СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТЕЙ
OIL DEHYDRATION AND DEMINERALISATION METHOD

Изобретение относится к способу обезвоживания и обессоливания нефтей и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Обезвоживание и обессоливание нефти предусматривает такой самый важный этап, как разрушение эмульсий. Процессы разрушения водонефтяных эмульсий можно разделить на два этапа:
- слияние капель диспергированной воды;
- осаждение укрупнившихся капель воды.
Необходимым условием для коалесценции сблизившихся капель является отсутствие на них оболочек из эмульгирующих веществ, препятствующих этому процессу.
Слияние капель воды в нефтях обусловлено силами взаимодействия капель при их столкновении, достаточными для разрушения защитных слоев.
В практике для увеличения этих сил прибегают к способам, позволяющим ускорить движение капель в определенном направлении. С этой целью нефтяные эмульсии обрабатывают в электрическом поле или в центрифугах. Эти процессы сопровождаются мероприятиями, снижающими прочность защитных слоев (повышением температур и обработкой эмульсии химическими реагентами - деэмульгаторами).
Известен способ электрического (электростатического) обезвоживания и обессоливания нефтей, по которому нефть сначала обрабатывается в вертикальном, горизонтальном либо сферическом электродегидраторе в слабом электрическом поле в объеме, между уровнем раздела нефть-вода и плоскостью нижнего электрода, а затем в сильном электрическом поле между электродами. При этом используются электродегидраторы, содержащие электроды (верхний и нижний), подвешенные на изоляторах (Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. М.: Химия, 1979, стр.37-44) или электрокоалесцеры с чередующимся электрическим полем, содержащие цилиндрические коаксиальные электроды, внешним из которых является заземленный корпус, а внутренним - соединенный с трансформатором электрод (Каспарьянц К.С., Кузин В.И., Григорян Л.Г. Процессы и аппараты для объектов промысловой подготовки нефти и газа. М., Недра, 1977).
Известен «Способ электрического (электростатического) обезвоживания и обессоливания нефтей» (Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - М.: Недра-Бизнесцентр, 2000). Данный способ предполагает разрушение эмульсий под действием постоянного или переменного электрического поля, создаваемого электродами, погруженными в нефтяную эмульсию. Под воздействием электрического поля на каплях воды появляются одноименные и разноименные электрические заряды, приводящие к силовому электростатическому (кулоновскому) взаимодействию капель воды друг с другом. В процессе взаимодействия часть капель притягивается друг к другу или к электродам, сталкивается и при усилиях, достаточных для разрушения эмульгирующих оболочек, коалесцирует. Далее укрупнившиеся капли воды выпадают на дно аппарата и потом удаляются.
Недостатками данного решения являются:
1. Применение высокого напряжения для осуществления деэмульсации. Это ухудшает безопасность эксплуатации установок электродегидрации. Высокое напряжение является причиной частого выхода из строя проходных изоляторов. Также необходимо применение специальных повышающих трансформаторов.
2. Аппараты электрической (электростатической) дегидрации имеют относительно большие габаритные размеры.
3. Повышение обводненности нефти может приводить к короткому замыканию между электродами.
4. Происходит интенсивное коррозирование электродов и металлического корпуса дегидратора из-за их непосредственного контакта с агрессивной водонефтяной эмульсией.
5. Повышение проводимости нефтей приводит к стеканию электрических зарядов с капель воды, что ухудшает параметры работы электродегидратора. Проводимость нефти увеличивается с увеличением температуры. Все это снижает производительность электродегидратора.
Наиболее близким, принятым за прототип, является аппарат для разрушения нефтяных эмульсий при помощи переменного электромагнитного поля, состоящий из рабочей камеры с шнековым завихрителем и с рубашкой, на корпус которой надеты электромагнитные катушки (a.c. SU №191728).
Автором предлагается новый способ деэмульсации с помощью воздействия переменного электромагнитного поля на водонефтяные эмульсии.
Физические процессы преобразования энергии электромагнитного поля (ЭМП) в индукционных электроустановках характеризуются не только выделением джоулева тепла в телах, находящихся под воздействием электромагнитного поля, но и механическими явлениями, которые выражаются в бесконтактном силовом воздействии ЭМП на элементы индукционной системы. Величина электродинамических усилий (ЭДУ) определяется объемной плотностью энергии ЭМП и зависит от конструктивных особенностей исполнения индуктора и его элементов, амплитуды и частоты питающего тока, геометрии и электрофизических параметров тела, находящегося под воздействием ЭМП. Направление действия ЭДУ соответствует направлению потока электромагнитной энергии в любой точке индукционной нагревательной системы. Обмотка индуктора испытывает при этом центробежное силовое давление, направленное вглубь металла, и осевую нагрузку, которая стремится так сориентировать тело, находящееся под воздействием ЭМП, чтобы магнитный поток поля вихревых токов совпадал по направлению с магнитным потоком внешнего поля, создаваемого индукторной системой. Индукторная система испытывает центробежные усилия, которые почти всегда носят отталкивающий характер по отношению к загрузке, и осевые усилия, направленные на сжатие витков катушки индуктора.
