Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ механизмов формирования асфальто-смоло-парафиновых отложений и методы борьбы с ними 6
I. 1. Общие сведения о парафинистых нефтях и их свойства 7
I. 2. О механизме формирования АСПО 15
I. 3. Причины и условия образования АСПО 29
I. 4. Методы борьбы с АСПО в нефтегазодобывающей промышленности 37
Глава II. Физико-химические принципы действия магнитного поля на АСПО 56
II. 1. Применение магнитных обработок в нефтяной промышленности 56
II. 2. Экспериментальное обоснование параметров установок магнитной обработки жидкостей для предотвращения осложнений при добыче нефти 69
II. 3. Физико-химические основы воздействия магнитных полей на нефть для предотвращения отложений парафинов 71
Глава III. Основные особенности образования АСПО на группе месторождений Южно-Тургайского прогиба и методов борьбы с ними 77
III. 1. Эксплуатационный фонд скважин. Анализ проведенных ремонтных работ скважин по причине АСПО 84
Глава IV. Лабораторные и промысловые исследования влияния магнитного поля на процессы АСПО из нефтей месторождений Южно-Тургайского прогиба 89
IV. 1. Выявление предварительных признаков целесообразности обработки магнитным полем скважинной жидкости 89
IV. 2. Лабораторные исследования влияния магнитного поля на процесс отложения асфальто-смоло-парафинов из нефти 91
Заключение 132
Список использованной литературы 133
- Общие сведения о парафинистых нефтях и их свойства
- Применение магнитных обработок в нефтяной промышленности
- Эксплуатационный фонд скважин. Анализ проведенных ремонтных работ скважин по причине АСПО
- Выявление предварительных признаков целесообразности обработки магнитным полем скважинной жидкости
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время развитие нефтяной промышленности обусловлено значительными осложнениями при разработке нефтяных месторождений. Процессы добычи, сбора и подготовки нефти, осложняются комплексом проблем, связанных с асфальто-смоло-парафиновыми отложениями (АСПО) и солеотложениями, коррозионным разрушением оборудования, образованием стойких нефтяных эмульсий и др. Наиболее остро на месторождениях Южно-Тургайского прогиба стоит проблема борьбы с АСПО. Накопление АСПО в проточной части нефтепромыслового оборудования и на внутренней поверхности труб приводит к снижению отборов нефти, уменьшению межремонтного периода (МРП) работы скважин и эффективности работы насосных установок. Многолетняя практика эксплуатации скважин, добывающих парафинистую нефть, показала, что без проведения работ по предотвращению и удалению АСПО в трубопроводах и нефтепромысловом оборудовании, подъемных трубах, выкидных линиях и промысловых емкостях нельзя эффективно решать вопросы оптимизации добычи и сбора нефти. В этих условиях актуальной становится разработка новых технических средств и методов, направленных на предотвращение отложений в глубинно-насосном оборудовании, колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), промысловых трубопроводах систем нефтесбора. Одним из перспективных методов борьбы с отложениями АСПВ является применение магнитной обработки продукции скважин. По сравнению с химическими методами он имеет одно большое преимущество, все более актуальное в последнее время - экологическую безопасность.
Цель работы.
Повышение эффективности методов борьбы с асфальто-смоло-
парафиновыми отложениями воздействием постоянного магнитного поля на скважинную продукцию при добыче нефти.
Основные задачи исследований.
Анализ фонда добывающих скважин, подверженных АСПО на месторождении Кумколь, и эффективности борьбы с отложениями.
Лабораторное исследование влияния постоянного магнитного поля на интенсивность образования и отложения АСПВ.
Проведение промысловых экспериментов по магнитному воздействию на продукцию скважин месторождений Южно-Тургайского прогиба Казахстана.
Методы решения поставленных задач.
Решение поставленных задач производилось в соответствии с общепринятой методикой выполнения научных исследований, включающей обобщение и анализ предшествующих исследований, разработку рабочих гипотез и концепций, аналитические, лабораторные и промысловые исследования, разработку технологий и методического их обеспечения.
Научная новизна.
