Способ ультразвуковой диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии
METHOD OF ULTRASONIC DISPERSION OF DEMULSIFIER IN WATER-OIL EMULSION

Изобретение относится к области обработки водонефтяных эмульсий, в частности к способам, обеспечивающим разделение водонефтяных эмульсий с использованием диспергирования деэмульгатора ультразвуковым (УЗ) воздействием.
Деэмульгаторы широко применяются для разделения водонефтяных эмульсий, в частности, в сочетании с нагреванием и перемешиванием, для улучшения распределения деэмульгатора в объеме эмульсии. Во многих областях техники для смешивания и диспергации веществ в жидкой фазе широко используется ультразвук, одним из наиболее эффективных и широко используемых является режим акустической кавитации.
Известен способ для обработки нефтешламов (патент на изобретение RU №2154515, опубликован 20.08.2000 г, МПК: B01D 17/05), согласно которому для разделения нефтесодержащей эмульсии с высоким содержанием механических примесей эмульсию нагревают, готовят композицию, содержащую деэмульгатор и добавку диспергирующего агента, и проводят их смешивание при ультразвуковом воздействии с частотой 15-35 кГц в течение 3-5 мин, при этом соотношение нефтешлама к композиции составляет 1:3. Общими признаками с заявленным способом является осуществление ультразвукового воздействия на нефтесодержащую эмульсию, содержащую деэмульгатор. Недостатками является необходимость предварительной подготовки значительного объема композиции с деэмульгатором относительно объема нефтешлама, что не позволяет экономить количество вводимого деэмульгатора, а также возникает неравномерность УЗ-воздействия в связи с затуханием УЗ-волн при прохождении через нефтесодержащую эмульсию, что не позволяет эффективно диспергировать деэмульгатор в объеме эмульсии.
Известен способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред (патент на изобретение RU №2540608, опубликован 10.02.2015 г, МПК: B01F 3/00), в котором режим акустической кавитации достигается в проточной системе-канале, стороны которой расположены таким образом, что вместе образуют цилиндрический фокусирующий концентратор энергии в центральной зоне системы-канала. Фокусирующие акустические концентраторы позволяют увеличивать интенсивность УЗ-волн в некоторой части пространства по сравнению с интенсивностью у поверхности УЗ-излучателя. Указанная система-канал имеет сечение в виде ромба (углы 120 и 60 градусов), либо в виде правильного шестигранника (углы 120 градусов). Это связано с тем, что при значениях углов каналов нецилиндрического сечения равных 60 градусам обеспечивается необходимый коэффициент усиления сходящейся цилиндрической волны. Цилиндрическое сечение в таком случае аппроксимировано набором хорд. Общими признаками с заявляемым изобретением является обработка жидкости ультразвуком в проточном канале, стороны которого образуют цилиндрический акустический фокусирующий концентратор. Однако, режим акустической кавитации в случае диспергирования деэмульгатора в водонефтяной эмульсии приводит не только к перемешиванию деэмульгатора в объеме водонефтяной эмульсии, но также к образованию прямых стойких эмульсий, т.е. к эмульгации. Таким образом, изобретение по патенту RU №2540608 может быть использовано для диспергирования, но не может применяться для эффективной диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии при ее сепарации.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия (патент RU №2535793, опубликован 20.12.2014 г, МПК: C10G 33/02), который включает процесс обработки эмульсии деэмульгатором, ультразвуком, процесс отстаивания, а также предварительное определение оптимального уровня удельной акустической мощности ультразвука. Общими с заявляемым способом признаками является обработка водонефтяной эмульсии деэмульгатором и ультразвуком. Однако применении способа по патенту RU №2535793 требуется первоначальное определение ряда частот, которые действуют на разные по размерам водяные глобулы и последовательная обработка водонефтяной эмульсии на найденных частотах, при этом отстаивание эмульсии происходит при УЗ-воздействии, что приводит к существенному увеличению общего времени обработки, и недостаточно эффективно при обработке больших объемов водонефтяных эмульсий.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии, что приводит к повышению эффективности и ускорению процесса сепарации водонефтяной эмульсии, а также к экономии количества используемого деэмульгатора.
