размеров измерительного устройства.
Вязкость жидкостей сильно зависит от температуры, поэтому при измерении точно определяли температуру образца. Для этого измерительная емкость окружена термостатирующей баней и при подключении jc жидкостному циркуляционному термостату обеспечивается безупречное термостатирование измерительного зазора. После достижения необ- ходимой температуры в термостатирующей бане, которая контролирует ся по термометру, для термостатирования вещества достаточно 30 ми нут. Реологические исследования проводили в диапазоне скоростей сдвига от 3 до 1312 с-1. Сдвигающее напряжение и скорость сдвига не являются постоянными для кольцевого зазора, и относятся к радиусу внутреннего цилиндра коаксиальной цилиндрической системы, С целью характеристики нефтей и нефтяных эмульсий, являющихся неньютонов- Ькими жидкостями, с точки зрения их реологических свойств снималась зависимость между сдвигающим напряжением и скоростью сдвига. Ме жду отсчитываемыми измеренными значениями и реологическими па раметрами имеет место следующая взаимосвязь: сдвигающее напряже ние тг и скорость сдвига Dr относятся к радиусу внутреннего цилиндра коаксиальной цилиндрической системы. Для сдвигающего напряжения тг действующего в исследуемом материале, получается тг-сдвигающее напряжение, 10" Па; z- постоянная цилиндра, 10 1 Па; а- отсчитываемое значение шкалы на индикаторном приборе. Скорость сдвига Dr.» с 1 или «скорость деформации» определяет градиент скоростей в кольцевом зазоре, зависит от геометрических размеров цилиндрической системы и пропорциональна скорости вращения цилиндра: R- радиус наружного неподвижного цилиндра, м г- радиус внутреннего вращающегося цилиндра, м w- угловая скорость вращения, с"1 По измеренным сдвигающим напряжениям и скорости сдвига вычисляли динамическую вязкость т\, мПа с: г- динамическая вязкость, мПа с V сдвигающее напряжение, 10_Па Ог-скорость сдвига, с"1. Для неньютоновских жидкостей путем данного расчета получается значение «эффективной вязкости» исследуемого материала.
Реологические параметры исследуемых нефтяных эмульсий определенные на ротационном вискозиметре РЕОТЕСТ-2 при температуре20 и 60С приведены нарис2-3-2,4, прил.7. Из представленных на рисунках 2.3-2.4 графических зависимо-Ьтей, прослеживается тенденция уменьшения эффективной вязкости исследуемых эмульсий при уменьшении их обводненности. Водонефтяная эмульсия из скв.1279 рис.23, содержит воды 0,4 % масс, эффективная вязкость изменяется в пределах от 400 до 200 мПа с при температуре 20С При увеличении содержания воды до 27,69 скв.1301 рис,2.4 эффективная вязкость изменяется уже в пределах от 2300 до 450 мПа с при температуре 20С. Как видно, эффективная вязкость эмульсий находится в зависимо сти от реологических параметров: скорости сдвига при соответствующем сдвигающем напряжении и линейной скорости течения жидкости. Так, с увеличением скорости вращения коаксиального цилиндрического измерительного устройства ротационного вискозиметра «Реотест-2» эффективная вязкость эмульсионных систем независимо от обводненности снижается, что указывает на неньютоновский характер поведения жидкостей. При скоростях сдвига возникающих на 3-Й1 ступенях вращения зала прибора и, соответственно, линейных скоростях от 0,11 до 3,98 м/с (см. табл.2.5 и рис«2.3, 2.4) значения эффективной вязкости эмульсий изменяются значительно. Следовательно, при рассмотрении процессов деэмульсации нефтей, а также с целью максимального снижения их вязкости на нефтепромысловом объекте целесообразно учитывать обводненность и скорость течения нефтяной жидкости в трубопроводах и технологическом оборудовании. На графических зависимостях рис.2.3-2.4 также представлены результаты изменения эффективной вязкости до и после обработки нефтяных эмульсий деэмульгаторами, которые прошли опытно-промышленные испытания на данном нефтепромысловом объекте. Результаты исследований позволяют сделать общий вывод, для различных проб нефтей и при различных температурах, добавление деэмульгаторов позволяет снизить эффективную вязкость. Таким образом, проведенные исследования позволили установить параметры исследованных свойств и состава высоковязких нефтей, добываемых в НГДУ "ТатРИТЭКнефть", расширить представления об реологических и эмульсионных свойствах изученных водонефтяных эмульсий, которые в дальнейшем позволили разработать и совершенствовать технологию подготовки высоковязкой высокосернистой нефти, добываемой НГДУ «ТатРИТЭКнефть» с получением товарной нефти высокого качества.
