Магнетизм нефти и омагничивание ее для уменьшения асфальтосмолопарафиновых отложений

УДК 622.276.72

МАГНЕТИЗМ НЕФТИ И ОМАГНИЧИВАНИЕ ЕЕ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

В.И. БОРОДИН, А.Д. ХРУЩЕВ, A.B. ЗИНИН*, E.H. ТАРАСОВ* ЦНТ "Лантан", Ижевск, Россия

* Уральский государственный университет, Екатеринбург, Россия

АННОТАЦИЯ. Приведены результаты исследований воздействия постоянного магнитного поля на флюид нефть плюс вода с целью построения эффективных магнитных устройств. Показано, что применение магнитной обработки позволяет существенно уменьшить образование отложений на стенках насосно-компрессорных труб, и увеличить срок работы скважин.

Совершенствование техники и технологии добычи нефти повышенной вязкости является одной из наиболее актуальных задач нефтедобывающей отрасли. Сложность в решении этой проблемы заключается в многообразии разрабатываемых объектов и месторождений, характеризующихся высоким содержанием асфальтосмолопарафиновых (АСП) компонентов в добываемом продукте. При подъеме такого продукта и его охлаждении происходит интенсивное отложение этих асфальтосмолопарафиновых составляющих, прежде всего на стенках насосно-компрессорных труб (НКТ). Для восстановления эффективности таких скважин необходима механическая чистка или горячая промывка.

Еще в 1960 г. показали, что магнитная обработка позволяет уменьшить отложения не только солей жесткости, но и существенно уменьшить образование асфальтас-молопарафиновых отложений

К концу прошлого века научно-производственные предприятия ряда городов России начали выпускать устройства для магнитной обработки жидкости, в том числе и нефти при ее добыче и транспортировке [3]. К настоящему времени вопросам воздействия магнитного поля на добываемую нефть посвящено достаточно большое количество научно-технических публикаций [4-8]. Преимущественная часть их касается практического использования магнитных систем. При этом отмечаются высокие показатели данного способа обработки нефти. Эффективность находится на уровне лучших традиционных средств при значительно меньшей стоимости (в десятки раз). Устройства способны работать длительный период, совпадающий со сроком службы НКТ, и без затрат

в процессе эксплуатации. Особо следует отметить экологическую чистоту магнитного способа обработки нефти.

Механизмы же воздействия магнитного поля на добываемый флюид изучены крайне слабо.

В отделе магнетизма твердых тел НИИ физики и прикладной математики Уральского госуниверситета совместно с ЦНТ «ЛАНТАН», проводятся работы по изучению механизмов воздействия постоянного магнитного поля на флюид нефть плюс вода с целью построения эффективных магнитных устройств для различных типов нефти.

Напомним, что основными компонентами отложений на внутренней поверхности НКТ являются сера, парафин, асфальтены и смолы. В пласте и призабойной зоне скважины при достаточно высокой температуре они как бы растворены в основных углеводородных составляющих нефти и равномерно распределены по объему нефтеводя-ной эмульсии. При подъеме нефти по НКТ уменьшается ее температура и на каком-то уровне она опускается до температуры кристаллизации этих компонентов. Естественно, что, прежде всего, температура кристаллизации достигается у стенок НКТ, поэтому на внутренней поверхности НКТ и появляются зародыши кристаллизации.

Прежде чем говорить о влиянии магнитного поля на нефть, попытаемся определить, с какими в магнитном отношении компонентами продукта мы имеем дело. Измерение магнитной восприимчивости % ряда нефтей Удмуртии и Когалыма показывают ее диамагнетизм, а величины отрицательной восприимчивости лежат в интервале (-6+-9)Т0~6' тогда как отдельные нефти Татарстана и Перми имеют восприимчивость -0,95 ТО"6.

В книге «Магнитные свойства нефтей» [9] приводятся значения магнитной восприимчивости нефтей от -0,75Т0"6до -0,83-10~6. Авторы утверждают, что ими «исследованы магнитные свойства нефтей большого количества месторождений различных по возрасту нефтевмещающих отложений и приуроченности к геотектоническим структурам: Вол го-Уральской, Тимано-Печорской, Предкавказья и Северного Сахалина».