Технический результат по заявленному изобретению достигается за счет использования способа ультразвуковой диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии, при котором в объем водонефтяной эмульсии, температура которой составляет от 25°С до 60°С, добавляют в эмульсию деэмульгатор и подвергают полученную смесь ультразвуковому воздействию в проточном канале, в котором создают условия цилиндрического или квазицилиндрического фокусирующего акустического концентратора с частотой резонанса от 19 кГц до 25 кГц, при этом выбирают такую длину канала и/или скорость потока, при котором время воздействия на поступающую в канал водонефтяную эмульсию составляет не менее 20 сек. Под цилиндрическим акустическим фокусирующим концентратором понимается устройство (канал) цилиндрической формы, в котором обеспечивается увеличение интенсивности ультразвуковых волн в фокальной области, расположенной вдоль оси цилиндра. Под квазицилиндрическим фокусирующим акустическим концентратором понимается устройство (канал) нецилиндрического сечения, в котором обеспечивается аналогичное увеличение интенсивности ультразвуковых волн.
Технический результат достигается за счет комплексного воздействия температуры и резонансной частоты ультразвука на смесь водонефтяной эмульсии и деэмульгатора в проточном канале в условиях цилиндрического или квазицилиндрического фокусирующего акустического концентратора в течение установленного времени.
Согласно заявленному изобретению температура водонефтяной эмульсии, подаваемой в проточный канал составляет от 25°С до 60°С. Ниже указанного предела химическая активность деэмульгатора уменьшается, в связи с чем появляется зависимость от химической активности используемого деэмульгатора. В связи с этим, при низкой исходной температуре водонефтяной эмульсии, может потребоваться ее нагрев до температуры в указанных пределах. Верхнее значение температуры ограничено температурой кипения нефти, которая колеблется в широких пределах в зависимости от состава нефти, входящей в водонефтяную эмульсию, в связи с чем нагревание выше 60°С в данном случае нецелесообразно. Деэмульгатор может быть введен в объем водонефтяной эмульсии заранее или непосредственно перед подачей эмульсии в проточный канал.
Значения оптимальной частоты резонанса УЗ-воздействия на водонефтяную эмульсию в проточном канале составляют от 19 кГц до 25 кГц. Использование ультразвука с частотой ниже 19 кГц обеспечивает эффективную диспергацию деэмульгатора не во всех типах водонефтяных эмульсий. Это может зависеть от вязкости эмульсии и содержания полярных компонентов нефти, количество которых влияет на устойчивость водонефтяных эмульсий. Увеличение резонансной частоты выше 25 кГц согласно заявленному способу не позволяет достичь полного разделения водонефтяной эмульсии в связи с тем, что при более высоких частотах возникает процесс эмульгирования для некоторых видов эмульсий и образование прямых стойких эмульсий.
Воздействие на водонефтяную эмульсию ультразвуком в проточном канале позволяет усилить распределение деэмульгатора по объему водонефтяной эмульсии за счет движения потока. При этом создание условия цилиндрического или квазицилиндрического фокусирующего акустического концентратора приводит к увеличению интенсивности ультразвуковых волн в объеме водонефтяной эмульсии и за счет большой фокальной области позволяет обрабатывать большой объем жидкости.
УЗ-воздействие на водонефтяную эмульсию должно составлять не менее 20 сек. Уменьшение времени УЗ-воздействия менее 20 сек. является недостаточным для эффективной диспергации деэмульгатора по всему объему водонефтяной эмульсии в этих условиях.
Длина проточного канала, в котором поступающую эмульсию подвергают УЗ-воздействию, и/или скорость потока выбирают таким образом, чтобы обеспечивалось время УЗ-воздействия на поступающую в проточный канал водонефтяную эмульсию не менее 20 сек. Эти значения связаны между собой согласно формуле:
УЗ
L=υ×t,
где L - длина проточного канала,
υ - скорость водонефтяной эмульсии,
УЗ
t - время УЗ-воздействия.
