Современный этап развития нефтегазовой отрасли характеризуется существенным осложнением добычи углеводородного сырья вследствие увеличения доли трудноизвлекаемых запасов в общей структуре, требующих повышения капитальных и эксплуатационных затрат. К данной группе относят и запасы залежей с низкой разницей между пластовой температурой и температурой застывания парафина и смол [3]. В случае добычи парафинистой и высокопарафинистой нефти эта особенность приводит к осложнениям, связанным с образованием асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), на всех этапах добычи и транспортировки нефти: в продуктивном пласте, в добывающих скважинах, в выкидных линиях, в трубопроводах и в резервуарах.
Наиболее частой и серьезной является проблема образования отложений парафина, при этом их формирование представляет собой сложное явление, которое включает в себя протекание различных процессов [1]. Недостаточное понимание принципов образования парафиновых АСПО приводит к ошибочному выбору способов борьбы с ними.
Процесс образования отложений парафина
Нефть является уникальной сложной смесью, которая содержит углеводороды разных классов, высокомолекулярные неуглеводородные и минеральные соединения. Также при эксплуатации нефтяных скважин в добываемой продукции может присутствовать значительное количество механических примесей. В процессе добычи нефти неизбежно происходят изменения термобарических условий, что приводит к формированию отложений тяжелых компонентов нефти, таких как парафины, церезины, асфальтены и смолы [22, 29].
Двумя основными условиями возникновения парафиновых АСПО можно назвать:
- присутствие в добываемой продукции асфальтосмолопарафиновых веществ, способных к осаждению;
- снижение температуры потока до температуры насыщения нефти парафином, при которой появляются первые его кристаллы (образование твердых частиц приводит к помутнению жидкости, поэтому также применяется термин «температура помутнения») [11].
При этом в зависимости от принципа формирования отложений выделяют:
- осадочно-объемную теорию, согласно которой кристаллы парафина образуются в объеме потока и постепенно оседают на внутренней поверхности оборудования;
- кристаллизационно-поверхностную теорию, согласно которой кристаллизация парафина происходит непосредственно на поверхности оборудования;
- смешанный принцип возникновения парафиновых АСПО [2].
На сегодняшний день большая часть научного сообщества придерживается смешанного принципа возникновения парафиновых отложений, поскольку накопление твердых частиц парафина на поверхности нефтепромыслового оборудования обуславливается совокупностью различных физических процессов. Данные процессы принято называть механизмом образования отложений. К общепринятым механизмам, потенциально влияющим на образования парафиновых отложений на поверхности промыслового оборудования, относятся: молекулярная диффузия, сдвиговые воздействия (сдвиговая дисперсия и сдвиговое удаление), термодиффузия, гравитационное осаждение, броуновское движение.
Независимо от режима течения продукции вблизи стенки всегда существует ламинарный подслой, при этом в совокупности с низкой температурой поверхности оборудования в пристеночном слое возникает радиальный температурный градиент – температура потока снижается по направлению к стенке трубы. Таким образом, в зонах потока, где температура нефти меньше значения температуры насыщения ее парафином, происходит его кристаллизация. Соответственно, возникает радиальный градиент концентрации растворенного парафина, что приводит к его молекулярной диффузии из объема потока с более высоким содержанием растворенного парафина к стенке трубы, где растворимость парафина в нефти меньше [6].
Сдвиговая дисперсия описывает механизм образования отложений за счет уже сформировавшихся кристаллов парафина, оседающих на внутренней поверхности трубы. В зонах ламинарного течения мелкие взвешенные частицы способны подвергаться боковому перемещению за счет совокупности подъемных сил, действие которых суммарно может способствовать переносу частиц парафина к внутренней поверхности трубы. Таким образом, кристаллы парафина будут смещаться к стенке и закрепляться из-за низкой скорости потока в ламинарном пристеночном слое [7]. Сдвиговое удаление подразумевает отрыв кристаллов парафина или отслаивание части от уже образовавшихся отложений при условии, когда напряжение сдвига поверхности превышает структурную прочность отложений.
Гравитационное осаждение твердых частиц парафина, происходящее под действием силы тяжести, броуновское движение, способствующее перемещению мельчайших кристаллов парафина за счет хаотичных столкновений их с молекулами нефти, и термодиффузия, подразумевающая перемещение крупных молекул в области с пониженной температурой, а мелких в более теплые зоны, также могут способствовать образованию отложений парафина [6].
При добыче нефти на протекание физических процессов, способствующих образованию парафиновых отложений, влияют различные факторы, связанные со свойствами горной породы, составом продукции, характеристиками оборудования, а также с параметрами разработки месторождения и эксплуатации конкретных скважин [32].
На сегодняшний день большая часть научных работ указывает на то, что молекулярная диффузия вносит основной вклад в процесс образования отложений парафина. При этом многие модели не учитывают термодиффузию, эффект гравитационного осаждения, броуновское движение, поскольку их влияние считается несущественным. Однако в последнее время все больше внимания уделяется изучению всех потенциальных механизмов и вопросу пересмотра их вклада в процесс образования отложений парафина.