Следует отметить, что при многообещающей заявке - «исследованы магнитные свойства нефтей (более 1000 образцов)» - на самом деле измерялась лишь магнитная восприимчивость с сомнительной точностью, т.к. разница в значениях восприимчивости составляет менее 10%, несмотря на разный возраст и провинции, а следовательно различное содержание диамагнитных, парамагнитных и ферромагнитных компонент, определяющих величину и знак восприимчивости флюида.

Так например, ловушечная нефть Ельниковской УПН имеет положительное значение восприимчивости 15Т0"6. После ультразвуковой обработки отделилось -12% воды с отрицательной восприимчивостью -0,53ТО'6 , а восприимчивость оставшейся нефти увеличилась до 16,3-10'6.

Для более глубокого изучения магнетизма добываемой нефти, ее образцы были исследованы на сверхчувствительном СКВИД - магнитометре ИФМ УрО РАН. На рис. 1 представлены зависимости удельной намагниченности двух образцов нефти Гремихинского месторождения от напряженности магнитного поля. Они имеют вид, присущий диамагнетику, с малым содержанием ферромагнитной составляющей. Уравнения описывающее эти зависимости представлены в квадратной рамке на рисунке.

Коэффициент А уравнения соответствует отрезку, отсекаемому прямой на оси намагниченности и определяет ферромагнетизм нефти. Среднее значение А«2,5-10° ети^.

Для оценки количественного содержания примесей железа в нефти, воспользуемся данными работы [8]. Из них следует, что примеси сформированы в основном ферромагнитными микрокристаллами оксидов (гидроокислов железа). И они присутствуют в виде агрегатов массой порядке 10'14 г. Для расчетов примем, что ферромагнетизм

Н

Рис. 1. Зависимость удельной намагниченности нефти Гремихинского месторождения от напряженности магнитного поля

нефти определяется магнетитом Ре304, который имеет удельную намагниченность Мрезсм = 92 еши^.

Тогда процентное содержание магнетита в нефти определяется по формуле:

А/ МРе3о4 100 % = (2,5-10-5 /92) 100 % = 2,7 -10"5 %

Следует отметить, что полученные значения по порядку величины совпадают с определенным в лаборатории атомно-абсорбционного анализа Института органической химии УрО РАН (2-10 "5 % Бе).

Намагниченность (М>езо4) одной частицы с массой ш ~ 10~14 г. составит 92 10"14 ети^. Принимая плотность нефти за 1 г/см3 определим число N таких частиц в 1 г/см3

Н=А-рНефТ„/М'Рс304 = 2,5-Ю_5 /92-10"|4 = 2,7-10+? 1 / см3

Итак, в одном кубическом сантиметре мы имеем порядка 30 млн примесей из

-у

оксидов железа общей массой - 2,7-10" г. Это, с одной стороны, очень маленькая масса ферромагнитных частиц , которую определил только СКВИД-магнитометр, но с другой, очень большое число потенциальных зародышей для отложений АСП.Содержание ферромагнитных примесей в АСПО резко увеличивается по сравнению с нефтью. Это следует из анализа магнитных измерений образцов отложений на внутренней поверхности НКТ различных месторождений. У АСПО Чернавского месторождения Удмуртии х~180-10~6, а Тевлинско-Руссинского месторождения Когалыма ^513-10"6 . Спектральный анализ этого АСПО определяет наибольшие проценты для трех элементов (кроме органики): диамагнетиков хлора и серы с х = -40-10"6 и -20-10"6 соответственно и парамагнетика натрия % = 16-10'6 .Очевидно, что натрий находится в АСПО в соединении с хлором, а ЫаС1 уже диамагнитен с х= -0,5-10"6. Поэтому положительное значение магнитной восприимчивости АСПО целиком определяется парамагнетизмом асфальте-нов [10] и ферромагнетизмом примесей. На рис.2, приведены петли гистерезиса образцов АСПО трех Пермских месторождений, измеренные на стандартном вибромагнитометре. На рис. За. представлены кривые намагничивания АСПО того же Гремихинского месторождения, а на рис. 36 - кривые размагничивания, свидетельствующие, что АСПО обладает остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой. Эти результаты получены на высокочувствительном СКВИД - магнитометре.

