Перспективы использования ультразвукового воздействия в процессе подготовки нефти на Приобском месторождении

А.В. Деньгаев, В.С. Вербицкий, И.Т. Мищенко, А.А. Геталов, Б.В. Саргин, И.В. Грехов, А.В. Богданов, С.А. Тарасевич, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, ООО «НПО «Волна», ООО «Газпромнефть НТЦ»

Журнал «Нефтяное хозяйство» 03'2020

Одним из важных технологических процессов в области нефтедобычи является промысловая подготовка нефти, основная задача которой – разрушение и обезвоживание водонефтяной эмульсии (ВНЭ) [1–4]. Простые гравитационные или электро-коалесцентные установки разделения довольно дорогостоящие и металлоемкие. Наиболее распространенным промышленным методом разрушения ВНЭ в настоящее время является химическая деэмульгация с добавлением поверхностно-активных деэмульгаторов (часто импортных). Однако применение химических методов затратно и не позволяет в необходимой мере ускорить процесс разрушения эмульсий. В связи с этим разработка новых методов разрушения ВНЭ, основанных на применении физических полей, представляет собой актуальную задачу.

Специалистами ООО «НПО «Волна», РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина и ООО «Газпром- нефть НТЦ» по заказу ПАО «Газпром нефть» были проведены исследования по увеличению скорости разрушения ВНЭ, которые основаны на воздействии на эмульсию акустическим полем. Появление технологий с управляемыми акустическими многочастотными (ультразвуковыми) полями заданной амплитуды [5, 6] позволяет решить ряд важных научно-технических задач при промысловой подготовке нефти. Для проведения лабораторных испытаний по определению влияния ультразвукового воздействия (УЗВ) на разделение ВНЭ по заказу ПАО «Газпром нефть» разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, на которых выполнены испытания в условиях квазистатических и динамических гидравлических режимов. Рассмотрим результаты испытаний на примере одного из крупных нефтяных месторождений России – Приобского.

Основной целью работы являлось определение физических параметров, влияющих на кинетику выделения воды из ВНЭ при воздействии многочастотными акустическими полями, а также оценка эффективности предлагаемого метода по сравнению с традиционным гравитационным методом. При проведении экспериментов дополнительно оценивалась возможность многочастотных акустических ультразвуковых (УЗ) полей разрушать ВНЭ при снижении концентрации используемого деэмульгатора.

Для моделирования ВНЭ использовались пробы пластовых нефти и воды Приобского месторождения, которые перемешивались верхнеприводной лопастной мешалкой при частоте вращения 3000 мин-1 в течение 60 мин. Объем готовой продукции составлял 1 л. Впоследствии в течение 60 мин определялось агрегатное состояние эмульсии, в частности, при помощи микрофотографий. При отсутствии границ раздела между фазами приступали к лабораторным опытам с эмульсией. На рис. 1 представлена кинетика отделения воды при воздействии на ВНЭ (соотношение количества вода:нефть – 50:50) УЗ полем с основной частотной гармоникой 21 кГц. При этом в контрольные образцы был добавлен деэмульгатор из расчета 43 г/т, что соответствует условиям подготовки нефти на месторождении. Температура в первом случае была ниже температуры отстоя (38–40 °С) и составляла 30 °С, во втором случае соответствовала базовой температуре (40 °С).

Из рис. 1 видно, что воздействие УЗ поля способствует укрупнению водяных глобул и их дальнейшему осаждению. Данный процесс существенно зависит от температуры. Отмечается порог максимального количества выделившейся воды без применения деэмульгатора, который для температуры 30 °С составил 37 %, а для температуры 40 °С – 53 %. После прекращения УЗВ процесс слияния глобул прекращается, и доля отделившейся воды остается примерно постоянной.

С ростом обводненности ВНЭ и времени УЗВ пороговое значение максимального водоотделения увеличивается нелинейным образом. Можно предположить, что в резонансные колебания в первую очередь вовлекаются наиболее крупные по размерам водяные глобулы, а пороговое значение максимального водоотделения связано с минимальными размерами водяных глобул. Нефть является для акустической УЗ волны диссипативной средой, поэтому резонансные колебания, начиная с определенных размеров водяных глобул, прекращаются. Требуется либо повышение температуры (снижает вязкость и диссипативные свойства нефти), либо введение деэмульгатора. Если принять эту модель за основу, то понятным становится фиксируемый тренд повышения порога максимального водоотделения при росте обводненности ВНЭ, в этом случае количество крупных водяных глобул увеличивается. Кроме того, отмечено, что различный спектральный состав УЗВ существенно влияет на качество отделившейся воды, что также требует дополнительного исследования. На рис. 2 представлен многочастотный спектр УЗВ.

В проведенных авторами исследованиях наибольший интерес представляет совместное действие многочастотных акустических УЗ полей и химических методов разрушения ВНЭ путем введения деэмульгатора. Во время лабораторных исследований задавались различные параметры, в частности, температура, концентрация деэмульгатора, время и спектральный состав (частота) УЗВ, обводненность эмульсии.

