Совмещение процессов транспортирования и деэмульсации нефти

Наиболее экономичное и удобное транспортирование нефти и нефтепродуктов на любые расстояния по трубопроводам обусловило их широкое применение в нефтяной и газовой промышленности страны. Однако целесообразно использовать трубопроводы не только в транспортных, но и в технологических целях для ре­шения такой задачи, как глубокое обезвоживание нефти на промыслах и обессоливание на нефтеперерабатывающих заводах. Трубопровод исключительно важен как активное технологическое звено в цепи процессов подготовки нефти в интервале промысел – НПЗ.

Обезвоженная и обессоленная на термохимических установках нефть после товарных парков транспортируется на головные со­оружения и затем по магистральным нефтепроводам направляется на НПЗ. Среднее время пребывания нефти в технологическом цикле при подготовке на установке 2 – 4 часа. А время движения ее от скважины до НПЗ в различных районах исчисляется от одних до десятков суток. При таком громадном запасе вре­мени, совершенно не используемом в технологических целях, на промыслах зачастую вынуждены добиваться получения качественной обезвоженной и обессоленной нефти исключительно за счет ужесто­чения технологических режимов. Это приводит к большим затратам на подготовку нефти. Полезное использование времени движения нефти от скважины до НПЗ позволяет резко сократить эти затраты, т.е. решить такую проблему, которая считалась неразрешимой без строительства дополнительных дорогостоящих установок на про­мыслах или НПЗ.

7.4.5 Основные технологические условия эффективной деэмульсации нефти

Рассмотрим десять основных технологических условий, соблю­дение которых необходимо для успешного осуществления деэмуль­сации нефти более простыми техническими средствами, чем это дос­тигалось ранее.

Первое условие. Одним из решающих факторов, определяющих эффективность процесса деэмульсации нефти в целом, является раз­рушение бронирующих оболочек на каплях пластовой воды, обла­дающих структурно-механической прочностью и препятствующих взаимному слиянию и укрупнению капель. Поэтому важно выбрать оптимальный технологический режим этой части процесса деэмульсации нефти.

Установлено, что механизм доведения водорастворимого реа­гента до капель пластовой воды состоит, в основном, в прямой пере­даче его за счет абсорбционных процессов при многократных взаим­ных столкновениях капель раствора реагента с глобулами пластовой воды непосредственно в потоке, смешении содержимого капель в результате их перехода в состав водных линз, возникающих на стенках аппарата, и интенсификации этих процессов за счет возврата в поток нефти вещества водных линз, способных выполнять роль активных центров коалесценции.

При использовании нефтерастворимых деэмульгаторов, на пер­вой стадии пока деэмульгатор существует в капельной форме, меха­низм сохраняется таким же, а затем по мере растворения деэмульга­торов нефти, переходит в диффузионно-адсорбционную фазу.

Осуществление массообменных операций по передаче реагента от капель реагентоносителя к значительному числу глобул пластовой воды иногда происходит с высокой степенью эффективности даже в условиях быстротекущих точечных контактов, завершаемых их вза­имным влиянием. Все эти эффекты наиболее ярко выражены при турбулентном режиме движения. Отсюда вытекает первое требование эффективного ведения процесса деэмульсации нефти – интенсивная турбулизация потока на стадии массообменных процессов.

Второе условие. Турбулизация потока легко достигается в тру­бопроводах. Более того, большинство трубопроводов транспортиру­ют эмульсию именно при турбулентном режиме. Следовательно, со­вмещение процессов транспортирования эмульсии с разрушением бронирующих оболочек на каплях воды вполне благоприятно. Но вместе с тем в объеме нефти в течение длительного промежутка вре­мени существуют и такие капли, которые в соответствии с законами вероятности сталкивались с каплями реагентоносителя либо недоста­точно часто, либо эти столкновения оказывались малоэффективными, либо диффузионные процессы по переносу деэмульгаторов на капли воды по ряду причин были недостаточными. Бронирующие оболочки на них оказываются неразрушенными, либо разрушенными недоста­точно. Для этих капель процесс массопередачи реагента на брони­рующие оболочки до необходимых концентраций осуществляется по схеме "накопление малыми порциями" при многократных столкно­вениях капель или за счет длительно протекающих диффузионных процессов. Следовательно, для успешного ведения процесса деэмуль­сации нефти необходима турбулизация потока в течение более дли­тельного промежутка времени, чем это возможно на "смесительных клапанах", задвижках, "смесителях" и т.д., где турбулизация потока осуществляется в течение всего лишь нескольких секунд. Это – вто­рое необходимое условие. Достаточно длительная турбулизация по­тока возможна при транспортировании эмульсии по трубопроводам. Следовательно, с этой точки зрения трубопроводы также являются полезными элементами технологической схемы.

