ИНГИБИТОР ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ АЛОЭ
ALOE BASE DEPOSIT FORMATION INHIBITOR

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Отложения влияют на различные стороны добычи, транспортировки и хранения сырой нефти. Одним важным участком, на который они влияют, являются вторичные залежи, состоящие в основном из неорганических химических соединений, находящихся в системе, которые по меньшей мере наполовину являются антропогенными. Природные флюиды пласта и/или изменения термодинамических, кинетических и гидродинамических условий, в которых находятся и образуются эти флюиды, могут привести к образованию отложений.
Если отложения образуются в порах пласта, то они могут уменьшить пористость и проницаемость, в особенности если это происходит вблизи от скважины. Отложения также могут блокировать постоянный поток, если забиваются отверстия или если образуется толстый слой на стенках труб, по которым поступает продукт. Отложения также могут покрывать и повреждать оборудование для заканчивания скважин, такое как защитные клапаны и камеры газлифтного клапана механизированной добычи.
Образование отложений начинается, когда какая-либо характеристика природного флюида меняется так, что концентрация одного или большего количества компонентов превышает предел его растворимости. Обычно сначала они возникают или в пропитывающем флюиде путем образования нестабильных групп атомов (гомогенное зародышеобразование) или на ограничивающей поток флюида поверхности, что приводит к гетерогенному зародышеобразованию.
3
2
2
СаСО является одним из самых распространенных типов отложений. Его осаждение зависит от концентрации СО в системе, состава рассола и влияния температуры и давления на химическое равновесие CO с компонентами жидкостей пласта месторождения в соответствии с реакцией:
На месторождениях, в которых содержится много воды, или для добычи нефти вторичными методами используется закачка воды, отложения удаляются механически и удаление необходимо проводить все чаще. Таким образом обычно необходимо предупреждать образование отложений. Это можно выполнить в виде дополнительной обработки после механического удаления отложений.
Существующие ингибиторы образования отложений обладают очень специальными характеристиками, и не существует универсального ингибитора для всех типов отложений. Ранее эффективность ингибитора оценивали методом проб и ошибок. В настоящее время лучшее понимание термодинамики и кинетики механизма роста кристаллов соединения позволяет лучше оценивать эффективность ингибитора образования отложений.
При их использовании ингибиторы закачивают в обрабатываемое месторождение непрерывно или периодически. В зависимости от фазы, в которую их можно закачивать, ингибиторы разделяются на растворимые в органической фазе и растворимые в водной фазе.
Очень важно, в какую фазу закачивается ингибитор, поскольку она может влиять на эффективность ингибитора. Для систем с большим содержанием воды предпочтительно использовать ингибитор, который растворим в воде, поскольку эта фаза является причиной образования отложений и именно она в наибольшей степени взаимодействует с внутренними поверхностями труб. Поэтому эта фаза является лучшей для переноса ингибитора к металлическим поверхностям.
Большинство ингибиторов, разработанных для предупреждения образования отложений, растворимы в водной фазе, поскольку эта фаза является основной причиной образования отложений. Разные исследователи предпринимали усилия для изучения механизмов роста кристаллов, образующих отложения, чтобы разработать лучший ингибитор на основе результатов изучения взаимодействия ингибитор-кристалл.
Известны два механизма, по которым действует ингибитор образования отложений. Первый механизм основан на эффекте адсорбции, когда молекулы ингибитора занимают центры зародышеобразования, предпочтительные для кристаллов. В этом случае для кристалла отсутствуют активные центры для присоединения к поверхности, и поэтому зародышеобразование кристаллов невозможно.
Другой механизм действия ингибитора основан на модели адсорбции, т.е. на морфологическом изменении, которое может предотвратить образование кристаллов в присутствии ингибитора. В зависимости от характеристик ингибитора и природы подложки возможна адсорбция ингибитора на кристаллической решетке с образованием сложных поверхностей или сеток, для которых затруднительно удерживание и рост на активных центрах.
