Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния по вопросам образования и разрушения устойчивых водонефтяных эмульсий 11
1.1 Образование устойчивых водонефтяных эмульсий 11
1.2 Методы и технологии разделения устойчивых водонефтяных эмульсий 19
1.2.1 «Жёсткий» термохимический режим 19
1.2.2 Использование разбавителя 22
1.2.3 Применение коалесцирующих устройств 24
1.2.4 Центрифугирование 27
1.2.5 Использование солевого раствора 30
1.2.6 Выпаривание воды 31
1.2.7 Электромагнитное воздействие : 34
1.2.8 Ультразвуковое воздействие 37
2 Исследование физико-химических свойств устойчивых водонефтяных эмульсий 43
2.1 Исследование физико-химических свойств эмульсий сверхвязких нефтей Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений 43
2.2 Исследование физико-химических свойств эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН 48
3 Исследование и разработка технологии разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением ультразвукового воздействия 52
3.1 Теоретические исследования процесса коагуляции капель воды в эмульсии при ультразвуковом воздействии 52
3.2 Экспериментальные исследования процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением ультразвукового воздействия 59
3.2.1 Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментов 59
3.2.2 Результаты лабораторных исследований 60
3.3 Промысловые испытания по разделению эмульсии сверхвязкой нефти с применением ультразвукового воздействия 74
3.3.1 Описание работы пилотной установки 74
3.3.2 Результаты промысловых испытаний 77
3.4 Технология подготовки нефти с применением ультразвукового воздействия 81
3.5 Выводы 83
4 Исследование и разработка технологии разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды 89
4.1 Лабораторные исследования 89
4.1.1 Методика проведения экспериментов 89
4.1.1.1 Описание работы лабораторной установки 89
4.1.1.2 Определение параметров процесса испарения воды 91
4.1.2 Результаты исследований по разделению эмульсии сверхвязкой нефти 99
4.1.3 Результаты исследований по разделению эмульсии промежуточного слоя 106
4.2 Промысловые испытания по разделению эмульсии сверхвязкой нефти методом испарения воды 111
4.2.1 Описание работы пилотной установки 111
4.2.2 Результаты промысловых испытаний 113
4.2.3 Исследование свойств нефти, газа, углеводородного дистиллята и водяного конденсата 117
4.3 Технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды 121
4.4 Выводы 127
5 Технико-экономическая оценка 130
5.1 Расчёт экономического эффекта от внедрения ультразвуковых коалесценторов 130
5.2 Расчёт экономического эффекта от внедрения установки разделения устойчивой эмульсии сверхвязкой нефти методом испарения воды 131
Заключение 136
Список литературы 138
Приложения 153
- Ультразвуковое воздействие
- Результаты промысловых испытаний
- Результаты исследований по разделению эмульсии промежуточного слоя
- Технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды
Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Современное состояние добычи нефти в мире характеризуется увеличением доли сверхвязких нефтей (СВН) и природных битумов. Высокая вязкость и плотность, повышенное содержание высокомолекулярных компонентов существенно затрудняют процессы добычи, промысловой подготовки, транспортировки и переработки такого углеводородного сырья. На сегодняшний день многие месторождения находятся на поздней стадии разработки, характеризующейся значительным ухудшением структуры, непрерывным увеличением доли трудноизвлекаемых запасов, обводнением продукции скважин. Формируются устойчивые водонефтяные эмульсии в промежуточных слоях отстойного оборудования, осложняющие процессы подготовки нефти. Для разделения устойчивых эмульсий применяют высокие температуры нагрева, повышенные дозировки деэмульгатора, смешение с разбавителем, центрифугирование. Эти методы характеризуются высокими эксплуатационными и капитальными затратами, нестабильным эффектом по разрушению эмульсий. Поэтому актуальными задачами являются совершенствование существующих и разработка новых эффективных методов разделения устойчивых эмульсий.
Целью работы является повышение эффективности процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий.
Основные задачи работы
1. Математическое моделирование процесса коагуляции капель воды
в эмульсии при ультразвуковом воздействии (УЗВ).
-
Исследование процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ.
-
Исследование процесса разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды.
-
Разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ и методом испарения воды.
Научная новизна
1. Теоретически и экспериментально установлена зависимость между размером капель воды в эмульсии и частотой акустического воздействия при обезвоживании СВН. Показано, что с уменьшением размера капель воды увеличивается частота акустического воздействия для обезвоживания нефти.
