Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование возможности интенсификации процесса обессоливания нефти за счёт повышения эффективности использования промывочной воды 8
1.1 Технология обессоливания нефти с применением промывочной воды 8
1.2 Способы и устройства для ввода промывочной воды в нефть 12
1.3 Эмульгирование с помощью электрического поля 15
1.3.1. Механизм электрогидродинамических явлений 21
1.4 Физическая сущность процесса эмульгирования в электрическом поле и конструкции, работающие на его основе 26
1.5 Основные критерии эффективности и экономичности процесса электродеэмульсации нефти 35
2. Экспериментальные исследования процесса электропульверизации воды в углеводородную жидкость 39
2.1 Дисперсный анализ эмульсий 43
2.2 Визуальные наблюдения и физическая механика эксперимента 45
2.3 Исследование зависимости распределения частиц от напряжённости электрического поля 52
2.4 Исследование процесса электропульверизации воды в углеводородную жидкость в зависимости от технологических параметров 59
2.5 Исследование энергозатрат процесса электропульверизации воды в нефть 69
2.6 Исследование возможности повышения глубины обессоливания нефти при помощи ЭПА 76
2.7 Установка для дозирования деэмульгаторов при сборе и подго товке нефти 80
3. Исследование влияния физико-химических свойств жидкостей на процесс электропульверизации воды 84
3.1 Исследование влияния электропроводности водной фазы на дисперсность получаемой эмульсии 86
3.2 Исследование влияния электропроводности дисперсионной среды на дисперсность получаемой эмульсии 89
3.3 Исследование влияния межфазного натяжения на дисперсность получаемой эмульсии 89
3.4 Влияние водорастворимых неионогенных ПАВ-деэмульгаторов на электрическую проводимость водной фазы 92
3.5 Влияние ионогенных ПАВ на электрическую проводимость обратной водонефтяной эмульсии 97
4. Промысловые испытания и внедрение резуль татов исследований 117
Основные выводы 127
Список литературы 129
Приложения 142
- Технология обессоливания нефти с применением промывочной воды
- Дисперсный анализ эмульсий
- Исследование влияния электропроводности водной фазы на дисперсность получаемой эмульсии
- Промысловые испытания и внедрение резуль татов исследований
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в связи с переходом всё большего количества месторождений на поздние стадии разработки, характеризующиеся высокой обводнённостью и минерализацией продукции скважин, а также, что ещё серьёзнее, широким вовлечением в разработку месторождений высоковязких нефтей угленосного горизонта, образующих эмульсии высокой устойчивости к разрушению, усугубляег проблем}' её подготовки и приобретает всё большую остроту и актуальность. Очевидно, что в таком состоянии продукцию скважин не только нельзя направлять на переработку (быстрая коррозия аппаратов и коммуникаций, невозможность получения качественных нефтепродуктов и т.д.), но даже и транспортировать по трубопроводам (повышенная вязкость эмульсии по сравнению с безводной нефтью, расходы на перекачку балласта, большая теплоёмкость при нагреве). Поэтому поступлению нефти на НПЗ предшествует неизбежная стадия промысловой подготовки её к переработке.
Известно, что в настоящее время наиболее эффективными и экономичными являются методы обезвоживания и обессоливания нефти, основанные на применении электрического поля наряду с поверхностно-активными веществами. Технология обессоливания нефти включает в себя такие основные стадии и процессы как ввод в нефть промывочной воды, её перемешивание с нефтью и остаточной пластовой водой, коалесцснцию капель остаточной солёной и промывочной воды, отстой укрупнившихся капель. Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность процесса обессоливания нефти, является размер капель промывочной воды, который определяется способом и устройством её ввода в нефть. Существующие традиционные гидродинамические способы и устройства для диспергирования промывочной воды в нефть - смесительные клапаны, задвижки и др. плохо управляемы, образуют грубодисперсные эмульсии и
требуют очень большого перепада давления между жидкостями, что приводит к низкой эффективности использования промывочной воды и её большому расходу. В связи с этим разработка по созданию устройства для ввода пресной промывочной воды, работающего с применением электрического поля, которая направлена на повышение глубины обес-соливания нефти и уменьшение расхода промывочной воды и электроэнергии является актуальной задачей, решение которой позволит повысить качество подготавливаемой нефти в соответствии с требованиями, предъявляемыми к дальнейшей её транспортировке и переработке.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось интенсификация процесса электродеэмульсации нефтей.