Ингибиторы образования отложений обычно подразделяются на органические и неорганические. Неорганические типы включают конденсированный фосфат, такой как полиметафосфаты или диметаллические фосфаты.
Неорганические фосфаты влияют на образование отложений за счет порогового эффекта. При таком механизме необязательно образовывать комплексы со всеми ионами раствора, поскольку, когда начинают образовываться кристаллы карбонатов и сульфата кальция, они осаждаются и в этот момент ионы фосфатов закрывают небольшие зародыши кристаллов, и рост кристаллов прекращается. Покрытие образуется вследствие абсорбции ионов фосфатов на поверхностях кристаллов.
Одним затруднением при использовании полифосфатов является то, что полифосфаты могут подвергаться гидролизу или обращению с образованием гидратированных ортофосфатов. Гидратированные ортофосфаты взаимодействуют с кальцием с образованием нерастворимых фосфатов кальция. На скорость обращения этих ингибиторов влияют температура, рН, концентрация, качество раствора, тип фосфатов и наличие некоторых ферментов.
Существуют четыре группы органических соединений (полифосфаты, полифосфонаты, поликарбоновые кислоты и полимелиаты), которые образуют хелаты с ионами, которые обычно образуют отложения, и эти группы соединений используют для приготовления ингибиторов образования отложений. Обычно соединения этих групп используют в виде следующих пар: (i) фосфонаты с основанием щелочного металла, такие как полифосфаты и полифосфонаты, и (ii) слабые кислоты, такие как поликарбоновые кислоты и полимелиаты.
Применение органических фосфатов ограничивается по температуре, поскольку при нагревании до высоких температур они также могут обращаться. Кроме того, фосфонаты неэффективны для вод, обладающих большим содержанием ионов кальция, и их необходимо использовать в больших дозах.
Полимеры, полученные из карбоновых кислот (т.е. акрилаты), также используют в качестве ингибиторов образования отложений. Эти соединения склонны деформировать кристаллическую структуру образующихся неорганических соединений, препятствуя их адгезии на поверхностях других кристаллов и/или металлов. При нагревании эти соединения стабильнее фосфатов и фосфонатов, однако для некоторых полимеров существуют ограничения по содержанию кальция, и его максимальная концентрация обычно составляет примерно 2000 мас.част./млн, хотя некоторые эффективны при концентрации, достигающей 5000 мас.част./млн.
Для эффективного ингибирования с использованием этих соединений необходимо закачивать полимеры в больших концентрациях. С учетом эффективности этих соединений при высоких температурах (при которых неприменимы другие продукты) такая обработка в некоторых случаях считается экономичной.
В последнее время хелатные агенты, например, этилентиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТК) или ее натриевую соль применяют для смягчения воды и/или в качестве ингибитора образования отложений. ЭДТК образует растворимые и стабильные комплексы с магнием, кальцием, барием и другими двухвалентными металлами, и это предотвращает образование отложений. Этот тип ингибитора не подвергается обращению, и они стабильны при высоких температурах. Однако эти ингибиторы являются намного более дорогостоящими, чем другие продукты.
Таким образом, обычные ингибиторы образования отложений можно охарактеризовать следующим образом:
Тип ингибитора
Ограничения
Неорганические полифосфаты
Подвергаются гидролизу и могут осаждаться в виде фосфатов кальция в зависимости от температуры, рН, качества раствора, концентрации, типа фосфата и наличия некоторых ферментов.
Органические полифосфаты
Подвергаются гидролизу при нагревании. Неэффективны при больших концентрациях кальция. Необходимо использовать в больших дозах
Полимеры на основе карбоновых кислот
Ограничения по содержанию кальция (2000 мас.част./млн)<b>,</b> хотя некоторые применимы при концентрациях, превышающих 5000 мас.част./млн. Необходимы более высокие концентрации.
Этилентиаминтетрауксусная кислота (ЭДТК)
Очень дорогостоящая.