-
Выявлено, что зависимость остаточной массовой доли воды в СВН от удельной акустической мощности при УЗВ на эмульсию характеризуется наличием' экстремума. Показано, что с увеличением частоты ультразвука в диапазоне от 20 до 100 кГц уменьшается удельная акустическая мощность воздействия и снижается остаточная массовая доля воды в нефти.
-
Установлена зависимость между интенсивностью УЗВ на эмульсию и остаточной массовой долей воды в СВН. Показано, что при увеличении интенсивности УЗВ более 5 Вт/см2 остаточная массовая доля воды в нефти увеличивается. С увеличением частоты ультразвука в диапазоне от 20 до 100 кГц повышение интенсивности воздействия вызывает меньшее увеличение остаточной массовой доли воды в нефти.
-
Выявлена зависимость между выходом углеводородного дистиллята в процессе испарения воды и температурой нагрева эмульсии. Показано, что при повышении температуры нагрева эмульсии снижается доля выхода углеводородного дистиллята от его потенциального содержания в нефти.
Защищаемые положения
1. Результаты математического моделирования процесса коагуляции
капель воды в эмульсии СВН с целью определения частоты акустического
воздействия для максимального обезвоживания нефти.
2. Оптимальные параметры УЗВ (частота ультразвука, удельная
акустическая мощность, интенсивность, время воздействия) для обезвожива
ния СВН Ашальчинского месторождения.
-
Алгоритм определения температуры нагрева эмульсии для процесса испарения воды.
-
Результаты лабораторных исследований и промысловых испытаний по разделению устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ и методом испарения воды.
-
Технологии разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением УЗВ и методом испарения воды.
Практическая ценность
1. Разработана технология разделения устойчивых водонефтяных
эмульсий с применением УЗВ.
2. Определены оптимальные параметры непрерывного УЗВ на эмульсию
СВН Ашальчинского месторождения: частота ультразвука 100 кГц (в диапазо
не 20-100 кГц), удельная акустическая мощность 10-20 Вт/дм3 (при частоте
100 кГц), интенсивность воздействия до 5 Вт/см2, позволяющие при температуре 85 С без применения деэмульгатора обезвоживать СВН до массовой доли воды 1,0 %.
3. Показано, что непрерывное УЗВ на эмульсию СВН с частотой
100 кГц, удельной акустической мощностью 10 Вт/дм3 и интенсивностью
5 Вт/см2 позволяет сократить в б раз (с 12 до 2 ч) время отстаивания при
температуре 85 С и снизить концентрацию деэмульгатора с 200 до 100 г/т
для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.
4. Установлено, что предварительное УЗВ на эмульсию СВН в течение
5 мин с частотой ультразвука 100 кГц, удельной акустической мощностью
200 Вт/дм3 и интенсивностью 5 Вт/см2 позволяет сократить в 3 раза
(с 12 до 4 ч) время отстаивания при температуре 85 С и концентрации де
эмульгатора 200 г/т для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %.
5. Разработана технология разделения устойчивых водонефтяных
эмульсий методом испарения воды. При исходной массовой доле воды
в эмульсии СВН Ашальчинского месторождения менее 10 % достаточно од
ного цикла испарения с температурой нагрева до 180 С для обезвоживания
нефти до массовой доли воды менее 0,5 %. При исходной массовой доле во
ды в эмульсии более 10 % обезвоживание нефти необходимо проводить либо
за несколько циклов испарения при температуре нагрева не выше 180 С, ли
бо в два этапа: отделение основного количества воды за счёт отстаивания
эмульсии при температуре 110-180 С, давлении 0,2-1,0 МПа и последующее
удаление остаточной воды испарением.
-
Установлено, что при увеличении исходной массовой доли воды в эмульсии от 1 до 10 % температура нагрева для испарения воды повышается: для эмульсии СВН Ашальчинского месторождения от 109 до 180 С, для эмульсии СВН Мордово-Кармальского месторождения от 110 до 182 С и для эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН от 114 до 185 С.
-
Разработан алгоритм определения температуры нагрева эмульсии для процесса испарения воды исходя из её обводнённости и фракционного состава нефти.
-
Созданные технические решения выполнены на уровне изобретений и защищены патентом РФ.