Создана лабораторная установка по исследованию магнитного воздействия на АСПО, которая позволяет определить температуру начала кристаллизации парафина дегазированной нефти, выявить целесообразность применения магнитной обработки для конкретных нефтей и определить необходимую напряженность магнитного поля.
Разработана методика проведения лабораторных экспериментов по исследованию влияния постоянного магнитного поля на скважинную продукцию.
Экспериментально подтверждается теоретическое положение о том, что в зависимости от содержания ферромагнитных частиц железа в продукции скважины, эффект от обработки магнитным полем может меняться, также магнитная обработка эффективнее, когда содержание парафинов меньше суммарного содержания в нефти асфальтенов и смол.
Впервые экспериментально установлено влияние магнитного поля на коагуляцию мельчайших капелек воды, что может способствовать формированию гидрофильного водного слоя, который препятствует росту АСПО на поверхности промыслового оборудования.
Практическая ценность.
На основании проведенных автором лабораторных и промысловых исследований принято решение об использовании магнитных депарафинизаторов в НГДУ АО «ПетроКазахстан Кумколь Ресорсиз».
Разработана и внедрена в АО «ПетроКазахстан Кумколь Ресорсиз» «Методика исследования влияния магнитной обработки на скважинную жидкость».
Использование магнитного депарафинизатора на скважине АК-105 месторождения Арыскум увеличило межочистной период в два раза.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на V международной научно -технической конференции (Москва 2003 г.), VI международной научно -технической конференции (Москва 2005 г.).
Общие сведения о парафинистых нефтях и их свойства
Нефть состоит из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов. Углеводороды парафинового ряда находятся в нефтях в газообразном (от С до СД жидком (от Cs до Cis) и твердом (от Сіб) состояниях. Твердые углеводороды представляют собой парафины, смолы, асфальтены и церезины. В зависимости от количества содержащихся твердых углеводородов - парафинов, нефти подразделяются на следующие группы [57]: Беспарафинистые с количеством парафина менее 1,5 %; Слабопарафинистые, содержащие от 1,5 до 6 % парафина; Парафинистые с содержанием парафина выше 6 %; Известно, что парафин содержится во всех добываемых нефтях, но в различных количествах. Парафинистые нефти характеризуются высокой температурой застывания. В некоторых случаях температура застывания высокопарафинистых нефтей достигает +40С, вследствие чего нефти приобретают мазеобразную консистенцию; вязкость нефти сильно повышается при незначительном понижении температуры. Так, например, при температуре - 20 С и ниже нефти с содержанием парафина 5-8% теряют текучесть. Перекачка такой нефти по поверхностным трубопроводам в зимний период в значительной степени затрудняется и в некоторых случаях требуется специальный подогрев. Парафинистые нефти, обычно имея высокие бензиновые потенциалы, являются в большинстве своем светлыми, легкими; имеют небольшой удельный вес и мало содержат смолистых веществ [10]. \ -7 Состав АСПО. АСПО представляют собой сложную углеводородную смесь, состоящую из парафинов (20 - 70 % масс), АСВ (20 - 40 % масс), силикагелевой смолы, масел, воды и механических примесей [57].
Парафин и его физико-химические свойства. Рассмотрим химический состав твердых парафинов - веществ, выпадающих из нефти и газового конденсата при понижении температуры. В состав природных углеводородов входят алканы, циклоалканы, ароматические соединения и другие.
В зависимости от числа атомов углерода в молекуле к-алканы могут / находиться в различных агрегатных состояниях. Так, при стандартных условях (температуре 20 С и атмосферном давлении) легкие и-алканы (метан, этан, пропан и бутан) находятся в газообразном состоянии. Более тяжелые гомологи метана с числом атомов углерода от 5 до 15 при нормальных условиях являются жидкостями, а с числом атомов более 15 - находятся в твердом состоянии.
Твердая фаза, выделяющаяся из нефтей, а также из нефтепродуктов и газового конденсата, представляет собой смесь различных компонентов, состоящую преимущественно из алканов нормального строения. Именно это является причиной того, почему выпадающий твердый осадок обычно именуют попросту «парафином». Этот устоявшийся термин часто используют для обозначения всей гаммы тяжелых углеводородов, выделяющихся из нефти при ее охлаждении.
