Применение ультразвука в нефтепереработке и нефтедобыче

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

По дисциплине: «ИХТП»

На тему: «Применение ультразвука в нефтепереработке и нефтедобыче»

Казань 2022 г

Содержание

Введение

1. Ультразвук в процессах добычи нефти

2. Ультразвуковые методы снижения вязкости

Заключение

Введение

В результате вытеснения нефти из пласта путем вытеснения ее пластовой водой в скважинах образуются стойкие водонефтяные эмульсии (ВНЭ). Это связано с тем, что при подъеме воды и нефти от забоя к устью скважины происходит их перемешивание и, как следствие, сильное диспергирование воды в нефтяной фазе. Поступившая на поверхность земли нефтяная система содержит в себе не только воду, но и растворенные соли, газ, механические примеси, органические вещества и соли металлов. Устойчивость эмульсии определяется дисперсностью и прочностью структуры межфазного (нефть-вода) стабилизирующего слоя, который формируется с участием присутствующих в нефти эмульгаторов. Непосредственно на формирование такого слоя влияют множество факторов. В целом, выделяют следующие:

- химический состав эмульгаторов;

- физико-химические и коллоидные свойства нефти и пластовой воды;

- содержание фракций легких углеводородов;

- наличие механических примесей;

- параметры технологии добычи, подготовки, хранения и транспортирования нефти.

Компонентами граничной пленки являются эмульгаторы нефтяного происхождения - смолы и асфальтены, парафины, карбены, карбоиды, порфирины, церезины, твердые частицы песка и глины, продукты коррозии, металл-порфириновые комплексы ванадия, никеля, железа, магния и другие полярные или поляризуемые компоненты нефти.

Поскольку нефть и ее фракции по своим коллоидно-химическим свойствам являются нефтяными дисперсными системами (НДС) со сложной внутренней организацией, они способны изменяться под воздействием различных внешних факторов. В настоящее время в зависимости от задач подготовка нефти проводится с учетом регулирования степени дисперсности нефтяной системы, при этом используется смешение сырьевых потоков, введение активирующих добавок, использование физических методов (возбуждения в нефтяной среде упругих колебаний) различной природы: электрических, магнитных, СВЧ, ультразвуковых, механических.

1. Ультразвук в процессах добычи нефти

Рассмотрим использование акустического поля для повышения продуктивности скважин. Поле, генерируемое погружным устройством, воздействует на вязкость нефти в каналах коллектора призабойной зоны скважины, а вынужденные колебания стенок пористой структуры пласта вызывают появление в вязкой жидкости постоянства ее течения, что интерпретируется как снижение сопротивления переносу жидкости, т.е. уменьшение той эффективной вязкости, которую имеет флюид.

Ныне активно ведутся разработки нового поколения волновых технологий для повышения нефтеотдачи пласта. Среди наиболее известных: гидромеханические методы воздействия, вибровоздействие, электромагнитное, вибросейсмическое, сейсмоакустическое.

Волновая гидроакустическая технология, разработанная в НЦ НВМТ РАН (Научный центр нелинейной волновой механики и технологии) основана на ряде специфических явлений, происходящих в массиве пород пласта и насыщающих его жидкостей. В результате, происходит многократное увеличение скорости движения пластовых флюидов, интенсификация тепло- и массоообменных процессов, а также диспергирование и гомогенизация многофазных продуктов. также акустические волны приводят к разрушению поверхностного слоя стенок в призабойной зоне скважины и очистке поровых каналов продуктивного пласта. Возникающая депрессия активизирует кавитацию и ускоряет приток флюида. Вместе с тем, снижается вязкость пластовых нефти и воды.

Промышленные работы, проводимые с 1993 года на Абдарахмановском месторождении показали эффективность сейсмоакустического воздействия. Этот метод основан на использовании упругих волн, проходящих через насыщенные породы. При этом увеличивается сегрегация нефти и воды, относительная фазовая проницаемость нефти, наблюдается ускорение капиллярного вытеснения нефти водой и вовлечение в разработку застойных и недренируемых зон в коллекторе в результате образования микротрещин и реструктуризации пространства в порах. Данный метод активно применяется на карбонатных отложениях месторождений республики Татарстан, в частности, на Ромашкинском месторождении.

Вибросейсмические технологии были рассмотрены и исследованы геофизиками СО РАН «Юганскнефтегаз» в 1989 году. По результатам опытно - промышленных работ авторами значительно наблюдалось увеличение КНО обводненных многопластовых месторождений. При этом, обводненность продукции скважин снизилась на 20 %, а эффект от вибровоздействия сохранялся от 7 до 12 мес.

