Аннотация

Изучение природы высокоустойчивых водно-нефтяных эмульсий и разработка методов предотвращения их образования или разрушения является актуальной задачей для добывающих предприятий, т.к. это позволит увеличить объем подготовленной товарной нефти, при этом сократив финансовые потери, связанные с утилизацией некондиционной нефти, ее переподготовкой и дополнительными затратами на очистку оборудования от накопленного промежуточного слоя. В работе рассмотрен опыт воздействия магнитного поля на высокоустойчивые водно-нефтяные эмульсии.

Ключевые слова: водно-нефтяные эмульсии, промежуточный слой, электромагнитное поле, подготовка нефти.

Abstract

The exploring of the nature of highly resistant water-oil emulsion and the development of methods to prevent their formation or destruction is relevant objective for oil production enterprise since this will increase the volume of prepared commercial oil, while allows reducing the financial losses associated with the disposal of substandard oil, oil retreatment and additional expenses for cleaning equipment from the accumulated intermediate layer. The paper describes the experience of the effect of electromagnetic fields on highly resistant water-oil emulsion.

Keywords: water-oil emulsion, intermediate layer, electromagnetic fields, oil treatment.

В процессе добычи нефти и совместного движения ее с пластовой водой образуются устойчивые нефтяные эмульсии с различным содержанием в ней воды. Они возникают из-за фильтрации и проникновения пластовой воды в призабойную зону добывающих скважин, смешения нефти и воды при движении по стволу скважины, интенсивного гидродинамического воздействия рабочих органов электропогружных и штанговых насосов, турбулизации потока в скважинной арматуре, разгазирования нефти при подъеме на поверхность. При отстаивании водонефтяных эмульсий в резервуарах первичной установки подготовки нефти (УПН) образуются так называемые «промежуточные слои» между отделившимися слоями свободной нефти и воды.

Промежуточный слой — это высокостойкие множественные нефтяные эмульсии с высоким содержанием воды и механических примесей, а также высокомолекулярных асфальтенов и парафинов. На границе раздела фаз «вода-нефть» происходит накопление промежуточного эмульсионного слоя (ловушечная нефть) с высокой агрегативной устойчивостью. Высокая стабильность промежуточных эмульсионных слоев обусловлена повышенным содержанием асфальтенов, смол и механических примесей на границе раздела фаз, и которые образуют защитную пленку (бронирующий слой).

Присутствие и накопление промслоя в аппаратах установки подготовки нефти (УПН), резервуарах, приводит к срыву подготовки нефти до необходимой группы качества. Надежных способов разрушения промежуточных эмульсионных слоев не существует, и в промысловой практике для утилизации их накапливают в специальных емкостях или в резервуарах водоподготовки с последующей дозировкой в голову процесса или в товарную нефть, что осложняет технологический процесс подготовки нефти и ухудшает качество товарной продукции. С целью предотвращения чрезмерного накопления промежуточного слоя в отстойной аппаратуре их периодически сбрасывают в пруды  – шламонакопители. Возьмем, к примеру, среднестатистический пруд. Объем нефтешлама в нем составляет 8874 м³, а количество нефти – 1457 т. Более того он занимает территорию площадью 3782 м². Наличие таких амбаров-шламонакопителей вызывает не только экономические, но и экологические проблемы.

Основными способами разрушения водно-нефтяных эмульсий на промыслах в настоящее время являются либо подача деэмульгатора, либо срез промслоя и подача его вновь на подготовку в отстойники нефти. Первый метод требует высоких экономических затрат за счет стоимости деэмульгатора, второй – недостаточно эффективен.

Предлагаемое мной решение – воздействие сверхвысокочастотного электромагнитного поля (СВЧ ЭМ) на высокоустойчивые водно-нефтяные эмульсии, в частности применение магнетронов.

Магнетрон — это мощный электронный прибор, генерирующий микроволны при взаимодействии потока электронов с электрической составляющей поля СВЧ в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Причиной разделения нефтяной эмульсии в постоянном магнитном поле, является различная магнитная восприимчивость воды и компонентов нефти, вследствие чего возникает разность потенциалов, появляется движущая сила и наблюдается расслоение.

Устройство для СВЧ-деэмульсации нефти работает следующим образом.

При накоплении промежуточного слоя в резервуаре на УПН его откачивают с помощью насосного агрегата и направляют в трубу модуля СВЧ-обработки до полного ее заполнения. После этого включаются генераторы СВЧ-энергии и за счет работающего насоса нефть поступает в блок коалесценторов через открытую в момент подачи СВЧ-энергии выходную задвижку (рис.1).

Рис.1 Принципиальная технологическая схема для СВЧ-деэмульсации высокоустойчивых водно-нефтяных эмульсий.

