Научные основы применения
деэмульгаторов
при добыче нефти
Молдабаева Г.Ж., Байботаева С.Е., Касымова А. Н.
Казахский Национальный Технический
Исследовательский
университет им. К.И. Сатпаева
Нефть – природная
многокомпонентная органическая жидкость. Ее основу составляет смесь нафтеновых,
ароматических и парафиновых углеводородов. Присутствуют также производные
углеводородов: кислород-, серо- и азотсодержащие вещества, высокомолекулярные
продукты окисления и окислительной конденсации, металлоорганические соединения,
углеродистые частицы (карбены и карбоиды) и некоторые другие вещества. В сырой
нефти, получаемой путем заводнения,
неизбежно содержатся большое количество воды, неорганические соли,
частицы горных пород и газы. Содержание этих компонентов может варьироваться в
широких пределах. Оно зависит от месторождения нефти. Водонефтяные эмульсии обычно формируются под действием сдвиговых
напряжений и градиентов давления при прохождении перфорационных отверстий,
задвижек, сужений и изгибов трубопроводов. Битумные эмульсии закачивают в
продуктивные нефтяные пласты для контроля их проницаемости по отношению к воде.
Результаты многочисленных
исследований минерального состава пластовых вод показывают, что основную долю
растворенных веществ составляют хлориды натрия, магния и кальция. Кроме них (в
зависимости от месторождения) могут присутствовать йодистые и бромистые соли
щелочных и щелочноземельных металлов, сульфиды натрия, железа, кальция, соли
ванадия, мышьяка, германия и других. Но в отличие от хлоридов, содержание
которых исчисляется процентами и десятками процентов от общего количества
растворенного вещества, содержание остальных солей выражаются сотыми, тысячными
и еще меньшими долями процентов. В связи с этим минерализацию пластовой воды
часто измеряют по содержанию ионов хлора в единице объема с последующим
пересчетом на эквивалент натриевых солей.
Помимо измерения
минерализации свободной пластовой воды при подготовке нефти и переработке
измеряют содержание солей в единице объема нефти. Сама нефть не содержит
хлорных солей. Они попадают в нее вместе с эмульгированной водой. И хотя
отдельные исследователи обнаруживали в безводной нефти так называемые кристаллические соли, это не опровергает
сделанного утверждения и может быть объяснено. Количество кристаллических солей
обычно незначительно и изменяется в
пределах от нескольких миллиграмм до 10–15 мг/л нефти. Подобные
ситуации возможны в двух случаях: либо при добыче нефть проходит соляные
отложения, и кристаллы солей попадают в нее как механические примеси, либо
первоначально в нефти содержится мало мелкодисперсной и сильно минерализованной
пластовой воды, которая затем растворяется в нефти, а соли остаются в виде
микрокристаллов. Абсолютное содержание хлоридов в обводненной нефти не дает
представления о степени минерализации пластовых вод. Поэтому одновременно с
определением солей в нефти устанавливают и ее обводненность.
Важнейшими задачами топливно-энергетического комплекса
Казахстана являются увеличение запасов углеводородного сырья (УВС) и разработка
новых месторождений с достижением добычи нефти к 2015 году до 150 млн. тонн.
Увеличение объема добычи нефти все в большей степени обеспечивается за счет
вовлечения в переработку месторождений
с трудноизвлекаемым запасом нефти. При этом возрастает удельный вес добычи
тяжелой, высоковязкой нефти в общем объеме добычи нефти. Трудности освоения
новых месторождений, повышение эффективности эксплуатации уже используемых
скважин требуют разработки новых технологий, технологических жидкостей и
мероприятий, позволяющих увеличить приток нефти.
Наиболее важной проблемой добычи тяжелой и
высокоминерализованной нефти является ее обводненность, которая приводит к
снижению коэффициента извлечения нефти, поэтому методы искусственного
воздействия на призабойные зоны скважины служат мощным средством повышения
добычи.
При добыче нефти происходит
образование устойчивых нефтяных эмульсий, что приводит к большим потерям нефти
и загрязнению сточных вод. Обводнение продуктивных пластов нефтяных
месторождений создает серьезные осложнения при добыче, сборе и подготовке
нефти, связанные с образованием водонефтяных эмульсий. В результате добычи и
переработки нефть дважды смешивается с водой, образуя эмульсии: при выходе с
большой скоростью из скважины вместе с сопутствующей ей пластовой водой и в
процессе обессоливания, т.е. промывки пресной водой для удаления хлористых
солей.
Содержащаяся в нефти
пластовая вода с растворенными в ней солями (10–30%), преимущественно хлоридами,
не только вызывает сильную коррозию нефпромыслового оборудования, но и ухудшает
качество нефтепродуктов, остаточных газотурбинных и котельных топлив, сырья для
каталитических процессов, для получения беззольного кокса и др. Даже при
небольшом содержании пластовой воды в нефти удорожается транспортировка ее по
трубопроводам. Увеличение транспортных расходов связано не только с перекачкой
воды, но и с повышением вязкости нефти, образующей с водой эмульсию. При
содержании в нефти эмульгированной воды более 10–20% вязкость достигает таких
величин, что ее перекачка по трубам значительно затрудняется.
