Обеспечение бесперебойного режима потока

Для поддержания потока требуются экономически эффективные подходы к производству и транспортировке жидкостей из резервуаров в перерабатывающие комплексы. В ходе добычи и транспортировки сырой нефти знание свойств жидкой среды и рабочих условий имеет решающее значение для предотвращения образования и осаждения нежелательных твердых веществ (гидратов, воска, асфальтенов и других твердых примесей). При очень высоких значениях температуры и давления в трубопроводе могут откладываться кристаллы газовых гидратов метана или асфальтены. Если не контролировать эти отложения, кристаллы, частицы асфальтенов и воска могут осаждаться и скапливаться, приводя к закупорке трубопровода. Удаление кристаллогидратной или асфальтеновой пробки из подводного трубопровода — дорогостоящая и опасная операция.

На поздней стадии разработки нефтяных месторождений обеспечить бесперебойный режим транспортировки становится еще сложнее. Это связано с ростом содержания воды. В некоторых случаях операторы месторождений поздней стадии нагнетают в пласт воду для увеличения количества извлекаемой нефти. Для стабилизации потока сырой нефти, содержащей водную эмульсию, требуются более сложные технологии. Присутствие пластовой или нагнетаемой в пласт воды с растворенным в ней карбонатом кальция может в определенных условиях привести к осаждению накипи. Осадок карбоната кальция забивает трубопроводы и технологическое оборудование, снижая рентабельность добычи. С увеличением содержания воды эффективность большинства промышленных ингибиторов гидратации и противоагломератов снижается. В конечном счете возникает необходимость разрушать нефтяные эмульсии. Применение физических или химических методов разрушения эмульсий может привести к значительному росту затрат, особенно в случае образования плотных эмульсий с высоким содержанием эмульгирующих компонентов, например, асфальтенов.

Важно провести исследования и разработать экономически эффективные методы стабилизации потоков, чтобы за счет регулирования содержания твердых веществ и эмульсий свести к минимуму экономические риски во время эксплуатации нефтяного месторождения.

Часто при экстремальных температуре и давлении в трубопроводе течет многофазный поток, что делает задачу отбора проб для последующего анализа на автономном оборудовании очень сложной или невыполнимой. Зачастую пробы подвергают разбавлению или диспергированию, что может изменить или разрушить многофазную структуру. Результаты измерения проб на автономных приборах часто невозможно использовать для принятия решений по оптимизации процесса в режиме реального времени. С разработкой технологий наблюдения частиц in situ, таких как ParticleTrack и ParticleView, появилась возможность быстро оценивать состояние дисперсной технологической среды, не прибегая к отбору образцов.

Обеспечение потока подразумевает исследование следующих процессов:

• осаждение асфальтенов;
• образование газовых гидратов;
• разделение эмульсий;
• определение температуры появления и морфологии кристаллов парафинов.

Асфальтены представляют собой сложные смеси полиароматических веществ с гетероатомными соединениями, содержащими, например, азот, кислород и серу, а также металлоорганическими соединениями железа, никеля и ванадия. Асфальтены обычно характеризуются как фракция сырой нефти, нерастворимая в алканах (таких как н-гептан или н-пентан), но растворимая в ароматических растворителях (толуоле или бензоле). Изменения состава сырой нефти, давления или температуры могут привести к дестабилизации асфальтенов. Например, падение давления во время добычи нефти может привести к нежелательному осаждению асфальтенов и в стволе скважины, и в резервуарах. Осаждение асфальтенов приводит к ухудшению свойств пласта, образованию трудноразделяемых эмульсий и частичной или полной закупорке трубопроводов.

Интенсивность осаждения асфальтенов зависит от нескольких факторов, включая температуру, давление и состав флюида. Осаждение асфальтенов в трубопроводе определяется расходом жидкости, взаимодействием между частицами, взаимодействием частиц с поверхностью трубы и т. д. 