-
Разработаны руководящий документ РД 153-39.0-692-11 «Инструкция по применению технологии обезвоживания сверхвязкой нефти методом
испарения» и технологический регламент на проектирование опытно-промышленного блока для подготовки устойчивых эмульсий сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения методом испарения.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 50-летию ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть» (г. Бугульма, 2006 г.), на 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2007 г.), на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2007 г.), на технической ярмарке идей и предложений ОАО «Татнефть», посвященной добыче трёхмиллиардной тонны нефти (г. Альметьевск, 2007 г.), на семинаре «Современное состояние проблем подготовки продукции скважин» (г. Бугульма, 2010 г.), на XI молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 55-летию НГДУ «Азнакаевскнефть» (г. Азнакаево, 2011 г.), на международной научно-практической конференции «Сбор, подготовка и транспортировка углеводородов - 2012» г. Сочи, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 6 статей, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патент на изобретение, 5 тезисов докладов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, пяти приложений и содержит 159 страниц, 68 рисунков и 20 таблиц.
Ультразвуковое воздействие
По своей физической природе ультразвук (УЗ) - это упругие колебания в материальных средах. Нижней границей УЗ принято считать 18 кГц. На основании исследований установлено существование ультразвуковых колебаний с частотой большей, чем 100 МГц. УЗ более высокой частоты затухает настолько быстро, что колебания поглощаются непосредственно у поверхности излучателя. На практике используется УЗ с частотой не более 25 МГц. Такие высокие частоты возможны только в кристаллах [86, 91-93].
Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне. Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия.
УЗ по сравнению с обычным звуком имея большую частоту, обладает значительно более короткими длинами волн, которые легко фокусируются. Это позволяет формировать более узкое и направленное излучение, то есть направить энергию в нужном направлении и сосредоточить ее в нужном объеме. Мощность УЗ пропорциональна квадрату частоты, и поэтому, в отличие от звуковой мощности - очень велика. Мощность ультразвуковых колебаний может достигать сотен киловатт, а интенсивность (энергия через единицу площади в единицу времени) — до 100 Вт/см . Следовательно, внутрь тела может распространяться очень большая энергия механических колебаний. Возникает так называемое звуковое давление. При интенсивности УЗ 5 Вт/см давление в воде оказывается равным 6 кгс/см . Кроме того, не следует забывать, что это давление меняет свой знак, переходя в разряжение с частотой большей 20 тысяч раз в секунду.
Уже давно известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникнуть силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован В. Кенигом в связи с работами С. Бьеркнеса. На этом явлении основано отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта. О. Брандт, X. Фройнд и Е. Гидеман показали, что под действием интенсивных ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц [87]. Опыты проводились с табачным дымом, туманом из хлористого аммония и позднее с парафиновым туманом. Источником ультразвука являлся магнитострикционный излучатель.
Под действием ультразвука интенсифицируются процессы деэмульгиро-вания. Механизм разрушения эмульсий был изучен К. Золльнером и С. Бонди [87]. Существование предельно достижимой концентрации эмульсии при ультразвуковом диспергировании обусловлено установлением равновесия между процессами диспергирования и коалесценции.
Механизм коагуляции частиц в акустическом поле пытались выяснить многие авторы. Есть несколько гипотез [87, 95]:
- дифракция ультразвуковой энергии и образование стоячих волн;
- под действием ультразвуковых волн нарушается симметрия двойного электрического слоя вокруг отдельных частиц и появляется дипольный момент, вследствие появления заряда частицы приклеиваются друг к другу;
- кавитационные процессы разрушают защитный слой поверхностно активного вещества и частицы объединяются.
На процессы разделения систем влияют параметры УЗ. Так, было показано, что эмульсия керосин - вода образовывалась на частотах от 150 до 395 кГц, а расслаивалась в ультразвуковом поле с частотой более 2 МГц [86]. Растворы глицерина с водой и гексана с парафином расслаивались при обработке УЗ в поле стоячей волны с частотой 1 МГц и интенсивностью 2-Ю4 Вт/м2. Воздействие УЗ с частотой 1 МГц на водную суспензию А1203 за несколько секунд обеспечивает разделение веществ. Кроме того, под действием УЗ происходит значительное ускорение осаждения частиц в воде. Частицы угля, масла, ртути, взвешенные в воде, под действием УЗ коагулируют и оседают.
