Электрод и электролит для ионного нагрева высоковязкой нефти

УДК 541.13: 621.35

Я. В. Ившин

ЭЛЕКТРОД И ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ИОННОГО НАГРЕВА ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ

Ключевые слова: ионный нагрев, добыча нефти, повышение дебита скважины, высоковязкие нефти, электролит для ионного

нагревателя, динамические характеристики нагрева.

Подобран материал электрода и состав электролита для ионного нагревателя, применяемого при добыче высоковязких нефтей. Приведены динамические характеристики процесса нагрева различных электролитов.

Keywords: Ion heating oil production, increase production rate, high-viscosity oil, electrolyte ion heater, the dynamic characteristics of

heat.

Described the selection of electrode material and the electrolyte composition for ion heater used in mining high-viscosity oil. Given the dynamic characteristics of the heating process of various electrolytes.

Добыча высоковязких запасов нефти сегодня является одной из актуальных задач нефтедобывающей промышленности. Термические методы повышения нефтеотдачи пластов являются приоритетными среди других методов в настоящее время при разработке нефтяных месторождений, содержащих высоковязкие нефти [1]. Тепловое воздействие является комплексным: уменьшается вязкость нефти, увеличивается ее подвижность, ослабевают структурно-механические свойства, улучшаются условия для капиллярной пропитки и смачиваемости вытесняющего агента, что приводит к увеличению конечной нефтеотдачи

Среди тепловых методов, основанных на применении электрической энергии, на наш взгляд, наиболее перспективным является ионный нагрев, особенно для скважин с относительно невысоким дебитом. В ионном нагревателе тепловая энергия генерируется за счет протекания переменного тока через электролит, с которым соприкасаются, как минимум, два электрода [2]. Ионный нагреватель обладает рядом неоспоримых преимуществ, среди которых следует отметить:

• простоту конструкции и технического обслуживания;

• отсутствие перегрева и последующего коксования компонентов нефти;

• отсутствие перегорающего элемента и высокую долговечность - годы непрерывной работы;

• крайне малая инертность позволяет эффективно управлять температурными режимами во время работы;

• любые перепады напряжения в электросети не наносят вреда ионному нагревателю — меняется лишь его мощность, работа не прекращается.

Следует особенно отметить тот факт, что кроме увеличения добычи нефти (суточный прирост до 30%), существенно облегчается работа насосно-компрессорного оборудования, что выражается в резком снижении количества его отказов и непосредственно связанных с этим затрат на ремонт.

Электроды и электролит нагревателя работают в очень жестких коррозионно-электрохимических условиях - циклическая катодно-анодная поляризация с частотой 50 Гц при напряжении 220В и выше. Кроме того, при

повышении температуры скорость коррозии и растворимость продуктов коррозии, как правило, существенно повышается. К электролиту для ионного нагревателя для обеспечения его бесперебойной работы предъявляется ряд требований: определенная электропроводимость, сочетание материала электродов и состава электролита, при котором поверхность электрода и состав электролита остаются неизменными при протекании переменного электрического тока высокого напряжения в течение длительного времени.

Для оценки коррозионно-электро-химических свойств металлов и сплавов можно использовать априорную информацию об анодной поляризации электродов постоянным током в различных растворах [3]. Влияние переменного тока на скорость растворения металлов неоднократно рассматривалось в литературе. Опубликованный материал, как правило, содержит опытные данные о зависимости скорости растворения металлов от частоты или плотности переменного тока. Большинство исследователей считает, что в общем случае скорость растворения металлов увеличивается при поляризации переменным током, причем абсолютная величина коррозионного эффекта определяется природой металла или сплава, а также электрохимическими свойствами коррозионной среды [4,5]. Однако, следует учитывать, что большинство исследований проведено при относительно небольших поляризации электрода - до 2-3 В, а это серьезно осложняет использование априорных результатов в данном случае (внешнее напряжение 220.В).