В качестве примера приведем результаты УЗ обработки модельной ВНЭ обводненностью 50 % при температуре 35 °С (рис. 3). В ходе экспериментов использовался ряд частот УЗ колебаний – 12, 21 и 36 кГц. После определения оптимального спектра УЗ колебаний дальнейшие опыты проводились при частоте излучения, равной 21 кГц. Мощность УЗВ и гидравлический режим, который создавался лопастной мешалкой, во всех опытах были одинаковыми, причем мощность УЗВ оценочно составляла 10 Вт на 1 л ВНЭ.

Одним из важнейших с точки зрения производственного процесса параметров является время экспозиции. При температуре эксперимента выше 35 °С оптимальное время воздействия составило 30 с, однако при снижении температуры до 30 °С требуемый эффект достигался при длительности УЗВ не менее 60 с. При снижении расхода деэмульгтора с 21 до 13 г/т значительно ухудшалась динамика отделения воды: при этом требовалось существенное увеличение времени экспозиции вплоть до 180 с.

Таким образом, получены следующие результаты проведенных исследований.

1. Подтверждена возможность повышения эффективности разделения ВНЭ за счет формирования в них управляемых акустических многочастотных полей заданной амплитуды.
2. Действие акустических полей дает возможность снизить расход деэмульгатора в 2–3 раза по сравнению с текущими нормами и температуру.
3. Определены основные факторы, способствующие решению важных производственных задач: уменьшение нормы ввода деэмульгатора; сокращение времени процесса подготовки нефти в зависимости от температуры; возможность реализации деэмульгации при более низких температурах.
4. Использование УЗВ позволяет повысить производительность действующих дожимных насосных станций, а также значительно снизить капитальные вложения в оборудование объектов первичной подготовки нефти на новых объектах на суше и шельфе.
   

Исходя из результатов проведенных лабораторно-стендовых исследований запланировано проведение опытно-промышленных работ на Приобском месторождении (ООО «Газпромнефть-Хантос»).

Список литературы

1. Афанасьев Е.С. Факторы стабилизации и эффективность разрушения водонефтяных эмульсий: дис. … уч. степ. канд. техн. наук. – Астрахань: Кубанский государственный технологический университет, 2013. – 185 с.
2. Верховых А.А., Вахитова А.К., Елпидинский А.А. Обзор работ по воздействию ультразвука на нефтяные системы // Вестник Казанского технологического университета. – 2016. – Т.19. – № 8.
3. Глущенко В.Н. Обратные эмульсии и суспензии в нефтегазовой промышленности. – М: Интерконтакт, Наука, 2008. – 725 с.
4. Деньгаев А.В., Геталов А.А., Вербицкий В.С. Применение акустических методов разделения водонефтяных эмульсий // В сб. докладов Международной научно-технической конференции Geopetrol 2018. – Закопане, – С. 647–652.
5. Пат. 2540608 РФ, B01F 3/00 Способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред / А.А. Геталов; заявитель и патентообладатель А.А.Геталов. – № 2013155249/05; заявл. 13.12.13; опубл. 10.02.15.
6. Пат. 2551490 РФ, B01J 19/10, B01F 11/02 Способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред и расположенных в среде объектов / А.А. Геталов; заявитель и патентообладатель А.А. Геталов. – №2014117923/05; заявл. 06.05.14; опубл. 27.05.15.

References

1. Afanas’ev E.S., Faktory stabilizatsii i effektivnost’ razrusheniya vodoneftyanykh emul’siy (Facts of stabilization and the effectiveness of the destruction of oilwater emulsions): thesis of candidate of technical science, Astrakhan, 2013.
2. Verkhovykh A.A., Vakhitova A.K., Elpidinskiy A.A., Overview of the effects of ultrasound on oil systems (In Russ.), Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2016, V. 19, no. 8, pp. 37-42.
3. Glushchenko V.N., Obratnye emul’sii i suspenzii v neftegazovoy promyshlennosti (Inverse emulsions and suspensions in the oil and gas industry), Moscow: Interkontakt — Nauka Publ., 2008, 725 p.
4. Den’gaev A.V., Getalov A.A., Verbitskiy V.S., Primenenie akusticheskikh metodov razdeleniya vodoneftyanykh emul’siy (The use of acoustic methods for the separation of oil-water emulsions), Proceedings of International Scientific and Technical Conference Geopetrol 2018, Zakopane, 2018, pp. 647–652.
5. Patent no. 2540608 RF, B01F 3/00, Method for ultrasonic cavitation treatment of liquid media, Inventor: Getalov A.A.
6. Patent no. 2551490 RF, B01J 19/10, B01F 11/02, Method of ultrasonic cavitation processing of fluids and objects placed therein, Inventor: Getalov A.A.