Технологические процессы добычи, сбора, транспортировки и подготовки продукции нефтяных скважин связаны с образованием эмульсий, а процессы разделения эмульсий создают ряд серьезных технологических и экономических проблем для нефтегазодобывающих предприятий. Как известно, стойкость нефтяным эмульсиям придают присутствующие в добываемой нефти асфальтены, различные органические примеси, тонкодиспергированные глины, мелкий песок, высокоминерализованная пластовая вода и другие факторы.

В предлагаемой Вашему вниманию статье представлены результаты анализа оборудования для дозирования химических реагентов, применяемого в технологических процессах деэмульсации нефти, а также предложены варианты его интеллектуализации.

23.10.2017 Инженерная практика №08/2017

Аржанов Михаил Феликсович Заместитель генерального директора по МТО и транспорту АО «Самаранефтегаз»

Ртищев Анатолий Владимирович Главный специалист группы управления проектами АО «Самаранефтегаз»

Козлов Александр Сергеевич Специалист отдела поставок по основной деятельности УМТО АО «Самаранефтегаз»

Кавтаськин Антон Николаевич Главный специалист отдела внедрения новых технологий и инжиниринга добычи ООО «СамараНИПИнефть»

Изменение соотношения долей нефти и пластовой воды в добываемой скважинной жидкости – обводнение продукции нефтедобывающих скважин – служит одной из причин образования эмульсий [1]. Снижение пластового давления, а также желание нефтегазодобывающих предприятий удерживать и увеличивать объемы добычи нефти приводят к увеличению глубины спуска насосного оборудования и постепенному вытеснению динамическими насосами (ЭЦН) объемных (ШГН), что приводит к подъему на поверхность все более стойких эмульсий.

Кроме того, снижение общемировых цен на нефть подталкивает нефтегазодобывающие предприятия к максимально эффективному использованию имеющихся ресурсов, что приводит к максимальной загрузке, а в некоторых случаях и перегруженности инфраструктуры сбора и подготовки продукции скважин. При этом постоянный рост тарифов на электроэнергию приводит к увеличению себестоимости процессов транспортировки продукции скважин, в связи с чем задача быстрого и качественного разделения водонефтяных эмульсий становится одной из наиболее актуальных в деятельности нефтегазодобывающих предприятий.

АО «Самаранефтегаз», входящее в Группу компаний «Роснефть», исключения в этом отношении не составляет. Объемы добычи нефти и жидкости на месторождениях АО «Самаранефтегаз» на протяжении последних пяти лет показывают стабильную тенденцию к увеличению. В связи с этим применение групповой герметизированной напорной системы сбора нефти, газа и воды, разработанной АО «Гипровостокнефть» [2] в середине XX века, в совокупности с обводнением скважин и увеличением протяженности системы сбора и транспорта (ввод новых лицензионных участков) постоянно увеличивают загруженность морально и физически изнашивающихся объектов подготовки нефти.

Данная тенденция отрицательным образом влияет на качество разделения водогазонефтяных эмульсий, процессы подготовки продукции скважин становятся менее стабильными. Одним из усугубляющих факторов становится и то, что темпы строительства и ввода в эксплуатацию новых скважин, а также темпы проведения геолого-технических мероприятий (ГТМ) на уже имеющемся фонде скважин не всегда совпадают с темпами строительства новых и реконструкции имеющихся объектов системы сбора и подготовки нефти, зачастую опережая последние.

Присутствующие в нефти эмульгаторы, полярные вещества, такие как смолы, асфальтены, а также различные органические примеси, тонкодиспергированные глины, мелкий песок и другие включения придают стойкость природным нефтяным эмульсиям. Эмульгаторы обладают способностью прилипать к поверхности раздела двух фаз эмульсии, образуя защитную броню глобулы [3]. Смолистые нефти, содержащие нафтеновые кислоты или сернистые соединения, отличаются большей склонностью к образованию эмульсий, кроме того, чем больше минерализация воды входящей в состав эмульсии, тем выше стойкость образуемой эмульсии.

Одна из важнейших характеристик эмульсии – ее дисперсность, или степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсионной среде. Мерой дисперсности служит удельная межфазная поверхность (S_уд), отношение суммарной поверхности капель (S) к общему их объему (V): в процессе диспергирования поверхность дисперсной фазы увеличивается при неизменном объеме системы. Таким образом, дисперсность, это величина обратная диаметру капли (D).

Промысловые эмульсии полидисперсны, то есть содержат капли дисперсной фазы разных диаметров, при этом размер капель пропорционален количеству затраченной энергии: чем больше затрачено энергии на подъем и транспортировку нефти, тем меньше диаметр капель дисперсной фазы и больше их суммарная поверхность.