Для успешного достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработка на основе анализа литературных данных технологии
повышения эффективности и интенсификации процесса деэмульсации, а
также аппарата с новыми конструктивными особенностями, исполь
зующего принцип пульверизации воды в нефть под действием электри
ческого поля;
- исследование влияния электрических и технологических параметров на эффективность и экономичность процесса электропульверизации воды;
- исследование влияния различных классов ПАВ на электрическую
проводимость дисперсной фазы, дисперсионной среды и эмульсии в це
лом, а также разработка наиболее оптимального способа ввода пресной
промывочной воды в нефть.
Научная новизна.
- Впервые в области промысловой подготовки нефти использован
и научно обоснован принцип ввода пресной промывочной воды в нефть
под действием электрического поля, позволяющий обеспечивать эконо-
мичное и эффективное управление процессом удаления минерализованной пластовой воды из нефти.
Разработан электропульверизирующий аппарат (ЭГ1А) для повышения эффективности и интенсификации технологии электрообессолива-ния нефти на промыслах.
Установлены закономерности влияния ионогениых и неионоген-ных поверхностно-активных веществ на электрическую проводимость водной фазы и эмульсионных систем воды в нефти и возможность управления её электрическими свойствами.
Обнаружен эффект резкого снижения электрической проводимости обратной водонефтяной эмульсии в процессе воздействия электрического поля, существенно зависящей от концентрации подаваемой промывочной воды с содержанием в составе анионного ПАВ.
Практическая ценность.
Экспериментально установлена и практически подтверждена возможность смешения нефти с пресной промывочной водой в разработанном устройстве с получением эмульсий максимальной монодисперсности.
Установлено, что применение электропульверизирующего аппарата позволяет при одновременном снижении энергозатрат процесса, уменьшении расхода промывочной воды в 2-3 раза за счет создания необходимого распределения капель промывочной воды по размерам повысить эффективность процесса и глубину обессоливания нефти.
- Опытно-промышленные испытания электропульверизирующего
аппарата для подачи воды при деэмульсации нефти, подготавливаемой на
установках подготовки высокосернистой нефти (УТТВСН) в НГДУ «Улья-
новскнефть» (г. Димитровград) и в НГДУ «Белкамнефть» (г. Ижевск), по
зволили получить товарную нефть высокого качества в соответствии с
требованиями ГОСТ Р 51858-2002.
По материалам диссертации опубликовано 2 научных статьи, издано 4 тезисов докладов.
Автор выражает свою глубокую и искреннюю благодарность за консультации и практическую помощь при выполнении диссертационной работы научным соруководителям: профессору Юнусову А.А. и к.т.н. Швецову В.Н.
Технология обессоливания нефти с применением промывочной воды
Технология обессоливания нефти основана на ряде теоретических представлений о сущности процессов, происходящих в нефти при введении в неё пресной промывочной воды. Идеальным считается процесс обессоливания нефти, в котором в результате операций по смешению нефти с промывочной водой произойдёт усреднение солёности во всех находящихся в нефти каплях воды /109/.
Средняя концентрация солей в остаточной воде зависит от качества смешения пластовой и промывочной воды. Выравнивание концентрации солей в отдельных каплях эмульсии происходит в процессе смешения за счёт многократно повторяющихся актов коалесценции капель друг с другом и последующего их дробления. Учитывая тот факт, что диспергированные капли пресной воды по различным причинам зачастую не совершают полезной работы по вымыванию солей, необходимо внести такой термин как коэффициент использования пресной воды при обессоливании. Анализ значений остаточных солей в нефти реальных обессоливающих установок, проведённый в работе /76/ показал, что предельные теоретические величины во много раз меньше фактического содержания их, получаемых на установках. Расхождение между теоретическими и фактическими данными объясняется авторами плохим качеством смешения пластовой и промывочной воды. Часть мелкодисперсной пластовой воды не участвует в процессе смешения, не отстаивается и обуславливает высокую среднюю концентрацию солей в остаточной воде. В связи с этим появился термин - коэффициент ухудшения эффективности работы обессоливающих установок за счёт неполного смешения /109/.