Промысловые испытания и внедрение композиции реагента для подготовки высоковязкой нефти
Промысловые испытания технологии разрушения смеси продукции скважин, разрабатываемых обычными методами, проводились на УПВСН НГДУ "ТатРИТЭКнефть" с применением синергетической композиции реагента, разработанной на основе использования деэмульгирующей активности неионогенного деэмульгатора Реапона 4В и смеси реагентов бу-тилцеллозольва и бутилкарбитола, имеющего название РЭНТ. Испытания проводились без изменения существующей технологической схемы и основных режимных параметров подготовки нефти. До внедрения РЭНТа на промысле использовали неионогенный деэмульгатор Рекод 758, который не позволял снизить концентрацию хлористых солей в нефти до требуемых значений. Испытание РЭНТа проводились в зимнее время на УПВСН с 2000 по 2002 год ( см. прил 2). На промысле в это же время ис-пытывалась смесь, состоящая из 4/5 РЭНТа и 1/5 РЕКОДА 758. Деэмульгатор РЭНТ стабилизировал режимы работы стадий обезвоживания и обессоливания нефти на УПВСН, с получением товарной нефти требуемого качества, в соответствии с ГОСТ Р 51858-2002. При этом содержание хлористых солей не превышает 60 мг/л ( см. прил. 2). Таким образом, проведенные промысловые испытания показали высокую эффективность разработанного деэмульгатора РЭНТ для процессов обезвоживания и обессоливания высоковязкой нефти, который затем был внедрен и по сегодняшний день используется на УПВСН в НГДУ "ТатРИТЭКнефть". Годовой эффект от внедрения деэмульгатора РЭНТ составил 870 тысяч рублей (таб, 6,5) Таблица 6,5 -Экономические показатели от применения деэмульгатора «РЭНТ» на УПВСН НГДУ «ТатРИТЭКнефть» Испытуемый РПАА представляет собой диспергатор, зубчатый мультипликатор, смонтированные на раме диспергатора и регулируемый по частоте вращения электрический привод, состоящий из электродвигателя и станции управления электродвигателем- Рама диспергатора с РПАА, зубчатым мультипликатором и электродвигателем установлены на общей раме. Станция управления электродвигателем установлена на металлическом контейнере и позволяет плавно регулировать частоту вращения диска РПАА в диапазоне от 0 до 7500 об/мин.
Подводящий и отводящий патрубки РПАА были изготовлены из стальной трубы внутренним диаметром 65 мм. Необходимо отметить, что задача обезвоживания и обессоливания нефти, содержащей кристаллические частицы неорганических солей (хлористые и другие соли, в т.ч. трудно или ограниченно растворимые в пластовой воде), с подводом пресной промывочной воды для их удаления, представляет собой некоторую трудность, т.к. в результате обработки в РПАА нефти с водой возможно образование высокоустойчивой к разрушению или разделению на фазы водонефтяной эмульсии. Это, в свою очередь, будет затруднять процесс разделения эмульсии и увеличивать скорость отстаивания нефти от воды. В этой связи подбор оптимальных условий и режима работы промышленного РПАА для подготовки нефти является не простой задачей. Схема, по которой работал РПАА, представлена на рис. 6.3, Температура поступающей в РПАА нефти по этой схеме находилась в пределах 60 -80С. В этой схеме электродегидратор ЭДГ-2 объемом 63 м3 работал в режиме динамического отстойника, т.е. без использования электрического поля. После пуско-наладочных работ с устранением замеченных недостатков было проведено две серии опытно-промышленных испытаний РПАА /5-6 мая, 8 и 13 мая 2003 года/. Условия испытаний первой /5-6 мая/ и второй /8 и 13 мая/ серий отличались тем, что во второй серии прежде чем заполнять ЭДГ-2 нефтью, прошедшей обработку в РПАА, из электроде-гидратора (теперь уже отстойника) ЭДГ-2, полностью была слита ранее подготовленная нефть для получения более достоверных результатов. Все анализы отобранных проб проводились в ХАЛ УПВСН НГДУ "ТатРИТЭКнефть"- Пробы обессоленной нефти для анализа ее на остаточное со- Существенным фактором, обуславливающим повышение вязкости нефти, является структурообразованяе. Аномалии вязкости наблюдаются из-за присутствия в нефти кристалликов высокомолекулярных парафиновых углеводородов или мицелл асфальтенов. Термическое воздействие нарушает структурированные молекулы парафина и способствует переводу нефти в другое устойчивое состояние. Происходит это потому, что из-за увеличения энергии колебательного движения частиц, слагающих структурную сетку, отдельные связи нарушаются. Это приводит к ослаблению структуры и, как следствие, снижению вязкости. Однако, даже при больших изменениях температуры, вязкость может быть снижена максимум в несколько раз, а не на порядки, как это во многих случаях необходимо, т.