Исследование термомагнитной деэмульсации нефти в лабораторной экспериментальной установке

УДК 665.622:66.066.6 ББК 35.514.01:33.361.082.4

Г. И. Жилин, Н. Д. Шишкин

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ДЕЭМУЛЬСАЦИИ НЕФТИ В ЛАБОРАТОРНОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

G. I. Zhilin, N. D. Shishkin

INVESTIGATION OF THERMOMAGNETIC OIL DEMULSIFICATION IN THE LABORATORY OF EXPERIMENTAL SETUP

Время деэмульсации нефтеводяной эмульсии зависит от таких факторов, как температура эмульсии, ее обводненность, вязкость нефти и добавляемые деэмульгаторы. Предлагается метод деэмульсации водоуглеводородной дисперсной смеси при совместном воздействии на нее тепловых и электромагнитных полей. В лаборатории института нефти и газа Астраханского государственного технического университета создана лабораторная установка, на которой проведены эксперименты по влиянию температуры и электромагнитного поля на скорость деэмульсации. Эксперименты подтвердили эффективность данного метода относительно гравитационного отстаивания.

Ключевые слова: экспериментальная установка, водонефтяная эмульсия, деэмульсация, термомагнитный деэмульсатор, электромагнитное поле.

Time demulsification of water-oil emulsion depends on factors such as: temperature of the emulsion, its water content, the viscosity of oil and added emulsion breakers. The method of demulsification of water-dispersed hydrocarbon mixture influenced by both thermal and electromagnetic fields is presented. In the laboratory of Oil and Gas in Astrakhan State Technical University a laboratory installation has been designed and built; using this facility the experiments on the effect of temperature and electromagnetic field on the demulsification rate are conducted. The experiments confirmed the effectiveness of this method relative to the gravitational settling.

Key words: experimental installation, water-oil emulsion, demulsification, thermomagnetic demul-sifier, electromagnetic field.

Перед транспортировкой нефти, добываемой на промыслах, в том числе на каспийском шельфе, производится ее промысловая обработка. Один из основных процессов подготовки нефти - разделение водонефтяных эмульсий (ВНЭ) в деэмульсаторах, являющихся частью установки комплексной подготовки нефти [1, 2]. От эффективной работы деэмульсаторов во многом зависит качество промысловой подготовки нефти. Анализ литературы [1, 3-5] показывает, что все существующие методы деэмульсации подразделяются на три группы: механические, термохимические и электротермохимические. Общим для всех этих методов является стремление достичь минимального времени разделения ВНЭ воздействием в той или иной степени на параметры, определяющие скорость осаждения частиц воды в углеводородном сырье.

В основе процесса разделения ВНЭ лежит процесс осаждения взвешенных капель и их коалесценции (коагуляции). На скорость этих процессов влияют температура подогрева разделяемой эмульсии и добавляемые в нефть реагенты - деэмульгаторы. К управляющим параметрам можно отнести и химические вещества, называемые флокулянтами. Они, так же как деэмульгаторы, способствуют коагуляции (или флокуляции) диспергированных капель, т. е. объединению их в группы, что, в свою очередь, приводит к ускорению процесса коалесценции. На скорость процесса коалесценции можно влиять и другими способами: использованием электрических полей, коалесцирующих фильтров, а также путем применения нетрадиционных способов воздействия на ВНЭ. Все более широкое использование находят волновые безреагентные методы, реализуемые на основе физических принципов: магнитных, радиационных, акустических, кавитационных, микроволновых, вибрационных, лазерных и т. д. Среди вышеперечисленных методов одним из наиболее универсальных, эффективных, малозатратных и несложных с технической точки зрения является электромагнитная обработка.