В Бийском технологическом институте АлтГТУ проведены исследования по влиянию ультразвукового воздействия на процесс разделения эмульсий [94, 96]. Для разделения масляной эмульсии с содержанием воды 50 % и средним размером дисперсных капель 120 мкм применялись ультразвуковые аппараты «Нежность» и модернизированный «Волна-М», разработанные ООО «Центр ультразвуковых технологий» (рисунок 1.17). Параметры ультра звуковой обработки эмульсии аппаратом «Нежность» модель УЗА-0,1/44-О: частота излучаемых колебаний 44 кГц, интенсивность излучения не более 4 Вт/см2. Модернизированный ультразвуковой аппарат «Волна-М» включает специальный излучатель колебательной системы, который представляет собой тонкостенную звукопроводящую металлическую оболочку, внутри которой прокачивается вспомогательная жидкость. В жидкости, между излучателем и ультразвуковой колебательной системой, под воздействием ультразвуковых колебаний в режиме «развитой кавитации» зарождаются и мгновенно схлопыва-ются парогазовые пузыри. Коллапсирующие парогазовые полости являются источником колебаний широкого спектра частот. Таким образом, на поверхность оболочки передаются не только колебания, соответствующие резонансной частоте излучателя, но и широкополосные колебания, порождаемые кавитацией, причем внутри оболочки колебательной системы создаются мощные высокоинтенсивные колебания ультразвуковой частоты и колебания широкого спектра средней интенсивности, а за пределы звукопроницаемой оболочки проходит сумма колебаний, состоящая из низкоинтенсивных колебаний ультразвуковой частоты и колебаний широкополосного кавитационного спектра. В суммированных колебаниях, излучаемых звукопроницаемой оболочкой, присутствуют гармоники с частотами от 10 кГц до 1 МГц. Таким образом, в жидкой среде создаются условия для сближения и слияния капель дисперсной среды, что способствует разделению эмульсии. В результате такой ультразвуковой обработки отмечается отделение воды примерно на 60 %.
China Petroleum & Chemical Corporation предлагает способ и устройство для разделения водонефтяных эмульсий посредством воздействия ультразвука [97]. Способ деэмульсации эмульсий вода-нефть посредством воздействия ультразвука включает в себя этап обработки потока эмульсии 7 через область воздействия ультразвука 6 (рисунок 1.18), где формируются попутная ультразвуковая волна 3, направление распространения которой совпадает с направлением потока эмульсии 7, и противоточная ультразвуковая волна 5, направление распространения которой противоположно направлению потока 7. Попутная ультразвуковая волна 3 и противоточная ультразвуковая волна 5 распространяются с однородной интенсивностью звука. Интенсивность звука противоточной ультразвуковой волны 5 должна быть не ниже, чем у попутной ультразвуковой волны 3 и не превышать 0,8 Вт/см , а наиболее предпочтительно не выше 0,5 Вт/см . После обработки ультразвуком эмульсию разделяют под действием силы тяжести или в электрическом поле.
В работах [98-100] приведены результаты исследований механоакустиче-ского воздействия на водонефтяные эмульсии. На опытно-промышленной установке показано, что обработка нефти ультразвуком, генерируемым роторно-пульсационным акустическим аппаратом (рисунок 1.19), интенсифицирует процессы обезвоживания и обессоливания нефти. Роторно-пульсационный акустический аппарат (РПАА) представляет собой лопаточную машину с необтекаемыми лопатками, в которой концентричные (коаксиальные) ряды лопаток ротора (вращающийся элемент аппарата) чередуются в радиальном направлении с рядами лопаток статора (неподвижные элементы аппарата). Диск ротора выполнен из титановых сплавов, которые обладают высокими акустическими свойствами, и совершает веерные, зонтичные или комбинированные (веерно-зонтичные) колебания различной формы, частоты и интенсивности. В таком аппарате за счет пульсации и акустического воздействия создаются вращательные и колебательные движения. Использование РПАА способствует более равномерному смешению реагента с нефтью и деструктивному воздействию аппарата на оболочки эмульгированных глобул воды, что позволяет достигнуть более эффективного разрушения эмульсий.