Мангышлакская нефть отличается высоковязкостью и
высокозастывае-мостью, являющимися следствием формирования
пространственно-сшитых структур в результате образования специфических связей
между элементами нефти с участием компонентов как органической, так и
неорганической природы. Структурирование может быть обусловлено присутствием
наиболее высокомолекулярных представителей гетероатомных компонентов – смолоасфальтеновых
веществ. Процессы структурирования приводят либо к расслоению нефтяных систем,
либо к их стабилизации вследствие покрытия поверхности глобул веществами,
подобными по свойствам депрессорным присадкам. Современные способы и приемы
обезвоживания и обессоливания нефти (отстаивание в резервуарах или отстойниках,
использование электрических полей различной конфигурации и напряженности, а
также гидродинамические методы, различные виды промывок нефтяных эмульсий,
применение коалесцирующих фильтров и др.) представляют собой разновидности
химического деэмульгирования. Только деэмульгаторы обеспечивают необратимое
разрушение защитных слоев смолисто-асфальтеновых веществ (САВ)
на поверхности капель
эмульгированной воды. Использование добытой сырой нефти возможно при условии
удаления из нее эмульгированной
воды, так как присутствие солей в пластовой воде увеличивает коррозию
оборудования, нейтрализует катализаторы нефтехимических процессов и повышает
зольность конечных продуктов переработки нефти. Кроме того, содержание в нефти
воды сокращает пропускную способность трубопроводов, снижает грузоподъемность
средств, транспортирующих сырую нефть и т.д.
Вместе с тем,
ПАВ-деэмульгаторы – должны быть доступными для получения их в промышленном
масштабе, транспортабельными, не должны вызывать коррозию оборудования и
трубопроводов, ухудшать качество нефти после обработки, терять деэмульгирующую
способность при нагревании и в присутствии солей, содержащихся в
эмульгированной воде.
Образование устойчивых
нефтяных эмульсий приводит также к большим потерям, так как при отделении воды
от нефти в отстойниках и резервуарах часть нефти сбрасывается вместе с водой в
виде эмульсии, что загрязняет сточные воды. Та часть эмульсии, которая
улавливается в ловушках, собирается и накапливается в земляных амбарах и
нефтяных прудах. При этом в эмульсиях испаряются легкие фракции нефти, она
«стареет» и загрязняется механическими примесями. В результате получаются
преимущественно высокообводненные САВ с большим содержанием механических примесей,
так называемые нефтешламы, которые очень трудно обезвоживаются и не находят до
сих пор рационального применения.
В Казахстане существует ряд
проблем утилизации отходов производства, которые загрязняют окружающую среду,
поэтому необходимое условие эффективного и устойчивого развития экономики
Казахстана утилизация этих отходов и их рациональное использование. С
экономической и экологической точек зрения целесообразно разработать новые
технологии обессоливания и утилизации отходов нефтяного производства.
Оздоровление экологической
обстановки и рациональное хозяйственное использование природных ресурсов
становится важнейшей государственной задачей. В этой связи актуальна оценка
экологического состояния территории, химические и биологические исследования почв,
изучение антропогенных изменений почв, содержания в них тяжелых металлов и
углеводородов, а также методов утилизации промышленных отходов на предприятиях
нефтегазового комплекса.
Предельно-допустимые
концентрации веществ устанавливаются в объектах окружающей среды (в воздухе
рабочей зоны, в атмосферном воздухе, в воде источников хозяйственно-питьевого
водоснабжения, в почве, в пищевых продуктах). Принципы нормирования вредных
веществ в почве значительно отличаются от принципов нормирования вредных веществ
для воды водоемов, атмосферного воздуха и пищевых продуктов. Основное
количество химического вещества, вносимого в почву, поступает в организм
человека не прямым путем, а через контактирующие с почвой среды: воду, воздух и
растения по биологическим цепям: почва – растение – человек; почва – растение –
животное – человек; почва – вода – человек; почва – атмосферный воздух –
человек. Поэтому при нормировании химических веществ в почве следует исходить
не только из того, какую опасность представляет почва при непосредственном
поступлении в организм, а главным образом из тех позиций, которые позволяют
предупредить опасное для здоровья людей вторичное загрязнение через почву
поверхностных и подземных вод, атмосферный воздух, выращиваемых растений и
предотвратить нарушение самоочищающей способности почвы, т.е. сохранить
природную барьерную функцию почвы.
Таким образом,
подбор композиций на основе
полимерно-минеральных композиции для повышения степени извлечения нефти из
скважин, а также эффективно разделяющих водонефтяную эмульсию, способствующих
оптимальному обессоливанию и удалению механических примесей при подготовке
нефти, является актуальной задачей, как с экономической, так и с экологической
стороны.