Ладанов Сергей Викторович Инженер-технолог ООО «СЭТ»

Кирпичев Юрий Владимирович Инженер-конструктор ООО «РЕАМ-РТИ»

Радлевич Андрей Вадимович Руководитель направления «Фильтры и фильтроэлементы» ООО ТЛК «ИНТЕР»

Серафимов Борис Александрович Технолог ООО ТЛК «ИНТЕР»

Тимошенко Виктор Геннадьевич Руководитель направления по разработке оборудования для механизированной добычи нефти ООО «РЕАМ-РТИ»

ПРИЧИНЫ ОТЛОЖЕНИЯ СОЛЕЙ

Доля отказов УЭЦН по причине солеобразования в некоторых нефтедобывающих компаниях достигает 30% от общего числа отказов глубинно-насосного оборудования (ГНО) [1].
Можно выделить несколько основных причин отложения солей на рабочих органах УЭЦН [2] и в скважинных фильтрующих системах (рис. 1):

• состав пластовой жидкости (высокая обводненность, наличие растворенных и нерастворенных природных минералов);
• смешивание пластовых вод с закачиваемыми водами другого состава;
• изменение термобарических условий в скважине в процессе интенсивного отбора жидкости для поддержания проектных темпов разработки месторождения (смещение рабочей зоны в левую часть гидродинамической характеристики приводит к повышению температуры перекачиваемой жидкости, а также к интенсификации кавитационных процессов и, как следствие, к выпадению осадка);
• конструктивное исполнение ЭЦН (образование застойных зон);
• коррозия поверхности погружного оборудования. Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на отложение солей, подробнее.

ОБВОДНЕННОСТЬ СКВАЖИН

В высокообводненных скважинах отложение солей на поверхностях проточной части НПО уменьшает просвет проточных каналов в рабочих органах ЭЦН, фильтрующих системах, вследствие чего происходит снижение производительности насоса, вплоть до отказа оборудования.
В низкообводненных скважинах существенное влияние на отложение солей оказывает частичное испарение воды в процессе разгазирования скважинной продукции.
В процессе испарения воды происходит общее понижение растворимости солей, и в осадок могут перейти и растворимые в обычных условиях соли, такие как хлориды щелочных и щелочноземельных металлов.

СОСТАВ НАГНЕТАЕМОЙ ВОДЫ В СИСТЕМЕ ППД

Для повышения нефтеотдачи скважин используют системы поддержания пластового давления (ППД). Вода в систему ППД поступает из доступных водных ресурсов. Минерализация нагнетаемой воды может доходить до 400 г/л.
Растворенные в воде соли состоят главным образом из карбонатов, сульфатов, сульфидов и галитов (хлорид натрия).
Например, главная причина выпадения сульфатов кальция, стронция и бария – это смешение подземных пластовых вод хлоркальциевого типа с нагнетаемой водой, содержащей сульфат-ионы [3].
Наиболее надежным средством предупреждения выпадения и борьбы с осадками гипса, барита и целестина служит использование при заводнении бессульфатных высокоминерализованных вод [4].
Использование пресной воды в системе ППД не всегда оправдано. Эти воды, особенно насыщенные кислородом, могут обогащаться сульфат-ионами при движении по пласту за счет следующих химических реакций:

• окисления сульфидов:

2FeS2 + 2H2O + 7O2 → 2FeSO4 + 2H2SO4,
4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 → 2Fe2(SO4)3 + 2H2O, Fe2(SO4)3 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + 3H2SO4;

• выщелачивания (растворения) гипса, содержащегося в породе пласта;
• десорбции сульфат-ионов с поверхности порового пространства пород.
  Даже простое разбавление пластовой воды, насыщенной сульфатами, способствует их выпадению в осадок, поскольку растворимость сульфатов заметно снижается с уменьшением минерализации растворов. Таким же образом действует охлаждение пластов при их заводнении пресными поверхностными водами [5].

ТЕРМОБАРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Подъем добываемой продукции на поверхность сопровождается снижением температуры и давления. Пузырьки газа, выделяющиеся из жидкости при снижении давления ниже давления насыщения, образуются в основном на стенках оборудования. Это ведет к образованию многочисленных границ раздела фаз «твердое тело – жидкость – газ».
На границах раздела фаз возникают благоприятные условия для зарождения и роста кристаллов.
Появление в потоке газовой фазы нарушает ламинарный подслой и повышает степень турбулизации газожидкостной смеси.
Далее при определенных условиях может возникнуть «четочная» структура потока, которая характеризуется чередованием движущихся «четок» нефти и газа. При этом увеличивается интенсивность перемешивания пересыщенных водно-солевых систем, что приводит к ускорению процессов зарождения кристаллов.
При изменении термобарических условий в продукции скважин происходит перераспределение компонентов между водной, нефтяной и газовой фазами, что приводит к уменьшению содержания углекислоты в воде и, как следствие, к смещению равновесия химической реакции в правую сторону и выпадению карбоната кальция:

Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + H2O + CO2↑.

В результате происходит отложение карбонатов на поверхности рабочих колес ЭЦН и внутри НКТ.
Также к причинам интенсивного отложения карбоната кальция и гипса на рабочих колесах ЭЦН относится повышение температуры добываемой жидкости из-за теплоотдачи от работающего погружного электродвигателя.
Как показывает расчет, температура добываемой жидкости повышается на 4-15°С в зависимости от дебита скважины. Поскольку с ростом температуры снижается растворимость сульфата и карбоната кальция, это приводит к отложению выпавшей соли на рабочих колесах ЭЦН [4].

МЕТОДЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЯ СОЛЕЙ

Методы предупреждения отложения солей делятся на физические, химические и технологические.
К физическим методам можно отнести воздействие на продукцию скважин магнитным, либо акустическим полем.
Химические методы предполагают использование различных ингибиторов солеотложений, промывку кислотами, растворяющими соли, а также электрохимическое воздействие.
К технологическим методам относятся применение защитных покрытий, подбор и подготовка рабочего агента для системы ППД, а также изменение технологических режимов работы скважин и насосного оборудования.
Кроме того, важную роль в процессе предупреждения отложения солей приобретает ограничение водопритока в скважине [2].
Рассмотрим подробнее технологические методы предупреждения отложения солей.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ С СОЛЕОТЛОЖЕНИЕМ

Предотвратить отложение солей в ЭЦН помогает применение низкоадгезионных рабочих органов из полимерных материалов с повышенной стойкостью к солеотложению и/или модификация поверхностей рабочих органов ЭЦН (придание поверхности гидрофобных свойств, препятствующих солеотложению).
Например, рабочие колеса ЭЦН, изготовленные из полимерной композиции на основе полифениленсульфида (PPS), достаточно успешно работают в условиях солеотложения [6].
Для оценки уровня адгезии поверхности к солям можно использовать характеристику гидрофобности: чем выше гидрофобность, тем хуже соли закрепляются на поверхности изделия. Рассчитать уровень адгезии можно при помощи экспресс-теста: надо измерить краевой угол смачивания (КУС), то есть угол, который образуется между касательной, проведенной к поверхности фазы «жидкость – газ» и твердой поверхностью. Вершина КУС располагается в точке контакта трех фаз (рис. 2). Гидрофобные покрытия должны обеспечивать КУС не менее 90° [7]. В приведенном выше примере КУС составляет 72,4° (рис. 3).

Поверхности рабочих органов и корпусных деталей НПО можно модифицировать порошковыми покрытиями из полимерных композиций, например, на основе полифениленсульфида (PPS). Так, разработанные специалистами ООО «РЕАМ-РТИ» композиции марки ППС-СИ демонстрируют КУС более 110°.
Однако толщина таких покрытий составляет не менее 80 мкм, что препятствует их применению на фильтрующих решетках, обеспечивающих тонкость фильтрации механических частиц менее 200 мкм (рис. 4).

Кроме того, необходимо специальное оборудование как для нанесения покрытия, так и для высокотемпературной термической обработки изделия (для закрепления оплавлением).

ФИЛЬТРЫ ВХОДНЫХ МОДУЛЕЙ ЭЦН С ГИДРОФОБНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Компания ООО «РЕАМ-РТИ» предлагает входные модули ЭЦН на основе проволочно-проницаемого материала (ППМ) с различной тонкостью фильтрации (от 30 мкм). Можно выделить ряд преимуществ указанных входных модулей перед другими фильтрующими системами:

• низкое гидравлическое сопротивление;
• высокие скважность (отношение суммарной площади входных отверстий каналов к общей поверхности фильтра) и пропускная способность;
• регенерируемость;
• упругие свойства материала, обеспечивающие длительную и эффективную работу оборудования в составе УЭЦН.