Авторы работы /109/, основываясь на экспериментальных исследованиях и анализе работы промысловых ЭЛОУ считают, что расхождение между теоретическими и экспериментальными данными объясняется не столько плохим смешением пластовой и пресной воды, сколько неправильным представлением о том, что в результате смешения должно происходить «усреднение» содержимого капель соленой и пресной воды. Детальный анализ показал, что процесс обессоливания нефти осуществляется по более сложной схеме, усреднение содержимого капель соленой и пресной воды в нефти не имеет прямого отношения к процессу обессоливания и является побочным процессом. Предлагается основным механизмом обессоливания нефти считать механизм «замещения», т.е. процесс последовательного замещения глобул пластовой воды каплями пресной таким образом, что в конце процесса в нефти останутся в основном капли пресной воды. В этой связи под эффективностью использования пресной воды следует понимать степень участия капель промывочной воды в процессе захвата и извлечения из объёма нефти глобул солёной воды. Степень усреднения содержимого капель не имеет при этом существенного значения.
Предлагаемая технология связана с развитием предпосылок «равных возможностей», согласно которым предполагается, что глобулы пластовой имеют одинаковые диаметры и равномерно распределены в потоке, капли минерализованной и пресной воды имеют равные диаметры и равные возможности к коалесценции; при введении в поток капель пресной воды последние равномерно распределяются среди глобул пластовой воды, и ряд других допущений. При достижении вышеупомянутых условий технология «замещения» действительно должна быть эффективней и интенсивней, чем технология «усреднения». На практике же, в реальных условиях сделанные допущения не соблюдаются, капли пластовой, минерализованной воды во много раз меньше, чем промывочной и они плохо взаимодействуют между собой. В результате коалесцируют, укрупняются и осаждаются лишь крупные капли пресной воды, а капли пластовой воды не «замещаются», остаются в нефти и обуславливают высокое остаточное содержание солей в товарной нефти. В этом случае снижение солей в каплях пластовой воды за счёт технологии смешения и «усреднения» будет иметь существенное значение.
Анализ сути процессов, лежащих в основе технологии обессоливания нефти с применением пресной промывочной воды, показал, что независимо от того объясняются ли они с позиций «усреднения» или «замещения», эти процессы включают в себя такие стадии как перемешивание нефти с пресной водой, коалесценцию капель пластовой и промывочной воды, отстой укрупнившихся капель. Все эти процессы зависят от степени пол и дисперсности образующейся водонефтяной эмульсии и наиболее эффективно осуществляются при монодисперсности последней. Рассмотрим подробнее как зависят указанные процессы от соотношения размеров и просто размеров капель пластовой и пресной воды.
Поскольку наиболее медленно коалесцируют, а, следовательно, и смешиваются мелкие -капли, процесс смешения идёт на стадии коалесценции мелкодисперсной составляющей пластовой воды.
Отсюда видно, что время процесса смешивания слабо зависит от интенсивности его введения, характеризуемого параметром є0. Наиболее сильно это время зависит от средней величины межфазной поверхности, которая определяется размером капель промывочной воды и её расходом.
Анализ величины K(V,W) проведенный в работе /76/ показал, что вероятность коалесценцип капель дисперсной фазы максимальна при равенстве их размеров.
В работе /109/ показано, что применение технологии обессоливания нефти методом «замещения» открывает перспективы значительно снизить расход дефицитной пресной воды и увеличить степень извлечения солей из нефти. Для этого необходимо введение в поток нефти заранее диспергированной пресной воды, при этом капли промывочной воды должны быть равными или чуть меньше глобул минерализованной пластовой. В противном случае практически исключается возможность коалесценции капель двух типов в связи с их разъединением потоками обтекания, возникающими при движении более крупных капель и увлекающих за собой мелкие.
