Изучение влияния магнитного поля на процесс обезвоживания нефтяных эмульсий

УДК 665.622.43.0666

Г. К. Гимазова, А. К. Вахитова, А. М. Ермеев, А. А. Елпидинский

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Ключевые слова: нефть, эмульсия, деэмульгирование, магнетизм.

В работе исследована возможность увеличения эффективности процесса обезвоживания нефти термохимическим методом при использовании магнитного поля. Рассматривалось воздействие на эмульсию постоянным и переменным магнитным полем. Эффективность процесса обезвоживания оценивали по динамике отделения воды от нефти и глубине обезвоживания.

Keywords: Oil, emulsion, demulsification, magnetism.

We have studied the possibility of increasing the efficiency of oil dehydration thermochemical method using a magnetic field. Consider the impact on the emulsion constant and variable magnetic field. The effectiveness of the dewatering process assessed by the dynamics of separating water from oil and depth of dehydration.

Введение

Водонефтяная эмульсия представляет собой полидисперсную систему, состоящую из двух взаимно нерастворимых или слаборастворимых друг в друге жидкостей, образующих две фазы: непрерывная (внешняя) фаза образует дисперсионную среду (нефть), а диспергированная в ней жидкость образует дисперсную (внутреннюю) фазу (вода).

Вопросы образования эмульсий и их устойчивости еще недостаточно изучены: имеется много гипотез, но не все они подтверждаются на практике. В нашей стране вопросам исследования эмульсий посвящено значительное количество работ академика П. А. Ребиндера [1].

Добытую нефть можно использовать при условии удаления из неё эмульгированной воды. При ее подготовке к переработке разрушение эмульсий производится дважды: сначала деэмульгированию подвергают исходную эмульсионную нефть (процесс обезвоживания); затем искусственную эмульсию, создаваемую при перемешивании нефти с промывной пресной водой (процесс обессоливания) [2].

Процесс разрушения нефтяных эмульсий можно разбить на 3 элементарные стадии:

1. Столкновение взвешенных водяных капелек;

2. Слияние их в более крупные;

3. Осаждение укрупнившихся капель.

В течение последних лет в нефтяной промышленности наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению структуры запасов нефти. Это приводит к увеличению себестоимости добычи и подготовки нефти на промыслах традиционными способами и заставляет вести научный поиск альтернативных способов подготовки нефти. К таким способам можно отнести воздействие на нефть полей различной физической природы: нагревание микроволновым излучением, обработка инфра- и ультразвуком в роторно-пульсационных акустических аппаратах, радиационное воздействие. Особый интерес вызывает обработка магнитными полями, которая и является темой данной статьи [3].

О воздействии магнитных полей на процесс обезвоживания нефтяных эмульсий

В своей диссертации [4] А.А. Вольцов предположил, что основной механизм разрушения водонефтяных эмульсий в магнитном поле - это его воздействие на бронирующие оболочки глобул нефти в воде, которое заключается в разрыхлении бронирующих оболочек на границе нефть - вода, вследствие перемещения в них соединений железа в сторону источников магнитного поля. Данное предположение, впрочем, требует глубокого исследования нефтяных эмульсий, а именно, определения количества соединений железа в нефти и самого факта непосредственного их нахождения в бронирующем слое, в достаточном, по предположению А. А. Вольцова, для деэмульсации количестве.

По другой из теорий, при использовании сверхсильных магнитных полей можно достичь разделения водонефтяной эмульсии путём выталкивания нефтяной фазы, как более сильного диамагнетика, по сравнению с водой, в направлении ослабления магнитного поля, как параллельно, так и перпендикулярно магнитным линиям. Другими словами, с помощью магнитного поля можно ускорить гравитационное разделения фаз.

Также вероятно, что в однородном магнитном поле, каждая глобула нефти, в эмульсии типа «нефть в воде», испытывает изменение своей геометрической формы, а именно, сплющивается параллельно магнитным линиям, так как компоненты нефти имеют намного более сильную отрицательную магнитную восприимчивость, нежели вода. В эмульсии же обратного типа, «вода в нефти», глобула воды растягивается вдоль магнитных линий, испытывая давление окружающей её нефти, подвергающейся в разы более сильному диамагнитному выталкиванию, чем вода. Если геометрическая форма глобулы изменится с шара на любую другую, то будет увеличиваться площадь её поверхности, а толщина бронирующего слоя, тем самым, уменьшаться, что является одной из главных составляющих процесса

деэмульсации.