По результатам исследования составов и свойств парафинов обнаружено, что н-алканы доминируют в составе нефтяных парафинов, суммарное содержание изо-алканов, нафтенов и ароматических углеводородов относительно мало и, как правило, не превышает 20 - 30%. Отсюда следующая закономерность: из более легкой по составу нефти (либо нефтепродукта) выпадает твердая фаза с более высоким содержанием алканов. В общем случае, в зависимости от состава углеводородной жидкости, из которой образовались парафины, они могут содержать примерно 65 - 97% и-алканов. Для сравнения заметим, в самой углеводородной жидкости содержание н-алканов гораздо ниже и может составлять в нефти и керосине примерно 18 - 22%, в дизельном топливе-12-28% [48].
Итак, состав твердых парафинов определяется, прежде всего, н-алканами. Парафин в природных условия встречается в нефтях и озокеритах. В нефтях он находиться в растворенном и во взвешенном состоянии в виде отдельных кристаллов.
Очищенный парафин представляет собой бесцветную или белую кристаллическую массу, без запаха и вкуса, слегка жирную на ощупь, плотность которого колеблется от 907 до 915 кг/м при 15 С. плотность неочищенного парафина 881 - 905 кг/м .
Температура плавления парафина зависит от его молекулярного веса и находится в пределах от 49 до 60, что соответствует молекулярному весу парафина, примерно равному 390 - 430.
В нефтях обычно содержится парафин с молекулярным весом, равным 400 - 430, а высшие фракции твердых углеводородов являются церезинами.
Растворимость парафина в нефтяных дистиллятах обычно падает с увеличением молекулярного веса дистиллята и растет с повышением его температуры.
Применение магнитных обработок в нефтяной промышленности
Достоверно известно, что магнитная обработка (МО) воды применялась уже в первые десятилетия двадцатого века для предотвращения образования накипи на нагревательных элементах паровых машин, для воздействия на образование кристаллов в пересыщенных растворах. Первые опубликованные сообщения и патенты относятся именно к этому периоду.
Простота процедуры, состоящей в том, что поток жидкости протекает через зазор между полюсами магнита или через соленоид, питаемый электрическим током, стимулировала проведение экспериментальных работ на широком круге объектов. Поэтому в последующие годы МО применялась не только для водных растворов солей, но и для нефти, моторных топлив, растворов полимеров, цементных и буровых растворов, семян растений, крови и т.д. Путем применения МО устраняли засоление почв даже при их поливе водой с высоким содержанием солей, предотвращали отложения минералов и органических веществ при добыче и транспортировке воды и нефти, достигали значительного снижения вязкости цементных растворов и т.д.. Широкое применение МО нашла в медицине для улучшения состояния кровеносных сосудов, очистки крови от отравляющих веществ, понижения артериального давления.
Однако уже в первые годы было отмечено, что эффекты не всегда повторяются даже для внешне сходных объектов и процессов. Удивлял и сам факт действия применяющихся магнитных полей напряженностью несколько сотен эрстед на нечувствительные к таким полям неферромагнитные вещества - воду, нефть, кровь, ткани животных и растений. Все это привело к тому, что по отношению к магнитным эффектам сложилось два полярных мнения: первое - это шарлатанство и результат «грязного» эксперимента, второе - в основе магнитной обработки лежат еще неизвестные в физике фундаментальные свойства материи. Научное сообщество разделилось на энтузиастов, которые продолжали исследовать эффекты МО и скептиков, которые не принимали всерьез очередные сообщения об удачном использовании МО.
За прошедшее время опубликовано большое количество статей, обзоров, монографий, в которых акцент делается, прежде всего, на практическую полезность применения МО, состоялись многочисленные конференции и совещания по практике применения МО в широком круге промышленных производств. Количество печатных работ и патентов по этой тематике исчисляется в настоящее время тысячами, и даже десятками тысяч. Большую роль в сохранении интереса к этому направлению сыграли профессор В. И. Классен и академик Б. В. Дерягин и ведущий научный сотрудник ИПНГ В. И. Лесин.
В последнее время интерес к использованию магнитного поля для обработки скважинной жидкости с целью предотвращения АСПО значительно возрос, что связано с появлением на рынке широкого ассортимента высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных материалов. В настоящее время около 30 различных организаций предлагает магнитные депарафинизаторы [3, 5, 105-112].