Способы разделения нефтяных эмульсий условно делятся на механические (фильтрация, центрифугирование), термические (подогрев с отстаиванием, промывка горячей водой), электрические (обработка в электромагнитных полях) и химические (обработка реагентами-деэмульгаторами). Кроме того, с целью разрушения эмульсий используют акустическое воздействие (ультразвук), а также сочетания нескольких из приведенных способов. Процесс деэмульсации можно разделить на несколько этапов, в которых происходит разрушение бронирующих оболочек, укрупнение капель и разделение фаз.

ТЕКУЩАЯ СИТУАЦИЯ С ДЕЭМУЛЬСАЦИЕЙ НЕФТИ

На объектах подготовки нефти в АО «Самаранефтегаз» в основном применяются сочетания химических и термических способов, и данным процессам уделяется особое внимание. В качестве примера для сравнения рассмотрим процессы, связанные с подогревом эмульсий и переоснащением/заменой технологических аппаратов установок подготовки нефти (УПН).

Изменение проходящих на УПН процессов требует разработки и корректировки проектной и технологической документаций. Вследствие данных изменений увеличивается продолжительность периода реконструкции объектов и возникают дополнительные инвестиционные затраты. В отличие от изменения процессов подогрева продукции скважин, процессы применения химических реагентов более адаптируемы, в связи с чем постоянно ведутся работы по подбору наиболее эффективных химических реагентов и способов их дозирования в обрабатываемую эмульсию.

Однако результаты практического применения рекомендуемых химических реагентов в сравнении с результатами лабораторных испытаний в большинстве случаев показывают, что на практике для стабильной работы УПН по разделению эмульсий требуются отличные от экспериментальных данных объемы химических реагентов. Это связано с тем, что в лабораторных условиях довольно сложно смоделировать реальные условия процессов подготовки нефти с учетом всех внешних факторов. При подборе химических реагентов (деэмульгаторов) не учитываются ни наличие газа в эмульсии, ни равномерность распределения реагента в подготавливаемом потоке, ни нестабильность поступающего потока по соотношению фаз.

На текущий момент объекты подготовки нефти преимущественно оборудованы системами автоматической подачи химических реагентов, однако данные системы в большинстве своем производят дозирование реагентов в поток подготавливаемой жидкости капельным способом. В то же время объем подаваемых химических реагентов корректируется в ручном режиме на основании среднесуточного объема поступающей жидкости.

Смешение реагента с продукцией скважин происходит за счет движения потока жидкости и капель реагента по системе подготовки (трубопроводам, печам, сепараторам и т.д.). Такой способ подачи неэффективен, поскольку течение потока жидкости в большинстве случаев ламинарное, а протяженность системы трубопроводов объекта подготовки с учетом скорости потока недостаточна для эффективного взаимодействия. Кроме того, увеличение объема поступающей продукции скважин приводит к сокращению времени ее нахождения в аппаратах разделения эмульсии и, соответственно, негативно влияет на качество ее разделения.

В связи с вышесказанным вопрос применения в системе подготовки продукции скважин потоковых смесителей химических реагентов становится все более актуальным. Однако возможность применения потоковых статических смесителей определяется в каждом конкретном случае индивидуально, так как включение в трубопровод статического смесителя приводит к росту давления в системе сбора (смеситель оказывается своего рода штуцером), что не всегда возможно и экономически оправдано.

Как известно, объем и тип дозируемого химического реагента (деэмульгатора) подбирается на основании лабораторных экспериментов к определенному (имеющемуся) составу поступающей продукции той или иной марки, а соответственно и объем дозировки реагента зависит от соотношения объемов смешения воды и нефти в исследуемой эмульсии.

Однако данный способ подбора объема подачи химических реагентов не учитывает одну из важных особенностей поступающего на подготовку потока продукции скважин – его нестабильность по соотношению объемных долей воды и нефти в каждый конкретный момент времени.

Если принять во внимание то, что поток продукции скважин в основной своей массе движется по системе сбора в ламинарном режиме, а нефть, газ и вода характеризуются разными плотностями, то получается, что сборные трубопроводы выполняют роль сепараторов, в которых происходит разделение фаз, составляющих исходную эмульсию. При этом разность плотностей фаз уже частично разделяющейся эмульсии с учетом меняющегося рельефа местности, по которой проложены трубопроводы (низменности и возвышенности), и способа прокладки трубопроводов (надземном/подземном) приводит к тому, что в верхних точках трубопроводов (искусственных и естественных лирах) происходит скопление газа и более легкой отделившейся нефти, а в низинах – скопление более тяжелой отделившейся пластовой воды.

Данное разделение фаз приводит к так называемому пробковому или поршневому режиму течения фаз эмульсии в трубопроводе. Вместе с тем, применяемые устройства дозирования реагента (УДР) не оборудованы приборами контроля состава и объема обрабатываемой жидкости, в связи с чем даже если в трубопроводе в данный конкретный момент времени будет находится газ, УДР добавит в него установленный объем деэмульгатора, рассчитанный исходя из среднесуточных показателей работы УПН.