Результаты промысловых испытаний
Промысловые испытания по разделению эмульсии СВН с применением УЗВ проведены на установке подготовки сверхвязкой нефти (УПСВН) Ашаль-чинского месторождения НГДУ «Нурлатнефть» ОАО «Татнефть». Вид пилотной установки показан на рисунке 3.20. На вход пилотной установки поступала предварительно обезвоженная СВН с массовой долей воды 3,4-7,1 %. В исходную эмульсию СВН в системе нефтесбора подавался деэмульгатор Интекс-720 с концентрацией 200 г/т. Температура процесса составляла 85-90 С, давление — 0,20-0,25 МПа.
Результаты промысловых испытаний обезвоживания СВН с обработкой ультразвуком в отстойнике представлены в таблице 3.3. Частота ультразвука составляла 30 кГц, удельная акустическая мощность — 2 и 10 Вт/дм3, интенсивность воздействия - 1 и 4 Вт/см2, время УЗВ и отстаивания - до 6 ч. Без применения УЗВ СВН обезвоживается в течение 4 ч отстаивания до массовой доли воды 1,0 %, в течение 10 ч-до 0,5 %. Применение УЗВ с частотой 30 кГц и удельной акустической мощностью 2 Вт/дм3 не приводит к улучшению процесса обезвоживания нефти. Увеличение удельной акустической мощности до 10 Вт/дм3 позволяет сократить в 2 раза (с 4 до 2 ч) время обезвоживания нефти до массовой доли воды 1,0 %. Увеличение времени обработки до 6 ч не приводит к обезвоживанию СВН до массовой доли воды 0,5 %, что связано, вероятно, с недостаточной частотой ультразвука (по результатам лабораторных исследований из диапазона частот 20-100 кГц оптимальной является 100 кГц). Результаты промысловых испытаний по обезвоживанию СВН с предварительной обработкой ультразвуком в выносном коалесценторе и последующим отстаиванием в отстойнике представлены в таблице 3.4. Частота ультразвука составляла 20, 30 и 50 кГц, удельная акустическая мощность — 20 и 100 Вт/дм3, интенсивностью воздействия - 0,5-5 Вт/см , время УЗВ — 1 и 5 мин, время отстаивания - до 6 ч. Применение ультразвукового коалесцентора с частотой обработки 20 кГц не приводит к улучшению процесса обезвоживания нефти. Предварительная обработка эмульсии СВН в течение 5 мин в ультразвуковом коалесценторе с частотой 30 кГц и удельной акустической мощностью 100 Вт/дм позволяет сократить в 2 раза (с 4 до 2 ч) время последующего отстаивания для обезвоживания нефти до массовой доли воды не более 1,0 %. Увеличение времени отстаивания до 6 ч не приводит к обезвоживанию СВН до массовой доли воды 0,5 %. Применение ультразвукового коалесцентора с частотой 50 кГц позволяет обезвоживать СВН до массовой доли воды менее 0,5 %. Предварительная обработка эмульсии СВН в течение 1 мин в ультразвуковом коалесценторе с частотой 50 кГц и удельной акустической мощностью 100 Вт/дм позволяет сократить в 1,7 раза (с 10 до 6 ч) время последующего отстаивания для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,5 %, в течение 5 мин обработки -в 2,5 раза (с 10 до 4 ч), при этом СВН обезвоживается до массовой доли воды 0,4 %. В СВН, обезвоженной до массовой доли воды 0,5 %, массовая концентрация хлористых солей составила 7 мг/дм3, массовая доля механических примесей - 0,006 %, что соответствует 1 группе качества по ГОСТ Р 51858.
В таблице 3.5 приведены значения концентрации нефтепродуктов и механических примесей в воде, отделяемой от СВН при УЗВ и при обезвоживании без ультразвука. Видно, что обезвоживание нефти УЗВ не ухудшает качество отделяемой попутной воды.
Результаты промысловых испытаний по разделению эмульсии СВН с применением УЗВ отражены в акте испытаний (Приложение А).
Таким образом, результаты промысловых испытаний показали эффективность УЗВ для обезвоживания СВН Ашальчинского месторождения.
Результаты исследований по разделению эмульсии промежуточного слоя
Лабораторные исследования проводились на примере эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН. Массовая доля эмульгированной воды в эмульсии составляла 56,8 %, концентрация сульфида железа - 7757 мг/дм3, массовая доля механических примесей - 3,93 %. Изучалось влияние температуры, длительности отстаивания на стадии нагрева, марки и дозировки реагентов на обезвоживание эмульсии, исследовался процесс отделения механических примесей от нефти. Температура нагрева составляла от 110 до 185 С, давление - от 0,15 до 1,20 МПа, время отстаивания - от 2 до 6 ч.