Так как научно-исследовательские работы по обработке магнитным полем скважинной продукции немногочисленны и не систематизированы, то существуют различные теории в этой области. Например, в монографии В. И. Классена [115] выделяются следующие гипотезы: - «коллоидные», в основе которых лежит действие магнитных полей на коллоидные частицы чаще пара- или ферромагнитные; - «ионные», в которых основная роль возлагается на ионы, находящиеся в воде; - «водные», обосновывающие действие магнитных полей на собственно воду.
В сущности, перечисленные гипотезы механизма действия магнитной обработки на водные системы сводятся к изменению связей микропримесей с молекулами жидкой среды. Микропримесями железа обусловлена также высокая эффективность магнитной обработки воды, всесторонне изученная и обоснованная в теории В. И. Лесина [116], которая, в конечном счете, вписывается в число «коллоидных» гипотез, включающих действие магнитного поля на ферромагнитные частицы. На основе вышеприведенной теории при наличии микропримесей железа в скважинной продукции обработка добываемой жидкости магнитным полем также должна быть эффективной.
Установлено [107], что под воздействием магнитного поля в движущейся жидкости происходит разрушение агрегатов, состоящих из субмикронных ферромагнитных микрочастиц соединений железа, находящихся при концентрации 10 - 100 г/т в нефти и попутной воде. В каждом агрегате содержится от нескольких сотен до несколько тысяч микрочастиц, поэтому разрушение агрегатов приводит к резкому (в 100 - 1000 раз) увеличению концентрации центров кристаллизации парафинов и солей и формированию на поверхности ферромагнитных частиц пузырьков газа микронных размеров. В результате разрушения афегатов кристаллы парафина выпадают в виде тонкодисперсной, объемной, устойчивой взвеси, а скорость роста отложений уменьшается пропорционально уменьшению средних размеров выпавших совместно со смолами и асфальтенами в твердую фазу кристаллов парафина. Образование микро пузырьков газа в центрах кристаллизации после магнитной обработки обеспечивает, по мнению некоторых исследователей, газлифтный эффект, ведущий к некоторому росту дебита скважин.
Наибольшее применение нашли устройства на основе постоянных магнитов «Магнифло» (США), устройства МОЖ Научно-производственной фирмы «Технологические системы» и ряда других. Конструктивно они включают одну, две, три пары постоянных магнитов, размещенных в корпусе. В зазоре между двумя полюсами магнитов проходит жидкость. С учетом опыта эксплуатации данных установок они должны отвечать следующим требованиям [113]: Геометрически вписываться в конструкцию глубинно-насосной установки и не создавать большого гидравлического сопротивления; Стабильно обеспечивать обработку проходящей скважиной продукции магнитным полем напряженностью 20-40 кА/м, в течение не менее 2-3 лет; Магниты должны быть надежно закреплены и защищены от агрессивного воздействия добываемой продукции. С учетом представленных требований под руководством автора работы [113] разработано и освоено производство глубинных скважинных установок магнитной обработки жидкости типа УМЖ. Основной отличительной особенностью является возможность создания пульсирующего магнитного поля. Скважинные установки УМЖ были внедрены в АНК «Башнефть», ОАО «Белкамнефть», НК «Лукойл», НК «ЮКОС», ОАО «Газпром» и ряде других организаций. Применение установок УМЖ-73 позволило увеличить средний межремонтный период скважин НГДУ «Арланнефть», осложненных по АСПО, в среднем в 1,8 раза. Химическая обработка была прекращена.
Однако в практике применения магнитов для конкретных нефтепромыслов имеются многочисленные случаи, когда магнитная обработка нефти не дает положительных результатов. Имеющиеся неудачи в определенной степени дискредитировали технологию магнитной обработки в глазах нефтяников. По сути, проблемой, затрудняющей широкое использование магнитной обработки, являлось отсутствие теории, объясняющей природу происходящих процессов, а именно, физико-химические механизмы действия магнитного поля на нефтяной поток. В силу этого, условия, при которых магнитное поле препятствует образованию твердых АСПО, до последнего времени оставались неясными.