На фиг.1 показана принципиальная картина при индукционном способе деэмульсации и обессоливания нефтей, где:
I. Обводненная нефть.
II. Обезвоженная нефть.
III. Промывная вода.
IV. Отделившаяся вода.
1. Патрубок для обводненной нефти.
2. Корпус аппарата из диэлектрического материала.
3. Патрубок для обезвоженной нефти.
4. Патрубок для промывной воды.
5. Обмотка индуктора.
6. Электродинамические воздействия на обмотку индуктора.
7. Электродинамические воздействия на капли воды.
8. Капли воды.
9. Патрубок для сброса воды.
Предложенное техническое решение осуществляют следующим образом на примере индукционного коалесцентора вертикального исполнения.
В аппарат, корпус 2 которого выполнен из диэлектрического материала, через патрубок I подают (непрерывно или циклически) обратную водонефтяную эмульсию (вода в нефти) при значениях температуры от величины, при которой происходит застывание нефти, до +95°С, через патрубок 4 подают (непрерывно или циклически) промывную воду III. На обмотку индуктора 5 подают расчетное переменное напряжение (от 110 до 3000 В). В проводящей части водонефтяной эмульсии, находящейся под воздействием переменного электромагнитного поля, возникают вихревые токи, вызывающие электродинамические усилия 7, стремящиеся вытеснить капли воды 8 в центр индукторной системы, где они сталкиваются друг с другом и укрупняются, на обмотку индуктора при этом воздействуют электродинамические усилия 6. Также вихревые токи в каплях воды вызывают их нагрев, что способствует разрушению эмульгирующих оболочек и слиянию капель воды в более крупные образования. Крупные капли воды осаждаются под действием силы тяжести. Накопившуюся внизу индукционного дегидратора воду IV отводят (периодически или постоянно) через штуцер 9, обезвоженную нефть II отводят через верхний штуцер 3. Время обработки, необходимое для укрупнения капель воды при электродинамическом взаимодействии, зависит в первую очередь от параметров электромагнитного поля, под действием которого находится эмульсия, температуры эмульсии, реологических свойств эмульсии, степени обводненности нефти, объема эмульсии, находящейся под индукционным воздействием, и, таким образом, может быть от нескольких секунд до нескольких часов в зависимости от сочетания вышеприведенных факторов.
Физико-химические свойства эмульсий некоторых нефтяных месторождений, с которыми проводились лабораторные испытания, приведены в табл.1.
Таблица 1
Физико-химические свойства эмульсий некоторых нефтяных месторождений
Параметры
Месторождение
Волковское
Южно-Ягунское
Арланское Вятская площадь
Плотность при 20°С, г/см<sup>3</sup>
0,870
0,850
0, 884-0,887
Содержание воды, %
От 60 до 70
70,1
От 65 до 75
Механические примеси, мг/л
От 300 до 500
Нет данных
От 150 до 350
Смолы, % вес.
От 15 до 20
11,0
18,8
Асфальтены, % вес.
От 3 до 5
2,9
6,9
Парафины, % вес.
От 3 до 4
1,8
2,8
Плотность водной фазы, г/см<sup>3</sup>
1,138
1,013
1,168
Вязкость при 20°С, мм<sup>2</sup>/с
Не определена
30,59
От 30,0 до 40,5
В 2001 г. были проведены лабораторные испытания воздействия электромагнитного поля на разрушение водонефтяных эмульсий месторождений ТПП «Когалымнефтегаз».
Обработка электромагнитным полем осуществлялась с помощью лабораторной установки УМПЛ-1, которая позволяет поддерживать постоянное электромагнитное поле, а также задавать напряженность (от 0 до 40 кА/м), частоту (от 1 до 100 Гц) и форму (синусоидальная, треугольная и прямоугольная) ее изменения.
В делительную воронку помещали 250 мл исследуемой жидкости. Далее открывали вентиль, и жидкость по резиновой трубке диаметром 8 мм через индуктор перетекала в химический стакан. Обработка электромагнитным полем производилась в индукторе, подключенном к генератору установки УМПЛ-1.
