Промысловая подготовка нефти и газа
Лектор: доцент кафедры ХТТ и ХК, к.т.н. Попок Е.В.
Требования к товарной нефти
Согласно ГОСТ 31378-2009 «Нефть. Общие технические
условия» к нефти предъявляются следующие требования:
Наименование показателя
Норма для нефти
группы
1
2
3
Массовая доля воды, %, не более
0,5
0,5
1,0
Массовая концентрация хлористых солей, мг/дм3, не более
100
300
900
Массовая доля механических примесей, %, не более
0,05
Давление насыщенных паров, кПа (мм рт.ст.), не более
66,7 (500)
Массовая доля органических хлоридов во фракции,
выкипающей до температуры 204 °С, млн (ppm), не более
10
10
10
Водонефтяные эмульсии.
В терминах физической химии нефть
можно
определить
как
многокомпонентную смесь сложного
состава,
способную
в
широком
интервале значений термобарических
параметров
изменять
агрегатное
состояние и, соответственно, объемные
свойства.
Дисперсные системы – гетерогенные
системы, состоящие из двух или более
фаз с развитой поверхностью раздела
между ними. Одна из фаз образует
непрерывную дисперсионную среду, в
которой распределена дисперсная фаза
в виде мелких твердых частиц, капель
жидкости или пузырьков газа.
Водонефтяные эмульсии.
Эмульсии обратного типа (вода в нефти В/Н) – I группа. В ней
содержание дисперсной фазы (воды) в дисперсионной среде (нефти)
может колебаться от следов до 90 – 95 %; такой тип нефтяных эмульсий
охватывает диапазон разбавленных и высококонцентрированных
эмульсионных систем, где в большой степени проявляются различия в
факторах их стабилизации.
Эмульсия прямого типа (нефть в воде Н/В) – II группа. Они
образуются в процессах разрушения обратных эмульсий, при высоком
содержании воды в продукции скважин и при деэмульсации нефти.
Стойкие эмульсии прямого типа могут формироваться также в процессе
паротеплового воздействия на пласт.
«Множественная эмульсия» – III группа. Это эмульсия в эмульсиях:
вода-нефть-вода и т.д., либо – нефть-вода-нефть. Такие эмульсии
характеризуются обычно повышенным содержанием различных
механических примесей, в результате чего накапливаются на границе
раздела фаз в аппаратах подготовки нефти и воды и являются одной из
причин срыва технологических режимов их работы.
Методы разрушения водо-нефтяных
эмульсий
В основе технологии обезвоживания и обессоливания
нефтей лежит процесс разрушения водонефтяных эмульсий,
заключающийся в превращении их из агрегативно-устойчивого
мелкодисперсного состояния в кинетически неустойчивые,
крупнодисперсные, расслаивающиеся системы.
Условная классификация способов деэмульгирования нефтей:
• механические (фильтрация, центрифугирование, обработка
акустическими и ультразвуковыми колебаниями и др.);
• термические (подогрев с отстаиванием, промывка горячей
водой);
• электрические (обработка в электромагнитных полях);
• химические (обработка реагентами-деэмульгаторами).
5
Устойчивость водонефтяных
эмульсий
Кинетическая (седиментационная) устойчивость –
способность
системы
противостоять
оседанию (всплыванию) под действием
Архимедовых сил
Ky=1/wос
эта устойчивость пропорциональна
вязкостным характеристикам нефти, обратно
пропорциональна разности плотностей воды
и нефти и квадрату радиуса этих частиц.
6
Факторы, определяющие
устойчивость эмульсий
• Средний диаметр частиц воды. Чем меньше диаметр, тем медленнее она будет
оседать в массе нефти, тем устойчивее эмульсия, следовательно, для снижения
устойчивости эмульсий необходимо создать условия для эффективной коалесценции.
• Время жизни эмульсии. Чем больше проходит времени с момента образования
эмульсии, тем толще сольватная оболочка вокруг капель воды, что препятствует
коалесценции капель.
• Гидродинамическое воздействие на поток нефти. Чем больше нефть
подвергается таким воздействиям, тем устойчивее эмульсия. Например, число
насосов, задвижек, длина и профиль трубопровода и т.д.
• Физико-химические свойства нефти и состав эмульгированной воды. Имеется
ввиду плотность, вязкость и состав эмульгаторов. Следует учитывать, что разность
плотности воды и нефти возрастает с увеличением температуры, т.к. плотность нефти
изменяется значительно сильнее, чем плотность воды.
• Температура эмульсии. С повышением температуры изменяется состав и
толщина сольватного слоя вокруг капель воды и за счет этого устойчивость эмульсий
снижается.
