Способ ультразвуковой диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии
METHOD OF ULTRASONIC DISPERSION OF DEMULSIFIER IN OIL-WATER EMULSION

Изобретение относится к области обработки водонефтяных эмульсий (ВНЭ), в частности к способам, обеспечивающим разделение водонефтяных эмульсий с использованием диспергирования деэмульгатора при помощи ультразвукового(УЗ) воздействия.
Деэмульгаторы широко применяются для разделения водонефтяных эмульсий, в частности, в сочетании с нагреванием и перемешиванием, для улучшения распределения деэмульгатора в объеме эмульсии. Во многих областях техники для смешивания и диспергации веществ в жидкой фазе широко используется ультразвук, одним из наиболее эффективных и широко используемых является режим акустической кавитации.
Известен способ «Способ ультразвукового обессеривания ископаемых топлив в присутствии диалкиловых эфиров» (патент на изобретение RU № 2287551, опубликован 20.11.2006 г. МПК: C10G 29/22 и G 32/00), согласно которому обрабатываемую многофазную среду пропускают через ультразвуковую камеру в непрерывном проточном режиме в которой ультразвук воздействует на многофазную реакционную среду в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать превращение сульфидов в содержащем сульфиды жидком ископаемом топливе в сульфоны.
Анализ материалов данного аналога показывает, что для получения эффективной реакции требуются относительно высокие температуры (от 50 градусов и выше), достаточно точную дозировку смешиваемых химических реагентов, присутствие катализаторов. Для обработки больших объемов воднефтяных эмульсий в условиях месторождений применение данного способа весьма затруднительно и требует больших капитальных и стоимостных затрат.
Так же известен способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия (патент RU № 2535793, опубликован 20.12.2014 г, МПК: C10G 33/02), который включает процесс обработки эмульсии деэмульгатором, ультразвуком, процесс отстаивания, а также предварительное определение оптимального уровня удельной акустической мощности ультразвука. Общими с заявляемым способом признаками является обработка водонефтяной эмульсии деэмульгатором и ультразвуком. Однако применение способа требует первоначального определения ряда частот, которые действуют на разные по размерам водяные глобулы и последовательная обработка водонефтяной эмульсии на найденных частотах, при этом отстаивание эмульсии происходит при УЗ-воздействии, что приводит к существенному увеличению общего времени обработки, и недостаточно эффективно при обработке больших объемов водонефтяных эмульсий.
Важным доказанным результатом данного способа является обоснование эффективности многочастотного воздействия для разделения эмульсий, но поскольку при обработке используются стержневые УЗ возбудители колебаний, являющиеся линейными (то есть работающими на одной частоте приборами) резонансными системами [4, 5, 8], требуется последовательная обработка эмульсии на разных частотах. Увеличению времени до 120-240 мин способствует то, что УЗ воздействие происходит на этапе гравитационного отстаивания. Это требует наличия в технологической цепи отстойников типа РВС большого объема.
Следовательно данное решение требует существенного увеличения затрат на оборудование и длительное время УЗ обработки, что ограничивает применение данного способа на практике.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Способ разделения водонефтяной эмульсии с применением УЗ воздействия (патент на изобретение № 2568980, опубликован 20.05.2015 г., МПК B01D 17/04, C02F 1/36, C10G 33/00), который включает в себя предварительное определение оптимальных частот ультразвукового воздействия в зависимости от размера капель воды в эмульсии, позволяющие достичь минимальной доли воды в нефти, а обработку эмульсии проводят с изменением оптимальной частоты ультразвукового воздействия в зависимости от изменения размера капель воды в процессе обработки.
Данный способ является развитием патента-аналога RU № 2535793 в той части, что предварительный подбор оптимальных частот УЗ воздействия позволил сократить время отстаивания с ~120 мин до ~55 мин при поэтапной обработке эмульсии на разных частотах. Этапы обработки начинаются с высоких частот (~1000 кГц) и последовательно снижаются до частот (~32 кГц), что приводит к последовательному укрупнению и выпадению капель воды.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности разделения водонефтяной эмульсии и ускорению процесса сепарации водонефтяной эмульсии по сравнению с гравитационным отстаиванием.