В соответствии с информацией, имеющейся для выпускающихся в продажу ингибиторов образования отложений, необходима разработка продуктов, которые уменьшают имеющиеся ограничения и которые универсальны в применении.
Главной задачей настоящего изобретения является удовлетворение этой потребности.
Другие объекты и преимущества настоящего изобретения описаны ниже.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении решены указанные ниже задачи и обеспечены следующие преимущества.
Настоящее изобретение относится к способу ингибирования образования отложений, и этот способ включает стадии использования жидкой углеводородной системы: приготовление ингибитора образования отложений на основе алоэ; и смешивание ингибитора образования отложений на основе алоэ с жидкой углеводородной системой в количестве, эффективном для ингибирования образования отложений.
++
++
Настоящее изобретение также относится к композиции ингибитора образования отложений, которая включает гель алоэ, растворенный в воде при концентрации от примерно 5 до примерно 50 мас./мас.%. Гель алоэ включает полисахариды, солюбилизированные в воде при температуре от примерно 60 до примерно 90°С, и обладающие углеводородной цепью, содержащей карбоксильные и гидроксильные функциональные группы, которые взаимодействуют с двухвалентными ионами, такими как Са, Mgи т.п.
В отличие от синтезированных химически ингибиторов, которые основаны на указанных выше соединениях, ингибитор образования отложений, предлагаемый в настоящем изобретении, основан на активных ингредиентах, обнаруженных в геле растения алоэ, предпочтительно - Aloe Vera. Такой ингибитор образования отложений можно использовать при низких и высоких концентрациях кальция без ограничений, связанных с осаждением композиции вследствие гидролиза. В действительности, при использовании композиции, предлагаемой в настоящем изобретении, гидролиз способствует взаимодействию с ионами в растворе и это повышает ее эффективность в качестве ингибитора образования отложений.
Ингибитор образования отложений, предлагаемый в настоящем изобретении, также является термически стабильным вплоть до температуры, по меньшей мере, примерно 125°С. Поэтому ингибитор можно использовать в эксплуатационном оборудовании устья скважины и в другом добывающем оборудовании, работающем при низких температурах и в относительно неглубоких нефтяных скважинах, в которых температуры ниже.
Настоящее изобретение с успехом преодолевает затруднения, связанные с образованием отложений, и это осуществляется с помощью композиции, которую готовят из растения и которую можно использовать с уменьшением затрат, поскольку она не содержит синтезируемого соединения. Композиция, предлагаемая в настоящем изобретении, также приводит к уменьшению загрязнения окружающей среды, поскольку она является биологически разлагающейся и способствует развитию других локальных секторов экономики, таких как сельское хозяйство.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
На фиг.1 представлено растение Aloe Vera и части растения, которые являются исходным сырьем для настоящего изобретения;
На фиг.2 представлена модель ячейки, иллюстрирующая один механизм действия композиции, предлагаемой в настоящем изобретении;
На фиг.3 схематично представлены стадии образования композиции, описанной в примере 1.
На фиг.4 схематично представлены стадии образования композиции, описанной в примере 2; и
На фиг.5 схематично представлены различные промышленные и коммунальные технологии, в которых можно применять композицию и способ, предлагаемые в настоящем изобретении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к композиции и способу ингибирования образования отложений в различных промышленных и коммунальных системах, одним из примером которых является скважина вторичной добычи нефти, в которой применяется вода. Различные воздействия могут приводить к образованию отложений на оборудовании и эти отложения могут существенно помешать нормальной работе оборудования. Настоящее изобретение относится к композиции, которая применима для ингибирования образования отложений, и эта композиция приводит к устранению различных недостатков известных композиций, описанных выше.
В контексте настоящего изобретения композицию ингибитора образования отложений с успехом готовят из растений алоэ, предпочтительно - Aloe Vera, и на полученную таким образом композицию не оказывает вредного влияния гидролиз, и она пригодна для применения при температуре не менее примерно до 125°C, и ее можно получать из сельскохозяйственных источников.