1 – Резервуары, 2 – двухвинтовой насос, 3 – СВЧ-генератор, состоящий из блока управления и индуктора установки.

Молекулы воды обладают дипольным моментом, а нефть нет, поэтому глобулы воды нагреваются сильней и этот выборочный нагрев создает температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водной фаз. Второй фактор воздействия микроволн связан с поверхностно-активными веществами, молекулы которых имеют поляризованный и неполяризованный концы, связывающие нефть и воду. Со стороны электромагнитного поля воздействие испытывает только дипольная часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру эмульсии. Эти два фактора разрушают стойкие эмульсии и отсутствуют в других установках.

Все элементы легко заменяются и ремонтируются. В качестве генератора СВЧ-энергии применяется индуктор магнитной установки, изготовленный по примеру существующей установки УМП-108-014 ОАО, разработанной по заданию «Белкамнефть». Индуктор состоит из магнитопровода, изготовленного из трансформаторного железа, между полюсами которого помещена труба из нержавеющей стали. Внутри трубы размещена вставка из трансформаторного железа- магнитный сердечник. Для возбуждения магнитного поля на полюса надеты катушки из провода диаметром 1,2 мм по 400 витков. Индуктор соединяется с блоком управления двухжильным кабелем. Либо возможно использование недорогих, серийно выпускаемых магнетронов с большим сроком службы. В модуле СВЧ-обработки отсутствуют нагревающиеся поверхности, ухудшающие характеристики нефти. Нет газовых горелок, что делает установку экологически чистой.

Так как промежуточный слой обладает высокой вязкостью, то для его перекачки выбран двухвинтовой нефтяной насос, производительностью 5,0 м3/ч. Производительность насоса выбрана, исходя из времени перекачки эмульсии, оно не должно превышать 24 ч. Мощность СВЧ-установки в таком случая будет составлять 25 кВт.

Установка проста и легка в обслуживании, предусматривает возможность наращивания мощности, а тем самым увеличения производительности и глубины разделения фаз за счет увеличения до необходимого количества источников СВЧ-энергии.

Стоит отметить, что применение электромагнитного поля для разделения водно-нефтяных эмульсий  имеет опыт промышленного назначения.

Чтобы показать экономическую целесообразность был произведен расчет количества нефти, получаемой при разделении высокоустойчивой водно-нефтяной эмульсии.

На УПН применяются преимущественно резервуары типа РВС – 5000. С учетом технических характеристик резервуара, его размеров и средней высоты промежуточного слоя (1 м) в данных резервуарах вычислен объем промежуточного слоя в резервуаре, который составляет 381 м³. Принимая среднее значение обводненности промслоя – 70%, вычислим объем нефти – 114 м³. Тогда примем, что ежесуточно, пройдя СВЧ-обработку, мы возвращаем в процесс подготовки 14 т нефти.

Стоимость оборудования для СВЧ-обработки взята из свободных ресурсов и составляет 1800$. Расчетный период принят 2021-2040 гг.

Расчет основных экономических параметров мероприятия производился в актуальной экономической модели Компании (версия 2.25): CAPEX – 144 тыс. руб., OPEX – 23 млн. руб., NPV – 441 млн. руб., DPI – 4024,7.

Согласно проведенному исследованию, воздействие сверхвысокочастотного электромагнитного поля (СВЧ ЭМ) на высокоустойчивые водно-нефтяные эмульсии, позволит максимально эффективно обрабатывать эмульсии и получать значительное количество товарной продукции.

К преимуществам предлагаемого решения можно отнести:

­        Снижение вероятности срыва процесса подготовки нефти, повышая ее эффективность;

­        Снижение потерь нефти;

­        Улучшение экологической и снижение пожароопасной обстановки при подготовке промежуточного слоя;

­        Устройство многоразового использования;

­        Возможность встраивания в любой технологический процесс;

­        Предлагаемое решение экономически целесообразно.

Список используемых источников информации

1. Фатыхова А.А., Ямалиев В.У. Проблемы промежуточных слоев в нефтесборных резервуарах.// Сетевое издание «Нефтегазовое дело».// г. Уфа – 2019 г.- №4. — с. 228-241.

2. Чайков Л.Л., Кривохижа С.В., Лаптева Е.С. Устройство для разделения эмульсии полем СВЧ. Описание полезной модели к патенту RU106130 U1 от 17.03.2010. Патентообладатель: ООО «Гранат».

3. Ильин С.Н., Бекишов Н.П. Модульная СВЧ-установка для обезвоживания и обессоливания нефти. Описание изобретения к патенту RU2338775 С1 от 15.05.2008. Патентообладатель: ООО «БИГ-96».

4. Ермеев А.М., Елпидинский А.А. О применении магнитного поля в процессах разрушения водонефтяных эмульсий. Вестник Казанского технологического университета, 2013г.