Третье условие. Для эффективного разрушения стойких эмуль­сий необходимо осуществление процесса диспергирования капель пластовой воды, на поверхности которых возникли прочные брони­рующие оболочки. Однако в соответствии с существовавшими пред­ставлениями разрушение бронирующих оболочек капель воды в неф­ти под воздействием тепла и реагента предписывалось осуществлять в условиях, исключающих возможность их диспергирования. Такое диспергирование, по мнению технологов и ученых, не могло иметь положительных последствий. Оно расценивалось как технологически вредное и рассматривалось как главная причина возрастания стойко­сти эмульсии. Такая точка зрения впервые была предложена Ф.М. Берти и четко сформулирована Г.Б. Ши, а впоследствии практически без изменений повторялась в многочисленных публикациях отечест­венных и зарубежных специалистов.

В частности, Г.Б. Ши отмечал, что перемешивание является главнейшей динамической причиной, вызывающей диспергирование воды в нефти, и способствует стабилизации эмульсии. Объясняя не­обходимость перемешивания и механизм протекающих при этом процессов, автор разъясняет, что именно происходит при перемеши­вании. Он правильно указывал, что перемешивание эмульсии ускоря­ет диффузию препарата в среду нефти, в связи с чем он скорее и рав­номернее достигает пограничной поверхности нефти и воды и разру­шающе воздействует на природный эмульгатор. Именно в этом, по мнению автора, и состоит назначение перемешивания. Но энергичное перемешивание будет вредным, если оно приведет к размельчению капель. Эти идеи и являлись определяющей научной базой, опираясь на которую проектные организации разрабатывали, а нефтяники осуществляли строительство установок по подготовке нефти как у нас, так и за рубежом.

Однако, если не забывать, что при диспергировании сформиро­вавшейся эмульсии не только уменьшаются размеры капелек воды в нефти, но и разрушаются сами бронирующие оболочки на них, то в присутствии деэмульгатора положительное явление дробления на­много превосходит причиняемый диспергированием вред, так как при этом появляется, а затем значительно возрастает, свободная от таких оболочек поверхность на каплях пластовой воды.

Положительный эффект от разрушения брони­рующих оболочек при диспергировании стойких эмульсий в услови­ях, исключающих их последующее восстановление (присутствие реа­гента), значительно преобладает над отрицательными явлениями, возникающими в связи с уменьшением размеров капель. Поскольку эти два фактора действуют в противоположных направлениях, необ­ходимая степень диспергирования эмульсии для разрушения брони­рующих оболочек будет иметь свое оптимальное значение и должна выбираться в зависимости от исходных размеров капель и состояния их бронирующих оболочек.

Процессы деэмульсации нефти могут быть интенсифицированы при повышенных температурах. Весьма важно, чтобы эмульсия была нагрета именно на стадии разрушения бронирующих оболочек и ук­рупнения капель, что позволит резко улучшить массообменные процессы и осуществись укрупнение капель при турбулентном режиме движения потока.

Одной из наиболее важных особенностей трубопроводов как аппаратов является то, что при движении по ним жидкости в турбулентном режиме переход глобул из зон дробления (высокие градиенты скоростей) в зоны коалесценции осуществляется автоматически. Постоянный обмен глобулами между центральной и пристенными областями трубопроводов, последовательно протекаю­щие процессы дробления и слияния капель, а также отрыв капель дренажной воды от подстилающего нефть слоя при расслоении эмульсии в трубопроводе обеспечивают эффективное ее разрушение и укрупнение капель при подходе к отстойной аппаратуре или техно­логическим резервуарам товарных парков.