Таким образом, приведённые выше сведения показали, что одними из важнейших факторов, влияющих на эффективность процесса обессоливания нефти, являются размер капель промывочной воды, и её расход, которые определяются способом и устройством ввода промывочной воды в нефть.
Дисперсный анализ эмульсий
Дисперсный анализ эмульсий может быть произведён различными способами: седиментомстрическим, кондуктометрическим, микроскопическим и др. Хотя микроскопический метод и является трудоёмким, его применение для дисперсного анализа углеводородных эмульсий наиболее целесообразно, так как другие методы имеют ряд серьезных недостатков.
Например, наиболее распространённые седиментационные методы, в частности весовой, в применении к углеводородным эмульсиям требуют разбавления последних растворителем, длителен во времени, имеют место ошибки взвешивания, а также низкая воспроизводимость результатов. В этом методе не всегда учитывается погрешность, вносимая флокуляцией и коалес-ценцией капель в процессе седиментации, в результате чего получаемая кривая распределения в большинстве случаев оказывается смещённой в сторону больших размеров капель.
Кондуктометрический метод анализа также продолжителен во времени и требует применения специального набора сменных ампул с микроотверстиями различных диаметров. Общим недостатком рассмотренных методов является длительность как подготовки нефтяной эмульсии к анализу, так и самого проведения анализа/107, 111, 119/.
Проблема, с которой всегда следует считаться при анализе углеводородных эмульсий - это предотвращение коалесценции капель до микроскопического наблюдения. Для этого отобранную пробу углеводородной эмульсии необходимо сразу стабилизировать добавлением различных растворов. Нами были опробованы растворы различных составов и процентных содержаний в зависимости от того, какая именно эмульсия отбиралась для анализа. Чаще всего использовался раствор следующего состава: асфальтены — 0,5%, толуол - 4,5%, вазелиновое масло — 95% /120/.
Далее фотографируют каплю стабилизированной эмульсии через микроскоп, оснащённый микрофотонасадкой и цифровым фотоаппаратом марки Canon. Для устранения коалесценции капель при съёмке не пользуются, естественно, покрывальным стеклом, а в качестве предметного стекла используют гидрофобную плексигласовую подложку.
Оптическая плотность снимаемых эмульсий различна. Для большей достоверности результатов необходимо снятие различных участков эмульсии (особенно грубодисперсных и малоконцентрированных). Оптическая плотность различных участков также отличается друг от друга. В связи с этим возникает проблема точного определения освещённости снимаемого объекта. Для этой цели был использован экспонометр для фотопечати «Фотон-1М». Воспринимающая световой поток, часть прибора приспособлена нами для снятия освещённости с окуляра микрофотонасадки. Величина времени экспозиции при съёмке имеет определённые дискретные значения. Освещённость объекта должна быть также строго определённой, соответствующей времени экспозиции, чего добиваются регулировкой накала лампы осветителя посредством вращения рукоятки реостата трансформатора от импресион-ного осветителя ОЙ-19, а также регулировкой диафрагмы осветителя, которая являє гея полевой диафрагмой микроскопа.
При том же увеличении, что и углеводородную эмульсию, фотографируют и объект-микрометр. Затем получают в одном масштабе увеличения фотографии углеводородной эмульсии и объекта-микрометра. Используя фотографию объект микрометра, изготовляют шаблон, на котором изображаются величины интервалов с их допусками при данной кратности увеличения.
Далее необходимо подсчитать количество капель nh имеющих размеры в пределах х, х х,+ (/=1, М; М — количество интервалов). Прилагая изготовленный шаблон, производят требуемый подсчёт капель по их размерам.
Суммируя по всем областям (в нашем случае фотография одной и той же эмульсии) полученные числа пу — количество капель /-того интервалау -ой области — получают искомые щ. После подсчёта пг находят N, как общее количество учтенных частиц N = п, . Затем определяют процентное содержание Л частиц в каждом заданном интервале x, x xl+l, для чего делят /?,- на общее количество капель N.
