СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ
METHOD OF WATER-PETROLEUM EMULSION DEHYDRATION

Изобретение относится к области обработки нефтепродуктов, а более конкретно - к способам электрофизического удаления воды из водонефтяной эмульсии, и может быть использовано для обезвоживания водонефтяной эмульсии в нефтяной промышленности.
Из уровня техники известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU №2152817 [1], заключающийся в том, что товарную форму деэмульгатора предварительно растворяют в воде и воздействуют постоянным магнитным полем на водный раствор деэмульгатора при протекании его через зазоры омагничивающего устройства. После чего эмульсию смешивают с химическим реагентом и отстаивают. К недостаткам данного способа можно отнести применение химических реагентов и длительное время деэмульгации водонефтяной эмульсии.
2
Известен также способ обезвоживания углеводородных жидкостей, описанный в опубликованной заявке на патенте RU №99133299 [2], при котором углеводородную жидкость подвергают воздействию неоднородным электрическим полем; при этом неоднородное электрическое поле создается однополярными электрическими импульсами, и жидкость обрабатывается в электрическом поле напряженностью 40-80 кВт/см. Недостатками данного способа являются длительное время деэмульгации, низкая производительность и низкий уровень деэмульгации.
-5
-4
Известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU №2167692 [3]. В источнике [3] предложен способ обезвоживания нефти путем ее обработки в знакопеременном электрическом поле при амплитуде импульса от 0,5 до 1 кВт/см с длительностью переднего фронта импульса от 2×10 до 5×10 сек. К недостаткам данного способа следует отнести низкую производительность способа и низкую степень обезвоживания нефтяной эмульсии.
Известен описанный в патенте US №5,914,014 [4] способ отделения воды от нефти из водонефтяного эмульгированного сырья за счет использования энергии сверхвысоких частот (СВЧ). Способ [4] заключается в том, что поток эмульсии закачивается в многорежимную СВЧ резонансную кювету, состоящую из двух противостоящих проточных камер. Затем эмульсия подается на центрифугу для последующего разделения. Основным недостатком данного способа является большой расход СВЧ энергии для нагрева эмульсии до 82°С. При этом необходимо иметь дополнительное оборудование для разделения эмульсии на фракции. Кроме того, диэлектрические параметры эмульсии сильно меняются в зависимости от состава нефти и процента содержания воды, что приводит к частичному отражению (потере) СВЧ энергии.
Известен также способ электромагнитной обработки многофазных дисперсионных сред, предложенный в опубликованной заявке на патент RU 2000124843 [5]. В данном способе обработку дисперсионных сред осуществляют в импульсивном электромагнитном поле с помощью установки, состоящей из генератора периодических электромагнитных импульсов и «n» электромагнитных импульсных соленоидов. Недостатком данного способа является относительно низкая степень деэмульгации многофазных дисперсионных сред (водонефтяных эмульсий).
Известен способ обезвоживания и обессоливания нефти, предложенный в патенте RU №2160762 [6] и заключающийся в обработке нефти СВЧ-сигналом, который формируют в виде набора спектральных компонент как результирующий сигнал выходных сигналов системы, включающей в себя, по меньшей мере, три источника СВЧ энергии. Одновременно с обработкой СВЧ сигналом создают турбулизацию потока нефти и осуществляют воздействие магнитным полем, направление силовых линий которого составляет 90° по отношению к вектору поступательного движения жидкости. Недостатком данного способа является недостаточная скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.
Из непатентной литературы известен способ, применяемый в отношении гидрозолей (см. «Маленькая энциклопедия, ультразвук», главный редактор И.П. Голямина, изд. «Советская энциклопедия», Москва 1979, стр.161) [7]. Обработка осуществляется в условиях жидкой дисперсионной среды под воздействием ультразвуковой энергии, при этом скорость коагуляции определяется интенсивностью ультразвуковой энергии и частотой, значения которых зависят от состава гидрозолей, однако реализация описанного в [7] процесса осложняется тем, что невозможно подать большой уровень УЗ из-за возникновения кавитации, не позволяющей увеличить скорость коагуляции.
Известна конструкция установки, предназначенной для обезвоживания и обессоливания с помощью СВЧ энергии (см. патент RU №2338775) [8]. В указанной конструкции обезвоживание водонефтяной эмульсии осуществляется в круглых трубах (волноводах) СВЧ энергией и коалесценторами. Недостатком данной конструкции является значительные энергозатраты и низкая скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.
Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является способ снижения вязкости углеводородного сырья при добыче тяжелой нефти, битума, керогена путем подачи СВЧ энергии и ультразвуковой энергии (УЗ) непосредственно в зону залегания углеводородов через обсадные трубы (см. патент US №7,677,673) [9]. При этом осуществляют комбинированное воздействие на углеводородное сырье с помощью СВЧ энергии с частотой в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и УЗ энергии частотой в диапазоне от 10 кГц до 40 кГц. Согласно источнику [9], способ позволяет уменьшить вязкость тяжелой нефти в 2-3,5 раза. Данный способ может использоваться только для уменьшения вязкости нефтепродуктов, так как для разрушения стойких водонефтяных эмульсий требуется значительно более высокий уровень на частотах от 10 кГц до 40 кГц. УЗ энергия имеет низкий порог кавитации. При этом низкий порог кавитации не позволяет увеличить удельную УЗ энергию, поскольку превышение порога кавитации ведет к усилению процесса эмульгирования с образованием стойкой эмульсии.
Задача, на решение которой направленно настоящее изобретение, заключается в разработке способа более эффективного удаления из нефти воды и твердых примесей в потоке при минимальных затратах энергии.
2
2
2
Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, достигается за счет разработки способа обезвоживания водонефтяной эмульсии, заключающегося в том, что на углеводородное сырье, в частности на водонефтяную эмульсию, осуществляют комбинированное воздействие с помощью СВЧ энергии и УЗ энергии, используя при этом волновод СВЧ в виде металлической трубы и систему коалесценторов, отличающегося тем, что используют СВЧ энергию в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см одновременно с обработкой водонефтяной эмульсии УЗ энергией с частотой в диапазоне от 300 кГц до 2000 кГц и с интенсивностью ниже порога кавитации, но достаточной для разрушения эмульсии, преимущественно в диапазоне от 1 до 10 Вт/см, в зависимости от состава эмульсии. Для повышения порога кавитации частота УЗ должна быть более 300 кГц. В системе коалесценторов водонефтяную эмульсию обрабатывают УЗ энергией с интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см и частотой от 18 до 40 кГц.
В одном из вариантов реализации заявляемого способа повышение порога кавитации обеспечивают за счет модулирования УЗ короткими от 100 мкс до 500 мс импульсами.
Существенным признаком, отличающим заявленный способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, является совместное применение для обезвоживания СВЧ и УЗ энергии с экспериментально выбранными параметрами по частоте и интенсивности.
Одним из основных компонентов водонефтяной эмульсии является вода. Из-за значительной асимметрии своей молекулы она обладает исключительной поляризацией, что делает ее идеальным материалом для СВЧ воздействия.
СВЧ нагрев обладает объемным характером нагрева, и наличие низкой теплопроводности среды практически не влияет на скорость нагрева, кроме того, СВЧ энергия ослабляет межмолекулярные связи в нефти, снижая ее вязкость до требуемой величины даже при температурах перегрева, меньших, чем при нагреве традиционным способом, что позволяет резко снизить энергозатраты на снижение вязкости и нагрев нефти.
В водонефтяной эмульсии часть воды находится в виде мелких капель с оболочкой из поверхностно активных веществ (ПАВ), а часть твердых включений в виде мелкодисперсионных трудно осаждаемых суспензий.
Нефть, как не полярный диэлектрик, практически не поглощает СВЧ энергию и поэтому слабо греется. Вода, являясь полярным диэлектриком, полностью поглощает СВЧ энергию и сильно нагревается. В пограничном слое между каплями воды и нефтью создается температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водяной фаз.
Второй фактор воздействия СВЧ энергии связан с тем, что у молекул поверхностно активных веществ имеются полярные и неполярные концы, связывающие нефть и воду. СВЧ энергия воздействует только на полярную часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру. Одновременно, под влиянием высокочастотных акустических колебаний мелкие капли и твердые частицы вовлекаются в колебательное движение, что приводит к разрушению оболочки ПАВ.
Для обеспечения сближения всех водяных капель в крупные глобулы используется УЗ энергия интенсивностью ниже порога кавитации.
При облучении УЗ энергией неоднородной среды, у которой включения отличаются по плотности от среды (плотность воды отличается от плотности нефти), между включениями под влиянием звукового поля возникают силы Бъеркнеса, которые притягивают капли друг к другу с силой и заставляют слиться в более крупные капли (см., например, Погодаев Л.И., Борщевский Ю.Т. «О механизме возникновения кумулятивных струй при захлопывании сферических пузырьков», www.tribo.ru. Трение, износ, смазка. Том 10, №1, март 2008 г. [10]; а также см. [7].
Комбинированное воздействие СВЧ и УЗ энергий позволяет разрушить стойкие эмульсии при минимальных затратах энергии. В результате гидродинамического воздействия происходит слияние (коагуляция) мелких частиц капель в более крупные.