7
Водонефтяные эмульсии
Фото водонефтяной эмульсии
Водонефтяные эмульсии
Основные физико-химические
нефтяных эмульсий:
• дисперсность;
• вязкость;
• плотность;
• электрические свойства;
• устойчивость (стабильность);
свойства
Водонефтяные эмульсии
Дисперсность эмульсии – это степень раздробленности дисперсной
фазы в дисперсионной среде.
Дисперсность, определяющая свойства эмульсии, характеризуется
тремя величинами:
- диаметром капель d;
- обратной величиной диаметра капли D =1/ d , называемой обычно
дисперсностью;
- удельной межфазной поверхностью, т. е. отношением суммарной
поверхности к
Все эти величины взаимосвязаны и выражаются общей формулой:
S=6/d−3/r
Из формулы видно, что удельная поверхность обратно
пропорциональна размерам частиц и чем меньше эти частицы, тем
больше удельная поверхность капелек к общему их объему.
Водонефтяные эмульсии
Вязкость эмульсии. При течении водонефтяных эмульсий в турбулентном
режиме принято различать и учитывать две вязкости:
- вязкость, обусловленную пульсациями давления дисперсионной среды
(нефти) и дисперсной фазы (воды);
- динамическую вязкость.
Динамическая вязкость нефтяных эмульсий не подчиняется правилу
аддитивности:
μэ ≠ μн+ μв
Динамическая вязкость эмульсии зависит от следующих основных факторов:
- вязкости самой нефти;
- температуры, при которой получается эмульсия;
- количества содержащейся воды в нефти;
- степени дисперсности или диаметра капель дисперсной фазы в
дисперсионной среде (для эмульсии типа вода-нефть).
Водонефтяные эмульсии
Плотность эмульсии. Плотность эмульсии определяют, зная
плотность нефти и пластовой воды, образующих эмульсию, и их
объемное или процентное содержание.
Устойчивость эмульсии.
Кинетическая (седиментационная) устойчивость эмульсий – это
способность системы противостоять оседанию или всплыванию частиц
дисперсной фазы под действием архимедовых сил
Агрегативная устойчивость эмульсий – это способность глобул
дисперсной фазы при их столкновении друг с другом или границей
раздела фаз сохранять свой первоначальный размер. В этой связи
следует различать два процесса: коалесценцию и флокуляцию.
Флокуляция – слипание глобул при столкновении с образованием
агрегатов из двух и более глобул.
Коалесценция – процесс слияния (укрупнения) глобул при
столкновении друг с другом или границей раздела фаз.
Оценка методов воздействия на
эмульсию
Стадии
1
Характеристика
Разрушение
бронирующих
оболочек
Значимость процесса по:
эффективности
технологичности
применения
1. Химические реагенты
2. Нагрев
3. Электростатические поля
4. Перемешивание
1. Химические
реагенты
2. Перемешивание
3. Нагрев
4. Электростатические поля
Оценка методов воздействия на
эмульсию
Стадии
Характеристика
Укрупнение
капель
2
Значимость процесса по:
эффективности
1. Электрические поля
2. Коалесцирующие
насадки
3. Гидродинамические
эффекты
4. Импульсные
воздействия
5. Промывка в слое воды
6. Применение
флокулянтов
7. Магнитное поле
технологичности применения
1.Гидродинами-ческие
эффекты
2. Промывка в слое
воды
3. Электрические поля
4. Коалесцирующие
насадки
5. Импульсные воздей
ствия
6. Применение
флокулянтов
7. Магнитное поле
14
Оценка методов воздействия на
эмульсию
Стадии
Характеристика
Разделе
ние фаз
3
Значимость процесса по:
эффективности
1.Центрифугирование
2. Отстаивание
3. Флотация, пенная
деэмульсация
4. Электростатические поля
технологичности применения
1. Отстаивание
2.Центрифугирование
3.Электростатические поля
4. Флотация, пенная
деэмульсация
15
Реагенты-деэмульгаторы
Реагенты-деэмульгаторы, используемые для разрушения нефтяных
эмульсий подразделяют на две группы: ионогенные и неионогенные.
― Ионогенные деэмульгаторы в водных растворах диссоциируют на
ионы. В зависимости от того, какие ионы (анионы или катионы)
являются поверхностно-активными, ионогенные деэмульгаторы
подразделяются на анионоактивные и катионоактивные.
― Неионогенные вещества в водных растворах на ионы не
распадаются. Их получают присоединением окиси этилена к
органическим веществам с подвижным атомом водорода, т.е.