Наиболее наглядно результаты анализа можно предоставить в виде дифференциальной кривой распределения, введя понятие о функции распределения. Если в начальный момент времени в единице объёма эмульсии содержится количество частиц dQ с размерами х, х х1+], то функция распределения f(x) = —. Относительное содержание дисперсной фазы в отдельных dx интервалах изображается в виде площади, ограниченной соответствующим участком кривой, осью абсцисс в данном интервале размеров и их ординатами. Вся площадь между кривой и осью абсцисс даёт общее количество частиц всех размеров. Максимум на дифференциальной кривой распределения соответствует наиболее вероятному размеру в исследуемой дисперсной системе /Г11/.
Исследование влияния электропроводности водной фазы на дисперсность получаемой эмульсии
Из выражения (3.4) видно, что размер капелек воды, получаемых при электропульверизации, обратно пропорционален у/ъ. Были проведены экспериментальные исследования по определению зависимости радиуса капель от величин удельной электропроводности воды. Электропроводность воды изменяли путём добавления в неё соли NaCl. При проведении исследований использовались водные растворы соли NaCl с концентрацией 0,1%, 1%, 10%, 25%.
Результаты проведённых исследований показали, что при напряжённо-стях электрического поля Е = 6- 9 кВ/см не обнаруживается определённой зависимости дисперсности эмульсии от электропроводности воды. Начиная с напряжённости электрического поля Е — 10-И 2 кВ/см наблюдается значительное уменьшение среднего арифметического диаметра капель при увеличении электропроводности воды. Результаты экспериментов приведены на рисунках 3.1 и 3.2. Теоретические диаметры рассчитывались по формуле (3.4). Наибольшие различия в значениях диаметров теоретических и экспериментальных данных наблюдаются при максимальной электропроводности дисперсной фазы.
Были проведены исследования по изучению влияния электропроводности дисперсионной среды на дисперсность получаемой при электропульверизации эмульсии. В качестве дисперсионной среды использовали трансформаторное масло, электропроводность которого изменялась путём добавления в него антистатической присадки «Сигбол». Концентрации «Сигбола» в масле составляли 0,01%; 0,1%; 0,5%; 1%. Электропроводность смеси измерялась при помощи тераомметра Е 6-13 и составила соответственно 4 10-12; 3,5 10"10; 4,4 10"9; 0,5 10"8 См/м. Исходя из выражения (3.4) дисперсность получаемой при этом эмульсии не должна зависить от проводимости дисперсионной среды. Результаты проведённых экспериментов (таблица 3.2) подтверждают вышесказанное, устанавливая благоприятный факт индифферентности дисперсности получаемых при электропульверизации эмульсий и электропроводности нефти, а, следовательно, и к сортам нефти.
В рассмотрении статической задачи диспергирования одной крупной капли единичного объёма жидкости на несколько мелких учитываются две основные силы: кулоновская сила электростатического взаимодействия свободных зарядов на поверхности раздела фаз и сила поверхностного натяжения, действующие также на границе раздела фаз. Ясно, что при динамическом рассмотрении решаемая нами задача существенно усложняется за счёт дополнительного воздействия сил стоксовского трения, пондеромоторных сил и др. Тем не менее, величина сил поверхностного натяжения сохраняет своё значение в предопределении дисперсных характеристик эмульсий, получаемых в процессе электропульверизации, что согласуется с полученным нами ранее выражением для радиуса диспергированной капли (3.4).
Было исследовано влияние водорастворимых неионогенных ПАВ-деэмульгаторов дисолван 4411, дипроксамин 157, прогалит НМ 20/40 и АФ 9-12 на удельную электрическую проводимость дистиллированной воды, взятой в качестве модели водной фазы нефтяной эмульсии /127 - 129/. Первые три типа ПАВ представляют собой блоксополимеры окисей этилена и пропилена, АФ 9-12 - моноалкилфсниловый эфир полиэтиленгликоля.
Для экспериментального исследования влияния водорастворимых ПАВ-деэмульгаторов на удельную электрическую проводимость водной фазы был применён метод измерения проводимости при переменном напряжении /22, 58, 113/. Применение этого метода позволяет в значительной мере снизить влияние на результаты измерений таких побочных эффектов, как поляризация электродов и электроочистка жидкости, которые могут сильно исказить результаты при измерении проводимости при постоянном напряжении или по времени разряда конденсатора.
