СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ В ЭМУЛЬСИЯХ ПРИ ДОБЫЧЕ И ТРАНСПОРТЕ НЕФТИ
METHOD FOR PREVENTION OF ACCUMULATION OF ELECTROSTATIC CHARGES IN EMULSIONS AT OIL PRODUCTION AND TRANSPORT

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к добыче и транспорту нефти. Статическое электричество вызывает ряд проблем в трубопроводном транспорте и системах хранения нефти и нефтепродуктов, среди которых главной является возможность возникновения пожаров и взрывов, кроме того существует опасность отказов металлического оборудования вследствие усиления их скорости коррозии.
Известен метод предотвращения образования статического электричества, основанный на использовании устройства, в котором на основе трехфазного статора создают вращающееся магнитное поле и дополнительное стационарное электрическое поле между входным металлическим патрубком и разрядными металлическими струнами [Патент РФ №2351100. Способ нейтрализации статического электричества в потоке вещества].
Недостаток данного способа в том, что требуются энергозатраты на создание дополнительного стационарного электрического поля, устройство имеет большие габаритные размеры и может монтироваться только на входах в резервуары.
Известен способ предотвращения накопления электростатических зарядов с использованием устройств для нейтрализации статического электричества, в которых используется принцип коронного разряда [Высоковольтный нейтрализатор статического электричества IZN1 Компания «SMC Corporation», нейтрализатор статического электричества ЗАО «Подшипник-сервис»].
Недостатком данного способа являются энергозатраты на ионизацию среды, а также невозможность использования этих устройств в системах добычи и трубопроводного транспорта углеводородов.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ предотвращения накопления электростатических зарядов с использованием нейтрализатора зарядов статического электричества в жидкости [Патент РФ №1355100. Нейтрализатор зарядов статического электричества в жидкости], в нейтрализационной камере которого расположен стержневой разрядный электрод с иглами. Процесс нейтрализации происходит за счет ионизационных процессов, развивающихся вблизи разрядного электрода и игл при наличии значительной разности потенциалов между жидкостью, заполняющей камеру, и разрядным электродом.
Недостатком указанного технического решения является то, что при незначительной разности потенциалов между жидкостью и разрядным электродом, т.е. при низких значениях электризации эмульсии процесс нейтрализации происходить не будет. Использование нейтрализаторов не предотвращает явление электризации нефти, а лишь позволяет отводить из водонефтяной смеси уже возникшие электростатические заряды.
Задачей изобретения является предотвращение генерации статического электричества и накопления электростатических зарядов в водонефтяной эмульсии при ее добыче и транспорте путем использования нейтрализаторов и поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Указанная задача решается тем, что в способе предотвращения накопления электростатических зарядов в эмульсиях при добыче и транспорте нефти с использованием нейтрализующих устройств, согласно изобретению на этапе сбора нефти в скважину вводят антистатические ПАВ, на этапе подготовки нефти осуществляют позднее дозирование деэмульгаторов.
При движении эмульсии по стальным изолированным трубопроводам с внутренней футеровкой и без нее происходит перераспределение электростатических зарядов между трубопроводом и нефтью. При этом, как правило, отрицательные заряды накапливаются на трубопроводе, а положительные сосредотачиваются в нефти за счет образования карбокатионов. Кроме того, в результате электризации изменяется водородный показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал Eh и поверхностное натяжение водной фазы. Накопление положительных зарядов вызывает подкисление нефти, что может привести к дальнейшим проблемам при ее переработке.
Статические заряды образуются за счет изменения структуры двойного электрического слоя на поверхности диэлектрика, емкость зарядов напрямую зависит от обводненности нефти, скорости и режима движения жидкости и количества гидравлических сопротивлений. Величина заряда зависит от сопротивления растеканию тока с поверхности трубопровода - чем меньше сопротивление, тем больший заряд накапливается в нефтяной фазе и значительней разность значений Eh исходной воды и активированной.
Экспериментально установлено, что введение деэмульгаторов для разрушения эмульсии, наряду с первоначальным снижением межфазного натяжения «вода-нефть», при прокачивании эмульсии по трубопроводу вызывает увеличение ее электризации, что приводит к инверсии свойств деэмульгатора и значительно увеличивает поверхностное натяжение воды. Поэтому рекомендуется позднее введение деэмульгаторов (уменьшение расстояния от места дозирования в трубопровод до отстойников, где происходит разделение воды и нефти), например перед установкой предварительного сброса воды на промысле или электрообессоливающей установкой на нефтеперерабатывающем заводе.
Введение антистатических ПАВ в скважину снижает электризацию эмульсии и сохраняет межфазное поверхностное натяжение «вода-нефть» низким и постоянным по длине трубопровода. В этом случае кислотность нефти не изменяется, что существенно повышает безопасность эксплуатации трубопроводов и нефтеперерабатывающего оборудования. Использование антистатических ПАВ снижает электростатическое накопление положительных зарядов нефтяной фазой и увеличивает рН водной вытяжки, что снижает скорость коррозии установок подготовки и первичной переработки нефти.
