Исследование магнитного поля в процессе обессоливания нефти

Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №4 УДК 665.622.43.0666

А. А. Верховых, Т. Адемувагун, Н. С. Гараева, А. А. Елпидинский

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРОЦЕССЕ ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТИ

Ключевые слова: нефть, эмульсия, соли, магнит, деэмульгатор.

Рассматривается влияние постоянного и переменного магнитного поля на обессоливание водонефтяных систем. Показано, что магнитная обработка нефти оказывает отрицательное воздействие на процесс обессо-ливания: отмечается увеличение содержания солей в обработанной нефти. Это объясняется специфическим поведением ферромагнитных частиц в создаваемом поле, которые выступают в качестве взвешенных центров кристаллизации.

Keywords: oil, emulsion, salts, magnet, demulsifier.

An influence of the direct and alternating current magnetic field on desalting of oil-water systems is examined. It was shown that the magnetic processing of oil has a negative effect on the process of desalting: an increase of the salt content in the treated oil is observed. This is due to the specific behavior of the ferromagnetic particles in the generated field, which act as the weighted centre of crystallization.

Введение

Пластовые воды, добываемые с нефтью и образующие с ней дисперсную систему, содержат как правило, большое количество растворимых минеральных солей - в основном, смеси растворов хлорида, сульфата и карбоната натрия, магния и кальция. Пластовые воды Западной Сибири представлены карбонатными составляющими, Урала и Поволжья - сульфатными. На некоторых месторождениях Татарстана, помимо сульфатов, отмечено присутствие в нефтях хлоридов, а суммарное содержание всех солей может достигать до 300 - 500 мг/л [1]. Вместе с солями в пластовой воде, а следовательно, и в самой нефтяной системе, содержатся химические соединения (SiO2, Fe2O3 • Al2O3), образующие неустойчивые коллоидные растворы (золи), тяжелые металлы, а также твердые неорганические вещества, нерастворимые в воде и находящиеся во взвешенном состоянии - механические примеси [2]. Все эти соединения ухудшают эксплуатационные свойства нефти: соли приводят к коррозии на передаточных устройствах и в технологическом оборудовании установок подготовки нефти; механические примеси обладают абразивным эффектом, способствуют забивке фильтров и износу перекачивающего оборудования, тяжелые металлы (ванадий и никель) дезактивируют катализаторы вторичных процессов и затрудняют дальнейшую (глубокую) переработку нефти. Вкупе это ухудшает качество нефтепродуктов, снижает межремонтный период работы установок подготовки и переработки.

Все эти причины обуславливают необходимость такого процесса, как глубокое обессоливание нефти, которое должно быть осуществлено до того, как нефть поступит на перегонку в атмосферные ректификационные колонны. В настоящее время существуют два основных метода обессоливания нефтяных систем:

1) промывка нагретой нефти пресной водой и отделение воды с экстрагированными солями и механическими примесями в специальных аппаратах-отстойниках;

2) модификация первого метода, применяемая для подготовки тяжелых высокосернистых нефтей и заключающаяся в том, что отделение минерализо-ваннной воды от нефти интенсифицируется созданием в аппаратах электрического поля (аппараты-электродегидраторы).

За счет пресной воды, деэмульгатора и длительного отстаивания (~ 2 часа) содержание солей в нефти снижается от нескольких тысяч до нескольких десятков или сотен миллиграмм на литр нефти. Согласно ГОСТ 51858-2002, нефть, подготовленная по первой группе, должна содержать не более 100 мг/дм3, по второй группе - не более 300 мг/дм3, по третьей - не более 900 мг/дм3.

В представленной работе рассмотрены варианты усовершенствования метода промывки нефти водой и длительного отстаивания нефтяной системы путем введения в процесс магнитных полей различной природы. Исследования магнитных полей в процессах нефтеподготовки и нефтепереработки, как, впрочем, и других физических методов воздействия на нефть, проводятся достаточно давно [3]. Особым вниманием пользуется процесс обезвоживания нефти, который пытались интенсифицировать и магнитным полем, и микроволновым воздействием, и акустическим. Но все эти попытки, как правило, остаются в рамках лабораторных исследований, так как методы физического воздействия не только энергозатратны, но и достаточно нестабильны в своих результатах - особенно, в условиях реальных промысловых условий. Тем не менее, подобные исследования при системном анализе влияния различных полей на компоненты нефти способны, в перспективе, смягчить технологический режим: снизить необходимую температуру нагрева нефти, снизить удельный расход реагента-деэмульгатора при сохранении глубины подготовки нефти [4].

Экспериментальная часть

В качестве основных объектов исследования использовались три нефти с различных скважин Ро-машкинского месторождения. Основные их характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики исходных нефтей

Номер нефти Плотность р, г/см3 Кинематическая вязкость V, сСт при 50°С Исходное содержание солей, мг/дм3

№ 1 (девон) 0,865 20,35 93,2

№ 2 (карбон) 0,900 19,7 219

№ 3 (карбон) 0,915 19,94 841,6

Влияние магнитного поля на процесс обессоли-вания изучали следующим образом.