Условия начала процесса и кинетические параметры осаждения асфальтенов были изучены на образцах четырех сортов сырой нефти и фракции 190+. 40 г сырой нефти помещали в стеклянный стакан и перемешивали со скоростью 400 об/мин. Для определения начальной и конечной точки осаждения, а также кинетических параметров процесса использовали систему ParticleTrack.
Осаждение проводили с  добавлением н-гептана.

• Система ParticleTrack позволяет быстро определить условия начала процесса для нефти разных сортов, не прибегая к отбору проб.
•  В образец остатка D-190+ добавляли серийно выпускаемые присадки (A, B и C) в разных концентрациях (мкл/л).
• С помощью системы ParticleTrack ускоренным методом были определены наиболее подходящий тип добавки и ее оптимальная концентрация для замедления осаждения асфальтенов.
• Изучив кинетику процесса, исследователи получили возможность регулировать скорость осаждения асфальтенов в сырой нефти разных сортов.

Литература: Dufour et. al. Energy Fuels, 2009, 23 (3), 1155–1161.

Глубокое исследование, проведенное FMC и Университетом Талсы, охватывает практические вопросы стабилизации потоков путем регулирования процессов разделения, осаждения и выделения тяжелых фракций для снижения затрат на разведку и добычу неочищенной сырой нефти при обычных рабочих температурах и давлениях без отбора проб или разбавления образца.

Газовые гидраты образуют похожие на лед кристаллические структуры за счет сложного взаимодействия между нефтью, газом и водой при высоком давлении и низкой температуре. Структурные переходы, механизмы и кинетика образования газовых гидратов до сих пор изучены не полностью.

Условия, необходимые для кристаллизации газовых гидратов, часто возникают в нефтепроводах. При этом образуются зародыши гидратных частиц, которые затем растут и соединяются в более крупные группы. Большие агломераты способны создать пробку в нефтепроводе. Гидратная пробка нарушает стабильность потока, а в некоторых случаях полностью блокирует его. Растущее гидравлическое сопротивление или полная блокировка потока газовыми гидратами ведут к увеличению затрат на добычу, так как повышается вероятность вынужденных простоев и поломок оборудования, а также риск для операторов.

Для замедления гидратообразования обычно используются термодинамические ингибиторы (THI), несмотря на их высокую стоимость, экологическую небезопасность и сложность применения. Их альтернатива — менее дорогостоящие ингибиторы низкой дозировки (Low Dosage Hydrate Inhibitors; LDHI), которые либо увеличивают время индукции, либо подавляют агломерацию первичных частиц гидрата, поддерживая текучесть суспензии. Для перехода от сугубо профилактических мер к новым, экономически эффективным методам регулирования кристаллизации гидратов крайне важно четкое понимание механизмов кристаллизации, агломерации и осаждения.

Использование надежных технологий in situ для мониторинга кристаллизации и агломерации гидратов в режиме реального времени позволит операторам: 1) оптимизировать использование дорогостоящего THI; 2) оценивать эффективность более дешевого LDHI; 3) разрабатывать надежную стратегию с использованием комбинации THI и KHI (кинетического ингибитора).

С помощью системы ParticleView можно наблюдать in situ значительную агломерацию гидратов в отсутствие LDHI (слева). В присутствии LDHI гидраты образуют стабильную дисперсию (справа).

Литература: Duy Nguyen et. al. (совместное исследование компании Nalco и МЕТТЛЕР ТОЛЕДО)

Зондовые системы ParticleTrack и ParticleView — идеальные инструменты для получения характеристик газовых гидратов метана, частиц асфальтенов и нефтяных эмульсий. В большинстве случаев те условия, при которых кристаллизуются газовые гидраты и осаждаются асфальтены (высокое давление), чрезвычайно неблагоприятны для отбора проб. Суспензии и эмульсии очень чувствительны к изменениям температуры и давления. Кроме того, автономные методы требуют разбавления образцов, которое может привести к изменению размера капель, распаду гидратных агломератов, а также повлиять на растворимость асфальтенов. Измерения, проведенные на разбавленных пробах, не могут дать полного представления о процессах в реальных условиях, даже если отбор проб не затруднен. Располагая зондами FBRM и PVM, исследователь может проследить динамику изменений суспензий и эмульсий в сырой нефти при реальных значениях температуры и давления, стандартных для технологического процесса, не прибегая к отбору проб и не разбавляя их.