Вибровоздействие в сочетании с магнитным полем, применяемое в «ТатНИПИнефть» приводит к увеличению приемистости нагнетательных и добывающих скважин на 20 %, охвату пласта - на 30 % и к более интенсивному отбору водонефтяной жидкости из добывающих скважин (до 70 %). ультразвук нефть вязкость месторождение

2. Ультразвуковые методы снижения вязкости

В настоящее время сохраняется тенденция увеличения доли добываемой высоковязкой нефти и в этой связи возникают проблемы, связанные с ее перекачиванием по магистральному нефтепроводу.

Принимая во внимание такой отрицательный аспект как высокая вязкость нефти и нефтяных эмульсий (содержание смолисто-асфальтеновых веществ), следует помнить, что насыщенные углеводороды (парафины) со своей квазисферической формой при даже не очень низких температурах образуют кристаллические решетки. Подобная структура содержит ячейки, в которых заключена жидкая фаза и, таким образом, у нефти растет вязкость.

Но помимо увеличения вязкости нефти, для нефтепромыслов характерна проблема отложений в трубах тяжелых асфальто-смолистых веществ. Для предотвращения подобных отложений на стенках насосно-компрессорных труб используется гидродинамическая ультразвуковая обработка с достаточно высоким доказанным эффектом.

Однако, общее число работ, направленных на ультразвуковое удаление и предотвращение асфальто-смолистых веществ относительно невелико, и большая часть прикладных исследований по акустическому воздействию направлена на улучшение реологических свойств нефти.

Эффективность обработки возрастает при снижении содержания парафиновых компонентов нефти и зависит от времени облучения. Так, к примеру, вязкость парафинистой Альметьевской нефти, которую обрабатывали в течение 15 мин, снижается при 10°С в 6 раз, а градиент температуры застывания составляет 16 °С.

Ультразвуковая обработка нефти при 25? аналогична эффекту снижения ее вязкости при нагревании до 40-50?. Также текучесть вязкой нефти увеличивается при часовой обработке, вязкость ее снижается в 6 раз.

Следует отметить, что сам в отдельности ультразвук, хоть и являясь наиболее распространённым методом снижения вязкости и температуры застывания тяжёлых нефтей, не всегда бывает достаточно эффективен, поэтому на практике его воздействие комбинируют с разбавлением нефти бензином, растворителями, газоконденсатом и т. д.

Исследовано влияние ультразвука и химических агентов на реологические свойства нефти Лузановского месторождения. Результаты проведённых лабораторных экспериментов показали снижение вязкости нефти в 2,5 раза. На основании работ была предложена поточная ультразвуковая установка ГПР-1 (рис. 1).

Рис. 1 - Гидродинамическая проточная установка

Нефть поступает при помощи насоса 1 через вентиль В1 под давлением 8 МПа в гидродинамический модуль 4, где происходит непрерывная обработка потока нефти. Сюда же дозируется из емкости 5 при помощи насоса реагент. Вентили В1-В6 служат для регулирования давления в емкостях (до и после), а также для подачи и отвода жидкости. Вентиль ОбК - для аварийного сброса. Манометры 2-3 показывают текущие давления в емкостях.

В ходе работы установки динамическая вязкость нефти снижается на 45%, а температура застывания на 7єС. При всем этом реологические характеристики обработанной нефти сохранялись в течение длительного времени.

В целом, исследователями механизм воздействия на нефть объясняется посредством явления кавитации. Фактически, это образование и схлопывание пузырьков газа в жидкой среде. Результатом этого, при обработке высокой степени интенсивности, является разложение высокоплавких высокомолекулярных парафинов, впоследствии чего изменяются физико-химические (эксплуатационные) свойства нефти. Также кавитационные эффекты, которые возникают при воздействии ультразвука на нефть, препятствуют объединению поляризованных ассоциатов в крупные структуры, диспергируя их на более мелкие группы молекул.

Ультразвуковая обработка при подготовке нефти

Исследовано влияние ультразвука на процесс обезвоживания и обессоливания нефти. Для этого была изготовлена лабораторная установка (рис. 1), состоящая из реактора, УЗ излучателя и вспомогательных систем.

Сырую нефть заливали в реактор, устанавливали УЗ излучатель и герметизировали реакторную систему. УЗ излучатель включали при частоте 18 кГц, диспергировали воду в объеме 3 % и через 30 секунд подавали в реактор окислитель в течение 120 секунд, после чего излучатель отключали и оставляли реактор для отстаивания эмульсии и охлаждения. Окислитель представляет собой разбавленный (0,5 - 1%-ный) раствор серной кислоты.