Высокая устойчивость эмульсии промежуточного слоя обусловлена высоким содержанием сульфида железа и механических примесей, являющихся стабилизаторами водонефтяных эмульсий, а также низкой минерализацией воды (общая минерализация 14460 мг/дм , плотность 1008 кг/м3).
Для снижения обводнённости эмульсии перед испарением воды проведены исследования по её предварительному обезвоживанию отстаиванием при температурах нагрева выше 100 С без применения реагентов (рисунок 4.16). Отстаивание эмульсии при температурах нагрева 80 и 110 С не приводит к её разделению. При температурах 130, 150 и 180 С отделение воды начинается после 2 ч отстаивания, и к 4 ч массовая доля воды снижается с 56,8 % до 32,8 %, 23,3 % и 12,6 % соответственно. Дальнейшее отстаивание не приводит к отделению воды, что связано с концентрированием в нефтяной фазе сульфида железа. Так, в эмульсии, обезвоженной до 12,6 %, концентрация сульфида железа составила 16120 мг/дм , массовая доля механических примесей - 3,39 %.
Разделение эмульсии при температурах выше 130 С можно объяснить увеличением термоупругих напряжений на межфазной границе, приводящих к деформации и разрушению бронирующего слоя на глобулах воды.
Отстаивание эмульсии с применением реагентов СНПХ-4802 (предназначен для разрушения стойких ловушечных водонефтяных эмульсий), СНПХ-4705 (предназначен для разрушения водонефтяных эмульсий с высоким содержанием сульфида железа) и СНПХ-4315 (применяется в существующей системе нефтесбора) с концентрацией 2000 г/т показало аналогичные результаты с опытом без реагентов. При температуре 80 С и 110 С эмульсия не разделяется, при 130 С обезвоживается до 33,5 %, при 150 С - до 22,3 %, при 180 С - до 11,2 %. Отсутствие эффекта от применения реагентов объясняется высокой устойчивостью эмульсии, которая не поддаётся разрушению химическими методами.
При отстаивании эмульсии с температурой 180 С образовалось 3 фазы: механические примеси (низ), водная фаза (середина); нефтяная фаза (верх). В водной фазе массовая доля механических примесей составила 1,74 %, концентрация нефтепродуктов - 11900 мг/дм . Такая вода требует очистки для соответствия требованиям СТО ТН 028-2008 «Закачка технологической жидкости для поддержания пластового давления на месторождениях ОАО «Татнефть» (концентрация нефтепродуктов - не более 60 мг/дм3, концентрация механических примесей - не более 50 мг/дм ).
После отстаивания эмульсия промежуточного слоя с массовой долей воды 12,6 % обезвоживалась методом испарения. Первый цикл испарения воды из эмульсии проводился при температуре 180 С (максимальная температура нагрева при давлении не выше 1,0 МПа), остаточная массовая доля воды в нефти составила 3,9 % (рисунок 4.17). Для удаления остаточной воды по графической зависимости (рисунок 4.5) определена температура нагрева для второго цикла испарения - 140 С (давление на стадии нагрева - 0,36 МПа), остаточная массовая доля воды в нефти составила 0,29 %.
В процессе испарения образовались водяной и углеводородный конденсаты. Плотность водяного конденсата при 20 С составила 998 кг/м3, что соответствует деминерализованной воде. По концентрации нефтепродуктов 10,7 мг/дм и механических примесей 0 мг/дм водяной конденсат соответствует требованиям СТО ТН 028-2008 и может быть направлен в систему поддержания пластового давления (ППД) без дополнительной очистки.
Углеводородный конденсат, выделившейся в процессе испарения, представляет собой лёгкую фракцию углеводородов плотностью при 20 С 724 кг/м3. Массовая доля воды в углеводородном конденсате составила 0,04 %, механических примесей - 0,03 %, и он может быть направлен на компаундирование с обезвоженной нефтью.
В нефти, обезвоженной до 0,29 %, концентрация хлористых солей составила 1570 мг/дм3, массовая доля механических примесей - 3,44 %. Проведены исследования по удалению из обезвоженной нефти хлористых солей и механических примесей отстаиванием и центрифугированием.