Обессоливание является важным этапом подготовки сырой нефти, в ходе которого неорганические соли и примеси  переносятся в водную фазу и удаляются. Недостаточное обессоливание приводит к внутреннему обрастанию установок разделения сырой нефти занесенными твердыми частицами, коррозии в нефтеперегонных колоннах из-за образования кислот и, в конечном итоге, к повышению затрат на обработку минерализованных стоков ввиду недостаточного выделения нефти.

Система ParticleTrack отличается высокой чувствительностью к изменениям числа и размера капель, происходящим по мере изменения режима перемешивания. Более интенсивное перемешивание ведет к уменьшению среднего размера и увеличению количества малых капель (< 80 мкм).

• Поддержание оптимального распределения капель по размеру и количеству необходимо для создания поверхности раздела фаз, через которую загрязнения выводятся в водную фазу в процессе перемешивания и разделения системы «вода–нефть» в накопителях.
• Система ParticleTrack быстро выявляет критические параметры процесса (например, перемешивание, расход промывочной воды) с целью повышения качества очистки и сокращения времени разделения.

Изображения ParticleView, сделанные с высоким разрешением, подтверждают превращение крупных капель (при 200 об/мин) в мелкие (при 500 об/мин).

Характеристики дисперсности по длине хорды, получаемые с помощью системы ParticleTrack, обеспечивают достижение целевого распределения капель по размерам для повышения эффективности обессоливания.

Информация, полученная с помощью ParticleTrack и ParticleView, помогает сократить занос твердых загрязнений, предотвратить недостаточное выделение нефти, определить оптимальное содержание добавок, ускорить процесс обессоливания и, таким образом, предотвратить такие нежелательные явления, как коррозия и накопление отложений.

Деэмульгаторы — добавки, ускоряющие разделение эмульсий «нефть–вода» — часто испытывают, отбирая пробы эмульсии в бутылки. Такой метод не учитывает размер капель и другие характеристики эмульсии. В данной работе для контроля действия деэмульгатора на смесь, содержащую 30 % нефти (API ~30) и 70 % рассола, применялись системы ParticleTrack и ParticleView.

a. t = 15 мин. Изображения ParticleView, полученные в режиме реального времени в отсутствие деэмульгатора, показывают, что в условиях эксперимента эмульсия остается стабильной в течение 15 минут. Зонд ParticleView дает оперативное визуальное подтверждение стабильности или нестабильности эмульсии.

b. t = 0 мин. В исходном состоянии при вводе деэмульгатора наблюдаются крупные капли. Капли наблюдаются in situ в естественном состоянии без физического воздействия, неизбежного при отборе проб.

c. t = 3 мин. С течением времени мелкие капли сливаются, происходит их перегруппировка с образованием более крупных капель. ParticleView позволяет отслеживать изменения капель в режиме реального времени. Исследователи получают полную информацию о динамике процесса и превращениях, происходящих в присутствии деэмульгатора.

d. t = 6 мин. Процесс заканчивается отделением больших капель, после чего в рассоле остаются мелкие капли. Изображения ParticleView, полученные непосредственно в технологической среде, используются для экспресс-оценки содержания нефти в водной фазе.

С помощью ParticleTrack исследователи могут оценить количественные изменения, которые происходят в эмульсии в присутствии деэмульгатора. Размер капель непосредственно влияет на процесс разделения нефти и воды. Данные о размере капель помогают ускорить проверку и разрабатывать эффективные деэмульгаторы.

• Понимание действия деэмульгатора в процессе разделения эмульсий воды в нефти необходимо для экономии затрат на транспортировку и переработку нефти.
• Мониторинг процессов ведется с помощью встроенных приборов. Они обеспечивают точное отслеживание изменений в эмульсии и оптимальный выбор деэмульгатора для ускорения разделения нефти и воды.

