Россия
Россия
УДК 66.066.6 Исключен [1987]
Нефтеводяная эмульсия, подвергнутая магнитному воздействию, характеризуется гомогенностью, парамагнитной активностью и обладает меньшей вязкостью. Применение магнитного поля позволяет не только дестабилизировать структуры нефтяных ассоциатов, образованные смолисто-асфальтеновыми компонентами и кристаллическими парафинами, но и сохранить этот эффект в течение определенного времени. Необходимо выявление наиболее эффективных способов и методов разделения нефтеводяных эмульсий с применением переменных и постоянных магнитных полей. Для исследования основных параметров процесса был выполнен ряд экспериментальных исследований. Была создана оригинальная лабораторная электромагнитная деэмульсационная установка для деэмульсации нефтеводяной эмульсии при совместном воздействии теплового и электромагнитного поля. Установка позволила проводить эксперименты при различных значениях температуры этой эмульсии, содержании в ней воды и изменении характеристик электромагнитного поля. Были проведены экспериментальные исследования по гравитационной и электромагнитной деэмульсации и сопоставлены аналитические и экспериментальные данные. Эксперименты показали, что с увеличением обводненности нефтеводяной эмульсии возрастает отношение скорости деэмульсации под действием электромагнитного поля как к гравитационному отстою, так и к отстою с подогревом. Воздействие электромагнитного поля увеличивает скорость осаждения частиц воды в нефти в 2,7–4,2 раза. Наблюдается прямая корреляция – с ростом обводненности нефтеводяной эмульсии повышается отношение скорости деэмульсации под действием электромагнитного поля к гравитационному отстаиванию при прочих равных условиях. Разработана методика экспериментального исследования процесса деэмульсации нефти с применением магнитной мешалки. Воздействие постоянного магнитного поля возбуждает оболочки бронирующих глобул нефти, что приво-дит к их разрыхлению и взаимному переориентированию в них соединений железа. В проведенных экспериментах воздействие постоянного магнитного поля с использованием магнитной мешалки не менее эффективно, чем источников электромагнитного поля. В дальнейшем предполагается найти оптимальный режим деэмульсации при совместном воздействии постоянного магнитного поля с центробежными сила на глобулы воды и вызывающих ускорение деэмульсации.
нефтеводяная эмульсия, переменное магнитное поле, постоянное магнитное поле, скорость деэмульсации, магнитная мешалка, оптимальный режим деэмульсации
Введение
В процессе добычи нефти и ее движения вместе с пластовой водой формируются устойчивые нефтеводяные эмульсии (НВЭ) с разнообразным содержанием воды, возникают осложнения, связанные с образованием и разделением НВЭ при сборе и подготовке продукции скважин. Использование добытой нефти становится возможным только после удаления воды, поскольку соли, присутствующие в пластовой воде, вызывают коррозию оборудования, нейтрализуют катализаторы нефтехимических процессов и повышают зольность конечных продуктов переработки нефти [1]. Согласно общепринятому представлению стабилизирующий слой глобулы воды представляет собой гелеобразную пленку. Она состоит из адсорбированных на границе раздела фаз «нефть – вода» асфальтенов и смол, на которые осаждаются твердые парафины и механические примеси. Основная задача деэмульсации заключается в разрушении этого стабилизирующего слоя.
В последние годы в нефтяной промышленности отмечается устойчивая тенденция к ухудшению структуры запасов нефти. Это выражается в росте доли трудноизвлекаемой нефти, вовлечении в разработку месторождений с осложненными геолого-физическими условиями, высокой вязкостью нефти, а также наличием многочисленных залежей с обширными нефтегазовыми зонами и подошвенной водой [2]. Данные факторы ведут к увеличению себестоимости добычи и подготовки нефти традиционными способами, что стимулирует научный поиск альтернативных методов. К таким методам относится воздействие на нефть полей различной физической природы: нагрев микроволновым излучением, обработка инфра- и ультразвуком в роторно-пульсационных аппаратах, радиационное воздействие и др. В настоящее время одним из наиболее эффективных методов деэмульсации считается обработка магнитными полями, что делает актуальным исследование влияния электромагнитного переменного поля и постоянного магнитного поля.