Обработка ВНЭ в нефтедобыче электромагнитным полем - одно из новых направлений в науке. Достаточно широко применяемая в различных областях промышленности, магнитная

обработка до настоящего времени не имеет четкой общепринятой теоретической основы. Для обработки ВНЭ используются устройства, содержащие магнитную систему из постоянных магнитов или электромагнитов. Магнитное поле с заданными характеристиками создается в рабочих зазорах, через которые движется обрабатываемая эмульсия. Параметры магнитного поля в рабочих зазорах задаются на основе экспериментальных данных в зависимости от физикохимических свойств обрабатываемой эмульсии и требований ГОСТ на качество нефти, готовой к транспортировке и дальнейшей переработке. Согласно предварительным результатам исследования воздействия магнитных полей на процесс разделения ВНЭ в сочетании с традиционными термохимическими методами и результатам исследований, проведенных в этой области ранее, обработка магнитными полями позволяет на порядок повысить эффективность процесса разделения эмульсий [3-5]. Для достижения этой цели предложено оригинальное запатентованное устройство для термомагнитной обработки водоуглеводородных дисперсных смесей (ВУДС) [6]. Однако для определения основных конструктивных размеров и технологических параметров необходимо выполнить ряд экспериментальных исследований. В частности, необходимо определить скорость деэмульсации в режимах холодного гравитационного осаждения, осаждения при воздействии теплового и электромагнитного поля.

Целью исследований явилось экспериментальное изучение параметров электромагнитного деэмульсатора. Основная задача - экспериментальное исследование зависимости скорости разделения эмульсии от ее температуры, параметров электромагнитного поля и обводненности.

После изучения современного состояния и перспектив создания установки для деэмульса-ции нефти были проведены аналитические и экспериментальные исследования по гравитационной и электромагнитной деэмульсации, сопоставлены аналитические и экспериментальные данные. Одно из сопоставлений, представленное на рис. 1, подтверждает формулу

2

^0 = ^',

18^м

предназначенную для расчета скорости свободного осаждения частиц воды в нефти, где ^0 -скорость свободного осаждения глобул воды в нефти; рв - рм - разность плотностей воды и нефти; d - диаметр глобулы воды; цм - динамическая вязкость нефти.

Рис. 1. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных скорости свободного осаждения частиц воды в нефти

Как видно из рис. 1, кривые теоретических и экспериментальных данных проходят близко друг от друга и их разность мала. Следовательно, формула для определения скорости свободного осаждения глобул воды в нефти выведена верно и ее можно использовать для определения времени деэмульсации.

Для более детального изучения основных параметров процесса был выполнен ряд экспериментальных исследований, для проведения которых была создана оригинальная лабораторная установка (рис. 2) для деэмульсации ВНЭ при совместном воздействии теплового и электромагнитного поля. Установка позволяет проводить эксперименты при различных значениях характеристик магнитного поля и эмульсии. Положительный эффект - совместное воздействие высокой температуры и переменного магнитного поля - усиливает процесс коагуляции капель воды, гравитационное отстаивание омагниченной эмульсии с поляризованными более крупными каплями воды существенно ускоряет процесс деэмульсации, что в результате повышает степень обезвоживания нефти и нефтепродуктов. Установка состоит из корпуса в форме делительной воронки, в которой происходит процесс разделения эмульсии; статора от электромотора, надетого на делительную воронку и создающего переменное магнитное поле в области деэмульсации; каркаса, на который с помощью подвесов крепятся делительная воронка и статор; лабораторного автотрансформатора, подключенного к статору и меняющего значение напряжения в его обмотке.

Рис. 2. Лабораторная установка деэмульсации водонефтяных эмульсий воздействием переменного магнитного поля

В лаборатории института нефти и газа Астраханского государственного технического университета были выполнены эксперименты по гравитационной деэмульсации масловодяной эмульсии в сосуде высотой 0,45 м, а также эксперименты по разделению нефтеводяной эмульсии в лабораторной электромагнитной установке при разных значениях обводненности (рис. 3).

Как видно из рис. 3, электромагнитный метод деэмульсации эффективнее гравитационного отстаивания при всех исследованных значениях обводненности, и его эффективность повышается с ростом содержания воды в эмульсии. Это связано с тем, что электромагнитное поле усиливает процесс коагуляции капель воды, и чем больше обводненность, тем выше количество капель в единице объема, а следовательно, больше взаимодействий между ними. Эти эксперименты показали, что воздействие магнитного поля существенно увеличивает скорость осаждения частиц воды в нефти - от 20 до 90 % по зависимости: чем больше обводненность эмульсии, тем выше отношение скорости деэмульсации под действием электромагнитного поля к гравитационному отстаиванию при прочих равных факторах.

