Анализ работы установки предварительного сброса воды ЦДНГ-9 НГДУ «Мамонтовнефть»

 

В связи с изложенным, возникает  необходимость отделения от нефти  пластовой воды и солей в промысловых  условиях. Вместе с водой при обезвоживании  из нефти удаляются соли, растворенные в воде, и механические примеси, которые  являются причиной коррозии и загрязнения  трубопроводов и аппаратов. При  обезвоживании нефти на месторождениях из нее удаляется основная масса  воды, солей и механических примесей, и нефтепроводным управлениям нефть  сдается с содержанием воды, как  правило, не выше 1-2 %. Но эта норма  не остается неизменной и имеется  тенденция к ее снижению до 0,5 % , что  экономически и технологически более  целесообразно.

 

При обезвоживании нефти  на месторождениях – лишь первый этап ее подготовки к переработке. Более  глубокая очистка нефти от пластовой  воды, солей и механических примесей осуществляется в процессе обессоливания. С этой целью обезвоженную нефть  интенсивно перемешивают с пресной  водой, а образовавшуюся эмульсию разрушают.

 

При извлечении нефти и  пластовой воды на поверхность они  неизбежно перемешиваются, образуя  при этом эмульсию. Свойства нефтяных эмульсий, их стойкость в значительной мере зависят от способа добычи нефти  и условий эксплуатации нефтяного  месторождения.

 

Содержание воды, солей  и механических примесей в нефти  важно знать также для определения  количества чистой нефти при передачи ее товаротранспортным организациям. /2/

 

Нормами подготовки нефти  на промыслах, поступающей в магистральный  трубопровод, установлен по ГОСТу Р 51858-2002 , который приведён в табл. 1.

 

 

Таблица 1

 

Физико-химические свойства товарной нефтиНаименование показателя Норма для группы

I П III

Концентрация хлористых  солей, мг/дм3, не более 100 300 900

Массовая доля воды, % не более 0,5 1,0 1,0

Массовая доля механических примесей, % не более 0,05 0,05 0,05

Давление насыщенных паров, кПа (мм.рт.ст.) не более 66,7 (500) 66,7 (500) 66,7 (500)

Содержание хлорорганических соединений Не нормируется. Определение обязательно

Содержание Н2S и RSH Определение факультативно.

 

 

 

 

1.1 Образование эмульсий  и их классификация

 

Вода в нефти появляется в результате поступления к скважине пластовой воды или воды, закачиваемой в пласт с целью поддержания  давления. При движении нефти и  пластовой воды по стволу скважины и нефтесборным трубопроводам происходит их взаимное перемешивание и дробление. Процесс дробления одной жидкости в другой называют диспергированием. В результате диспергирования одной жидкости в другой образуются эмульсии.

 

Эмульсии представляют собой  дисперсные системы двух жидкостей, не растворимых или малорастворимых  друг в друге, находящихся во взвешенном состоянии в виде мелких капель (глобул). Жидкость, в которой распределены глобулы, называются дисперсной средой, а вторая жидкость, распределенная в дисперсной среде, - дисперсной фазой.

 

При образовании эмульсии увеличивается поверхность дисперсной фазы, поэтому для осуществления  процесса эмульгирования должна быть затрачена определенная работа, которая  концентрируется на поверхности  раздела фаз в виде свободной  поверхностной энергии. Энергия, затраченная  на образование единицы межфазной  поверхности, называется поверхностным (межфазным) натяжением. Глобулы дисперсной фазы имеют сферическую форму, т.к. такая форма имеет наименьшую поверхность и наименьшую свободную  энергию для данного объема. Форму  шара можно исказить лишь сила тяжести  или сила электрического поля.

 

Свободная энергия капель дисперсной фазы способствует их слиянию (коалесценции), но помехой этому  в устойчивых эмульсиях являются стабилизаторы эмульсии.

 

Растворимые в воде (гидрофильные), эмульгаторы способствуют образованию  эмульсий - вода в нефти. Последний  тип, чаще всего встречается в  промысловой практике. К гидрофильным относятся такие поверхностно-активные вещества, как щелочные мыла, желатин, белковые вещества. Гидрофобными являются хорошо растворимые в нефтепродуктах смолы, известковые мыла, а также  мелкодисперсные частицы сажи, глины, песка, окислов металлов, легче смачиваемые  нефтью, чем водой. Введение в эмульсию данного типа эмульгатора, способствующего  образованию эмульсии противоположного типа, облегчает её расслоение. От концентрации эмульгаторов-стабилизаторов эмульсии в нефти и их состава главным  образом зависит устойчивость образующихся нефтяных эмульсий. Установлено, что  устойчивость, возрастает с увеличением  концентрации стабилизаторов до насыщения  адсорбционного слоя или, до достижения оптимальных структурно-механических свойств слоя. Стабилизаторы входят в контакт друг с другом и с  нефтяной и водной фазами, образуют механически прочные защитные плёнки, препятствующие процессу коалесценции капель воды в нефти. Состав весьма разнообразен. Сюда входят асфальтены, смолы нафтеновых кислот и тяжелых  металлов, парафины, церезины, тонкодисперсные  неорганические вещества, состоящие  из глины, песка и горных пород.