Целью статьи является исследование процесса деэмульсации с применением переменного и постоянного магнитного поля. Задачи исследования включают:
1) краткий анализ существующих систем и разработок по магнитной деэмульсации;
2) экспериментальное исследование влияния электромагнитного поля на скорость разделения эмульсии, сравнительный анализ гравитационной и электромагнитной деэмульсации;
3) предварительные эксперименты по исследованию процесса деэмульсации под влиянием постоянного магнитного поля с использованием магнитной мешалки.
Краткий анализ существующих систем и разработок по магнитной деэмульсации
Несмотря на широкое внедрение магнитной обработки жидкостей, до сих пор отсутствует полноценно разработанная теория, которая позволяла бы проектировать промышленные аппараты и технологии на основе данных о свойствах жидкости [3]. В связи с этим разработка новых магнитных аппаратов основывается на лабораторных исследованиях, в ходе которых определяются и выбираются параметры электромагнитного поля, необходимые для воздействия на конкретную жидкость. Таким образом, особенности магнитных взаимодействий позволяют предполагать существование различных механизмов разрушения эмульсий под действием магнитного поля. Выявление того, что происходит в действительности, является предметом текущих исследований с использованием широкого спектра аналитических приборов [4]. Анализ литературных данных позволяет отметить, что применение магнитной обработки для процессов деэмульсации нефти дает положительный результат, существенно снижая содержание остаточной воды в нефтяной фазе и вязкость нефтяного слоя. При этом максимальная эффективность достигается при обработке переменным магнитным полем. Следовательно, согласно результатам проведенных испытаний, возможно заключить, что деэмульсацию НВЭ целесообразно проводить с использованием установок для магнитной обработки переменным магнитным полем [5]. В силу специфики нефтепромыслового оборудования наибольшее распространение получили аппараты с постоянными магнитами, которые легко монтируются и не требуют специальной подготовки обслуживающего персонала [6]. Однако присущие им недостатки, такие как низкая напряженность магнитного поля, невозможность регулирования параметров обработки в соответствии с изменяющимися физико-химическими свойствами перекачиваемой среды, а также способность накапливать ферромагнитные примеси [7] на поверхности магнитов в процессе эксплуатации, не позволили применять их для широкого круга задач [8].
После изучения современного состояния и перспектив создания установок для деэмульсации нефти были проведены аналитические и экспериментальные исследования по гравитационной и электромагнитной деэмульсации, в рамках которых сопоставлены аналитические и экспериментальные данные. Переменное магнитное поле вызывает поляризацию капелек (глобул) воды и их взаимное притяжение. Это явление в сочетании с термическим воздействием приводит к значительному ускорению коагуляции и коалесценции капель воды и их быстрому отстою [9]. Анализ литературных источников показывает, что при магнитной обработке обводненность нефтяной фазы существенно снижается. Средняя скорость расслоения увеличивается на 50 %, время максимального расслоения без магнитной обработки составляет 3 ч, а при обработке сокращается до 1,5 ч [10].
НВЭ, подвергнутая магнитному воздействию, характеризуется гомогенностью, парамагнитной активностью и обладает меньшей вязкостью [11–13]. Кроме того, применение магнитного поля позволяет не только дестабилизировать структуры нефтяных ассоциатов, образованные смолисто-асфальтеновыми компонентами и кристаллическими парафинами, но и сохранить этот эффект в течение определенного времени. Актуальной задачей является выявление наиболее эффективных способов и методов разделения НВЭ, в т. ч. с применением переменных и постоянных магнитных полей.
Исследование электромагнитной деэмульсации
Для исследования основных параметров процесса был выполнен ряд экспериментальных исследований [14]. С целью их проведения в лаборатории Института нефти и газа Астраханского государственного технического университета (АГТУ) была создана оригинальная лабораторная электромагнитная деэмульсационная установка для деэмульсации НВЭ при совместном воздействии теплового и электромагнитного полей [15].
Общий вид этой установки представлен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид лабораторной электромагнитной деэмульсационной установки
Fig. 1. General view of the laboratory electromagnetic demulsification unit
Установка позволяет проводить эксперименты при различных значениях температуры НВЭ, содержании в ней воды и изменении характеристик электромагнитного поля. Были проведены экспериментальные исследования по гравитационной и электромагнитной деэмульсации.