Данная технология подачи деэмульгатора приводит к тому, что при одном и том же объеме подачи химического реагента в один из моментов времени в потоке продукции скважин может присутствовать избыточное количество деэмульгатора, которое в некоторых случаях оказывает обратный эффект – повышает стойкость эмульсии, но уже в следующий момент времени все тот же объем подаваемого деэмульгатора будет уже недостаточен для обработки поступающего на подготовку потока продукции скважин. Конечно, данная нестабильность потока продукции скважин частично нивелируется в емкостном оборудовании УПН (сепараторах, отстойниках), однако объем и конструкция сепараторов и отстойников не позволяют в полной мере производить равномерное распределение поступившего с потоком химического реагента по всему объему жидкости.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ

Проведенный анализ рынка предлагаемых систем дозирования химических реагентов выявил, что их автоматизация или «интеллектуализация» в большинстве случаев представляет собой систему регулировки объема дозирования химического реагента (в определенном диапазоне) за счет применения частотного преобразователя, регулируемого обслуживающим персоналом с целью установки необходимого объема расхода химического реагента. Устанавливаемые на устьях скважин УДР некоторые производители дополнительно могут оснастить системами автоматической остановки/запуска в зависимости от остановок/запусков ГНО, при помощи которого эксплуатируется скважина. Кроме того, современные УДР оборудуются системами защит самого дозировочного оборудования от поломок, связанных с изменением (ростом) давления и/или пульсации давления в выкидной линии дозировочного насоса, отсутствием химического реагента на приеме дозировочного насоса (в емкости), температурой двигателя дозировочного насоса, системами автоматического подогрева емкости с реагентом и системы управления УДР.

При детальной проработке рынка предложений было выявлено полное отсутствие комплексных предложений по интеллектуализации УДР, которые основывались бы на свойствах обрабатываемого потока жидкости. Возможно, это связано с тем, что большинство производителей УДР сами не производят измерительное оборудование и не заинтересованы в удорожании систем дозирования за счет применения оборудования сторонних производителей.

В связи с вышесказанным специалисты АО «Самаранефтегаз» совместно со специалистами ООО «СамараНИПИнефть» и производителями дозировочного оборудования начали работы по созданию интеллектуальной системы дозирования химических реагентов, которая бы позволяла не только автоматически защищать саму УДР от выхода из строя, но и в автоматическом режиме корректировать удельный расход химического реагента в зависимости от свойств обрабатываемой жидкости.

В настоящее время определена оптимальная схема интеллектуальной системы подачи химического реагента (см. рисунок), заключающаяся в следующих аспектах:

• данные с узлов учета (счетчиков) объема откачиваемой жидкости (нефти, воды) с УПН должны передаваться на контроллер УДР;
• до точки ввода химического реагента в поступающий поток продукции скважин должен быть установлен прибор контроля обводненности (влагомер), передающий на контроллер УДР информацию о содержании воды в поступающем на подготовку потоке продукции скважин;
• контроллер УДР должен на основании информации, поступающей с узлов учета, установленных на выходящих потоках с УПН, данных уровнемеров емкостного оборудования, данных тарировочных таблиц емкостного оборудования, данных влагомера установленного перед узлом ввода реагента и зависимостях, полученных путем лабораторных экспериментов при выборе применяемого химического реагента, в автоматическом режиме производить расчет количества химического реагента, необходимого для обработки поступающего потока продукции скважин;
• контроллер УДР должен, подавая команды частотному преобразователю, изменять параметры работы дозировочного насоса и корректировать удельный расход реагента, дозируемого в поток поступающей на подготовку продукции скважин;
• узел ввода химического реагента должен обеспечивать максимально эффективное распределение реагента в поступающем потоке жидкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги проведенной работы, можно сделать вывод, что применяемые процессы разделения водонефтяных эмульсий обладают рядом существенных недостатков, заключающихся в несовершенстве применяемых технологических процессов и оборудования. Кроме того, на рынке в текущее время отсутствуют комплексные предложения по интеллектуальным системам дозирования химических реагентов (деэмульгаторов), способным анализировать свойства обрабатываемой эмульсии.

Все вышесказанное делает задачу повышения эффективности процесса разделения водонефтяных эмульсий одной из наиболее актуальных и приоритетных. Для ее решения необходимо непрерывно продолжать поиск и апробацию новых технических решений для применения в производственных технологических процессах с целью создания эффективной интеллектуальной системы дозирования химических реагентов, которая была бы способна обеспечить рациональное использование как технических, так и финансовых ресурсов направления нефтедобычи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казак А.С., Росин И.И., Чичеров Л.Г. Погружные бесштанговые насосы для добычи нефти. – М.: Недра, 1973. C. 166.
2. Трубопроводный транспорт нефти и газа / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров [и др.]. – М.: Недра, 1988. C. 69.
3. Богиров И.Т. Современные установки первичной переработки нефти. – М.: Химия, 1974. C. 11.