Для придания гидрофобных качеств фильтрующим решеткам из ППМ специалисты ООО «РЕАМ-РТИ» решили применять полимерные соединения в жидкой форме – суспензии [8]. Покрытие представляет собой тончайшую гидрофобную полимерную пленку (рис. 5) на обрабатываемой поверхности.
Первоначально для покрытия решеток применялись гидрофобные среды на основе различных фторорганических и кремнийорганических соединений. Покрытия на основе этих соединений демонстрируют КУС более 95° [9].

Технология их нанесения относительно проста и включает следующие этапы: подготовка поверхности детали (например, пескоструйная обработка), нанесение покрытия окунанием, сушка и закрепление в печи.
Однако фторсоединения в отличие от силанов обладают не очень хорошей адгезией к металлам. Поэтому специалисты ООО «РЕАМ-РТИ» разработали гибридные фторорганические и кремнийорганические соединения. Результатом применения данного соединения стало увеличение КУС до 118°.
Пример измерения КУС на обработанной металлической поверхности проволочно-проницаемого материала представлен на рис. 6.Также обработанная поверхность была проверена на олеофобность. КУС в этом случае составил 84°, но смачивания поверхности маслом не происходило.
Таким образом, можно говорить о том, что покрытие может быть применимо для предотвращения образования асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО).

Кроме того, следует отметить еще одну важную особенность гибридного гидрофобного покрытия. Оно способно устойчиво сохраняться в застойных зонах УЭЦН (зонах малых скоростей) и длительное время предотвращать солеотложение.
Выбор гидрофобизатора определяется характером обрабатываемого материала [10].
ООО «РЕАМ-РТИ» изготовило опытную партию фильтрующих блоков с фильтроэлементами из ППМ в составе фильтров-входных модулей для проведения опытно-промысловых испытаний (ОПИ). Обработка данных фильтроэлементов гибридным гидрофобным покрытием (рис. 7) может защитить фильтрующие решетки от солеотложений, увеличивая наработку (НнО). Кроме того, данные фильтрующие решетки теоретически могут быть использованы для сепарации нефтепродуктов из обводненной пластовой жидкости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оборудование для защиты установок электроцентробежных насосов от солеотложений и коррозии. Neftegaz.ru. – 2018. https://neftegaz.ru/ (дата обращения 01.06.2020).
2. Разумов А.И. Опыт работы с фондом скважин, подверженным солеотложению на рабочих органах УЭЦН, в НГДУ «Сургутнефть» / А. И. Разумов, Р.И. Алеев // Инженерная практика. 2011. № 2. https://glavteh.ru/ (дата обращения 01.06.2020).
3. Кащавцев В.Е. Солеобразование при добыче нефти / В.Е. Кащавцев, И.Т. Мищенко – М.: Орбита-М, 2004. – 432 с.
4. Соли. Междисциплинарный проект. https://present5.com/ (дата обращения 01.06.2020).
5. Цепляев И.И. Причины, методы и профилактика развития солеотложений на примере месторождений ПАО «Сургутнефтегаз» в Восточной Сибири / И.И. Цепляев, Е.И. Ильзит // Инженерная практика. 2019. №11-12. С. 22-29.
6. Несолоно добывши: борьба с солеотложением на скважинном оборудовании // Инженерная практика. 2010. №4. https://glavteh.ru/ (дата обращения 01.06.2020).
7. Алентьев А.А. Кремнийорганические гидрофобизаторы / А.А. Алентьев, И.И. Клетченков, А.А. Пащенко – Киев: ГИТЛ УССР, 1962. – 114 с.
8. Пат. 1155161 СССР, МПК C08F 8/00. Способ получения фторсодержащих сополимеров / Андре Дессэн; заявитель и патентообладатель Продюн Шимик Южин Кюльман (Франция). – №3372849; заявл. 22.12.81; опубл. 07.05.85.
9. Миков Д.А. Гидрофобизирующие составы для дополнительной защиты алюминиевых сплавов в топливных системах изделий авиатехники / Д.А. Миков, А.Е. Кутырев, В.А. Петрова // Труды ВИАМ. 2015. № 9. С. 66-72.
10. Пат. 2506358 С1 Российская Федерация, МПКD03D 15/00. Полушерстяная ткань с комплексом резистентных защитных свойств / Кочаров С.А., Ильин А.А., Грищенкова В.А., Привалова В.Д.; заявитель и патентообладатель Минпромторг России. – №201243338/12; заявл. 10.10.12; опубл. 10.02.14, Бюл. N 4. – 6с.: ил.