содержащим карбоксильную, гидроксильную, сульфгидрильную,
аминную или амидную группы.
Реагенты-деэмульгаторы
• Анионоактивные вещества в водных растворах
диссоциируют на отрицательно заряженные ионы, в состав
которых входит углеводородная часть молекулы, и на
положительно заряженные ионы металла и водорода.
• Катионоактивные вещества в водных растворах
распадаются на положительно заряженный радикал и
отрицательно заряженный ион кислоты. К ним относятся в
основном азотистые основания: нечетвертичные или
четвертичные.
Катионоактивные
вещества
как
деэмульгаторы применяют весьма граниченно.
Реагенты-деэмульгаторы
Фотография водонефтяной эмульсии через 2 часа после
ввода: Separol WF 41 с концентрацией 200 мг/л (1) и 400 мг/л
(2); нанодеэмульгатора ТюмГУ(3)
Выбор реагента - деэмульгатора
Выбор наиболее эффективного деэмульгатора и оценка его
пригодности при промысловой подготовке нефти производятся на
основании лабораторных и опытно-промышленных исследований.
Деэмульгатор должен быть однородной жидкостью без взвешенных и
оседающих частиц. Температура застывания должна соответствовать
климатическим условиям нефтяного региона, характеризуемым
абсолютными минимальными температурами воздуха.
Для удовлетворительной работы насосов типа НД (дозировочных) в
условиях их эксплуатации вязкость дозируемого реагента должна быть не
выше указанной в паспортных характеристиках насосов.
Деэмульгатор не должен вызывать коррозию труб и оборудования.
Блок дозирования деэмульгатора в смесь воды и нефти
После замерной установки нефть, газ и вода снова смешиваются и направляются до установки
переработки нефти по сборному коллектору диаметром 200 — 500 мм, длиной до 7 — 70 км. Для
внутритрубной деэмульгации с помощью блока дозирования в поток вводится деэмульгатор.
Отстаивание нефти
Отстаивание
водонефтяной
эмульсии
–
технологическая
операция,
используемая
для
разделения фаз, т.е. осаждения воды в водонефтяной
эмульсии. Эта операция является основным этапом
процесса разрушения нефтяных эмульсий (ей
предшествуют
процессы
обработки
эмульсии
деэмульгатором и подготовки ее к разделению).
Характер осаждения воды в эмульсии резко
отличается от характера осаждения одиночной
частицы. Параметры среды, в которой осаждаются
частицы воды, постоянно меняются, в частности, ее
плотность уменьшается из-за снижения содержания
воды к уровню раздела фаз
21
Схема отстаивания нефти от воды в
горизонтальном отстойнике
Схема отстаивания нефти от воды в цилиндрическом горизонтальном
отстойнике: 1 - раздаточный коллектор (маточник); 2 - ввод смеси нефти с
водой; 3 - отвод обезвоженной нефти; 4 - исполнительный механизм сброса
воды; 5 - линия сброса воды; h – дисперсионная среда (вода)
22
Принципиальные схемы отстойных аппаратов
а – с перфорированной
решеткой; б – с нижним
распределенным вводом
эмульсии под слой дренажной
воды и верхним
распределенным отводом нефти;
в – с секционным
каплеобразователем, нижним
распределенным вводом
эмульсин и верхним
распределенным отводом нефти;
г – вертикальный с секционным
каплеобразователем и нижним
распределенным вводом
эмульсии под слой дренажной
воды; д – с торцевыми
распределительными
устройствами для ввода
эмульсии и отвода нефти;
е – с переливной перегородкой и
промывкой нефти в слое
дренажной воды
23
Отстойные аппараты
Отстойные аппараты – емкостного типа, обычно
цилиндрической
формы с различными встроенными
элементами (распределители входных потоков, переливные
перегородки, насадки и уловители на выходных потоках).
Отстойные аппараты
Совершенствование
отстойников развивается по
следующим основным
направлениям:
• улучшение гидродинамики внутри
аппаратов для более полного
использования полезного объема
• интенсификация процессов
коалесценции глобул пластовой
воды и отделение ее от нефти
Параметры, влияющие на процесс
отстаивания нефти
Влияние промежуточного слоя на процесс отделения
воды зависит от скорости коалесценции капель, которая
определяется физико-химическими свойствами нефти,
концентрацией дисперсной фазы в слое, наличием
механических загрязнений, размерами исходной капли
воды и капли в слое, наличием деэмульгатора.
Влияющими параметрами являются:
• Концентрация дисперсной фазы в промежуточном слое;
• Размеров капель.