Предварительные ускоренные испытания коррозионной стойкости электродов проводили в стеклянном стакане с объемом жидкости 500 см3. Нагреватель был выполнен в виде двух параллельных прямоугольных пластин площадью 5 см2 каждая, расположенных на расстоянии 2 см друг от друга. О коррозионной стойкости испытываемых электродов судили по появлению окрашенных продуктов коррозии в нагреваемой среде и наличии осадка на дне сосуда после ее кипячения в течение 1 часа. Температуру раствора измеряли с помощью ртутного термометра с ценой деления 0,5°С и диапазоном измерения 0 - 150°С.

Силу тока измеряли с помощью токовых клещей FLUKE 317 с минимальным значением шкалы 0.01 А. Для приготовления растворов использовали дистиллированную воду и вещества классса ч.д.а. Подбор концентрации растворов осуществляли с помощью литературных данных (табл.1).

Таблица 1 - Электропроводимость растворов различных электролитов [3]

Электро-лит Концентрация, г/экв/л. Температура °С. Электро- проводимость, Ом-1*м-1

0,001 м 18 0,0234

0,005 м 18 0,115

КОН 0,01 м 18 0,228

0,05 м 18 1,095

0,1 м 18 2,13

0,5 м 18 9,85

5% 18 6,9

KCl 10% 18 13,59

15% 18 20,20

0,00197 м 18 0,0112

0,005 м 18 0,0512

1/2Na2CO3 0,01 м 18 0,0962

0,05 м 18 0,1015

0,1 м 18 0,729

0,00197 м 25 0,0235

NaNOa 0,01198 м 0,0501 м 25 25 0,135 0,528

0,1 м 25 1,017

0,001 м 18 0,01067

0,005 м 18 0,0504

1/2Na2SO4 0,01 м 18 0,0968

0,05 м 18 0,4195

0,1 м 18 0,7840

МдСОз Mg(OH)2 СаСОз насыщенный насыщенный насыщенный 17,8 18 18 0,07912 0,0080 0,002884

Во всех проведенных экспериментах, независимо от состава электролита, наблюдается аналогичная картина процесса нагрева. В начале процесса температура электролита и ток симбатно возрастают во времени до момента закипания электролита, при котором достигается максимум тока и температуры (рис.1). После чего ток начинает снижаться до какого-то стационарного значения тока кипения, а температура, в дальнейшем, остается постоянной.

Рис. 1 - Зависимость тока от времени нагрева водного раствора Ма3Р04*12Н20. Электроды -пластины из ст.3

При этом, увеличение электропроводимости раствора, при прочих равных условиях, почти не увеличивает ток при кипении, он остается в пределах 2-3 А, в отличи от максимального значения тока на момент кипения. При замене электродов на нержавеющую сталь, картина протекания процесса практически не изменяется, зависимости тока и температуры от времени аналогичны. По всей видимости, при данном сочетании конструкции электролизера и объема электролита, в режиме кипения проводимость электролита, в основном, определяется наличием большого количества газообразных крупных пузырьков воды.

Из потенциально возможных электродных материалов, по литературным данным, имело смысл рассмотреть сплавы алюминия, железа, хрома, меди, никеля и титана. Малоуглеродистые стали дешевы и обладают хорошими конструкционно-

механическими свойствами. При испытаниях модели нагревателя в водных растворах фосфата, сульфата, нитрата, карбоната натрия наблюдали образование в электролите бурого шлама. После отстаивания раствор становиться бесцветным. Вероятно, образуется нерастворимый гидроксид железа (III), рН гидратообразования которого довольно мал (менне 3). В принципе, нагреватель с электродами из углеродистой стали может быть использован благодаря дешевизне электродов, но при эксплуатации потребует частой замены электродов.