Эксплуатационный фонд скважин. Анализ проведенных ремонтных работ скважин по причине АСПО
При изучении влияния постоянного магнитного поля на какую-либо жидкость многими авторами было установлено, что без наличия в обрабатываемой среде ферромагнитных частиц железа какого-либо эффекта от обработки магнитом достичь не возможно. Как было отмечено выше, в основном микрогазовые пузырьки образуются на этих микрочастицах железа и они являются зародышами кристаллов парафина. Также отношение содержания парафина и асфальто-смолистых веществ в изучаемой продукции играет большую роль при выборе магнита правильной топологии и напряженности, а также для определения обрабатываемого интервала.
Таким образом, для исследования целесообразности установки магнитного депарафинизатора в скважинах конкретного месторождения, нам нужно в первую очередь выявить следующие предварительные признаки:
1. содержание ферромагнитных частиц железа в нефти;
2. суммарное содержание и состав парафина и асфальто-смолистых веществ в нефти и их соотношение.
Определение содержания микропримесей железа в скважинной жидкости является простой процедурой и ее можно провести в любой лаборатории. Из жидкости выделяются тем или иным путем механические примеси. Отделенные частицы сушатся, затем на них воздействуют магнитным полем. Если притягиваются мелкие частицы, что означает наличие в них железа, то жидкость исследуется дальше для определения необходимых параметров по подбору постоянного магнита.
От суммарного содержания парафина Псум и асфальто-смолистых веществ АСВ зависит эффективность обработки магнитным полем, т. е. если Псум АСВеум то обработка эффективнее. В случае если Ґ1 АСВсум, то эффективность от воздействия магнитом не велика, и необходимо установить дополнительные магнитные депарафинизаторы или увеличить напряженность магнитного поля.
Соответствующие лабораторные эксперименты, позволяющие непосредственно наблюдать действие магнитного поля на скважинную продукцию и сопоставить получаемые результаты с предсказаниями теории до сих пор не были проведены. В этой связи, целью работы является постановка экспериментов по изучению влияния магнитного поля на движущийся поток нефти, сопоставление полученных результатов с теорией. Не менее важной задачей является проведение лабораторных исследований для нефтей конкретных месторождений, определение целесообразности магнитной обработки, выявление параметров, при которых данная технология дает наибольший эффект.
Для изучения влияния магнитного поля была разработана и создана лабораторная установка (рис. 4. 1), которая состоит из кожуха (7), внутри которого поддерживается определенная температура, создаваемая с помощью обогревателя (8). Вентилятор (9) обеспечивает равномерное распределение температуры. В кожухе находится плоский стеклянный капилляр (4), через который протекает исследуемая жидкость. Развитие процесса АСПО на стенках капилляра регистрируется оптически, изображение капилляра с образовавшимися отложениями на стенках фиксируется с помощью фотоаппарата (10), соединенного с микроскопом (5) (рис. 4. 1 и 4. 2). Вдоль канала капилляра установлены реперы для расчета скорости потока жидкости внутри канала (рис. 4. 3.). Для исследования влияния магнитного поля на входе в капилляр устанавливается магнитная система (3), образованная постоянными магнитами, интенсивность поля которых определяется с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-8. Система создает определенные значения напряженности и градиента магнитного поля для обеспечения высокоэффективной магнитной обработки. В процессе экспериментов использовался постоянный магнит с напряженностью магнитного поля 5750 эрстед.
Выявление предварительных признаков целесообразности обработки магнитным полем скважинной жидкости
Во время эксперимента без обработки магнитным полем было обнаружено, что по длине канала образовалось более чем 150 стабильных центров кристаллизации парафина. С начала эксперимента кристаллы интенсивно выпадали на стенках канала, где степень шероховатости высокая. Так как в начале процесса скорость потока была достаточно высокой, выпавшие кристаллы парафина срывались потоком жидкости. Со временем плотность центров кристаллизации возросла, что привело к снижению скорости потока (рис. 4. 4а).