• Физико-химических свойств системы
• Высоты промежуточного слоя
• Механических загрязнений.
26
Обезвоживание нефти в
электрическом поле
Эмульгированная капля воды в электрическом поле.
Силовые линии: а – в чистой нефти; б, в – в нефти с
полярными каплями воды
Скорость движения частиц в
электрическом поле
• Скорость движения капель в электрическом поле в нефтепродукте
определяется из равенства силы, действующей в электрическом поле
на каплю, и силы сопротивления среды движению капли
• Максимально возможный заряд капли:
qк  12 0 a 2 E
• сила, действующая на каплю в электрическом поле:
Fэ  qк E  12 0 a 2 E
• сила сопротивления среды определяется по формуле Стокса:
Fc  6 эф aVc
Скорость движения частиц в
электрическом поле
• Приравнивая силы получим формулу для скорости движения капель в
электрическом поле:
VE 
2 0 aE
VE g 0 E

Vc
ga
2
2
 эф
Скорости седиментации
а, (мкм)
5
10
100
500
1000
VE/Vс
1100
550
55
11
5,5
Критический размер капли и критическая
напряженность поля
•
•
заряд поляризации: qn≡Еа2.
сила взаимодействия, определяющая
сближение и слияние капель:
Fвз= qnЕ ≡ а2Е2.
Критический размер капли и критическая
напряженность поля
• деформация капель в электрическом поле может привести к процессу
обратному по отношению к коалесценции - разрыву капель. Это
происходит, когда действие поля на поляризационные заряды
превышает действие сил поверхностного натяжения, препятствующих
разрыву капель.
• Fразр ≡ а2Е2 и Fпов ≡ σ а, где σ - коэффициент поверхностного
натяжения на границе раздела сред вода - нефть (σ ≈ 20·10-3 Н/м), из
условия Fразр= Fпов следует:
Eкр 

a
aкр  Eкр2
Критический размер капли и критическая
напряженность поля
Конструкции промышленных технологических установок для
обессоливания и обезвоживания нефти и нефтепродуктов
• Принципиальная технологическая схема
Конструкции ЭДГ
Обезвоживание нефти в электрическом поле
ЭЛЕКТРОДЕГИДРАТОР — аппарат для отделения воды от сырой нефти путём разрушения нефтяной
эмульсии обратного типа (вода в нефти) в электрическом поле. В результате индукции электрического
поля диспергированные глобулы воды поляризуются с образованием в вершинах электрических
зарядов, изменяют направление своего движения синхронно основном полю и всё время находятся в
состоянии колебания. Форма глобул постоянно меняется, что приводит к смятию структурномеханического барьера, разрушению адсорбционных оболочек и коалесценции глобул воды. По
геометрической форме различают цилиндрические и сферические электродегидраторы, по
расположению в пространстве — вертикальные и горизонтальные.
Обезвоживание нефти в электрическом поле
Нефтяная эмульсия вводится на 0,7 м ниже расположения электродов,
проходит через слой воды (теряя при этом основную массу солёной воды),
затем поднимается и последовательно проходит зону слабой напряжённости
электрического поля и зону сильной напряжённости (между электродами). В
отстойниках нижней зоны (под электродами) вода отстаивается от нефти,
верхней зоны (над электродами) — нефть от воды.
ЭЛОУ – электрообессоливающая установка.
Технологические параметры:
• Количество электродов – 2-8 шт. (доля сечения аппаратов,
занятая электродами, до 90%);
• Мощность электродов – 50кВт;
• Частота смены электрического поля – 50 Гц;
• Производительность электродегидратора с ёмкостью аппарата
200 м3 — до 6000 м3/сутки;
• остаточное содержание воды в товарной нефти 0-0,2%;
• предварительный подогрев до 100-110°С (редко 160-180°С);
• расход деэмульгатора – 10-250 г/т;
• Давление – 1,0-1,4 Мпа;
• добавка промывочной пресной воды - до 10%.
Блочное оборудование для
обезвоживания нефти
В последние годы для нагрева нефтяной эмульсии и
одновременно в качестве газосепаратора и отстойника
широко применяются блочные деэмульсаторы.
Благодаря блочности и транспортабельности они
позволяют легко комплектовать установки подготовки нефти
на различную производительность, необходимость в которой
возникает при возрастающем уровне добычи нефти.
Строительно-монтажные работы при этом сводятся к
монтажу комплектно изготовленных на заводах блоков.
Блочное оборудование для
обезвоживания нефти
Функциональная схема деэмульсатора нефти