Проведем анализ этих результатов по аналогии с расчетом, описанном выше. Приведенные зависимости демонстрируют, что магнетизм АСПО определяется диамагнитными, парамагнитными и ферромагнитными компонентами. Величина коэффициента А, определяющего ферромагнетизм АСПО, на три порядка выше чем у нефти. Значение удельной намагниченности образцов составляет величину 0,02 ети^. Для оценочных расчетов используем плотность для АСПО тоже 1 г/см^ Тогда количество

К*

Рис. 2. Петли гиситерезиса трех АСПО с Пермских месторождений: 1 - Рассвет; 2 - Гожон; 3 - Змеевское

частиц Ре30 4 с массой порядка 10 ~14 г. и намагниченностью одной частицы92 10 "14 emu/g в одном кубическом сантиметре составит:

N = 0,02/92 10 -14 = 2.2 • 10 10 1/ см3,

что в тысячи раз выше их концентрации в нефти.

Отметим важный результат, следующий из рис .2 и рис.3. - ферромагнитная фаза в АСПО имеет коэрцитивную силу и является постоянным магнитом. Можно сказать что АСПО-магнитопласт.

Известно, что частицы ферромагнетика, достаточно малых размеров, являются однодоменными (что тоже самое - постоянными магнитами). Еще в 1935 г. Готтшальк [11] показал, что коэрцитивная сила природного магнетита резко увеличивается при уменьшение размера. Учитывая приведенные данные, можно предположить, что в добываемой нефти ферромагнитные примеси являются микромагнитами. Тогда один из возможных и наиболее эффективных механизмов влияния магнитной обработки нефти на процесс отложений АСПО на стенках НКТ можно описать следующим образом.

Без магнитного индуктора, эти частицы, за счет магнитного притяжения прилипают к поверхности ферромагнитной НКТ вдоль всей ее длины и являются центрами кристаллизации АСПО.

Л/ еюи УГс СМ / • э ( г У

0,000

200 Н

Рис. 3. Кривые намагничивания - А и размагничивания - Б АСПО Гремихинского месторождения

0.021 -1

0,014-

Linear Regression for AS1609B_A: Y = A + В * X

Parameter Value Error

A 2.09662E-2 8.41903E-5

В -5.36897E-7 4.43722E-9 Linear Regression for AS1040B_A: Y=A+B*X

Parameter Value Error

A 2.20589E-2 1.21211E-4

В -5.39328E-7 5,73521 E-9

ASPO T = 300 К

0,005

T = 300 к ASPO

-1-«-1-»-1--1-»-1-«-1—

-5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

H

В магнитном индукторе, поставленном в НКТ, на пути потока нефти задерживается значительная часть этих частиц. Это подтверждается измерениями кривых намагничивания отложений уже на МИОНах, бывших в эксплуатации. На рис. 4. приведены кривые намагничивания отложений , кривая А - для МИОНа с глубины 900 м и кривая В - для МИОНа с глубины 2000м. Удельная намагниченность образцов составляет величину порядка 20 етиу^! Спектральный анализ этих отложений показывает наличие железа (37% -2000 м. и 30% -900 м.).

При большом наполнении частиц в индукторе, происходит их срыв потоком нефти. В этом случае, ориентированные определенным образом и дополнительно под-магниченные полем индуктора, они объединяются в крупные фрагменты, не обладающие результирующей намагниченностью, т.к. частицы притягиваются друг к другу разноименными магнитными полюсами и образуют замкнутую магнитную систему. Эти фрагменты уже не притягиваются к поверхности ферромагнитной НКТ и поднимаются вверх в потоке нефти. При этом они являются зародышами кристаллизации асфальте-нов, смол и парафинов во всем объеме нефти, а не только на поверхностях оборудования.