Для расчета скорости свободного осаждения частиц воды в нефти может быть использована известная формула Стокса для ламинарного движения [16]:
(1)
где W0 – скорость свободного осаждения глобул воды в нефти; ρв – ρм – разность плотностей воды и нефти; d – диаметр глобулы воды; μм – динамическая вязкость нефти.
Результаты экспериментов по гравитационной деэмульсации НВЭ в сосуде объемом 0,45 л, а также результаты расчетов по формуле (1), приведены на рис. 2.
Рис. 2. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по скорости свободного осаждения частиц воды в нефти
Fig. 2. Comparison of theoretical and experimental data on the rate of free settling of water particles in oil
Как видно из рис. 2, экспериментальные значения скорости свободного осаждения частиц воды в нефти практически не отличаются от расчетных значений, расхождения не превышают 2,7–7,5 %.
На рис. 3 представлены графики экспериментальных данных времени деэмульсации от обводненности эмульсии φ: гравитационное разделение НВЭ при температуре 27 °С; гравитационное разделение эмульсии при температуре 50 °С; деэмульсация в лабораторной установке под действием переменного магнитного поля.
Согласно данным, представленным на рис. 3, электромагнитный метод деэмульсации демонстрирует более высокую эффективность по сравнению с гравитационным отстаиванием при всех исследованных значениях обводненности, причем его результативность возрастает с увеличением содержания воды в НВЭ. Это обусловлено способностью электромагнитного поля интенсифицировать процесс коагуляции водных капель: чем выше обводненность, тем больше количество капель в единице объема и, соответственно, интенсивнее их взаимодействие. Проведенные эксперименты установили, что воздействие электромагнитного поля увеличивает скорость осаждения частиц воды в нефти в 2,7–4,2 раза при увеличении обводненности нефти от 10 до 50 % [15]. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности применения термомагнитных деэмульсаторов, особенно для высокообводненных нефтей.
Исследования процесса деэмульсации под влиянием постоянного магнитного поля
В условиях лаборатории кафедры «Технологические машины и оборудование» АГТУ были осуществлены также предварительные экспериментальные исследования процесса деэмульсации под влиянием постоянного магнитного поля и центробежных сил инерции, создаваемых магнитной мешалкой ММ-5, играющую роль центрифуги. В ходе этих работ был проведен сравнительный анализ аналитических данных и экспериментальных результатов [14]. Конструктивное исполнение использованной магнитной мешалки ММ-5 представлено на рис. 4.
Рис. 4. Мешалка магнитная ММ-5:
1 – передняя панель корпуса; 2 – ручка регулирования скорости вращения;
3 – верхняя часть корпуса; 4 – электроплитка; 5 – кожух;
6 – стержень перемешивающий Ø 8 × 35 мм; 7 – электродвигатель; 8 – магнит;
9 – лампа сигнальная НАГРЕВ; 10 – лампа сигнальная СЕТЬ; 11 – переключатель для включения электродвигателя;
12 – шнур питания с вилкой; 13 – переключатель для включения электроплитки
Fig. 4. Magnetic stirrer MM-5:
1 – front panel of the housing; 2 – speed control knob; 3 – upper part of the housing;
4 – hotplate; 5 – casing; 6 – stirring rod Ø 8 × 35 mm; 7 – electric motor; 8 – magnet;
9 – HEAT signal lamp; 10 – POWER signal lamp; 11 – switch for turning on the electric motor;
12 – power cord with plug; 13 – switch for turning on the electric stove
Согласно рис. 4, компоновка передней панели корпуса 1 включает следующие элементы управления и контроля: переключатель 11, отвечающий за включение электродвигателя; сигнальную лампу 10, индицирующую работу электродвигателя; переключатель 13 для активации электроплитки; сигнальную лампу 9, отображающую состояние электроплитки; а также ручку 2, предназначенную для регулировки скорости вращения вала электродвигателя с магнитом. В центральной части кожуха 5 расположена ключевая рабочая компонента – перемешивающий стержень 6, заключенный в полиэтиленовую оболочку. Данная конструктивная особенность обеспечивает защиту магнита 8 от явления саморазмагничивания.
Методика экспериментального исследования процесса деэмульсации НВЭ с применением магнитной мешалки состоит из трех основных стадий:
1) подготовка образца НВЭ;
2) проведение перемешивания на магнитной мешалке ММ-5 в контролируемых условиях;
3) последующая аналитическая обработка для количественного определения отделившейся водной фазы.