к. полного разрушения структуры за счет прогрева достичь не удается. Объясняется это двумя причинами /122/. Во-первых, тепловой энергии недостаточно, чтобы вырвать большое число частиц из узлов сетки. Во-вторых, по мере роста числа высвободившихся частиц, увеличивается вероятность столкновения между ними, причем, чем выше температура, а значит и энергия частиц, тем вероятнее их повторная коагуляция. В результате устанавливается динамическое равновесие между числом распадающихся їґвновь возникающих связей. Разрушение структурной сетки можно достичь за счет придания колебательных движений коллоидным частицам. Для этого необходимо реализовать воздействие, при котором процесс разрушения будет идти быстрее, чем процесс восстановления, а интенсивность колебаний будет достаточна для массового разрыва связей мезвду частицами.
Такую возможность дает прямое возбуждение в среде акустических колебаний. Вызванные ими относительные колебания частнцдисперсной фазы с частотой, сводящей к минимуму влияние процесса восстановления, и энергией достаточной для преодоления Ван-дер-Ваальсовых сил сцепления, удерживающих эти частицы в узлах сетки, и приводит к объемному предельному разрушению структуры/120, 121/. В данной части работы было исследовано воздействие ультразвуковых волн на вязкость товарной, нефти НГДУ "ТатРИТЭКнефть". Товарная нефть использовалась для того, чтобы исключить влияние водной фазы на вязкость нефти. Акустические колебания приводят к образованию в нефтяной среде зоны повышенного и пониженного давления. Ее- ли учесть, что давление и ускорение меняют знак дважды в течение периода, можно считать ультразвуковые волны весьма мощным и своеобразным физическим фактором, воздействующим на вещество/132/. Обработку жидкотекучей среды вели в роторно-пульсационном акустическом аппарате волновым воздействием на обрабатываемую среду периодически чередующимися и повторяющимися волнами сжатия - разряжения - сжатия генерируемыми веерными, или зонтичными колебаниями диска вращающегося ротора различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности, В рабочей зоне аппарата происходит сложный комплекс гидродинамических процессов, в том числе высоко градиентное течение в зазоре между ротором и статором, интенсивная турбулизация потока, разнонаправленное поле скоростей, вихреобразование, кавитация, пульсация потока в результате изменения диаметра проходного сечения, механическое разрушение хрупких парафиновых соединений. Проводимые в данной работе эксперименты по исследованию РПАА ставили цель получить качественную оценку эффекта воздействия акустических волн на реологическую характеристику нефти Исследуемыми параметрами были: зависимость эффективной вязкости нефти от времени обработки при различных режимах работы РГТАА, зависимость эффективной вязкости от числа оборотов ротора РППА, влияние совместного действия ультразвука и реагентов на эффективную вязкость нефти. Исследуемый диапазон времени обработки составлял от 30 до 120 с, режимы обработки - 3000, 5000, 7500 и 1000 об/мин. В ходе исследований было установлено, что время обработки нефти в РПАА более 60 с (рис.5Л), а также интенсивность акустического излучения, возникающая при числе оборотов ротора РПАА более 5000 об/мин (рис.5.2) практически не оказывает влияния на изменение эффективной вязкости. При температуре 30С и режиме вращения ротора 5000 об/мин снижение вязкости нефти происходит только при высоких скоростях сдвига, возникающих при вращении подвижного измерительного устройства относительно неподвижного в вискозиметре "Реотест-2" (рис.5.2).