Наиболее типичным представителем коррозионностойких хромоникелевых сплавов сталей является сталь типа Х18Н10Т. Они хорошо пассивируются постоянным анодным током в большинстве растворов солей и щелочей, однако в присутствии хлорид ионов подвергаются питтинговой коррозии. С увеличением концентрации сульфат ионов активирующее воздействие хлорид ионов понижается. Однако, испытания нагревателя на переменном токе с напряжением 220 В показывают, что в сульфатных, фосфатных, нитратных, карбонатных электролитах наблюдается окрашивание раствора и образуется шлам в виде частиц темного - бурого цвета. Это является следствием разрушения металла, вероятно, по механизму питтинговой коррозии.

В растворах гидроксида калия количество продуктов коррозии (по объему) значительно меньше. Они представляют собой песчинки черного и бурого цвета. Аналогично ведут себя насыщенные растворы труднорастворимых соединений -. MgO, Mg(OH)2, MgCO3. При их выкипании не образуется искр, которые в других случаях являются результатом электрического пробоя влажного осадка соли.

Из полученных данных следует, что для электролизера из нержавеющей стали марки Х18Н10Т подходят электролиты на основе малорастворимых соединений MgO и Mg(OH)2, MgCO, а также электролиты на основе гидрокисида калия. К недостаткам первых электролитов относится их постоянная электропроводимость, что приводит к невозможности управлять силой тока,

что является достоинством вторых. После отстоя раствор бесцветен. Количество продуктов коррозии в объеме позволяет заключить, что такой материал может быть использован для изготовления открытого нагревателя с возможностью периодической замены электролита и электродов. Поведение других хромово-никелевых и хромистых сталей аналогично, а количественные характеристики зависят от процентного содержания легирующих компонентов.

Сплавы титана при анодной поляризации в большинстве растворов солей и оснований пассивируются, причем на электроде образуется плотная плохопроводящая пленка. Однако, при циклической анодно-катодной поляризации с частотой 50 Гц проводимость ее достаточно высока. Испытания электродов из титана ВТ-1 в электронагревателе показали его высокую коррозионную устойчивость даже в хлоридсодержащих средах. Таким образом, титан может быть рекомендован для использования в качестве электродов электронагревателя. Однако его использование в качестве электродного материала затруднено вследствие высокой стоимости и больших проблемах при механической обработке.

Дальнейшие испытания проводили в электролизере, в виде заглушенного с одного конца отрезка цилиндрической трубы диаметром 55 мм, и помещенного в него центрального стержня диаметром 5 мм. Нагреватель изготавливали из стали марки Х18Н10Т, к центральному электроду подключали фазовый провод, а наружному -нулевой. Внешний диаметр данной модели сравним с размерами реально используемого нагревателя, нагревательным элементом в котором служит ТЭН (спираль в керамической обмотке). Этот электролизер служил для оценки протекания процессов в условиях, близких к реальным.

В процессе испытаний использовали небольшое количество раствора (до 50 мл) и внешнее водяное охлаждение с целью снижения скорости выкипания электролита. Во всех проведенных экспериментах, независимо от состава электролита, наблюдается аналогичная картина процесса нагрева. В начале процесса температура электролита и ток симбатно возрастают во времени до момента закипания электролита, при котором достигается максимум тока и температуры. После чего ток начинает снижаться до какого-то стационарного значения тока кипения, а температура, в дальнейшем, остается постоянной (рис.2). По всей видимости, при кипении раствора значительное влияние на проводимость электролита оказывает режим образования пузырьков, их размеры и характер образования, что в итоге значительно снижает величину тока кипения.

Увеличение напряжения сказывается на токе, протекающем через электролит следующим образом. Вначале ток возрастает до величины в 21,7 раза большей, чем при меньшем напряжении. Достигнув максимального значения (рис 3), ток начинает уменьшаться, пузырьков становится больше, их размер увеличивается, вследствие чего

ток кипения уменьшается в два раза в результате возрастания пузырькового сопротивления электролита с увеличением напряжения.