Экспериментально установлено, что применение устройств для нейтрализации статического электричества позволяет отводить электростатические заряды из потока нефтепродукта на заземлитель. Таким образом, снижается электризация нефти, что предотвращает подкисление нефти.
Таким образом, происходит снижение перераспределения электростатических зарядов между трубопроводом и нефтью, в результате чего предотвращается увеличение кислотного числа нефти, что повысит безопасность эксплуатации трубопроводов и нефтеперерабатывающего оборудования.
Осуществление изобретения.
Эксперименты по исследованию образования и накопления электростатических зарядов при транспорте водонефтяной эмульсии по нефтепроводам показали, что с накоплением зарядов изменяются электрохимические характеристики воды.
Использование антистатических ПАВ позволяет предотвратить подкисление нефти при ее перекачке по трубопроводам и значительно уменьшить скорость коррозии на установках подготовки и переработки нефти.
На фиг.1 и 2 показано изменение значений pH и Eh активированной в трубопроводе воды в зависимости от длительности перекачки эмульсии и ее обводненности без применения способов нейтрализации электростатических зарядов.
На фиг.3 и 4 показано влияние антистатического ПАВ на pH и Eh активированной в трубопроводе воды. Наблюдается увеличение водородного показателя воды и снижение ее окислительно-восстановительного потенциала, что свидетельствует об уменьшении перераспределения электростатических зарядов.
На фиг.5 и 6 показано влияние деэмульгаторов на pH и Eh активированной в трубопроводе воды. Наблюдается снижение pH и увеличение Eh воды, что соответствует большей электризации водонефтяной смеси.
На фиг.7 показано изменение межфазного поверхностного натяжения «вода-нефть» при движении эмульсии тина «вода в нефти» по трубопроводу.
Влияние накопленного электростатического заряда на поверхностное натяжение глобул воды σ описывается следующим уравнением:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>φ</mi><mi>Δ</mi><mi>q</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>w</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где φ - окислительно-восстановительный потенциал (Eh);
∆w - изменение площади контакта дисперсной фазы с дисперсионной средой;
∆q - заряд, возникающий при электризации эмульсии.
Данное уравнение объясняет экспериментальное увеличение поверхностного натяжения воды с ростом перераспределения электростатических зарядов. Низкие значения Eh, соответствующие большему накопленному заряду, приводят к значительному снижению коррозионной активности воды и к большему подкислению нефти.
1
D
A
На фиг.7: 1 - изменение межфазного поверхностного натяжения «вода-нефть» по длине трубопровода без ПАВ; 2 - увеличение поверхностного натяжения по длине трубопровода с деэмульгатором; 3 межфазное натяжение «вода-нефть» с антистатическим ПАВ; σ -поверхностное натяжение воды в начале трубопровода; σ поверхностное натяжение воды в присутствии деэмульгатора; σ - поверхностное натяжение воды в присутствии антистатического ПАВ; α - угол прироста межфазного натяжения за счет электростатических взаимодействий; β - угол прироста межфазного натяжения, обусловленный влиянием деэмульгатора
1
D
кр
кр
В отсутствие ПАВ межфазное поверхностное натяжение «вода-нефть» увеличивается за счет энергии электростатического взаимодействия, которая по длине трубопровода возрастает пропорционально ltgα. В этом случае с увеличением длины трубопровода l растет электризация эмульсии, и, соответственно, кислотное число нефти. Введение деэмульгаторов снижает поверхностное натяжение воды σ-σ, однако при транспорте эмульсии с деэмульгатором электризация увеличивается, энергия электростатического взаимодействия по длине трубопровода возрастает пропорционально ltgβ. В этом случае электризация протекает интенсивнее, поэтому β>α. При некоторой критической длине трубопровода l накопившаяся энергия окажется достаточной для блокировки свойств деэмульгатора. При длине трубопровода l>l межфазное поверхностное натяжение возрастет настолько, что произойдет стабилизация эмульсии и ее электризация усилится, т.е. эффект применения деэмульгаторов на этом участке исчезнет. Таким образом, для оптимизации применения деэмульгаторов необходимо их позднее дозирование, т.е. уменьшение расстояния от места дозирования в трубопровод до отстойников, где происходит разделение воды и нефти (установка предварительного сброса воды на промысле и электрообессоливающая установка на нефтеперерабатывающем заводе).
Введение антистатических ПАВ снижает электризацию эмульсии и сохраняет энергию взаимодействия между частицами воды и нефти низкой и постоянной по длине трубопровода. В этом случае поверхностное натяжение воды имеет более низкие значения и не возрастает с увеличением длины трубопровода. Таким образом, предотвращается подкисление нефти.
Технико-экономический эффект от внедрения изобретения обеспечивается увеличением стоимости нефти за счет ее более низкого кислотного числа.