Недостатками данного способа является необходимость больших объемов резервуаров гравитационного отстаивания (резервуары РВС), высокие температуры нагрева водонефтяной эмульсии, большая доля вводимого деэмульгатора для получения эффекта. Последовательный процесс ультразвуковой обработки эмульсии (с более высоких частот до относительно низких), связанный с коагуляцией глобул воды, требует дополнительных аппаратурных (стержневые УЗ излучатели) и временных затрат.
Техническими проблемами, на решение которых направлено настоящее изобретение, является снижение доли вводимого деэмульгатора, уменьшение влияния температуры эмульсии на процесс разделения «нефть-вода» и сокращение времени разделения фаз.
Для этого, в заявляемом способе, осуществляется формирование, в процессе транспортировки водонефтяной эмульсии, одновременного многочастотного ультразвукового воздействия после ввода деэмульгатора, в течение заданного времени, которое определяется опытным путем, что приводит к решению технических проблем, указанных выше.
Указанные технические проблемы решаются за счет использования способа разделения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия, включающий подачу деэмульгатора и обработку эмульсии многочастотным ультразвуком с предварительным подбором спектра воздействия и необходимого временного интервала для получения оптимального размера капель воды, при этом многочастотный спектр акустической волны в водонефтяной эмульсии после ввода деэмульгатора создается за счет формирования вынужденных колебаний цилиндрической магистральной трубы, по которой протекает водонефтяная эмульсия, а для создания вынужденных колебаний трубы предварительно определяют периметр смачивания по жидкой фазе, частотный спектр колебаний трубы с протекающей водонефтяной эмульсией, выделяют одну главную и несколько боковых резонансных частот и соответствующие им формы колебаний трубы в зоне периметра смачивания, определяют местонахождение пучностей для установленных форм колебаний, где размещают источники ультразвуковых колебаний, имеющих рабочие частоты, равные частоте главной и боковых гармоник, а длину участка ультразвукового воздействия определяют заданным показателем водоотделения для данного типа эмульсии и деэмульгатора и определяется по установленной формуле, для набора необходимого времени коагуляции водяных глобул.
Достигаемый технический результат заключается в создании вынужденных колебаний цилиндрической магистральной трубы, по которой протекает эмульсия, за счет формирования многочастотного спектра при нелинейных колебаниях магистральной трубы и необходимого времени ультразвукового воздействия.
Предлагаемое изобретение позволяет проводить многочастотную ультразвуковую обработку эмульсии на внутрипромысловых и магистральных трубопроводах, трубопроводах объектов подготовки нефти, при этом набирается необходимый временной интервал для получения и выпадения (коагуляции) капель воды, а многочастотный спектр акустической волны в водонефтяной эмульсии создается за счет формирования вынужденных колебаний цилиндрической магистральной трубы, по которой протекает водонефтяная эмульсия, то есть в динамике, а не на этапе отстаивания, как это предложено в прототипе, при этом для формирования одновременного многочастотного спектра используются свойства нелинейных колебаний самой магистральной трубы при точечных вынужденных колебаниях /1-3/.
Физическая основа данного патента заключается в эффективной диспергации вводимого деэмульгатора за счет действия многочастотного акустического поля в жидкой фазе эмульсии при ее транспортировке по трубопроводу. Амплитуда акустической волны, как и в прототипе, не должны превышать порога образования стойких прямых эмульсий.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен пример верификационных расчетов (программа SCAD) собственных колебаний незаполненной цилиндрической оболочки, свободно опертой на торцах (1 форма колебаний), на Фиг. 2 - расчетный и реальный многочастотный спектр нелинейных колебаний трубы, на Фиг. 3 - реальный многочастотный спектр колебаний трубы в диапазоне частот до 300 кГц (докавитационный режим колебаний), на Фиг. 4 - расположение возбудителей УЗ колебаний в зоне периметра смачивания магистральной трубы, на Фиг. 5 - зависимость кинетики выпадения воды W(%) от времени УЗ воздействия в лабораторных опытах при выходе на уровень разделения эмульсии W=>93% (В/Н=67%, Т=40°С, норма ввода ДЭ=50%), на Фиг. 6 - зависимость кинетики выпадения воды W (%) при действии УЗ обработки различной длительности и без УЗ обработки (В/Н=67%, ДЭ=50%, Т=35°С), на Фиг. 7 - этап работ, связанный с моделированием деэмульсации ВНЭ в магистральной трубе (одна из возможных моделей лабораторной установки), на Фиг. 8 - зависимости удельного расхода реагента-деэмульгатора Эмалсотрон R2601 (А) и DEM 0840 во время проведения ОПИ (ДНС-2 Тайлаковского месторождения ПАО «Славнефть-Мегионнефтегаз»).