Таким образом, комплексное воздействие всех указанных признаков обеспечивает эффективную диспергацию деэмульгатора по объему водонефтяной эмульсии, движущейся в проточном канале, не вызывая при этом процессов эмульгирования и повышая эффективность и скорость разделения эмульсии, а также позволяет сокращать количество вводимого деэмульгатора.
Резонансная частота УЗ-воздействия может составлять, в частности, от 20 кГц до 22 кГц. В этих пределах достигается высокая эффективность дисперагции деэмульгатора для различных типов водонефтяных эмульсий.
Время УЗ-воздействия в указанных условиях может составлять от 20 сек. до 60 сек. Как уже указывалось выше, УЗ-воздействие менее 20 сек является неэффективным, при этом время обработки от 20 сек до 60 сек является достаточным для диспергации деэмульгатора в объеме водонефтяной эмульсии, увеличение времени УЗ-воздействия более 60 сек. требует организации проточного канала большой длины и является нецелесообразным.
Оптимальная температура водонефтяной эмульсии, в объеме которой диспергируют деэмульгатор может составлять от 25°С до 40°С. В указанных пределах температур эффективность диспергации деэмульгатора более эффективна, при этом не происходит перегрева водонефтяной эмульсии.
При ультразвуковом воздействии согласно заявленному способу желательно, чтобы удельная мощность акустической волны составляла не более 15 Вт/литр водонефтяной эмульсии, что связано с возможным процессом эмульгирования при увеличении мощности и образованием прямых стойких эмульсий.
Скорость потока водонефтяной эмульсии в проточном канале может составлять от 0,1 м/с до 0,8 м/с, предпочтительно от 0,1 м/с до 0,5 м/с, наиболее предпочтительно от 0,1 м/с до 0,2 м/с. При этом скорость определяется линейной скоростью движения водонефтяной эмульсии по трубопроводу от кустов к месту первичной подготовки нефти и может зависеть от вязкости водонефятной эмульсии, также при более низких скоростях потока обеспечивается более равномерное УЗ-воздействие на водонефтяную эмульсию, движущуюся в проточном канале.
Использование заявленного способа приводит к значительному сокращению количества используемого деэмульгатора - на 50-70% от концентрации деэмульгатора, который используется при типовом гравитационном отстаивании, т.к. в указанных условиях происходит эффективная диспергация и распределение даже малых количеств деэмульгатора по всему объему водонефтяной эмульсии. Равномерное распределение деэмульгатора в объеме водонефтяной эмульсии согласно заявленному способу приводит к повышению степени и скорости фазоразделения эмульсии.
На фигуре 1 приведено схематичное изображение проточного канала, который может использоваться для диспергации деэмульгатора в объеме водонефтяной эмульсии, где:
1 - ультразвуковые излучатели;
2 - вход водонефтяной эмульсии;
3 - ввод деэмульгатора;
4 - выход водонефтяной эмульсии.
На фигуре 2 представлена динамика отделения воды (в процентах) для водонефтяной эмульсии Приобского месторождения от времени гравитационного отстаивания, с содержанием воды и нефти, соответственно, 30% и 70%, где:
5 - динамика расслоения водонефтяной эмульсии при гравитационном отстаивании после УЗ-воздействия согласно заявленному способу при резонансной частоте 21700 Гц в течение 60 сек при добавлении 21,5 гр. деэмульгатора;
6 - динамика расслоения водонефтяной эмульсии при гравитационном отстаивании после УЗ-воздействия согласно заявленному способу при резонансной частоте 21700 Гц в течение 20 сек при добавлении 21,5 гр. деэмульгатора;
7 - динамика расслоения водонефтяной эмульсии при гравитационном отстаивании без предварительного УЗ-воздействия при добавлении 43 гр. деэмульгатора;
8 - динамика расслоения водонефтяной эмульсии при гравитационном отстаивании без предварительного УЗ-воздействия при добавлении 21,5 гр. деэмульгатора.
