Алексей Деньгаев, Андрей Геталов, Владимир Вербицкий, Марат Фархутдинов (РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, г. Москва, Россия)
Доклад на международной научно-технич. конф. Geopetrol 2018. - Закопане, Польша. – Сб. Geopetrol 2018
Вступление нефтяных месторождений в позднюю стадию разработки характеризуется значительным обводнением пластов и скважинной продукции. Причинами образования водонефтяных эмульсий являются фильтрация и прорыв пластовой воды в призабойную зону добывающих скважин, смешение нефти и воды при движении в пласте-коллекторе и по стволу скважины, интенсивное гидродинамическое воздействие рабочих органов электропогружных и штанговых насосов, турбулизация потока в лифте и в системе сбора, а также разгазирование нефти при подъеме на поверхность.
Для разрушения водонефтяных эмульсий требуются высокие температуры нагрева, повышенные дозировки деэмульгатора, длительное время отстаивания. Эти методы характеризуются высокими эксплуатационными и капитальными затратами, металлоёмкостью процесса, а также нестабильным эффектом по разделению эмульсий. Поэтому актуальными задачами являются совершенствование существующих и разработка новых эффективных методов разделения устойчивых эмульсий. Перспективным направлением для разделения устойчивых водонефтяных эмульсий является применение ультразвукового воздействия. Известно, что под влиянием акустических волн между частицами возникают силы притяжения и отталкивания, колебательные осцилляции. В настоящее время ультразвук широко применяется для ускорения процессов растворения, эмульгирования, получения суспензий. Ультразвуковые колебания обеспечивают сверхтонкое диспергирование, многократно увеличивая межфазную поверхность компонентов. Установлено, что ультразвуковые волны способствуют протеканию и обратных процессов — разделению компонентов на отдельные фазы [1, 2, 3].
С целью испытания ультразвукового воздействия на продукцию скважин сотрудниками ООО «НПО» Волна» и РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина были проведены испытания на образцах водонефтяных эмульсий ряда месторождений.
Известно, что факторами стабильности эмульсий являются: наличие асфальтенов; обводненность; температура среды; наличие механических примесей; минерализация воды и пр. В связи с тем, что использовалась нефть и вода с интересующих объектов, то авторами были изучены промысловые пробы с целью определения дисперсности глобул воды для обоснования способа и времени формирования модельных смесей в лабораторных условиях. К примеру, при обводненности 30% средний размер глобул воды в пробе, отобранной на устье скважины, одного из месторождений Западной Сибири, составил 1,9 мкм и гравитационное разделение таких эмульсий невозможно.
Дальнейшие эксперименты по изучению влияния ультразвукового воздействия на водонефтяные эмульсии проводились при 30%-ной обводненности, при этом время формирования эмульсии при помощи лопастной мешалки составляло 5 минут (скорость вращения мешалки составляла 6000 об/мин).
Для проведения и визуализации опытов по изучению поведения водонефтяных эмульсий в статическом и динамическом режимах (ламинарный и турбулентный режимы) на различных частотах и интенсивностях УЗ волны были спроектированы ряд установок класса МИКРО (рисунок 3-4). Установка представляет собой камеру с установленным сменным пъезокерамическим диском с собственными частотами от 17кГц до 58 кГц размещенным в корпусе из пластмассы, изготовленной на 3D принтере и собранный по планарной схеме. При этом колебания диска передаются на предметные стекла, между которыми с помощью перистальтического насоса прокачивается модельная водонефтяная эмульсия. При увеличении амплитуды колебаний возникают локальные гидродинамические течения между предметными стеклами, имитирующие турбулентный гидродинамический поток эмульсии. Установки позволяют проводить инструментальные и визуальные измерения протекающих физических процессов в водонефтяных эмульсиях, с добавлением и без добавления деэмульгаторов.
В ходе экспериментов по определению эффективной частоты ультразвукового воздействия на водонефтяные эмульсии среди рассмотренного диапазона частот является частота 42 кГц. Так при больших скоростях движения глобул увеличивается вероятность их столкновения, а, следовательно, и скорость коагуляции. Однако, дальнейший рост параметров может привести к кавитационным эффектам и при этом вероятны отрицательные процессы, которые приведут к диспергации глобул воды и соответственно к росту устойчивости эмульсий.
19,4 кГц 
37,38 кГц 
42,24 кГц
В дальнейшем были проведены исследования по определению влияния времени акустического воздействия на эффективность разрушения водонефтяных эмульсий. Данное исследование проводилось на частоте 42,24 кГц, так как именно эта частота является наиболее эффективной. Время ультразвукового воздействия составляло 2 минуты. При этом с помощью камеры, установленной на микроскоп, производилось фотографирование водонефтяной эмульсии каждые 10 секунд. Микрофотографии приведены на рисунке 6. Затем данные фотографии обрабатывались в программе «Структура 5.2» с целью определения среднего диаметра глобул. Результаты обработки микрофотографий приведены на рисунке 7.
При достижении времени воздействия 90 секунд наблюдались процессы седиментации, что технически не позволили корректно замерить размер скоагулировавших глобул воды.
Проведенные эксперименты позволили определить поведение глобул воды при ультразвуковом воздействии и определить физику процесса разделения водонефтяных эмульсий в акустическом поле, которую можно описать в следующими основными этапами (рисунок 8):
- Под действие акустического поля возрастает уровень внутренних колебаний глобул воды и повышается возможность их столкновения;
- Глобулы воды приобретают резонансную энергию, что приводит к колебаниям поверхностей глобул и дальнейшей их коагуляции;
- При коалесценции глобул воды (увеличении их размера) происходит седиментация и расслоение эмульсии.
Далее проводились эксперименты при добавлении деэмульгатора с целью определения влияния ультразвукового воздействия на процесс деэмульсации водонефтяной эмульсии. В ходе лабораторных опытов было установлено сокращение времени разрушения эмульсии от 2 до 3 раз в зависимости от уровня обводненности эмульсии.
В качестве примера приведем разделение водонефтяной эмульсии с обводненностью 60% при помощи гравитационного и ультразвукового разделения фаз при добавлении деэмульгатора при идентичных условиях (рисунке 9 – 10).
По результатам проведённых экспериментов определено положительное влияние ультразвукового излучения на разделение водонефтяных эмульсий. Определены пороговые значения акустического воздействия, с целью предотвращения кавитационных эффектов. Изучено совместное использование деэмульгаторов с ультразвуком и выявлено сокращение времени разделения по сравнению с гравитационным отстаиванием.
Полученные результаты позволяют:
— разработать мобильные комплексы для разделения продукции в непосредственной близости от добывающих скважин (мини УПСВ);
— сократить нагрузку на систему сбора скважинной продукции;
— уменьшить объемы используемых деэмульгаторов;
— повысить эффективность подготовки нефти.
Список используемых источников:
- Афанасьев Е.С., Римаренко. Б.И., Ясьян Ю.П. Влияние ультразвукового воздействия на процесс разрушения водонефтяных эмульсий // Нефтепереработка и нефтехимия. 2009. №9. стр. 39 – 41.
- Дворецкас Р.В., Курагин Д.В. Разрушение стойких водонефтяных эмульсий ультразвуковым методом // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых. 2015. №1. стр. 107 – 110.
- Хуснутдинов И.Ш., Заббаров Р.Р., Ханова А.Г., Николаев В.Ф., Скворцова Г.Ш. Технологии переработки высокоустойчивых водоуглеводородных эмульсий: монография. Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. 180 стр.