Для примера, на рисунке Фиг. 1 представлен верификационный пример расчета (программа SCAD) 1-й формы собственных колебаний незаполненной цилиндрической оболочки, свободно опертой на торцах (сталь, толщина стенки 2,5 мм, радиус трубы 76 мм, длина 305 мм). Диапазон частот для таких размеров цилиндрической оболочки лежит от ~354 Гц (1 форма колебаний), до ~2832 Гц (150 форма колебаний). Такой диаметр труб характерен для кустовых трубопроводов.
Магистральные трубы на месторождениях и объектах подготовки нефти имеют, как правило, диаметр >400 мм, и заполненность жидкой фазой водонефтяной эмульсии ~50% по сечению трубы. Для таких условий теоретический расчет частот крайне затруднителен, учитывая реальную динамику движения жидкости. На практике наиболее достоверным является экспериментальный способ определения резонансов и частот колебаний. По аналогии с прототипом, можно выделить верхний диапазон частот до ~1 МГц. Проведенные исследования показали, что верхний диапазон частот существенно снижается в нижнюю часть спектра при увеличении обводненности до 60-80%. Для получения гармоник спектра колебаний (до ~500 кГц) необходимо использовать вынужденные точечные колебания магистральной трубы.
В качестве источников УЗ энергии могут быть использованы пьезоэлектрические или магнитострикционные возбудители колебаний и питающие генераторы [4, 5, 8].
Так масса типового пьезоэлектрического возбудителя колебаний составляет 0,5-0,7 кг, что создает силовую нагрузку на частоте 22 кГц при амплитуде 5 мкм, равную ~6,8 килоньютон. Короткое действие силовой нагрузки не вызывает необратимых деформаций трубопровода, но в месте приложения силы возникают локальные прогибы с нелинейной зависимостью упругой восстанавливающей силы от прогиба, то есть возникают условия резонанса в нелинейных колебаниях [6, параграф 29].
В этом случае возникает многочастотный спектр колебаний магистральной трубы. На Фиг. 2 показан теоретический и экспериментальный спектр колебаний трубы в случае нелинейного локального резонанса в режиме малой амплитуды колебаний (1-2 мкм). При данной силовой нагрузке спектр ограничен частотой ~100-120 кГц.
Частота с максимальной амплитудой колебаний называется главной (основной), субгармоники - боковыми. Теоретический расчет соответствует кубической зависимости упругой силы от прогиба (возникают нечетные гармоники [6]). При квадратичном законе «сила упругости – прогиб» возникают четные гармоники. На практике, Фиг. 3, фиксируются спектры с достаточно широким диапазоном частот, что физически подтверждает реальную картину динамики деформаций во времени - по мере нарастания силы идет последовательный процесс перехода силы упругости от прогиба с аппроксимацией по линейному закону (Гука) к квадратичному, кубическому и т.д. Реальный экспериментальный спектр соответствует колебаниям трубы диаметром 426 мм (толщина стенки 7 мм) под действием силового воздействия частотой 20,8 кГц от пьезоэлектрического возбудителя УЗ колебаний с подаваемой мощностью 70 Вт. Колебания фиксировались с помощью аппаратуры Брюль и Къер на цифровой осциллограф VellemanPCSU1000, датчики акустической эмиссии имели линейную АЧХ в диапазоне частот до ~400 кГц. Для увеличения амплитуды боковых гармоник в диапазоне 100-300 кГц применяются дополнительные УЗ возбудители колебаний с необходимыми частотами.
Если дополнительные УЗ возбудители боковых гармоник не применяются, то, на практике, 90-95% энергии колебаний сосредоточено в первых 3-4 гармониках, включая главную (Фиг. 2Б) при верхнем диапазоне частот ~100-120 кГц.
Для оптимального размещения УЗ возбудителей колебаний используется следующая методика.
Первоначально определяется профиль (периметр смачивания) течения ВНЭ в трубе, то есть определение границы раздела фаз «жидкость-газ».
Данная процедура необходима для того, чтобы обеспечить прохождение акустической энергии от возбудителя УЗ колебаний в жидкую фазу ВНЭ. При наличии с внутренней стороны трубы газовой шапки, в силу законов отражения и малой толщины трубы по сравнению с длиной волны, возникают интенсивные откольные явления, выводящие из строя возбудители колебаний. При прохождении акустической волны через стенку трубы в жидкую среду такие эффекты не наблюдались.