 

По характеру дисперсной фазы и дисперсной среды различают  эмульсии двух типов:

 

первые эмульсии прямого  типа - неполярная жидкость в полярной, когда нефть размещается в  виде мелких капель в воде (Н/В); и  вторые обратного типа - эмульсии полярной жидкости в неполярной, когда вода размещается в виде мелких капелек  в нефти (В/Н).

 

В эмульсиях типа Н/В внешней  фазой является вода, и поэтому  они смешиваются с водой в  любых отношениях и обладают высокой  электропроводностью, а эмульсии типа Н/В смешиваются только с углеводородной жидкостью и имеют низкую электропроводность./3,4/

 

 

 

1.2 Физико-химические свойства  нефтяных эмульсий

 

Для правильного выбора метода разрушения нефтяных эмульсий важно  знание их основных физико-химических свойств.

 

 

 

1.2.1 Дисперсность эмульсий

 

Дисперсность эмульсий - это  степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсной среде. Дисперсность является основной характеристикой  эмульсий определяющей их свойства.

 

Размеры капелек дисперсной фазы в эмульсиях изменяются от 0,1 до 100 мкм (10-5 -10-2 см).

 

Дисперсные системы, состоящие  из капелек одного и того же диаметра, называются монодисперсными, а дисперсные системы, состоящие из капелек различного диаметра, - полидисперсными. Нефтяные эмульсии относятся к полидисперсным системам, т.е. к системам, содержащим частицы различных размеров. Размер капель воды в эмульсии обычно обратно  пропорционален количеству затраченной  энергии, и чем больше этой энергии, тем меньше диаметр капель, следовательно, больше их суммарная удельная поверхность.

 

 

1.2.2 Вязкость эмульсии

 

Вязкость эмульсии зависит  от вязкости самой нефти, температуры, при которой получается эмульсия, количества воды, содержащейся в нефти, степени дисперсности, присутствия  механических примесей. Вязкость нефтяных эмульсий не обладает аддитивным свойством, т.е. вязкость эмульсии не равна сумме  вязкости воды и нефти.

 

С увеличением обводнённости  до определённого значения вязкость эмульсии возрастает и достигает  максимума при критической обводнённости, характерной для данного месторождения. При дальнейшем увеличении обводнённости  вязкость эмульсии резко уменьшается. Критическое значение коэффициента обводнения называется точкой инверсии, при которой происходит обращение  фаз, т.е. эмульсия типа В/Н превращается в эмульсию типа Н/В. Значение точки  инверсии для разных месторождений  колеблется от 0,5 до 0,95 г.

 

1.2.3 Плотность эмульсии

 

Плотность эмульсии можно  рассчитать, если известны плотность  нефти и воды и их содержание в  эмульсии, по следующей формуле:

 

рэ = рH(1-W) + рBW, (1)

 

где рн - плотность нефти, кг/м3;

 

рв - плотность воды, кг/м3;

 

W - содержание воды в  объёмных долях.

 

1.2.4 Электрические свойства  эмульсии

 

Нефть и вода, взятые в  чистом виде, хорошие диэлектрики. Электропроводность нефти колеблется от 0,5 10-6 до 0,5 10-7 Ом м-1, пластовой воды – от 10-1 до 10 Ом м-1. Даже при незначительном содержании в воде растворенных солей или  кислот электропроводность увеличивается  в десятки раз. Поэтому электропроводность нефтяной эмульсии обусловливается  не только количеством содержащейся воды и степенью её дисперсности, но и количеством растворенных в  этой воде солей и кислот.

 

В нефтяных эмульсиях, помещённых в электрическое поле, капельки воды располагаются вдоль его силовых  линий, что приводит к резкому  увеличению электропроводности этих эмульсий. Это объясняется тем, что капельки чистой воды имеют приблизительно в 40 раз большую диэлектрическую  проницаемость, чем капельки нефти.

 

Свойства капелек воды располагаться в эмульсиях вдоль  силовых линий электрического поля и послужило основной причиной использования  этого метода для разрушения нефтяных эмульсий.