Исследования воздействия электромагнитного поля на водонефтяные эмульсии проводились в соответствии с ASTM D-1401. Обработка эмульсии проводилась однократно путем пропускания эмульсии из делительной воронки через индуктор экспериментального стенда. Затем эмульсия перемешивалась в емкости в течение 2 минут и ставилась на отстой при комнатной температуре со снятием показаний степени разрушенности через 15, 30, 60 и 120 минут. Для каждого опыта брали 100 мл эмульсии.
Обводненность эмульсии Южно-Ягунского месторождения в среднем 56-70%, Ватьеганского - 56-71%. Обработка эмульсии проводилась однократно путем пропускания эмульсии из делительной воронки через индуктор экспериментального стенда. Затем эмульсия перемешивалась в емкости в течение 2 минут и ставилась на отстой при комнатной температуре со снятием показаний степени разрушенности через 15, 30, 60 и 120 минут. Для каждого опыта брали 100 мл эмульсии. Эффективность электромагнитной обработки оценивалась по величине деэмульгирующего эффекта в обработанных и необработанных пробах в соответствии с ASTM D-1401.
Результаты испытаний (табл.2) показали, что обработка постоянным магнитным полем не позволяет существенно разрушить исследуемую водонефтяную эмульсию.
Таблица 2
Влияние электромагнитной обработки на содержание остаточной воды в эмульсиях
Происхождение эмульсии
Содержание остаточной воды, %
Без МО
Постоянное поле
Переменное электромагнитное поле с частотой, Гц
10
30
50
70
Южно-Ягунское месторождение
68,3
65,5
Прямоугольная форма изменения напряженности
62,0
62,1
60,0
62,0
Треугольная форма изменения напряженности
60,5
60,1
59,8
59,0
Синусоидальная форма изменения напряженности
63,0
63,5
62,4
62,5
Ватьеганское месторождение
69,0
66,0
Прямоугольная форма изменения напряженности
65,5
65,2
66,0
66,0
Треугольная форма изменения напряженности
64,0
64,2
65,0
64,4
Синусоидальная форма изменения напряженности
64,5
64
64
63,8
Электромагнитная обработка знакопеременным полем с частотами 30-70 Гц увеличивает глубину обезвоживания эмульсии на 10-12%. Таким образом, для разрушения водонефтяных эмульсий предпочтительней использование переменного электромагнитного поля.
Результаты исследования при обработке эмульсии Ватьеганского месторождения (фиг.2) свидетельствуют, что наиболее высокий результат получен при обработке водонефтяной эмульсии электромагнитным полем с импульсной формой изменения напряженности и частотой 30-60 Гц.
Результаты исследования степени разрушенности эмульсии Южно-Ягунского месторождения показали, что наиболее высокий результат получен при обработке водонефтяной эмульсии электромагнитным полем с импульсной формой изменения напряженности (табл.3).
Таблица 3
Количество выделившейся и содержание остаточной воды в обработанной электромагнитным полем эмульсии Южно-Ягунского месторождения
Форма сигнала изменения
Частота, Гц
Кол-во выделившейся воды, %, за время, мин
Содержание остаточной воды, %
15
30
45
60
90
120
Без МО
-
18
24
28
29
29
30
28
Знакопеременная
10
20
22
25
27
29
30
29
20
20
23
25
28
29
30
26
30
20
23
25
28
29
30
26
40
20
23
25
25
29
30
27
50
20
22
24
25
28
29
27
60
20
21
25
25
27
29
27
70
21
23
27
29
30
30
26
80
20
22
25
25
27
29
26
90
20
22
23
25
28
29
26
100
20
22
25
26
29
30
29
Импульсивная
10
20
23
-
30
32
34
22
20
20
23
-
30
32
33
23
30
21
23
-
30
32
34
22
40
21
25
-
30
32
32
24
50
22
25
-
30
32
33
23
60
20
24
-
30
32
33
23
70
20
24
-
30
32
33
24
80
20
25
-
32
32
34
22
90
20
23
-
32
33
34
22
100
20
25
-
30
32
34
23
Исследования влияния электромагнитной обработки на время расслоения и динамики отстоя водонефтяных эмульсий Вятской площади Арланского месторождения НГДУ «Арланнефть» АНК «Башнефть» и Волковского месторождения НГДУ «Уфанефть» АНК «Башнефть» на четырех пробах:
№1 - скважина №1522 Волковского месторождения, обводненность 62%;
№2 - скважина №1590 Волковского месторождения, обводненность 51%;
№3 - скважина №6590 Вятской площади Арланского месторождения, обводненность 63%;
№4 - скважина №6590 Вятской площади Арланского месторождения, обводненность 70%.