Отстаивание нефти при температуре 50 С в течение 8 ч с отделением 10 % нижнего слоя не позволило добиться удаления механических примесей.
Центрифугирование проводилось на лабораторной центрифуге ROXINA-32 при скорости вращения 4550 об/мин, что соответствует фактору разделения Кр=2683 промышленной центрифуге ОГШ-353К. Нефть нагревалась до температуры 50 С и центрифугировалась в течение 1 мин. В результате обработки на центрифуге исходная нефть в количестве 37,9 г разделилась на 2 фазы: жидкую (33,8 г) и осадок (4,1 г). В жидкой фазе массовая доля воды составила 0,01 %, концентрация хлористых солей - 156 мг/дм3, массовая доля механических примесей - 0,02 %. В осадке после центрифугирования нефти массовая доля механических примесей составила 31,5 %. Полученный осадок должен направляться для утилизации на нефтешламовую установку.
На рисунке 4.18 представлены микрофотографии исходной эмульсии промежуточного слоя, после отстаивания при температуре 180 С, 2-х циклов испарения и центрифугирования. Видно, что исходная эмульсия (а, массовая доля воды 56,8 %) насыщена каплями воды размерами от 10 до 80 мкм и черными включениями (механические примеси, в т.ч. сульфид железа). После отстаивания эмульсия (б, массовая доля воды 12,6 %) становится менее насыщенной, размер капель воды составляет от 10 до 20 мкм. Обезвоженная испарением нефть (в, массовая доля воды 0,29 %) насыщенна механическими примесями (массовая доля 3,44 %) размерами от 10 до 20 мкм. После центрифугирования в нефти остаются механические примеси размером менее 10 мкм (г, массовая доля 0,02 %).
Таким образом, последовательное отстаивание, испарение и центрифугирование эмульсии промежуточного слоя Ямашинской УПВСН позволяют получить нефть с массовой долей воды 0,01 %, концентрацией хлористых солей 156 мг/дм3, массовой долей механических примесей 0,02 %, что соответствует 2 группе качества по ГОСТ Р 51858. Полученная нефть может быть направлена на ступень обессоливания для подготовки до 1 группы качества или на компаундирование с товарной нефтью.
Технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды
На основании проведённых экспериментальных исследований и промысловых испытаний разработана технология разделения устойчивых водонефтяных эмульсий методом испарения воды [122, 123].
Принципиальная технологическая схема установки разделения устойчивой эмульсии СВН методом испарения (вариант 1) представлена на рисунке 4.21.
В данном варианте для нагрева эмульсии используется нагреватель со сбросом воды.
Устойчивая эмульсия СВН поступает в сырьевую буферную ёмкость Е-1, где предусмотрен сброс отделившейся воды в дренажную ёмкость, откуда она направляется систему очистки пластовой воды. Сырьевая буферная ёмкость Е-1 оснащена паровыми змеевиками для исключения застывания эмульсии. По мере накопления в ёмкости Е-1 эмульсия откачивается насосом Н-1 через теплообменники Т-1 и Т-2, где она подогревается за счёт тепла горячих потоков обезвоженной нефти и воды соответственно и поступает в нагреватель со сбросом воды НСВ-1. Нагреватель со сбросом воды НСВ-1 представляет собой аппарат типа НГВРП [124], «хиттер-тритер» [73], где совмещается нагрев эмульсии и сброс отделившейся воды. Нагрев эмульсии осуществляется за счёт сжигания топливного газа в жаровых трубах, расположенных внутри аппарата. Температура нагрева эмульсии в НСВ-1 составляет 110-180 С в зависимости от массовой доли воды в эмульсии. Для исключения кипения воды при нагреве эмульсии в нагревателе НСВ-1 поддерживается давление 0,2-1,0 МПа, которое должно быть выше давления насыщенного водяного пара при данной температуре. На приём насоса Н-1 предусмотрена подача деэмульгатора с помощью блока дозирования реагента БР. Вода, отделившаяся в нагревателе НСВ-1, охлаждается в теплообменнике Т-2 и поступает в систему очистки пластовой воды. Из нагревателя НСВ-1 эмульсия направляется в испаритель И-1 (рисунок 4.22), где за счёт высокой температуры потока и снижения давления до атмосферного происходит испарение воды из нефти. Паровой поток с водяными