Каждая нефть смешивалась с водой в соотношении 4:1 в присутствии реагента-деэмульгатора СНПХ-4480 (из расчета 100 грамм реагента на 1 тонну эмульсии) и перемешивали в течение 10 минут с помощью механической мешалки (число оборотов мешалки - 2000 об/мин). Далее водонефтяная смесь разливалась в три отстойника, каждый из которых далее находился в отличном от других условии отстаивания (рис. 1):

А - контрольное отстаивание воды - при температуре 25 0С за счет действия деэмульгатора и гравитационных сил;

Б - отстаивание при условиях А, но с дополнительным действием постоянного магнитного поля. В качестве источника поля использовался мощный неодимовый магнит, размещаемый под отстойником. Отметим, что возможно размещение источника поля над отстойником, но согласно ряду исследований и патентов более предпочтительным является выбранный нами вариант;

В - отстаивание при условиях А, но с дополнительным воздействием переменного магнитного поля. В качестве источника поля использовалась электромагнитная катушка.

Рис. 1

Время отстаивания для каждой вариации составляло - 120 минут. Отслеживались динамика и глубина отделения воды.

По завершению первого этапа определяли содержание солей на лабораторном анализаторе солей "АУМ-101М" (рис. 2).

Принцип его действия основан на кондуктомет-рическом методе анализа, т.е. на измерении проводимости пробы нефти, разбавленной смесью полярных и неполярных растворителей, имеющей однозначную зависимость от концентрации солей. В качестве растворителя используется смесь 75%-ного этилового спирта с н-бутиловым спиртом и п-ксилолом в соотношении 1:5:3 соответственно.

Рис. 2 - Анализатор концентрации солей в нефти АУМ-101М

Пробу нефти (5 мл) из верхних слоев отстойника отбирают пипеткой и переводят в измерительной цилиндр. До метки 50 мл добавляют растворитель. Содержимое цилиндра перемешивают встряхиванием в течение 5 мин и оставляют в покое на 1 мин. По истечении 1 мин содержимое измерительного цилиндра переливают в специальный стакан и опускают туда измерительные электроды. Когда показания на индикаторном блоке перестают изменяться, считывают показания.

Процесс обессоливания и измерения солей в нефти проводился для каждой нефти несколько раз с целью отслеживания стабильности результата.

Обсуждение результатов

Результаты анализа содержания солей до и после магнитной обработки в поле постоянного и переменного токов представлены в таблице 2.

Представленные данные можно проанализировать по двум главным критериям. Первый - объем отделившейся воды. На нефтях №1 и 2 количества отделившейся воды для контрольного и рабочих опытов практически не отличаются. На более тяжелой нефти №3 отслеживается небольшое, но последовательное отставание по динамике и глубине отстаивания воды. В любом случае, положительного влияния магнитного воздействия на процесс холодного обезвоживания отмечено не было.

Второй критерий - процентное изменение эффективности обессоливания в магнитном поле по сравнению с контрольным опытом (последний столбец таблицы 2). Статистика для серии из 14 опытов с использованием магнитного поля следующая:

а) всего в одном случае наблюдается улучшение глубины обессоливания на 25%;

б) в трех случаях изменение эффекта не превышает ±10%: можно сказать, что в этих случаях влияние магнитного поля на процесс минимально;

в) в одиннадцати опытах, то есть почти в 80% случаев магнитная обработка оказала отрицательный эффект на обессоливание нефти: содержание солей было превышено по сравнению с контрольным опытом на 8-92 %.

Достаточно серьезный разброс результатов, характерный для магнитной обработки, находит подтверждение в работах в.н. с Института проблем нефти и газа РАН Виктора Ивановича Лесина, который отмечает слабую воспроизводимость результатов магнитной обработки. Им же дается ссылка на работу сотрудников Московского энергетического института [5], данные и развитие идей которой могут дать ответ

на отмеченный отрицательный эффект магнитной обработки в процессе обессоливания.