Процедура эксперимента выполняется в следующей последовательности.
1. На электронных весах с метрологической точностью 0,1 г производится взвешивание: в мерном стакане фиксируется масса нефти Mн, в другом стакане – масса воды Mв.
2. С помощью ареометра осуществляется определение плотности нефти ρн.
3. Подготовленные компоненты – нефть и вода – поступают в смесительную емкость для последующего гомогенизирования.
4. Активируется магнитная мешалка с установкой времени перемешивания 15 минут до достижения состояния однородной НВЭ. Образец помещается в химический стакан номинальным объемом 0,45 л, который устанавливается на рабочую платформу мешалки ММ-5. В процессе перемешивания обеспечивается контроль и поддержание температурного режима на уровне 27 °C, при этом параметры скорости и времени могут варьироваться в соответствии с задачами эксперимента.
5. На заключительном этапе проводится расчетное определение содержания водной фазы
в НВЭ по формуле:
(2)
где Св – содержание воды в нефти; Mн – масса нефти; Mв – масса воды; MНВЭ – масса НВЭ.
6. С помощью указателей уровня на мерном стакане определяются моменты времени τ, в которые произошло полное отделение воды, т. е. уровень нефти над отстоявшейся водой достиг значения, определяемого по формуле:
(3)
где Hн – уровень нефти над отстоявшейся водой; HНВЭ – начальный уровень НВЭ; ρНВЭ – плотность НВЭ; ρн – плотность нефти.
7. Рассчитывается эффективность деэмульсации по формуле, которая показывает, какая доля воды была удалена из НВЭ:
(4)
где Vов – объем отстоявшейся воды; Vив – объем исходной воды в НВЭ.
8. Дополнительно можно оценить качество разделения фаз визуально. Например, чистая вода должна быть прозрачной, а нефть – без видимых капель воды.
Совместное воздействие мешалки и постоянного магнитного поля усиливает процесс коагуляции капель воды, существенно ускоряет процесс деэмульсации, что в результате сокращает время обезвоживания нефти и нефтепродуктов. Результаты предварительных экспериментов по разделению НВЭ в лабораторной установке на основе электромагнитной мешалки при разных значениях обводненности приведены на рис. 3. Обобщение экспериментальных и теоретических данных показало, что метод воздействия на НВЭ с магнитной мешалкой ММ-5 постоянным магнитным полем и центробежными силами инерции не менее эффективен, чем при воздействии электромагнитного поля. Расхождение экспериментальных данных не превышает 30 %, причем при содержании воды в НВЭ около 33 % эти данные практически совпадают. В дальнейшем предполагается более детальное исследование деэмульсации при различных условиях (интенсивности магнитного поля, температуры, скорости перемешивания и др.), чтобы найти оптимальный режим деэмульсации при совместном воздействии постоянного магнитного поля, а также поля центробежных сил, воздействующих на глобулы воды и вызывающих ускоренное их оседание за счет так называемого эффекта Эйнштейна и сопоставление полученных результатов с результатами других авторов [4, 8, 13, 16, 17].
Заключение
Краткий анализ существующих систем и разработок по магнитной деэмульсации показал, что НВЭ, подвергнутая магнитному воздействию, характеризуется гомогенностью, парамагнитной активностью и обладает меньшей вязкостью. Кроме того, применение магнитного поля позволяет не только дестабилизировать структуры нефтяных ассоциатов, образованные смолисто-асфальтеновыми компонентами и кристаллическими парафинами, но и сохранить этот эффект в течение определенного времени. Актуальной задачей является выявление наиболее эффективных способов и методов разделения НВЭ, в т. ч. с применением переменных и постоянных магнитных полей.
Эксперименты наглядно продемонстрировали, что с увеличением обводненности НВЭ возрастает отношение скорости деэмульсации под действием электромагнитного поля как к гравитационному отстою, так и к отстою с подогревом. Воздействие электромагнитного поля увеличивает скорость осаждения частиц воды в нефти на величину в 2,7–4,2 раза. При увеличении обводненности нефти от 10 до 50 % повышается отношение скорости деэмульсации под действием электромагнитного поля к гравитационному отстаиванию при прочих равных условиях.