Известно, что материалы разрушаются быстрее, испытывая пульсирующую нагрузку, нежели статическую. Отсюда следует предположение, что при помещении эмульсии в переменное, однородное магнитное поле будет происходить циклическое растяжение

бронирующего слоя, причём в асфальтеновых и парафиновых его слоях могут появляться трещины, по которым молекулы деэмульгатора могут проникнуть непосредственно к поверхности раздела фаз нефть - вода. Также, из-за того, что асфальтены, смолы и парафины имеют разную магнитную восприимчивость, трещины в бронирующем слое могут появиться и вследствие того, что на каждую прослойку бронирующей оболочки действует пульсационная нагрузка разной величины. То есть, парафиновый и, например, асфальтеновый слои растягиваются в магнитном поле с разной силой. Подтверждением вышеизложенного является то, что в ряде источников утверждается о малой эффективности постоянного магнитного поля, по сравнению с переменным.

Однако затруднительно добиться

знакопеременной механической нагрузки на глобулы, т. е. и растягивать и сплющивать глобулы в одном процессе, из-за того, что диамагнетики всегда выталкиваются из магнитного поля, в сторону его ослабления, вне зависимости от направления его силовых линий [2].

Экспериментальная часть

Исследования проводились на модели искусственной эмульсии с содержанием воды 20%, приготовленной из нефти с плотностью 896 кг/м3. В эмульсию дозировались (из расчета 75 грамм реагента на 1 тонну эмульсии) деэмульгаторы: СНПХ 4315 Д, Рекод 118, Лапрол 4202, Лапрол 6003, Реапон 4В, LML 4312.

Использовался известная методика "bottle test". Отстой нефтяной эмульсии проводили при комнатной температуре (220 С) [5]. Проводились серии экспериментов с каждым из реагентов. В каждой серии:

- в отстойнике №1 разрушение эмульсии проводилось химическим методом (добавление деэмульгатора) без использования магнитного поля;

- в отстойнике №2 химический метод сочетался с воздействием постоянного магнитного поля (неодимовый магнит), причем источник магнитного поля помещался под отстойник;

- в отстойнике №3 химический метод сочетался с воздействием постоянного магнитного поля (неодимовый магнит), причем источник магнитного поля помещался над отстойником;

- в отстойнике №4 химический метод сочетался с воздействием переменного магнитного поля (электромагнитная катушка), причем источник магнитного поля вокруг отстойника.

Замеры отделившейся воды проводили каждые 15 минут в течение 2-х часов для получения точной картины обезвоживания (табл. 1).

Таблица 1 - Оценка эффективности воздействия магнитного поля на эмульсию с совместно с различными деэмульгаторами

Обезвоживание нефтяной эмульсии, %

№ 15 30 45 60 75 90 105 120

мин мин мин мин мин мин мин мин

1 2 3 4 5 6 7 8 9

СНПХ 4315Д

1 12,5 25 25 27,5 30 30 45 50

2 10 20 25 25 25 37,5 40 45

3 5 20 25 26,3 30 37,5 50 50

4 10 25 30 47,5 50 52,5 60 60

Рекод 118

1 30 45 45 52,5 52,5 55 55 57,5

2 0 25 25 25 25 25 25 27,5

3 55 55 62,5 75 75 75 75 75

4 100 100 100 100 100 100 100 100

Лапрол 4202

1 0 0 0 2,5 5 7,5 10 10

2 0 0 2,5 5 7,5 7,5 10 10

3 0 0 2,5 5 7,5 10 12,5 20

4 0 0 2,5 5 12,5 15 17,5 20

Лапрол 6003

1 0 0 0 2,5 5 7,5 10 10

2 0 0 0 5 5 5 5 7,5

3 0 0 0 2,5 2,5 2,5 7,5 7,5

4 0 0 0 5 12,5 12,5 15 15

Реапон 4В

1 0 0 0 0 0 0 0 0

2 0 0 0 0 0 0 0 0

3 0 0 0 0 0 0 0,5 1

4 0 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 5 7,5

LML 4312

1 45 70 75 75 75 75 75 77,5

2 50 75 77,5 80 80 80 80 80

3 12,5 40 75 75 77,5 80 80 80

4 25 75 85 87,5 87,5 90 95 100

Из таблицы видно, что каждый реагент по-разному проявляет свои деэмульгирующие свойства, что было прогнозируемо. Нас же в рамках данных экспериментов интересует, как именно меняется картина обезвоживания нефтей по каждому реагенту при добавлении магнитного воздействия. Рассмотрим изменение динамики обезвоживания и ее глубины. Динамика показывает, насколько быстро будет отделяться вода от нефти, что важно при попутной внутритрубной деэмульсации, а глубиной обезвоживания оценивается качество подготовки нефти.