Физико-химические свойства нефти месторождения Волково и Вятской площади Арланского месторождения представлены в табл.4.
Обработку эмульсий проводили электромагнитным полем с частотой 10, 20, 30, 40 и 50 Гц. Форма изменения напряженности электромагнитного поля - знакопеременная.
Таблица 4
Физико-химические свойства нефти Волковского месторождения и Вятской площади Арланского месторождения
Параметры
Месторождение
Волковское
Арланское
Плотность при 20°С, кг/м<sup>3</sup>
870
От 884 до 887
Содержание воды, %
От 60 до 70
От 65 до 75
Механические примеси, мг/л
От 300 до 500
От 150 до 350
Смолы, % вес.
От 15 до 20
18,8
Асфальтены, % вес.
От 3 до 5
6,9
Парафины, % вес.
От 3 до 4
2,8
Сера общая, % вес.
-
3,2
Плотность водной фазы, г/см<sup>3</sup>
1,138
1,168
Таблица 5
Количество выделившейся воды на пробе №3 при воздействии электромагнитного поля
Частота электромагнитного поля, Гц
Количество выделившейся воды (%) через, мин
Деэмульгируюший эффект, %
30
60
90
120
0
4
26
40
40,5
64
10
4,5
26
41
44
70
30
7
36
45
45
72
50
5
24
40
44
70
На пробах №3 и №4 водонефтяной эмульсии Арланского месторождения определялись время расслоения и динамика отстоя воды (табл.5).
Проведены также лабораторные испытания влияния электромагнитной обработки на остаточную обводненность нефтяного слоя. Электромагнитная обработка осуществлялась переменными и постоянными электромагнитными полями. Переменное электромагнитное поле индуцировалось соленоидом от источника питания напряжением 220 В с частотой 16 Гц. Переменные электромагнитные поля имели два направления: перпендикулярно потоку жидкости (Тип 1) и вдоль потока жидкости (Тип 2). Постоянное магнитное поле создавалось парами постоянных магнитов. Воздействие, в зависимости от расположения магнитов, можно разделить на четыре типа:
N-S - магниты расположены перпендикулярно потоку,
N-N - магниты расположены перпендикулярно потоку,
N-S - магниты расположены параллельно потоку,
N-N - магниты расположены параллельно потоку.
3
Максимальная напряженность переменного и постоянного электромагнитных полей составляла 8·10 А/м.
Определение остаточной обводненности нефтяного слоя проводили в соответствии с ГОСТ 2477-65, вязкости - ГОСТ 33-82. Исследовались водонефтяные эмульсии третьего промысла (Волково) НГДУ «Уфанефть» (обводненность 15,6%, вязкость 5400 сСт) и второго промысла (Юлдуз) НГДУ «Чекмагушнефть» АНК «Башнефть» (обводненность 23,8%, вязкость 1450 сСт). Отбор проб для определения остаточного содержания воды и вязкости водонефтяной эмульсии выполняли на скважине при отключенной подаче деэмульгаторов. Испытания проводили непосредственно на промысле с использованием реактора, который представляет собой воронку для залива эмульсии, стеклянную трубку диаметром 8 мм длиной 500 мм. На трубке смонтированы либо соленоиды для обработки переменным электромагнитным полем, либо постоянные магниты для создания постоянного магнитного поля.
После однократного прохождения эмульсии через реактор она сливается в делительную воронку. Обработанная эмульсия в делительной воронке устанавливалась на отстой в течение 20 мин при температуре 18-20°С. Вязкость эмульсии измеряли сразу после прохождения ею реактора. Результаты испытаний приведены в табл.6.
Таблица 6
Результаты испытаний водонефтяной эмульсии в электромагнитном поле
Водонефтяная эмульсия
Тип МО
Остаточная обводненность нефти, %
Вязкость, сСт
НГДУ «Уфанефть»
Перем. перп.
4,6
4830
Перем. парал.
4,0
4800
Пост.N-S перп.
7,2
4903
Пост.N-N перп.
6,6
4883
Пост.N-S парал.
5,8
4874
Пост.N-N парал.
5,9
4876
НГДУ «Чекмагушнефть»
Перем. перп.
4,2
985
Перем. парал.
3.8
980
Пост.N-S перп.
6,6
1009
Пост.N-N перп.
6,7
1016
Пост.N-S парал.
6,9
1101
Пост.N-N парал.