Периметр смачивания определяется с помощью стандартных ультразвуковых расходомеров, например АКРОН-01, где в руководстве по эксплуатации данная процедура описана [7, параграф 13].
Оптимальный спектр частот УЗ воздействия определяется аналогично прототипу для получения минимального времени выпадения глобул воды (коагуляции). В полевых условиях дополнительно проводится проверка на лабораторной установке (представлен вариант), рисунок Фиг. 7. Набор частот определяется по спектру вынужденных колебаний и амплитуде главной и боковых гармоник. Для этого используют набор УЗ возбудителей колебаний с разной частотой воздействия и получают зависимость амплитуды A(f) колебаний главной гармоники в зоне периметра смачивания от частоты. Рекомендуется использовать нижний участок трубы, гарантированно имеющий наполнение жидкой фазой ВНЭ. Выбирается частота f (диапазон 15-25 кГц), где амплитуда А будет максимальна при фиксированной мощности, подаваемой на возбудитель УЗ колебаний. Измеритель вибрации располагается на расстоянии 20-25 см от возбудителя УЗ колебаний. Зона действия возбудителя УЗ колебаний оценивается по длине волны на выбранной частоте:
где L - зона действия одиночного УЗ возбудителя колебаний, м;
С - скорость продольных волн в материале трубы, м/с;
f - рабочая частота, Гц.
Так для частоты f=15000 Гц (главная гармоника), скорости продольных волн С=6000 м/с, длина зоны действия составит 0,4-1,2 м, что и составляет шаг расположения возбудителей УЗ колебаний, имеющих собственную частоту, совпадающую с главной. При этом в рассчитанной зоне будут наблюдаться и главная, и боковые гармоники. Для усиления амплитуды боковых гармоник, при необходимости, можно аналогичным образом рассчитать шаг установки УЗ возбудителей колебаний, имеющих частоты, совпадающие с боковыми гармониками. Их установку необходимо выполнять в места, определенные как пучности форм колебаний, имеющих равные частоты с боковыми гармониками. Для этого при работе УЗ возбудителя колебаний на основной гармонике используется контактный метод (широкополосный виброщуп) [8] и находят места с максимальной амплитудой колебаний, соответствующей выбранной боковой гармонике колебаний в зоне периметра смачивания магистральной трубы. Таким образом, делается разметка размещения возбудителей колебаний.
На рисунке Фиг. 4 представлена практическая реализация размещения пьезоэлектрических УЗ возбудителей колебаний на магистральной трубе объекта ДНС-2 Тайлаковского месторождения компании ПАО «Славнефть-Мегионнефтегаз». Излучатели расположены в нижней полуокружности трубы диаметром 426 мм, которая идентифицирована с периметром смачивания.
Для определения необходимого времени УЗ озвучивания, предварительно определяется диаграмма кинетики выпадения воды W(%) для конкретной ВНЭ, применяемого деэмульгатора, температуры, водосодержания и т.д. Можно использовать методы, описанные в прототипе.
На Фиг. 5 представлена зависимость кинетики водоотделения W(%) от времени УЗ воздействия в лабораторных опытах при выходе на уровень разделения эмульсии W=>93% (В/Н=67%, Т=40°С, ДЭ=50%). Показатель ввода деэмульгатора составляет ДЭ=50% от нормы ввода, когда ВНЭ не подвержена воздействию УЗ колебаний.
Это время было ограничено временем прохождения по отстойникам ДНС, то есть без использования резервуаров РВС, и составляет до 40 минут. Моделирование осуществлялось в модельных цилиндрических каналах с УЗ воздействием на основе реальных магистральных труб, рисунок Фиг. 8. Определено на реальной эмульсии с объекта, что при вводе 50% деэмульгатора от нормы (норма составляла 180 гр/тонну), при существующих показателях обводненности (В/Н=67%,) и температуре Т=40°С, время УЗ озвучивания должно быть ~60 сек. Аналогичные результаты получены на Приобском месторождении [9].