 

Температура эмульсии

 

Чем выше температура, чем  меньше вязкость нефти, тем менее  устойчива эмульсия. Это особенно заметно для парафинистых нефтей. С понижением температуры частицы  парафина выделяются, легко адсорбируясь на поверхности водяных капель, стойкость  эмульсии повышается. Этим объясняется  резкое увеличение устойчивости эмульсии на многих нефтяных месторождениях зимой. /5/

 

1.3 Устойчивость нефтяных  эмульсий и их "старение"

 

 

 

Важным показателем для  нефтяных эмульсий является их устойчивость, т.е. способность в течение определенного  времени не разрушаться и не разделяться  на нефть и воду.

 

На устойчивость нефтяных эмульсий влияют; дисперсность системы, физико-химические свойства эмульгаторов, образующих на поверхности раздела  фаз адсорбционные защитные оболочки, наличие на капельках дисперсной фазы двойного электрического заряда, температура и время существования  эмульсии.

 

По дисперсности нефтяные эмульсии делятся на мелкодисперсные  с размером капель воды от 0,2 до 20 мкм, среднедисперсные, содержащие капли  размером от 20 до 50мкм; грубодисперсные - с каплями воды размером от 50 до 100 мкм. Труднее поддаются разрушению мелкодисперсные эмульсии.

 

На устойчивость эмульсий огромное влияние оказывают стабилизирующие  вещества (естественные ПАВ), называемые эмульгаторами.

 

Устойчивость зависит  также от заряда на поверхности капель воды, образующего за счёт их движения двойной электрический слой, защищающий эти капли от слипания подобно  адсорбционным оболочками. Капли, имеющие  на своей поверхности одинаковые заряды, будут взаимно отталкиваться.

 

Чем выше температура, тем  менее устойчива нефтяная эмульсия.

 

Эмульсии способны "стареть", т.е. повышать свою устойчивость со временем. Процесс «старения» нефтяных эмульсий в начальный период происходит весьма интенсивно, затем постепенно замедляется  и часто уже через сутки  прекращается. Свежие эмульсии легче  поддаются разрушению и поэтому  обезвоживание и обессоливание  нефтей необходимо проводить на промыслах./3,4/

 

 

 

1.4 Теоретические основы  обезвоживания нефти

 

 

 

Электронно-ионные технологии применяются при обезвоживании  сырой нефти и нефтепродуктов. Вода в нефть попадает при добыче нефти из нефтяных скважин, а также  в ходе технологических процессов  переработки нефти в нефтепродукты. Для обеспечения высокого качества нефтепродуктов необходимо в ходе технологического процесса обезвоживания вывести  в максимально доступном количестве соли и воду из нефти.

 

Удаление воды из нефти  может происходить в результате организации направленного движения капель воды из объема нефти.

 

Первым направлением является использование седиментации капель воды. Иными словами, в процессе отстоя капли воды под действием силы тяжести осаждаются на дно резервуара.

 

Второе направление - зарядка  и организация движения частиц воды в электрическом поле таким образом, чтобы капли воды ушли за пределы  объема нефти.

 

Капельки воды могут под  действием сил электрического поля собираться на электродах или специальных  пористых перегородках и стекать  на дно сосудов. Удаление воды со дна  резервуара производится путем слива.

 

Удаление воды из нефти  основано на том, что вода имеет большую  плотность, чем нефть, и в процессе отстоя капли воды падают на дно  резервуара. Нефть всплывает и  остается в верхней части резервуара. Эффективность процесса удаления воды из объема нефти зависит от вязкости нефти. Вязкость определяется температурой, и, чем выше температура, тем меньше вязкость и больше скорость седиментации. Также скорость процесса зависит  в значительной мере от размера капель воды: чем больше радиус капли, тем  выше скорость оседания капель.

 

1.4.1 Седиментация капель  воды в нефти

 

Установившаяся скорость оседания капель воды в нефти определяется из условия равенства внешней  силы F, действующей на каплю, силе сопротивления  среды движению капли. Внешняя сила, действующая на каплю, находящуюся  в нефти, равна разности между  силой тяжести и архимедовой  силой (силой плавучести)

 

Fвн =  π а3 g Δρ (2)

 

где а - радиус капли,

 

g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного  падения, 

 

Δρ - разность значений плотности  воды и нефти (Δρ = ρв - ρн).

 

В силу большой вязкости нефти  и малых размеров капель воды их осаждение происходит в пределах стоксовского диапазона числа Рейнольдса (Rе ≤ 0,5) и сила сопротивления  среды определяется по формуле Стокса

 

Fс = 6 π μэф а Vc (3)

 

где Vc - скорость седиментации (осаждения);

 

μэф - эффективная вязкость среды.

 

Эффективная вязкость в формуле (3) отличается от вязкости среды (нефти) из-за того, что движение капли относительно нефти вызывает циркуляцию воды в  капле и это приводит к некоторому уменьшению сопротивления среды  по сравнению с движением твердой  сферической частицы. Тогда