Промысловые испытания и внедрение резуль татов исследований
Результаты лабораторных исследований, приведенные в разделах 2 и 3 настоящей работы, показали, что использование электропульверизирующего аппарата совместно с поверхностно-активными веществами обеспечивают высокую эффективность и экономичность процесса обессоливания нефги с получением товарной нефти, отвечающей требованиям ГОСТ Р 51858-2002. В качестве объекта для промышленного внедрения была выбрана установка подготовки высокосернистой нефти НГДУ «Ульяновскнефть» объединения «Русснефьь».
УПВСН предназначена для подготовки высокосернистой угленосной нефти, физико-химическая характеристика которой приведена в таблице 4.1. Промысловые испытания проводились без изменения материальных потоков и основных режимных параметров подготовки высокосернистой нефти. В период проведения испытаний был осуществлен авторский надзор за организацией и ведением технологического режима работы установки, а также за анали гическим контролем процесса подготовки нефти.
Аппарат состоит из корпуса, представляющего собой металлическую трубу внутренним диаметром 305 мм и являющегося внешним заземлённым электродом ЭПА; внутреннего высокопотенциального электрода, изготовленного из латунного стержня диаметром 127 мм; перфорированного полиэтиленового экрана внутренним диаметром 210 мм, внешним 225 мм, длиной 400 мм; патрубков для ввода обрабатываемой исходной водонефтяной эмульсии и промывочной воды и вывода готовой нефти с пресной водой.
Принципиальная технологическая схема УПВСН «Северная» НГДУ «Ульяновскнсфть» приведена на рисунке 4.2. Установка работает следующим образом. Высокосернистая нефть обводнённостью 45-50% после предварительного сброса воды и сепарации поступает в печи нагрева, где происходит её нагрев до 55-60С. Далее нефть двумя параллельными потоками поступает на ступень обезвоживания, включающую горизонтальные отстойники ОГ-1-Ы, где происходит обезвоживание нефти. Содержание воды в обезвоженной нефти составляло 0,09 - 0,12%, солей до 300 мг/л. Обезвоженная нефть поступает на ступень обессоливания, состоящую из двух параллельно работающих блоков. Расход нефти по каждому блоку составлял в среднем 130 м /час. Ступень обессоливания в каждом блоке состоит из последовательно смонтированных электрокоалесцирующей установки ЭКУ-3000, кап-леобразователя и горизонтального отстойника емкостью 160 м (ОГ-3 и ОГ-4). Пресная промывочная вода с температурой 20С под избыточным давлением 0,9-1 МПа подавалась перед электрокоалесцирующими аппаратами через гидродинамические диспергаторы с расходом до 18м /час на каждый блок. Содержание хлористых солей в нефти на выходе из установки составляло в среднем 120 - 130 мг/л.
Электропульверизирующий аппарат ЭПА-3000 был смонтирован в первом блоке вместо гидродинамического диспергатора. Контроль за параметрами процесса обессоливания нефти производился путём отбора и анализа проб нефти в точках: на выходе из горизонтальных отстойников; после подачи промывочной воды (после ЭПА и диспергатора); на выходе из электрокоалесцирующих установок. Отбор проб осуществлялся 6 раз в сутки через 4 часа. Содержание солей в пробах определялось по ГОСТ 21534-76, воды - по ГОСТ 2477-65. Контроль электрических параметров осуществлялся по показаниям вольтметров и амперметров в цепях питания электропульверизирующего устройства. Результаты промысловых испытаний приведены на рисунках 4.3 и 4.4.
По результатам испытаний видно, что использование технологии обессоливания нефти с применением электропульверизирующего аппарата ЭПА-3000 позволило получить товарную нефть с содержанием воды и солей, соответственно, до 0,5% масс, и 70 мг/л в различных технологических режимах. Кроме того при этом удалось снизить расход промывочной воды более чем в два раза.
Похожие диссертации на Разработка технологии обессоливания нефти на нефтепромыслах