Aloe Vera является засухоустойчивым растением, происходящим из тропической и субтропической зон. Это растение характеризуется твердыми и прямостоящими копьевидными листьями с зубчатыми сторонами и острым концом. Как показано на фиг.1, эпидермис листьев обладает толстой кожицей или кожурой 10. Под эпидермисом расположен мезофилл, который состоит из клеток хлоренхимы и тонких клеточных стенок, известных как паренхима 20. Клеточная паренхима окружает желеобразный, прозрачный и слизистый материал, в настоящем изобретении называемый гелем 30. Кроме того, сосудистые скопления растения содержат внутренние клеточные скопления, которые содержат желтый сок, или сок алоэ, который находится между двумя большими клетками.
В контексте настоящего изобретения гель Aloe Vera используют для получения ингибитора образования накипи. Этот гель содержит различные химические соединения, включая аминокислоты, глюкозиды, неорганические вещества и витамины. Точный состав конкретного образца не является постоянным, поскольку он меняется в зависимости от почвы, времени года, возраста растения и климата. Однако гель алоэ всегда содержит соединения, обладающие углеводородной цепью, содержащей карбоксильные и гидроксильные группы. Функциональные группы взаимодействуют с двухвалентными ионами, формирующими отложения, такими как Ca++, Mg++ и т.п., или образуют с ними комплексы.
Если удалить кожицу, то гель образует суккулентную часть листа. Алоэ и другие засухоустойчивые растения хранят воду, испаряющуюся из почвы при высоких температурах. При увеличении температуры окружающей среды количество геля в листьях также увеличивается.
++
++
Полученный из алоэ гель, предлагаемый в настоящем изобретении, можно использовать для приготовления ингибитора образования отложений, вступающего в реакцию с кальцием с образованием геля, который окружает кальций. Предполагается, что это происходит в соответствии с моделью ячейки (фиг.2), в которой допускается, что ионы кальция выступают в качестве мостика, образующего ионные связи между двумя карбоксигруппами, относящимися к разным цепям, находящимся вблизи друг от друга. В соответствии с этой полисахаридной моделью цепи взаимодействуют с Ca и образуют координационную структурную упаковку. На фиг.2 показано, как цепи геля взаимодействуют с Ca и сближаются друг с другом. Это обеспечивает стабильность, поскольку в противном случае системные воздействия или другие факторы будут способствовать возвращению геля в исходное состояние.
Взаимодействие между кальцием и другими атомами кислорода полисахаридов означает образование координационных связей, использующихся вакантными орбиталями кальция. Атомы кислорода гидроксигрупп, кольцевой атом кислорода и атомы кислорода сахаров, связанные водородными связями, участвуют в образовании связей с помощью неподеленных электронных пар. Кальций склонен образовывать комплекс с полисахаридами, поскольку ионный радиус кальция (0,1 нм) является достаточно большим для координации с удаленными атомами кислорода геля и поскольку этому способствует эластичность координационной связи.
3
Биополимеры, гидрофильные молекулы в растворимой матрице и другие композиции, содержащиеся в водных растворах, склонны препятствовать образованию кристалла СаСО.
+2
Кислотные группы, содержащиеся в гелях, предлагаемых в настоящем изобретении, например, такие как карбоксигруппа (-СООН) в молекулах растворимых белков, взаимодействуют с ионами кальция (Са), препятствуя кристаллизации. Положения кислотных групп и расстояния между ними в макромолекулах могут совместно приводить к сближению ионов кальция.
3
С другой стороны, адсорбция биополимеров на конкретных гранях СаСОявляется основным фактором, препятствующим кристаллизации.
3
Биологические макромолекулы могут приводить к образованию полиморфных форм кристалла СаСО. Кристаллизация из биополимеров приводит к фазовому переходу кристалла кальцита в арагонит.