Кроме этого под влиянием УЗ волн нарушается симметрия двойного электрического слоя вокруг отдельных капель воды, и появляется дипольный момент.
Вследствие появления зарядов капли притягиваются друг к другу. С увеличением диаметра капель воды пропорционально увеличивается скорость разделения эмульсии на составные компоненты Вода-Нефть.
Таким образом, используя комбинированные воздействия СВЧ и УЗ энергий на водонефтяную эмульсию, можно произвести полное разрушение эмульсии и отделение нефти от воды и различных твердых примесей в потоке в течение короткого времени без использования химических реагентов и без значительного нагрева нефти, ухудшающего качество нефти, при минимальных затратах энергии.
Уникальность предлагаемой технологии заключается в комбинированном: использовании СВЧ и УЗ энергий при значениях, позволяющих обеспечить высококачественное отделение воды от нефти при меньших энергозатратах.
На Фиг.1 представлен алгоритм выполнения операций при осуществлении заявляемого способа, где 101 - этап разрушения эмульсии и снижения вязкости в потоке за счет комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии, 102 - этап укрупнения капель в системе коалесценторов под воздействием УЗ энергии, 103 - этап гравитационного разделения на нефть и воду.
На Фиг.2 приведена функциональная схема варианта установки, предназначенной для практической реализации заявляемого способа, где 201 - СВЧ волновод в виде металлической трубы, 202 - СВЧ генератор, 203 - высокочастотный УЗ генератор, 204 - система коалесценторов, 205 - радиопрозрачная перегородка, 206 - низкочастотный УЗ генератор, 207 - самоочищающийся УЗ фильтр, 208 - бак разделения, 209 - датчик определения границы разделения вода-нефть.
Практическая реализация предлагаемого способа не вызывает затруднений, поскольку имеется возможность использования в установке стандартного оборудования, например, магнетроны M116, M168 могут использоваться в качестве СВЧ генераторов, а используемые в гидролокации УЗ генераторы и излучатели могут служить в качестве источников УЗ энергии.
Для отработки технологических режимов обезвоживания стойкой водонефтяной эмульсии с использованием электрофизических методов авторами была разработана и изготовлена демонстрационная установка производительностью от 100 до 500 л/час.
2
2
Разрушение водонефтяной эмульсии осуществляется в камере, выполненной в виде волновода сечением 90 мм на 45 мм, в которую одновременно с водонефтяной эмульсией подается 1 кВт СВЧ энергии частотой 2450 МГц и ультразвук частотой 400 кГц удельной мощностью 4 Вт/см. Время обработки от 1,5 до 3 мин при скорости движения жидкости от 0,1 до 0,5 м/сек. В баке разделения происходит укрупнение водяных капель в системе коалесценторов и отделение воды от нефти под влиянием ультразвуковой энергии частотой 18-20 кГц и удельной мощностью 0,8-1,2 Вт/см. Время разделения от 10 до 30 мин. Испытания проводились на испытательном стенде, и результаты испытаний приведены в Таблице 1, отражающей сравнительные характеристики наиболее распространенных установок и установки ДОН-100, выполненной на основе заявляемого способа.
Изменяя производительность установки, то есть время обработки и отстоя, можно уменьшить содержание воды в нефти с 5% до 0,1%, с 20% до 0,5%, и даже с 80% до 0,5%.
По сравнению с известными из уровня техники решениями заявляемый способ обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии обладает улучшенными техническими и экономическими показателями, а именно: меньшим временем деэмульгации; меньшими энергозатратами; высоким качеством товарной нефти.
Таблица 1
Наименование
Наименование установки
УППН-250М, УППН-500М
УППН-ЮООМ, УППН-ЗОООМ
УПН «Heater-Treater»
ДОН-100
Производительность по нефтяной эмульсии, т/час
8,16
33,80
140
10, 30, 50, 150, 200
Вид энергии
Газ
Газ
Газ
Электроэнергия
Удельный расход энергии на одну тонну, кВт/т
38-40
39-40
35-40
6-10
Массовая доля воды на входе в установку, % не более
20
20
30
50
Массовая доля воды на выходе из установки, % не более
0,5
0,5
0,5
0,3
Температура нагрева нефтяной эмульсии, °С не более
80
80
80
40-50
Удалениесеросодержащих включений
нет
нет
нет
да
Удаление мелкодисперсионных включений
нет
нет
нет
да
Использование химического реагента (деэмульгатора)
да
да
да
нет
Потери легких фракций нефти при обезвоживании, %
3-5
3-5
3-5
нет