На рисунке Фиг. 6 показана зависимость кинетики выпадения воды W(%) при действии УЗ обработки различной длительности и без УЗ обработки (В/Н=67%, ДЭ=50%, Т=35°С). Сравнивая зависимости Фиг. 5 и Фиг. 6 видно, что снижение температуры ВНЭ с 40°С до 35°С практически не влияет на время водоотделения с порогом W(%)=>93%, при этом время разделения с вариантом без УЗ озвучивания сокращается в 3 раза, с 90 мин при 100% вводе ДЭ без УЗ), до 30 минут при времени действия УЗ 60 сек и норме ввода ДЭ=50%. Такие показатели позволяют кардинально пересмотреть структуру объектов подготовки нефти по показателям капитальных затрат, сделать их компактными и эффективными.
Турбулентность потока ВНЭ в магистральной трубе улучшает показатели водоотделения и сокращает время УЗ озвучивания. При установленной скорости протекания ВНЭ в трубе ~1 м/с данный способ требует установки УЗ возбудителей на участке трубы Lтр длиной ~60 метров, что и было реализовано:
где Lтр - длина магистральной трубы, м;
υ - средняя фактическая скорость протекания водонефтяной эмульсии, м/с;
УЗ
t - эмпирически полученное время УЗ-воздействия при протекании водонефтяной эмульсии, с.
При реализации данного способа в ходе опытно-промысловых испытаний (ОПИ) на ДНС-2 Тайлаковского месторождения компании ПАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» получены следующие данные по снижению нормы ввода деэмульгатора рисунок Фиг. 8. Испытания были проведены на двух типах деэмульгаторов - Эмалсотрон R2601 и DEM 0840. Поскольку реальная работа объектов имеет периоды нестабильности, где приходилось отключать действие УЗ возбудителей, то такие периоды отмечены кругами.
Из представленных на Фиг. 8 данных видно, что использование заявленного способа диспергации деэмульгатора обеспечивает значительное сокращение нормы ввода деэмульгатора (-35%), что зафиксировано в Актах проведения ОПИ.
При использовании данного способа существенно снижено влияние температуры ВНЭ на процесс разделения «нефть-вода», полностью подтвердив лабораторные испытания. В момент начала проведения ОПИ и до периода середины октября 2019 года температура ВНЭ плавно понижалась с ~37°С до 32°С. При наступлении зимних условий эксплуатации, температура ВНЭ опускалась до ~23°С-25°С, однако это не привело к увеличению нормы ввода деэмульгатора. Лабораторные исследования также показали, что при УЗ воздействии длительностью 60 сек, допускается понижение температуры до 10°С от нормы (без УЗ воздействия) без ухудшения динамики разделения фаз, при этом дополнительно наблюдается снижение нормы ввода деэмульгатора на 25%-40%.
Увеличение времени УЗ-воздействия позволяет дополнительно снизить расход химреагентов, ускорить процесс фазоразделения при использовании заявленного способа ультразвуковой диспергации деэмульгатора.
Таким образом, при использовании способа ультразвуковой диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии обеспечивается эффективное распределение деэмульгатора по всему объему эмульсии, что приводит к более эффективному и быстрому фазоразделению, а также позволяет сократить количество используемого деэмульгатора, снизить влияние температуры эмульсии на время разделения фаз.
Источники информации
1. Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 3. Москва. Машиностроение, 1968, стр. 437.
2. Вольмир А.С. Оболочки в потоке жидкости и газа. Задачи гидроупругости. Москва, Наука, 1979.
3. Бобков Г.В., Геталов А.А., Рухман А.А., Рухман Е.П., Саргин Б.В., Писарев В.Н. Технология ультразвукового кавитационного воздействия на жидкие среды. Международная научная конференция «Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы». Витебский Гос. Техн. Универ-т, сентябрь, 2016.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Москва. Изд-во Иностранной литературы, 1957.
5. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хаевский Н.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. Москва, Высшая школа, 1987.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. Том 1. Теоретическая физика. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2019.
7. Расходомер ультразвуковой с накладными излучателями АКРОН-01. Руководство по эксплуатации. АЦПР.407154.011 РЭ. 2009 г.
8. Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. Бийск, Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 2010.
9. Деньгаев А.В., Вербицкий B.C., Мищенко И.Т., Геталов А.А., Саргин Б.В., Грехов И.В., Богданов А.В., Тарасевич С.А. Перспективы использования ультразвукового воздействия в процессе подготовки нефти на Приобском месторождении / Нефтяное хозяйство, март 2020, стр. 28-30.