При аналогичных условиях проводили эксперимент при обработке потока на входе в канал постоянным магнитным полем. При этом обнаружено, что в канале не накапливаются кристаллы парафина, т.е. АСПО не образуются. В ходе течения наблюдалось спорадическое кратковременное выпадение на стенках канала крупных одиночных кристаллов, которые за несколько минут вымывались потоком жидкости. Это подтверждает экспериментальные промысловые данные о том, что обработанная магнитным полем нефть приобретает моющие свойства, что приводит к смыву со стенок оборудования уже образовавшиеся АСПО.
Отмечено, что при магнитной обработке нефти на стенках модели по всей длине канала образуются глобулы воды, размеры которых увеличиваются во времени (рис. 4. 46). Это наблюдение подтверждает экспериментально наблюдающееся и теоретически объясненное в работе [120] явление ускорения сепарации воды и нефти после обработки эмульсии магнитным полем. Поскольку вода гидрофилизирует поверхность оборудования и препятствует закреплению гидрофобных кристаллов парафина, образование капель воды на стенках также препятствует росту АСПО и усиливает основной магнитный эффект диспергации кристаллов парафина.
Из графика видно, что без обработки магнитом скорость потока жидкости монотонно снижается, тогда как при обработке продукции скважины магнитным полем скорость практически постоянна. Изменение скорости потока скважинного флюида дополнительно свидетельствует о том, что по каналу модели либо отлагаются АСПВ, либо они не выпадают. Приведенная кривая температуры для того, чтобы показать, что процесс был стабилен по температуре (вариации в пределах от 0,2 до 1 С).
Во время исследования нефти со скв 3004 (Ш-объект разработки) месторождения Кумколь при температуре 25 С было обнаружено, что без обработки магнитом внутри стеклянной модели на длине 20 мм площадь отложения парафина (рис. 4. 6а) в три раза была больше чем при воздействии магнитным полем (рис. 4. 66). Также образовались водные глобулы внутри канала, что препятствует росту АСПО и усиливает основной магнитный эффект диспергации кристаллов парафина (рис. 4. 66). При обоих условиях интенсивный рост центров кристаллизации наблюдается в начале процесса, последующее замедление скорости образования центров кристаллизации, возможно, обусловлено тем, что кристаллы парафина в потоке жидкости в основном прилипают к уже образовавшимся кристаллам парафина. Нефти Кумкольского месторождения светлее и менее вязкие, чем нефти месторождения Арыскум, что подтверждается в значительной разнице температур начала кристаллизации.
При исследовании нефти при температуре 25 С скважины № 406 м/р Кумколь до и после магнитной обработки были выявлены следующие факты:
1. Без воздействия магнитом в течении 200 минут внутри стеклянной модели на расстоянии около 10 мм образовались более чем 500 центров кристаллизации, основная масса которых относятся к стенкам канала, где степень шероховатости высокая. По истечении времени они становились крупнее и образовали стержнеобразные асфальтосмоло-парафиновые слои (Рис. 4. 9а).
2. Чтобы быть уверенным, что внутри модели образовались действительно АСПО, а не механические примеси, мы нагревали модель. Визуально было видно, что выпавшие отложения растаяли (Рис. 4. 96).
С воздействием магнитного поля было отмечено, что при магнитной обработке нефти во внутренней полости модели по всей длине канала образуются глобулы воды, размеры которых увеличиваются во времени (рис. 4. 9в). Это наблюдение еще раз подтверждает теоретически объясненное в работе [120] явление ускорения сепарации воды и нефти после обработки эмульсии магнитным полем.
Для расчета относительного заполнения модели капилляра АСПО по фотоснимкам, была разработана следующая методика. Отпечатанный фотоснимок модели сканировался и с применением программы Photoshop, в изображение выделялись видимые области парафиноотложений. Обычно на снимках они представляли собой пятна чёрного или тёмно-бурого цвета. Затем выделенные области окрашивались в чёрный цвет, а остальная область канала в белый. С помощью специально созданной программы было рассчитано полученное количество чёрных пикселей в зоне фильтрации и рассчитано их процентное содержание относительно всего числа пикселей. Ввиду малой толщины канала (h = 0,002 мм.) можно предположить, что парафиноотложения занимали область между горизонтальными стенками канала, без разрыва сплошности. Тогда можно сопоставить процентное содержание чёрных пикселей на снимке с относительным заполнениям канала АСПО в модели.