Способ ультразвуковой диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии, при котором водонефтяную эмульсию, температура которой составляет от 25°С до 60°С, подают через вход 2 в проточный канал, одновременно через ввод деэмульгатора 3 в эмульсию добавляют деэмульгатор и подвергают полученную смесь ультразвуковому воздействию за счет ультразвуковых излучателей 1 в проточном канале (на фиг. не обозначен), в котором создают условия цилиндрического или квазицилиндрического фокусирующего акустического концентратора с частотой резонанса от 19 кГц до 25 кГц, при этом выбирают такую длину канала и/или скорость потока, при котором время воздействия на поступающую в канал водонефтяную эмульсию составляет не менее 20 сек.
После обработки водонефтяную эмульсию из проточного канала через выход 4 направляют на гравитационное отстаивание.
Ниже приведены примеры разделения водонефтяной эмульсии Приобского месторождения с содержанием нефтяной и водной фазы, соответственно, 70% и 30%, при обработке деэмульгатором и гравитационном отстаивании с использованием заявленного способа ультразвуковой диспергации деэмульгатора. При реализации способа используется безкавитационный режим течения эмульсии.
Пример 1. В объем эмульсии добавили деэмульгатор (марки «Денмастер 3020») в концентрации 21,5 г/тонну водонефтяной эмульсии с температурой 30°С, направили в проточный канал со скоростью 0,7 м/с, в котором подвергли УЗ-воздействию при частоте 21700 Гц в течение 60 сек (длина проточного канала L согласно вышеуказанной формуле составила 42 м), затем направили на гравитационное отстаивание. Проточный канал ромбовидного сечения (углы 120 и 60 градусов) выполнен из нержавеющей стали AISI 316, на внешних стенках канала друг напротив друга расположены УЗ-излучатели (пьезоэлектрические возбудители), подключенные к промышленному генератору ультразвуковых колебаний УЗГ 2-22, образуют так называемый «активный пояс», в котором обеспечивают образование условия квазицилиндрического фокусирующего акустического концентратора. При этом стороны канала совершают резонансные автоколебания на необходимой частоте. Расстояние между такими «активными поясами» составляет 37,5 см. Результаты исследования приведены на кривой 5 на фигуры 2.
Пример 2. В объем эмульсии добавили деэмульгатор (марки «Денмастер 3020») в концентрации 21,5 г/тонну водонефтяной эмульсии с температурой 30°С, направили в проточный канал со скоростью 0,7 м/с, в котором подвергли УЗ-воздействию при частоте 21700 Гц в течение 20 сек. (длина проточного канала L согласно вышеуказанной формуле составила 14 м), затем направили на гравитационное отстаивание. Условие цилиндрического фокусирующего акустического концентратора обеспечивали в проточном канале, описанном в примере 1. Результаты исследования приведены на кривой 6 фигуры 2.
Для сравнения были получены данные по скорости и эффективности разделения водонефтяной эмульсии, температура которой составляла 30°С, при тех же количествах указанного деэмульгатора, что и в примерах 1 и 2 (кривая 8 на фигуре 2), а также при увеличении количества деэмульгатора (кривая 7 на фигуре 2) в два раза (43 г/тонну водонефтяной эмульсии), но без УЗ-воздействия. Эффективность и скорость разделения водонефтяной эмульсии оценивали также во время гравитационного отстаивания и сравнивали с результатами испытаний, полученными при дисперагции деэмульгатора согласно заявленному способу.
Из представленных на фигуре 2 данных видно, что использование заявленного способа диспергации деэмульгатора обеспечивает значительное увеличение степени и скорости разделения водонефтяной эмульсии по сравнению с типовым методом гравитационного отстаивания при тех же значениях температуры и концентрации деэмульгатора (кривые 6 и 8). Увеличение концентрации деэмульгатора в 2 раза при типовом гравитационном отстаивании не позволяет достичь той же степени и скорости разделения водонефтяной эмульсии, что и при использовании заявленного способа (кривые 6 и 7). Увеличение времени УЗ-воздействия позволяет ускорить процесс фазоразделения при использовании заявленного способа ультразвуковой диспергации деэмульгатора (кривая 5).
Таким образом, при использовании способа ультразвуковой диспергации деэмульгатора в водонефтяной эмульсии обеспечивается эффективное распределение деэмульгатора по всему объему эмульсии, что приводит к более эффективному и быстрому фазоразделению, а также позволяет сократить количество используемого деэмульгатора.