* и

и

с

л

Н

и о

X X

О) У

сс ее

30 25

20 15

г 10

г г 1.— А

г

0

8 Н, кЭ

Рис. 4. Кривые намагничивания отложений на МИОНах: А - на МИОНе с глубины ~ 900 м; Б - на МИОНе с глубины ~ 2000 м

Очевидно, что эффективность этого процесса определяется величиной напряженности магнитного поля и временем его воздействия на нефть, а это в первую очередь зависит от ее вязкости. Чем больше вязкость, тем большие поле и время необходимы для такой кристаллизации в объеме.

Следует отметить, что и парамагнитные асфальтены в нефти играют роль центров кристаллизации парафиновых углеводородов [10]. В магнитном поле они образуют центры кристаллизации более эффективно, слипаясь за счет магнитного взаимодействия в объеме жидкости.

Но при наличии в продукте ферромагнитных частиц кристаллизация АС 11 будет в основном определяться вышеописанным процессом.

В литературе описывается еще ряд механизмов воздействия магнитного поля на жидкость, содержащую ионы. Рассмотрим некоторые из них.

Эффект Холла. При наложении магнитного поля на электролит, в котором протекает слабый электрический ток, происходит поперечное разделение ионов разного знака, что сопровождается возникновением разности потенциалов на измерительных электродах.

Силы Лоренца. При магнитной обработке возникновение электромагнитных полей является следствием перемещения воды в магнитном поле. В этих условиях возникает противоположное циклотронное перемещение катионов и анионов под воздействием сил Лоренца, обуславливающих движение ионов вокруг силовых линий магнитного поля с определенной частотой.

Эффект Гартмана. При протекании токопроводящей вязкой жидкости между полюсами магнита профиль скоростей потока меняется - параболическая форма искажается.

Все эти эффекты являются по интенсивности воздействия на водяные растворы эффектами второго порядка малости и влияние их на скорость отложения АСП не может быть существенным. Сами авторы, использующие в своих работах эти механизмы, пишут, например, что «действие сил Лоренца на ионы раствора, перемещающихся в магнитном поле, очень невелики» [12]. Оценки показывают, что на длине свободного пробега заряженной частицы в жидкости (~10"7 м) силы Кулона превышают силы Лоренца на четыре пять порядков.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИОНОВ ПРИ ДОБЫЧЕ НЕФТИ

В настоящее время в ЦНТ «ЛАНТАН» разработаны малогабаритные высокоградиентные магнитные индукторы обработки нефти (МИОН) на основе постоянных магнитов неодим-железо-бор и самарий-кобальт.

На рис.5 схематически показано устройство трубного МИОНа (Патент №2198849 от 10.04.2001г.). В ферромагнитной трубе 1 с цилиндрическим пазом размещены кольцевые магниты 2, каждый из которых образован двумя полукольцами намаг-

Рис. 5. Схема устройства МИОНа трубного типа

ниченными радиально противоположно и обращенными друг к другу разноименными полюсами. Внутренняя труба 5 для потока жидкости выполняется из немагнитного материала. Таким образом устроены трубопроводные МИОНы, имеющие маркировку «Т-Ду», где «Ду» обозначает условный диаметр трубопровода («ЦНТ»Лантан» производит МИОН Т с диаметром от 60 до 200 мм). Такое же устройство имеет и скважинный муфтовый (СМ) МИОН для НКТ 73. МИОН-СМ73 выполняется в виде традиционной муфты, соединяющей отдельные трубы, по группе прочности «Е», имеет соответствующие резьбы с двух сторон по ГОСТ 633-80 и может устанавливаться в любом месте колонны НКТ.

На рис.6, показано устройство скважинного штангового (СШ) МИОНа (Патент №2235690 от 30.10.2002г.). На традиционных штангах 1 по ГОСТ 13877-80 располагаются кольцевые магниты 2, каждый из которых образован двумя полукольцами намагниченными радиально противоположно. Магниты запрессовываются в полиамидные скребки - центраторы 4, применяемые для очистки НКТ - позиция 5. Сейчас выпускается штанговые МИОНы с диаметром штанг 19 (МИОН-СШ 19) и 22 (МИОН-СШ 22), которые могут устанавливаться в любое место штанговой колонны.