Сопоставление теоретических и экспериментальных данных подтвердило ранее приведенные зависимости скорости деэмульсации от параметров эмульсии. Обобщение экспериментальных и теоретических данных показало, что электромагнитный метод воздействия на ВУДС эффективнее гравитационного отстоя для модельной эмульсии от 30 до 300 % при прочих равных факторах, причем эффективность метода растет с увеличением содержания воды в эмульсии. Был построен график этой зависимости.

ф, %

Рис. 3. Экспериментальные данные времени деэмульсации: верхняя кривая - гравитационный отстой при t = 27 °C; средняя кривая - гравитационный отстой при t = 50 °C ; нижняя кривая - деэмульсация под действием переменного магнитного поля

В дальнейшем предполагается более детально исследовать влияние электромагнитного поля как на разрушение сальватных оболочек, так и на подогрев эмульсии при воздействии электромагнитного поля на ВНЭ, в состав которой входит электропроводная жидкость (пресная и соленая вода).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мановян А. К. Технология первичной переработки нефти и природного газа / А. К. Мановян: учеб. пособие для вузов. М.: Химия, 2001. 658 с.

2. Логинов В. И. Обезвоживание и обессоливание нефтей / В. И. Логинов. М.: Химия, 1982. 450 с.

3. Борсуцкий З. Р. Исследование механизма магнитной обработки нефтей на основе результатов лабораторных и промысловых испытаний / З. Р. Борсуцкий, С. Е. Ильясов // Нефтепромысловое дело. 2002. № 8. С. 28-37.

4. Пивоварова Н. А. Природа влияния постоянного магнитного поля на нефтяные дисперсные системы / Н. А. Пивоварова // Нефтепереработка и нефтехимия. 2004. № 10. С. 20-26.

5. Пивоварова Н. А. Технологические аспекты выбора параметров магнитного активирования углеводородных систем / Н. А. Пивоварова // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2004. № 9. С. 142-146.

6. Мурсалов Е. Г. Совершенствование метода магнитной обработки водоуглеводородных дисперсных смесей в промысловых деэмульсаторах / Е. Г. Мурсалов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2007. № 6. С. 49-53.

REFERENCES

1. Manovian A. K. Tekhnologiia pervichnoi pererabotki nefti i prirodnogo gaza [Technology of primary processing of oil and natural gas]. Moscow, Khimiia Publ., 2001. 658 p.

2. Loginov V. I. Obezvozhivanie i obessolivanie neftei [Dewatering and desalination of oil]. Moscow, Khimiia, 1982. 450 p.

3. Borsutskii Z. R., Il'iasov S. E. Issledovanie mekhanizma magnitnoi obrabotki neftei na osnove rezul'tatov la-boratornykh i promyslovykh ispytanii [Study of the mechanism of magnetic processing of oils based on the results of laboratory and field experiments]. Neftepromyslovoe delo, 2002, no. 8, pp. 28-37.

4. Pivovarova N. A. Priroda vliianiia postoiannogo magnitnogo polia na neftianye dispersnye sistemy [The essence of the influence of constant magnetic field on oil disperse systems]. Neftepererabotka i neftekhimiia, 2004, no. 10, pp. 20-26.

5. Pivovarova N. A. Tekhnologicheskie aspekty vybora parametrov magnitnogo aktivirovaniia uglevodorodnykh sistem [Technological aspects of choice of parameters of magnetic activation of hydrocarbon systems]. Izvestiia vuzov. Khimiia i khimicheskaia tekhnologiia, 2004, no. 9, pp. 142-146.

6. Mursalov E. G. Sovershenstvovanie metoda magnitnoi obrabotki vodouglevodorodnykh dispersnykh smesei v promyslovykh deemul'satorakh [Improvement of the method of magnetic processing of hydrocarbon disperse mixtures in industrial demulsifiers]. VestnikAstrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2007, no. 6, pp. 49-53.

Статья поступила в редакцию 22.10.2013

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Жилин Григорий Иванович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; grqw90 @mail.ru.

Zhilin Gregoriy Ivanovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; grqw90@mail.ru.

Шишкин Николай Дмитриевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; n.shiskin@astu.org.

Shiskin Nickolay Dmitrievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; n.shiskin@astu.org.