Таблица 2 - Результаты эксперимента

£ if H & о и '= = В У и Содержание солей, мг/дм3 В g я s н >4 © а а S и ньснижения ерализации ифти, % Эффект относительно контрольного опыта, %

— В И н До После 3 « ю а о а еи s

Контрольный 93,2 58,2 10,5 37,55 0,00

1 Постоянное 93,2 70,1 10,5 24,79 -20,45

Переменное 93,2 74,8 10,5 19,74 -28,52

Контрольный 93,2 61,3 11 34,23 0,00

1 Постоянное 93,2 81,3 11 12,77 -32,63

Переменное 93,2 113,3 11 -21,57 -84,83

Контрольный 93,2 69,4 12 25,54 0,00

1 Постоянное 93,2 107,4 12 -15,24 -54,76

Переменное 93,2 133,4 12 -43,13 -92,22

Контрольный 219 262 10 -19,63 0,00

2 Постоянное 219 313 10 -42,92 -19,47

Переменное 219 197,4 11 9,86 24,66

Контрольный 219 262 12 -19,63 0,00

2 Постоянное 219 256 12 -16,89 2,29

Переменное 219 347,8 5 -58,81 -32,75

Контрольный 841,6 138,5 4 83,94 0,00

3 Постоянное 841,6 196,3 3 76,68 -8,22

Переменное 841,6 143,5 3 82,95 -0,71

Контрольный 841,6 153,6 11 81,75 0,00

3 Постоянное 841,6 270,4 8 67,87 -16,98

Переменное 841,6 253,5 8 69,88 -14,52

Согласно этой статье, магнитное поле способно ускорять образование центров кристаллизации в пересыщенных растворах и, при этом, предполагается существенное влияние на ферромагнитные частицы. Эти частицы, что утверждается поздними работами [6] вышеупомянутого Лесина В.И., разрушаются в магнитном поле с образованием отдельных фрагментов меньших размеров - происходит многократное (примерно в 100-1000 раз) увеличение количества центров кристаллизации структурообразующих компонентов нефти. Далее на этих образующихся микрочастицах начинают образовываться мельчайшие пузырьки газа. Таким образом, в результате получается водонефтяная система, в которой, при наличии магнитного поля, увеличено содержание агрегатов ферромагнитных частиц и газовых пузырьков.

Если предположить, что присутствие в таком агрегате газового компонента способно удерживать центр кристаллизации в нефтяной фазе, тогда это и будет объяснением того, почему в большинстве случаев мы будет наблюдать увеличение концентрации солей в нефти, прошедшей процесс обессоливания в магнитном поле. По видимому, происходит не экстракция солей и их осаждение с водой, а наоборот - увеличение дисперсности их частиц в нефти, за счет чего отмечается увеличение содержания соленых компонентов.

В итоге, опираясь на работы, связанные с изучением влияния магнитного поля на различные среды, мы можем найти обоснование и подтверждение тому, что:

а) результаты магнитной обработки имеют плохую воспроизводимость, и этот факт принципиально препятствует внедрению физических методов на производство, так как лабораторные результаты их исследований, как правило, существенно расходятся в опытно-промышленными испытаниями;

б) магнитная обработка среды, полезная при предотвращении парафинистых отложений на трубах, что обусловлено созданием в потоке множества мельчайших твердых частиц, действующих как скребок, за счет этого же механизма отрицательно действует на процесс обессоливания. Получается, что верхняя часть нефтяной фазы становится более насыщенной центрами кристаллизации и поэтому отмечается рост минерализации нефти в присутствии магнитного поля.

Литература

1. Н.Г.Ибрагимов, Е.И.Ишемгужина. Осложнения в нефтедобыче - У.:ООО «Издательство научно-технической литературы «Монография», 2003. - 302с.

2. А.А. Елпидинский, Д.А. Ибрагимова, А.А. Верховых. Технический анализ нефти и нефтепродуктов: учебное пособие - Казань: Изд-во КНИТУ, 2016. - 129 с.

3. Верховых А.А., Ермеев А.М., Елпидинский А.А. Облагораживание реологических свойств нефти физическими методами // Вестник КТУ, 2015г., №15 - С.64.

4. Верховых А.А., Ермеев А.М., Елпидинский А.А. Интенсификация процесса обезвоживания нефти комплексным физическим воздействием // Вестник КТУ, 2015г., № 17, С. 58.

5. О. И. Мартынова, Б. Т. Гусев, Е. А. Леонтьев. К вопросу о механизме влияния магнитного поля на водные растворы солей // Успехи физических наук. - 1969. - т. 69, № 1. - с.195-199.

6. В. И. Лесин. Физико-химический механизм предотвращения парафино-отложений с помощью постоянных магнитных полей // Нефтепромысловое дело, 2001, № 5, C.21 - 23.

© А. А. Верховых - магистр каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, stasechka-best@mail.ru; Т. Аде-мувагун - бакалавр той же кафедры, temiloluwa26@gmail.com; Н. С. Гараева - доцент той же кафедры, g_nelly@list.ru; А. А. Елпидинский - доцент той же кафедры, sinant@yandex.ru.

© A. A. Verkhovykh - Master of the Department of Oil and Gas Chemical Engineering KNRTU, stasechka-best@mail.ru; T. Ade-muwagun - bachelor of the of the same department, temiloluwa26@gmail.com, N. S. Garaeva - Associate Professor of the same department, g_nelly@list.ru; A. A. Elpidinsky - Associate Professor of the same department, sinant@yandex.ru.