Настоящее изобретение относится к композиции, предназначенной для приготовления и применения продуктов на основе растения алоэ, предпочтительно - Aloe Vera, в качестве ингибитора образования отложений.
Композиция, предлагаемая в настоящем изобретении, обладает эффективностью до 80% при условиях проведения исследований, установленных в стандарте NACE ТМ 0374, а эффективность имеющихся в продаже ингибиторов при тех же условиях проведения исследований составляет лишь примерно от 15 до 38%.
Композиция, предлагаемая в настоящем изобретении, характеризуется механизмом ингибирования, относящимся к изменению зародышеобразования кристаллов карбоната кальция. Композицию также можно использовать при низких и высоких концентрациях кальция. Композиция, предлагаемая в настоящем изобретении, не осаждается вследствие гидролиза и термически стабильна при температуре до 125°С. Применение композиции, предлагаемой в настоящем изобретении, обеспечивает снижение затрат, поскольку композицию не получают химическим синтезом. Наконец, композиция и способ ее приготовления и применения не приводят к загрязнению окружающей среды и поддерживают национальную экономику посредством поддержки сельского хозяйства.
Композицию, предлагаемую в настоящем изобретении, можно приготовить из сырья в виде дегидратированного геля Aloe Vera, предпочтительно обладающего характеристиками, приведенными в таблице 1.
Таблица 1Характеристики геля Aloe Vera.
Характеристика
Среднее значение
Химическая структура
Цепочечная углеводородная структура с карбоксильными (СООН) и гидроксильными (ОН) функциональными группами
Элементный состав
С 29,0-32,0; Н 4,2-6,5; O 44,0-55,0; N 0,4-0,8; S 0,3-1,6; Са 2,3-5,2; Mg 0,8-1,0; P 0,3-0,4.
Средняя молекулярная масса, определенная с помощью вискозиметрии
25 кДа(килодальтонов)
Термическая стабильность
До 125°С
В растворе Aloe Vera обладает характеристиками, описанными ниже в таблице 2.
Таблица 2Характеристики водного раствора геля Aloe Vera
Характеристика
Среднее значение
pH
3,8
Содержание кальция
3,75 маc./маc.%
Содержание магния
0,9 маc./маc.%
Кислотность (полное кислотное число)
18,33 мэкв. КОН/г
Характеристическая вязкость
0,4 дл/г
Тип жидкости
Ньютоновская
Критическая концентрация
15 маc./маc.%
Композиция, представленная выше, характеризует сырье (таблица 1), использованное для приготовления композиции, предлагаемой в настоящем изобретении, и предпочтительного варианта осуществления готового раствора геля (таблица 2). Разумеется, во всем объеме настоящего изобретения можно использовать и другое сырье.
Композиция ингибитора образования отложений, предлагаемая в настоящем изобретении, является водным раствором геля алое, предпочтительно обладающим концентрацией примерно от 5 до 50 маc./маc.%, более предпочтительно - от примерно 10 до примерно 25 маc./маc.%, наиболее предпочтительно 15 маc./маc.%.
Для приготовления ингибиторов образования отложений, предлагаемых в настоящем изобретении, используют две методики. Полученные продукты в настоящем изобретении обозначаются как Bio-Inh1 и Bio-Inh2. Как показано ниже, каждый из этих продуктов обладает четко выраженными характеристиками ингибитора образования отложений.
Пример 1 - приготовление Bio-Inh1
2
Используют растения Aloe Vera и выделение, и очистку геля Aloe Vera проводят по известным методикам, таким как раскрытые в US 2003/0211182 A1. Гель Aloe Vera подвергают стерилизующей и стабилизирующей обработке. Затем стерилизованный и стабилизированный гель Aloe Vera растворяют в НО при непрерывном перемешивании при температуре от примерно 60 до примерно 90°С для предотвращения ферментативных реакций и/или воздействия бактериальных агентов, которые вызывают разложение органических веществ.