Литература: Duy Nguyen et. al. (совместное исследование компании Nalco и МЕТТЛЕР ТОЛЕДО)

Системы ParticleView и ParticleTrack используются для обеспечения бесперебойного режима потоков нефти и газа ведущими компаниями и исследовательскими группами. Рекомендуемая литература по теме представлена ниже.

Образование газовых гидратов

Aline Melchuna, Ana Cameirão, Yamina Ouabbas, Jean-Michel Herri, Philippe Glenat. Transport of hydrate slurry at high water cut. The 8th International Conference on Gas Hydrates, Jul 2014, Pékin, China. pp.T5–16, 2014.

Greaves  D,  Boxall  J,  Mullingan  J,  Sloan  ED, Koh  CA.   Hydrate  Formation  from  High  Water Content-Crude Oil  Emulsions.  Chemical Engineering Science, vol. 63. 2008. p. 4570–4579.

Turner D,  Miller K, & Sloan E. Direct conversion of water droplets to methane hydrate in crude oil. Chemical Engineering Science, 2009 vol: 64 (23) pp: 5066–5072. 10.1016/j.ces.2009.08.013

Асфальтены

Marugán J,  Calles J,  Dufour J,  Giménez-Aguirre R,  Peña J, &  Merino-García D. Characterization of the Asphaltene Onset Region by Focused-Beam Laser Reflectance: A Tool for Additives Screening. Energy & Fuels. 2009 vol: 23 (3) pp: 1155–1161. 10.1021/ef800626a.

Ruidiaz EM, Koroishi ET, Kim NR, Trevisan OV, Soares-Bassani G & Merino-Garcia D. Evaluation of Asphaltene Deposition — A Systematic Study and Validation of Online Focused Beam Reflectance Measurement FBRM® at Reservoir Conditions. J Pet Environ Biotechnol 2018, Vol 9(2): 364.  DOI: 10.4172/2157-7463.1000364

Javier Dufour, José A. Calles, Javier Marugán, Raúl Giménez-Aguirre, José Luis Peña and Daniel Merino-García. Influence of Hydrocarbon Distribution in Crude Oil and Residues on Asphaltene Stability. Energy Fuels, 2010, 24 (4), pp 2281–2286. DOI: 10.1021/ef900934t.

Эмульсии «нефть–вода»

Boxall J,  Koh C,  Sloan E,  Sum A,  Wu D. Measurement and Calibration of Droplet Size Distributions in Water-in-Oil Emulsions by Particle Video Microscope and a Focused Beam Reflectance Method. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010 vol: 49 (3) pp: 1412–1418. DOI10.1021/ie901228e.

Less S, &  Vilagines R. Light beam reflectance measurement of droplets diameter distribution in crude oil emulsions, Fuel, 2013 vol: 109 pp: 542–550. DOI10.1016/j.fuel.2013.03.048.

Wang W,  Li K,  Wang P,  Hao S,  Gong J. Effect of interfacial dilational rheology on the breakage of dispersed droplets in a dilute oil–water emulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014 vol: 441 pp: 43–50. DOI10.1016/j.colsurfa.2013.08.075.

Образование накипи

N. Al Nasser, Waleed & Pitt, Kate & J. Hounslow, Michael & D. Salman, Agba. (2013). Monitoring of aggregation and scaling of calcium carbonate in the presence of ultrasound irradiation using focused beam reflectance measurement. Powder Technology. 238. 151–160. 10.1016/j.powtec.2012.03.021.

N. Al Nasser, Al Salhi F. Scaling and aggregation kinetics determination of calcium carbonate using inline technique. Chemical Engineering Science, 2013 vol: 86 pp: 70–77. 10.1016/j.ces.2012.05.018

Rosário, F.F.,MONTALVÃO, V.T.K., PEREIRA, M.L.O., &  J. F. CAJAIBA DA SILVA (2012) Kinetic Study of Calcium Carbonate Precipitation by Using Real Time FTIR and FBRM Analyses. 13th International Conference on Petroleum Phase Behavior and Fouling, Saint Petersburg, Florida.