6,7
1015
Анализируя данные, представленные в табл.6, можно отметить, что применение электромагнитной обработки для процессов деэмульсации нефти имеет положительное значение, а именно существенно снижаются содержание остаточной воды в нефтяной фазе и вязкость нефтяного слоя. При этом максимальная эффективность достигается при электромагнитной обработке переменным электромагнитным полем. Таким образом, проведенные испытания позволяют сделать вывод, что деэмульсацию водонефтяных эмульсий необходимо проводить с использованием обработки переменным электромагнитным полем.
Наиболее показательные результаты исследований эффективности электромагнитной обработки водонефтяных эмульсий рассмотренных месторождений представлены в табл.7.
Таблица 7
Результаты исследований эффективности электромагнитной обработки водонефтяных эмульсий
Параметры электромагнитного поля
Деэмульгирующий эффект, %
Напряженность, кА/м, форма изменения
Частота, Гц
с электромагнитной обработкой
без электромагнитной обработки
24-28 знакопеременная
30-50
89-92
79-84
24-28 знакопеременная
30
67-95
64-88
28 знакопеременная
30-50
70-96
41-85
28 знакопеременная
20-60
92-99
87-90
28 импульсная
30-50
82-88
64-66
Используя индукционный способ деэмульсации возможно создание различных аппаратов для обезвоживания и обессоливания нефтей - индукционных дегидраторов как вертикальных, так и горизонтальных.
Отметим преимущества индукционной деэмульсации по сравнению с традиционной электростатической (или квазиэлектростатической при переменном электрическом поле) деэмульсацией.
-13
-8
-1
Нефть не является идеальным диэлектриком с бесконечным пробивным напряжением и нулевой проводимостью. Электропроводность нефтей изменяется в широких пределах и перекрывает диапазон от 10 до 10 (Ом·м)при комнатной температуре. При повышении температуры электропроводность нефти возрастает. Пробивное напряжение для нефти тоже имеет предел. Все это несколько видоизменяет картину взаимодействия капель эмульсии в электрическом поле широко используемых электродегидраторов. При сближении капель во внешнем электрическом поле среднее напряжение между двумя точками возрастает и может превысить пробивное напряжение разделяющей капли пленки нефти. Это приводит к электрическому пробою между каплями, потенциалы на них выравниваются и силовое взаимодействие прекращается. В постоянном поле после пробоя капли начнут расходиться, а в переменном - удаляться и приближаться на расстояние, при котором происходит пробой. С прекращением силового взаимодействия между каплями ослабевает и процесс их коалесценции. Повышение электропроводности нефти также снижает эффективность ее обработки в электрическом поле, так как ускоряет процесс стекания электрических зарядов с капель и тем самым снижает величину их силового взаимодействия. При индукционном же способе деэмульсации повышение проводимости нефти приведет лишь к дополнительным потерям на нагрев нефти, что только улучшит процесс деэмульсации.
При большой обводненности нефтей возможны короткие замыкания между электродами традиционных электродегидраторов. Так как при индукционном способе осуществляется бесконтактное воздействие электромагнитного поля на эмульсию, короткие замыкания между электродами, вызываемые повышенной обводненностью нефтей, здесь исключены.
Дробление капель воды в нефтяном потоке происходит в основном у стенки трубы. Силовое воздействие электродинамических усилий на капли воды вытесняет их в центр трубопровода, что уменьшает процесс дробления капель.
Мелкие капли могут образовываться не только при дроблении, но и при их коалесценции. Если коалесценция идет в электрическом поле с напряженностью несколько десятков вольт на 1 см и более, то мелкодисперсионные сателлиты не образуются. Индукционные электроустановки могут работать на низких напряжениях, тем самым создавая более, то безопасные условия для их эксплуатации, чем электростатические дегидраторы.
Помимо этого, индукционные установки могут менять свои электрические характеристики в зависимости от конкретных условий их использования. Регулируя частоту тока, напряжение, подводимую мощность, можно регулировать характеристики индукторов в широких пределах.
Предлагаемое решение позволяет: уменьшить габариты устройств для электрического обезвоживания и обессоливания; повысить производительность процесса обезвоживания и обессоливания нефтей; одновременно осуществлять процесс подогрева нефтяных эмульсий, их обезвоживание и обессоливание индукционным способом; осуществлять процесс деэмульсации на низком напряжении, что улучшает электробезопасность, позволяет отказаться от дополнительных трансформаторов; исключить возможность коротких замыканий, вызванных повышенной обводненностью нефтей. Для укрупнения и слияния капель водонефтяной имульсии используют изменяющийся во времени магнитный поток, который наводят на водонефтяную эмульсию переменным электрическим током в обмотке индуктора через корпус аппарата, выполненный из диэлектрического материала.