Водный раствор геля готовят при концентрации от примерно 5 до примерно 50 мас./маc.%. Наблюдается резкое изменение электропроводности и вязкости раствора, в особенности при концентрации примерно 15 мас./маc.%. Поэтому такая концентрация является предпочтительной и используется в системе ингибирования образования отложений. Схема методики приведена на фиг.3.
Пример 2 - приготовление Bio-Inh2
2
Используют растения и выделение, и очистку геля Aloe Vera проводят по известным методикам. Гель Aloe Vera стерилизуют и стабилизируют. 20 г образца геля Aloe Vera смешивают со 100 мл метанола. Эту смесь непрерывно перемешивают в течение 10 мин и затем декантируют в течение 30 мин. Полученный продукт фильтруют и собирают нерастворимую фракцию. Эту фракцию в настоящем изобретении обозначают, как МПС (твердый осадок, содержащий метанол, полисахариды и комплекс соли, нерастворимый в спирте, и органические кислоты). МПС сушат в нагревающем устройстве при 30-50°С в течение 2 ч и получают стерилизованный и стабилизированный МПС. Затем стерилизованный и стабилизированный МПС растворяют в НО при непрерывном перемешивании при температуре от примерно 60 до примерно 90°С для предотвращения ферментативных реакций и/или воздействия бактериальных агентов, которые вызывают разложение органических веществ.
Водный раствор геля готовят при концентрации от примерно 5 до примерно 50 маc./маc.%. Наблюдается резкое изменение электропроводности и вязкости раствора, в особенности при концентрации примерно 15 маc./маc.%. Поэтому такая концентрация является предпочтительной и используется в системе ингибирования образования отложений. Схема методики приведена на фиг.4.
Продукты Bio-Inh1 и Bio-Inh2 готовят для устранения затруднений, связанных с отложениями в производственно-сбытовой цепи нефти и газа, и для такого применения они обладают превосходными характеристиками. Однако следует отметить, что их также можно применять в оборудовании для обработки воды, из которой вследствие жесткости осаждаются неорганические соединения, таком как теплообменники и многое другое. На фиг.5 представлены самые различные стадии производственно-сбытовых технологических цепей нефти и газа, в которых с успехом можно применять композицию, предлагаемую в настоящем изобретении. Примеры таких технологических стадий включают скважины добычи углеводородов, системы сбора и компрессорные системы, нагнетательные скважины, установки разделения воды и нефти, установки удаления серы, установки дегидратации, системы промышленного потребления, системы бытового потребления, установки сжижения природного газа и оборудование для транспортировки.
Следует понимать, что настоящее изобретение относится к способу составления, приготовления и применения ингибитора образования отложений, основанного на активных веществах, выявленных в геле на основе растения алоэ, предпочтительно - Aloe Vera. Настоящее изобретение обладает преимуществами по сравнению с имеющимися в продаже продуктами, поскольку его можно использовать при низких и высоких концентрациях кальция и он не осаждается вследствие гидролиза. В действительности, при использовании соединений, предлагаемых в настоящем изобретении, гидролиз способствует взаимодействию композиции с ионами в растворе и это повышает ее эффективность в качестве ингибитора образования отложений. Кроме того, композиции, предлагаемые в настоящем изобретении, являются термически стабильными вплоть до температуры, по меньшей мере, примерно 125°С. Поэтому композицию можно использовать в эксплуатационном оборудовании устья скважины, в добывающем оборудовании, работающем при приемлемых температурах и в обладающих глубиной от небольшой до средней неглубоких нефтяных скважинах, в которых не возникают такие температуры.
Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанными иллюстрациями и приведенным в настоящем описании, что считается преимущественно иллюстративными примерами наилучших вариантов осуществления настоящего изобретения и может быть подвергнуто изменениям по форме, размеру, расположению частей и особенностям действий. Предполагается, что настоящее изобретение включает все такие модификации, которые входят в его сущность и объем, определенные в формуле изобретения.