парами отводится сверху испарителя И-1, проходит через конденсатор-холодильник КХ-1 и поступает в сепаратор С-1, где осуществляется его разделение на газ, водяной конденсат и углеводородный дистиллят. В качестве конденсатора-холодильника КХ-1 может использоваться водяной теплообменник или аппарат воздушного охлаждения. Из сепаратора С-1 газ отводится в газовую систему, водяной конденсат откачивается насосом Н-3. Углеводородный дистиллят из сепаратора С-1 откачивается насосом Н-4 в поток обезвоженной СВН через смеситель СМ-1. Углеводородный дистиллят может возвращаться в «голову» процесса - в сырьевую буферную ёмкость Е-1 для разбавления исходной эмульсии с целью снижения вязкости и плотности СВН, что способствует лучшему отделению воды в ёмкости Е-1 и нагревателе НСВ-1. При необходимости, для борьбы с пенообразованием, предусмотрена подача углеводородного дистиллята в испаритель И-1. Обезвоженная СВН с массовой долей воды менее 0,5 % откачивается из испарителя И-1 насосом Н-2, охлаждаясь в теплообменнике Т-1. При массовой доле воды в нефти после испарителя И-1 более 0,5 % предусмотрен возврат нефти в сырьевую буферную ёмкость Е-1 для повторного цикла испарения воды.
Принципиальная технологическая схема установки разделения устойчивой эмульсии СВН методом испарения (вариант 2) представлена на рисунке 4.23. В данном варианте для нагрева эмульсии используется печь.
Устойчивая эмульсия СВН поступает в сырьевую буферную ёмкость Е-1. По мере накопления в ёмкости Е-1 эмульсия обезвоживается в 2 этапа: отделение воды за счёт отстаивания и удаление воды испарением.
1 этап обезвоживания заключается в нагреве эмульсии и последующем отстаивании для отделения основного количества воды. Для нагрева эмульсии организуется её циркуляция по схеме «сырьевая буферная ёмкость Е-1 — насос, Н-1 - печь П-1 (по байпасу теплообменника Т-1) - сырьевая буферная ёмкость -7». В зависимости от устойчивости эмульсии температура нагрева составляет 110-180 С. Для исключения кипения воды при нагреве эмульсии в системе циркуляции поддерживается давление 0,2-1,0 МПа, которое должно быть выше давления насыщенного водяного пара при данной температуре.
На приём насоса Н-1 предусмотрена подача деэмульгатора с помощью блока дозирования реагента БР. Вода, отделившаяся в ёмкости Е-1, откачивается насосом Н-2 в систему очистки пластовой воды.
После отделения основного количества воды эмульсия из ёмкости Е-1 откачивается насосом Н-1 через теплообменник Т-1, где она подогревается за счёт тепла горячего потока обезвоженной нефти, и поступает для нагрева в печь П-1 и далее в испаритель И-1 (2 этап). Температура нагрева эмульсии в печи П-1 составляет 110-180 С в зависимости от массовой доли воды в эмульсии. Для исключения кипения воды при нагреве эмульсии в печи П-1 поддерживается давление 0,2-1,0 МПа. В испарителе И-1 за счёт высокой температуры потока и снижения давления до атмосферного происходит испарение воды из нефти. Дальнейшее осуществление процесса аналогично варианту 1.
При необходимости удаления механических примесей (для эмульсий промежуточных слоев) нефть после обезвоживания в испарителе направляется для центрифугирования в декантер.
Технология разделения устойчивой водонефтяной эмульсии методом испарения воды предназначена для осложнённых эмульсий, которые другими методами не разрушаются. В связи с развитием проекта по добыче СВН в Республике Татарстан [125] увеличиваются объёмы устойчивых эмульсий, поступающих на установки подготовки нефти. Для повышения надёжности работы установок по подготовке СВН до 1 группы качества разработаны руководящий документ РД 153-39.0-692-11 «Инструкция по применению технологии обезвоживания сверхвязкой нефти методом испарения» (Приложение В) и технологический регламент на проектирование опытно-промышленного блока для подготовки устойчивой эмульсии СВН Ашальчинского месторождения ОАО «Татнефть» методом испарения воды (Приложение Г). Получен патент РФ на изобретение № 2468850 «Установка обезвоживания тяжёлой нефти и природного битума» (Приложение Д).