Рис. 2 - Зависимость тока от времени нагрева в цилиндрическом нагревателе с центральным электродом. У=50мл, и=220В

Рис. 3 - Зависимость тока от времени нагрева насыщенного водного раствора Мд(0Н)2*МдС03 в цилиндрическом нагревателе с центральным электродом. У=50мл

Таким образом, увеличением напряжения на клеммах нагревателя нельзя добиться увеличения тока кипения, оставляя неизменным объем электролита, то есть, не изменяя площадь электродов и межэлектродное расстояние при данных условиях.

Увеличение мощности нагревателя можно добиться увеличением объема электролита, поскольку вследствие увеличения объема электролита происходит прямо пропорциональное увеличение рабочей площади электродов, что ведет за собой рост тока. Величина тока кипения также возрастает синхронно с увеличением объема электролита (рис.4).

Таким образом, установлено, что при протекании переменного тока большой плотности (более 1 А/см2) и высоком напряжении (220 В), через электролит небольшого объема, находящийся в открытом сосуде, устанавливается режим кипения, который определяется размером пузырьков водяного пара. При этом, значение тока при стационарном кипении значительно ниже, чем в начальный момент закипания, а зависимость силы тока от электропроводимости не носит характер прямо пропорциональной зависимости.

20мл Э0мл

»XXXXXX *-*-»<

УУУУТИ

20 40 60 B0 100 120 140 160

время,мин

Рис. 4 - Зависимость тока от времени нагрева и объема электролита в открытом цилиндрическом электролизере с центральным электродом. Электролит - 0,5г/л КОН

В дальнейших исследованиях было установлено, что при снижении плотности тока и увеличении объема электролита, а также интенсификации теплосъема с внешней поверхности нагревателя, режим кипения изменяется и становится более стабильным, который определяется более мелким размером пузырьков водяного пара. При этом, зависимость силы тока от времени не имеет ярко выраженного максимума.

В результате проведенных исследований нами разработан ряд электролитов для ионного нагревателя, под общей маркой «ТЭПИОН», которые удовлетворяют всем эксплутационным требованиям, в них не происходит разрушение металла электрода. Электролит представляет собой прозрачную жидкость - водный раствор с добавлением различных вспомогательных веществ.

Производится серийный ряд электролитов для нагревателей различной мощности и типа. Электролит пожаровзрывобезопасен, при соблюдении элементарных требований техники безопасности, электролит не оказывает вредного воздействия на здоровье лиц связанный с его испытанием и применением.

Систематические лабораторные

исследования и многолетняя эксплуатация нескольких десятков ионных нагревателей, в которых используются электролиты ТЭПИОН, показали, что электролит достаточно стабилен в условиях эксплуатации в течении года и более непрерывной работы.

Литература

1. Антониади Д.Г., Гарушев А.Р., Ишханов В.Г. Настольная книга по термическим методам добычи нефти.- Краснодар: Советская Кубань, 2000.-464с.

2. Я.В. Ившин. Р.А.Кайдриков. Ионный нагреватель для нефтедобывающих скважин. // Вестник КГТУ, 2014, Т.17. №12, С.163-165.

3. Справочник по электрохимии (под ред. Сухотина А.М.),-Л.: Химия, 1981.-488с.

4. Михайловский, Ю.Н. Электрохимический механизм коррозии металлов под действием переменного тока / Ю.Н. Михайловский // Коррозия металлов исплавов. -М. : Металлургиздат, 1963. - 300 с.

5. Белов, С.Ф. Исследование процесса растворения металлического никеля под действием переменного тока промышленной частоты в сернокислых электро-литах / С.Ф. Белов, В.А. Брюквин // Цветные металлы. - 2005. -№ 1. - С. 39-41.

© Я. В. Ившин - д-р хим. наук, проф. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, ivshin@kstu.ru. © Ya. V. Ivshin - Dr. Chem. Sciences, prof. Department of Technology of Electrochemical Production KNRTU, ivshin@kstu.ru.