Установлено, что воздействие постоянного магнитного поля возбуждает оболочки бронирующих глобул нефти, что приводит к их разрыхлению и взаимному переориентированию в них соединений железа. В проведенных экспериментах воздействие постоянного магнитного поля с использованием магнитной мешалки не менее эффективно, чем источников электромагнитного поля. В дальнейших исследованиях предполагается найти оптимальный режим деэмульсации при совместном воздействии постоянного магнитного поля, а также поля центробежных сил, воздействующих на глобулы воды и вызывающих ускоренное их оседание.
1. Фазулзянов Р. Р., Елпидинский А. А., Гречухина А. А. Исследование деэмульгирующих и поверхностных свойств композиционных реагентов для нефтепромыслов // Вестн. Казан. гос. технолог. ун-та. 2011. № 10. С. 169–172.
2. Магадова Л. А., Силин М. А., Магадов В. Р. и др. Исследование углеводородных гелей на основе железных солей органических ортофосфорных эфиров, применяемых в технологии направленной кислотной обработки карбонатного пласта // Территория Нефтегаз. 2011. № 6. С. 34–37.
3. Ибрагимов Н. Г., Хафизов А. Р., Шайдаков В. В. и др. Осложнения в нефтедобыче. Уфа: Монография, 2003. 300 с.
4. Ермеев А. М., Елпидинский А. А. О применении магнитного поля в процессах разрушения водонефтяных эмульсий // Вестн. Казан. технолог. ун-та. 2013. Т. 16. № 2. С. 170–173.
5. Инюшин Н. В., Ишемгужин Е. И., Каштанова Л. Е. и др. Аппараты для магнитной обработки жидкостей. Уфа: Реактив, 2000. 147 с.
6. Frenkel M., Danchuk V., Multanen V., Bormashenko E. Magnetic field inspired contact angle hysteresis drives floating polyolefin rafts // Colloid and Interface Science Communications. 2018. Vol. 22. Р. 38–41.
7. Holysz L., Chibowski E., Szczes A. Influence of impurity ions and magnetic field on the properties of freshly precipitated calcium carbonate // Water research. 2003. Vol. 37. N. 14. Р. 3351–3360.
8. Голубев И. А., Голубев А. В., Лаптев А. Б. Практика применения аппаратов магнитной обработки для интенсификации процессов первичной подготовки нефти // Зап. Гор. ин-та. 2020. Т. 245. С. 554–560.
9. Жилин Г. И., Шишкин Н. Д. Исследование термомагнитной деэмульсации нефти в лабораторной экспериментальной установке // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2013. № 2 (56). С. 21–24.
10. Мурсалов Е. Г. Совершенствование метода магнитной обработки водоуглеводородных дисперсных смесей в промысловых деэмульсаторах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2007. № 6 (41). С. 49–53.
11. Мановян А. К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М.: Химия, 2001. 568 с.
12. Пивоварова Н. А. Интенсификация процессов переработки углеводородного сырья воздействием постоянного магнитного поля: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 2005. 52 с.
13. Лутошкин Г. С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды: учеб. для вузов. 3-е изд. стер. М.: Альянс, 2005. 319 с.
14. Уксусов А. С., Шишкин Н. Д. Исследование основных параметров лабораторной установки для электромагнитной деэмульсации нефти // Материалы 67-й Международ. студ. науч.-техн. конф. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2017. URL: https://astu.ru/Content/Page/5833 (дата обращения: 01.11.2025).
15. Уксусов А. С., Шишкин Н. Д. Разработка учебно-исследовательской лабораторной установки для деэмульсации нефти // Материалы 68-й Международ. студ. науч.-техн. конф. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2018. URL: https://astu.ru/Content/Page/5833 (дата обращения: 01.11.2025).
16. Гимазова Г. К., Вахитова А. К., Ермеев А. М., Елпидинский А. А. Изучение влияния магнитного поля на процесс обезвоживания нефтяных эмульсий // Вестн. Технолог. ун-та. 2015. Т. 18, № 8. С. 107–109.
17. Шайхулов А. М., Бойчук А. А., Докичев В. А. и др. Влияние магнитного поля на деэмульсацию водонефтяной эмульсии пласта А4 Киенгопского месторождения // Нефтегаз. дело. 2014. Т. 12, № 1. С. 141–148.