При использовании СНПХ 4315 Д постоянное магнитное поле, в целом, не дает изменения ни в динамике, ни в глубине обезвоживания. Лишь переменное магнитное поле ближе ко второму часу отстаивания заметно увеличивает объем отделяемой воды. Подобная разница наблюдается с реагентами Лапрол 6003, Лапрол 4202, Реапон 4В, и LML 4312. В некоторых случаев при расположении постоянных магнитов под отстойником динамика обезвоживания лучше, чем при альтернативном их расположении (СНПХ 4315Д, LML 4312), а расположение источника постоянного магнитного поля над нефтяной системой более благоприятно для окончательной глубины обезвоживания (СНПХ 4315 Д, Рекод 118, Лапрол 4202, Реапон 4В).

Обработка эмульсии магнитными полями в присутствии реагента Рекод 118 дает более разнообразные итоги. Видно, что размещение магнита под отстойник ухудшает процесс деэмульгирования, что не соотносится с высказанным выше предположением о выталкивании нефтяной фазы в противоположную от магнита сторону. Опыт с магнитом, расположенным над отстойником (№3), где наблюдается существенное улучшение как динамики, так и глубины обезвоживания нефти, наводит на мысль, что скорее всего имеет место притяжение к магниту некоторых компонентов нефтяной фазы, то есть оттягивание их от нижней части отстойника, где осаждается вода. Впрочем, использование переменного магнитного поля дает несравненно более лучшие результаты - 100%-ное обезвоживание достигается в первые минуты отстаивания эмульсии. Видимо, здесь наблюдается синергизм использования химического и магнитного метода разрушения эмульсии.

Таким образом, можно видеть, что во всех экспериментах воздействие переменного магнитного поля гораздо эффективнее источников постоянного магнитного поля. Конечно, более дорогим выйдет и его использование, так для создания переменного поля требуется наличие электроэнергии. Но, вместе с тем, магнитное воздействие малоэффективно без использования реагентов-деэмульгаторов. Достижение

значительного эффекта для каждой нефтяной системы возможно лишь экспериментальным подбором для переменного магнитного поля соответствующего деэмульгатора.

Литература

1. Виноградов В.М., Винокуров В.А. Образование, свойства и методы разрушения нефтяных эмульсий: Метод.указ. — М.: ФГУП «Нефть и газ», РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2007.-31 с.

2. А.М. Ермеев, А.А. Елпидинский. О применении магнитного поля в процессах разрушения водонефтяных эмульсий/ А.М. Ермеев, А.А. Елпидинский // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013, Т.16, №2, С. 170

3. Магадова Л.А., Силин М.А., Магадов В.Р., Малкин Д.Н., Дьяченко В.С., Пономарева В.В. Исследование углеводородных гелей на основе железных солей органических ортофосфорных эфиров, применяемых в технологии направленной кислотной обработки карбонатного пласта. Территория Нефтегаз. - 2011. -№6. - С. 34-37

4. Вольцов А. А. Интенсификация процесса расслоения водонефтяных эмульсий путем их магнитно-вибрационной обработки. Диссертация кандидата технических наук. УГНТУ. -2006. - 122 с.

5. Плохова С.Е., Саттарова Э.Д., Елпидинский А.А. О сопоставимости поверхностных свойств деэмульгаторов и их деэмульгирующей активности / С.Е. Плохова, Э.Д. Саттарова, А. А. Елпидинский // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2014, Т.17, №3, С. 274-276.

© Г. К. Гимазова - магистрант каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, gimazova-91@mail.ru; А. К. Вахитова - студент той же кафедры, alina4616@mail.ru; А. М. Ермеев - аспирант той же кафедры, arthur.ermeev@mail.ru; А. А. Елпидинский - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, sinant@yandex.ru.

© G. K. Gimazova - a candidate for a Master's degree of Department of Chemical Technology of Oil and Gas Processing, gimazova-91@mail.ru; A. K. Vakhitova - a student of department of chemical engineering oil and gas refining KNRTU, alina4616@mail.ru; A. M. Ermeev - graduate student of department of chemical engineering oil and gas refining KNRTU, arthur.ermeev@mail.ru; A. A. Elpidinskiy - Ph.D., associate professor of department of chemical engineering oil and gas refining KNRTU, sinant@yandex.ru.