Четвертое условие. Если учесть, что в промысловых и заво­дских условиях температуру нефти можно увеличить лишь в 2 – 3 раза, а размеры капель в десятки раз, становится ясным, что основной ре­зерв повышения эффективности технологии подготовки нефти состо­ит в предварительном укрупнении капель в турбулентном режиме перед ее направлением на отстой для разделения потока на нефть и воду. Поэтому четвертое требование успешного ведения процесса деэмульсации нефти состоит в предварительном укрупнении капель в турбулентном режиме перед ее отстоем. Увеличив диаметр трубо­провода на конечном его участке, легко создать такие условия.

Пятое условие. Заключается в создании условий для осущест­вления процесса диспергирования капель, массообменных и других процессов при повышенных температурах. Нагрев во времени упре­ждает операции по отстою и необходим во многих случаях для раз­рушения бронирующих оболочек и упреждающего укрупнения ка­пель (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Это иногда позволяет осуществлять операции по отстою воды от нефти при относительно низкой температуре. Вряд ли можно найти другой такой аппарат, кроме трубопровода, в котором можно доста­точно долго диспергировать эмульсию при повышенной температуре, затем автоматически создать условия для укрупнения капель за счет снижения уровня турбулентности потока при возрастании его вязко­сти в процессе транспортирования из-за снижения температуры.

Шестое условие. Предполагает активное разрушение капель пластовой воды на развитой гидрофильной поверхности веществ, вводимых внутрь эмульсионного потока (дренажная вода и т.д.), либо на неподвижных поверхностях, работающих в режиме самоочище­ния.

Показано, что при правильном подборе режима движения огра­ничивающие поток оболочки и находящиеся в нем тела могут слу­жить инверсирующими экранами, разрушающими бронирующие оболочки капель пластовой воды и переводящими ее в пленочное со­стояние. Наиболее эффективно протекают эти процессы при появле­нии в потоке турбулентных пульсаций, обладающих достаточной энергией для переноса и деформации мелких капель на поверхности экранов. Суммарная внутренняя поверхность трубопроводов промы­словых систем сбора огромна и воспользоваться ею в технологиче­ских целях весьма несложно.

Седьмое условие. Исключает возможность загрязнения грани­цы раздела фаз нефть – вода в аппаратах, которые могут выполнять функцию водоотделителей. Только в трубопроводе расслоившийся движущийся поток может иметь идеально чистую границу раздела фаз вода–нефть, так как под слоем нефти во всех его точках движется "своя" дренажная вода, не загрязненная мехпримесями других объе­мов воды и нефти, что имеет место при обычном отстое.

Восьмое условие. Успешная деэмульсация нефти связана с интенсификацией процесса укрупнения капель в зоне их повышенных концентраций (промежуточный слой) вследствие импульсных коле­баний этой зоны, создаваемых с помощью вибрирующих устройств или подбора соответствующего режима движения эмульсии в аппара­тах, обеспечивающих это автоматически. Трубопроводы всегда рабо­тают в пульсирующем режиме и поэтому в этом отношении также являются идеальными аппаратами.

Девятое условие. Предполагает осуществление операций от­стоя воды от нефти при более высоких значениях чисел Рейнольдса (в надкритической зоне), чем это делалось прежде. Создание таких условий в трубопроводах или на отдельных их участках достигается подбором его диаметра или с помощью пучка труб, работающих па­раллельно.

Десятое условие. Предполагает возможность попутного улуч­шения качества нефти и сточных вод в одном и том же промысловом оборудовании по пути их естественного движения от скважин до пунктов внешнего транспорта и их использования для взаимной очи­стки. Это достигается при совмещении процессов деэмульсации неф­ти с ее транспортированием по трубопроводам.

Приведенные технологические принципы позволяют подойти к рассмотрению рациональных технологических схем сбора и подго­товки нефти совершенно с новых позиций и оценить в связи с этим возможность более эффективного использования различного промы­слового оборудования, необходимого на всех стадиях разработки нефтяных месторождений.