Рис. 2 - Установка обезвоживания и обессоливания нефти:

1 - генератор УЗ колебаний; 2 - магнитострикционный преобразователь; 3 - волновод; 4 - патрубок; 5 - холодильник; 6 - реактор

Результаты показали, что содержание серы в нефти уменьшилось до 0,37 %, содержание солей - на 95 %. При УЗ обработке происходил частичный крекинг и фракционирование нефтепродукта, при этом в верхнем слое нефти содержание серы и солей уменьшилось относительно исходного количества, а в нижнем слое наблюдалось скопление тяжелых фракций и продуктов окисления извлечённой серы, воды. Это свидетельствует о том, что в результате воздействия УЗ колебаний большой интенсивности наблюдается эффект, который можно охарактеризовать как «низкотемпературная перегонка» нефти, позволяющая удалить серу, соли и тяжелые примеси.

В экспериментах, проведенных на опытнопромышленной установке, показаны отмывание и удаление неорганических солей из эмульсий механико-акустическим воздействием в совокупности с магнитным полем и реагентом - деэмульгатором. Вначале водонефтяную эмульсию пропускали через ультразвук, способствующий разрушению бронирующего слоя, далее воздействовали магнитным полем, интенсифицирующим коагуляцию глобул воды благодаря упорядочению структуры жидкости. Повышение её парамагнитной активности достигалось путем добавления отработанного масла. Отработанное масло, служащее в качестве активирующей добавки, содержит некоторое количество смол, ароматики и, возможно, даже частичек продуктов окисления железа, что увеличивает парамагнетизм системы и восприимчивость её к воздействию магнитного поля.

Процесс обессоливания проводили следующим образом: в сырую парафинистую нефть с плотностью с=864 кг/м3 , нагретую до температуры 50°С, вводили 0,5 % мас. воды, смешивали с 25 ppm деэмульгатора и 1,0 % отработанного масла, перемешивали и на проточной установке подвергали воздействию ультразвука, а затем воздействовали постоянным магнитным полем при скорости потока 0,02 м/с. Обработанную жидкость собирали в делительной воронке и оставляли до получения четкой неприрастающей границы раздела водной и углеводородной фаз. Отделенную воду дренировали, а верхний углеводородный слой оценивали на содержание хлористых солей, содержание которых в конечном итоге составило 0,5 мг/дм3.

Схема промышленной реализации данного подхода представлена на рисунке 3:

Рис. 3 - Технологическая схема подготовки нефти с использованием магнитно-ультразвукового воздействия:

1 - насос; 2 - теплообменники; 3 - смеситель; 4 - блок ультразвуковой и магнитной обработки; 5 -отстойник-сепаратор. Потоки: I - сырая нефть; II - вода; III - деэмульгатор; IV - отработанное масло; V- углеводородный газ; VI -солестоки; VII - обессоленная нефть

Ультразвук в нефтепереработке

Описанное выше явление кавитации подразумевает изменение химического состава нефти, следовательно, УЗ-обработка может целенаправленно применяться для нужд НПЗ.

Ультразвуковая обработка разрывает высокомолекулярные молекулы как линейного строения, так и углеводороды, имеющие длинные боковые цепи. В результате в такой системе образуются свободные радикалы с различными молекулярными массами и строениями. На примере ароматической западносибирской нефти показано, что при разрыве алкилароматических углеводородов образуются не только радикалы, содержащие ароматические кольца, но и свободные радикалы линейного строения, чем можно объяснить увеличение средних размеров частиц дисперсной фазы. Стоит отметить, что ультразвуковая обработка нефтяных фракций по мере их утяжеления менее эффективна, поскольку по мере удаления из нее лёгких компонентов система переходит в связнодисперсное состояние. Кроме процесса ароматизации в кавитационном активаторе - автоклаве можно осуществлять алкилирование, изомеризацию и прочие вторичные процессы переработки нефтей и нефтепродуктов.

Кроме прочего, данные волновые технологии способствуют увеличению выхода светлых фракций, о чем свидетельствуют в подтверждение имеющиеся уже работы. Так, например, исследовано УЗ-воздействие на подготовку на промыслах углеводородного парафинистого сырья на примере нефтей Чеченской республики. Данные нефти легкие, малосернистые, парафинистые и малосмолистые. Помимо обработки ультразвуком, использовалась активирующая добавка - отработанное масло (в качестве деэмульгатора). При таком способе подготовки уменьшается содержание механических примесей и неорганических солей в 20-30 раз и, самое главное, - увеличивается выход бензиновых фракций на 5%. К тому же, добавление масла привело к уменьшению размера частиц нефтяной системы на несколько порядков.

Заключение

Область применения ультразвука даже в нефтяной тематике широка: начинается она от воздействия его на призабойные зоны пласта и скважин и заканчивается обессоливанием, обессериванием и изменением химического состава нефтяных систем. Достаточно часто ультразвуковое облучение комбинируют с тепловыми и химическими методами, что дает синергетический эффект. Кроме того, действие волн чувствительно к химическому составу нефтей и эмульсий на их основе.

В целом, волновые колебания имеют явные преимущества и наибольшую целесообразность перед другими методами, направленными на улучшение реологии нефтяных флюидов.

Размещено на Allbest.ru