На рис.7, приведена схема установки магнитных индукторов в скважине. Первый МИОН-СМ 73 устанавливается на приеме насоса, а второй на границе начала от-

Рис. 6. Схема устройства МИОНа штангового типа

2-ой "МИОН1

Насос

1-ый ЧИИОН"

Хвостовик с фильтром

Рис. 7. Принципиальная схема установки магнитных индукторов в скважине

ложения АСП. Если используется электроцентробежный насос (ЭЦН), то второй МИОН тоже СМ 73, а если штанговый глубинный насос (ШГН) - то второй МИОН СШ 19 (или 22).

Первый МИОН был установлен 25.03.2000 года на скважине № 157 Чернавского месторождения НГДУ «Удмуртторф». После установки МИОНа горячую обработку провели 01.03.2003 - наработка составила 1100 суток. Всего до 12.09.2004 года провели 6 горячих обработок.

С июня 2001 года, после опытной эксплуатации, началось внедрение МИОНов в ОАО «Удмуртнефть». По данным на 01.01.05 г. на этом предприятии 425 магнитных индукторов типа СМ-73 и СШ-19 установлены на 235 скважинах различных месторождений. Общая наработка составила 133928 суток. За этот период число горячих обработок уменьшилось на 1505.

В ОАО «Белкамнефть» на 52 скважинах установлено 92 МИОНа СМ-73 и СШ-19. При общей наработке в 29635 суток на 442 уменьшилось число горячих обработок.

Результаты применения МИОНов на Тевлинско-Руссинском месторождении Ко-галыма приведены в таблице.

В настоящее время МИОНы эффективно работают еще на ряде нефтедобывающих предприятий в Удмуртии, Перми, Бузулуке, Ульяновске, Татарстане, Когалыме, Лангепасе, Казахстане.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.И.Тихонов, В.Я.Мягков. Способ предотвращения отложений парафина на стенках труб фонтанных скважин. Авт. Свид. № 134263.

2. О.И. Мартынова, A.C. Копылов, Е.Ф. Тебенихин, В.Ф. Очков К механизму влияния магнитной обработки воды на процессы накипеобразования и коррозии. Теплоэнергетика, 1979. №9. С. 21-25.

3. Патенты РФ № 2091323 C02F 1/48, № 2085507, C02F 1/48 и №2133710 Устройство для магнитной обработки жидкости.

4. ЯМ. Каган. Экспериментальное исследование процесса образования отложений на стенках труб при движении газонефтяного потока и воздействие на нефть переменным электромагнитным полем. Афтореферат канд. дис. М. Институт нефтехимической и газовой промышленности, 1966.

5. Zhang Yu Chang. Men Hong Xin "Application of Rare-Earth Magnet on oil fields". 12th Int Workshop on RE Magnets and their Applications, 1992.

6. Б.В. Карпов, В.П. Воробьёву, B.E. Казаков, M.H. Персиянцев, В.И. Ткачу к «Использование физических полей для предупреждения отложений парафина при добыче нефти. Ж. «Нефтяное хозяйство», 1997. №7. С. 45-46.

7. Р. Борсуций, С.Е. Ильясов «Исследования механизма магнитной обработки нефтей на основе результатов лабораторных и промысловых испытаний» Ж. «Нефтяное дело», 2002. №8. С. 28-36, №9. С 38-43.

8. В.И. Лесин «Физико-химический механизм предотвращения парафиноотложений с помощью постоянных магнитных полей», Ж. «Нефтепромысловое дело», 2001. №5. С. 31-32.

9. Ю.В. Ергин, К.С. Яруллин «Магнитные свойства нефтей» М.: Наука, 1979. С. 198.

10. Н.М. Руденская, A.B. Руденский «Органические вяжущие для дорожного строительства» М.: Транспорт, 1984. С. 196.

И. Cottschalk V. Н. Prusics, 6, 127 (1935).

12. В.И. Классен «Омагничивание водных систем» М.: Химия, 1982. С. 296.

SUMMARY. Research results of magnetostaticfield influence on petroleum-water fluid for effective magnetic device creation are shown. In result achieved that magnetic treatment lead to reduction of sediments formation on stalk wall and extension of oil well durability.