Методы определения температуры насыщения нефти парафином
Основными методами определения температуры насыщения нефти парафином являются: дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК), кросс-поляризованная микроскопия, реологические методы [11, 28].
Метод дифференциально-сканирующей калориметрии основан на изменении общей теплоемкости системы при фазовом переходе из жидкого состояния в твердое. Принцип экспериментальной методики основывается на измерении во времени и соотношении тепловых потоков, направляемых на исследуемый образец и эталонный, с поддержанием одинаковой температуры в процессе охлаждения. Кривая теплового потока, подаваемого на исследуемый образец, отклоняется от эталонной линии, образуя пик теплового потока из-за выделения тепла в процессе фазового перехода (рисунок 1). В процессе кристаллизации растворенного парафина постепенно снижается количество выделяемой теплоты, и, соответственно, со временем обе кривые начинают совпадать снова. Точка температуры на кривой теплового потока, в которой начинается отклонение от базовой линии, соответствует температуре помутнения [35].
Кросс-поляризованная микроскопия позволяет визуально отследить зародышеобразование и рост кристаллов парафина в пробе нефти. Данный метод основывается на фиксации изменения поляризации света, пропускаемого через исследуемую жидкость и поляризационные фильтры прибора. При отсутствии твердых частиц парафина поляризованный свет блокируется, однако в процессе охлаждения образовывающиеся кристаллы способствуют расщеплению луча света и отображаются на однотонном фоне в связи с изменением интенсивности светового потока, проходящего через анализатор прибора [17]. Преимуществом данного метода является тот факт, что это прямой метод определения наличия кристаллов парафина.
На рисунке 2 представлены результаты измерений температуры помутнения методом кросс-поляризованной микроскопии, проведенных в работе [10]. Полученные изображения позволяют визуально отследить момент появления первых кристаллов парафина и определить соответствующую температуру (в данном исследовании температура помутнения составляет 44 °C).
Образование твердых частиц парафина в нефти способствует повышению ее вязкости [8]. Соответственно, изменение реологических свойств в зависимости от температуры применяется как косвенный метод определения температуры насыщения нефти парафином, которой соответствует температура в точке начала роста интенсивности увеличения вязкости. Данный метод является одним из самых доступных и простых в применении методов определения температуры насыщения нефти парафином, при этом использование специальных реометров позволяет проводить измерения в условиях высоких давлений [35]. Результаты реологических исследований, проведенных в работе [28], представлены на рисунке 3. Полученная в процессе охлаждения пробы зависимость вязкости от температуры позволила авторам определить температуру помутнения исследуемого парафинсодержащего раствора, которая составила 30 °C.
В то время как дифференциально-сканирующая калориметрия и реологический метод требуют, чтобы парафин кристаллизовался в достаточном количестве до того, как свойства нефти изменятся настолько, чтобы можно было обнаружить фазовый переход, кросс-поляризованная микроскопия позволяет проводить прямое визуальное наблюдение на микроскопическом уровне.
Существуют также и другие методы определения температуры насыщения нефти парафином. Измерение светопропускающей способности пробы позволяет определить момент начала кристаллизации парафина за счет значительного снижения мощности проходящего света. Этот метод также позволяет проводить измерения при высоком давлении [34]. Применение ультразвукового воздействия заключается в измерении частоты испускаемой волны после прохождения через исследуемую жидкость. Образовавшиеся кристаллы парафина способствуют увеличению замеряемого показателя [16]. Метод закупорки фильтра позволяет определить температуру насыщения нефти парафином за счет появления перепада давления на фильтре, который может быть вызван перекрытием каналов фильтрации образовавшимися кристаллами. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье определяет точку помутнения путем измерения рассеяния энергии, связанного с затвердеванием парафина [21]. Для изучения прозрачной жидкости может применяться обычное визуальное наблюдение. За температуру насыщений нефти парафином принимается момент охлаждения, при котором становятся заметны первые кристаллы. Данный метод не обладает высокой точностью [28]. Метод рассеивания в ближнем ИК-диапазоне основан на измерении коэффициента поглощения инфракрасного излучения кристаллами парафина, что позволяет определять момент начала образования твердых частиц с большей точностью по сравнению с кросс-поляризованной микроскопией [24]. Также для определения момента появления твердого парафина в растворе может применяться ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Данный метод рассматривается как дополнение к популярным методам кросс-поляризованной микроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии при исследовании характера осаждения парафина [27].
Указанные методы определения температуры насыщения нефти парафином имеют преимущества и недостатки, поэтому рекомендуется использовать несколько технологий вместе в зависимости от заданных условий [11].
Авторами работы [28] были проведены исследования по определению температуры насыщения нефти парафином в поровом пространстве горной породы. Метод заключается в измерении градиента давления при фильтрации модельного раствора в условиях непрерывного снижения температуры. При достижении температуры насыщений нефти парафином, образовывающиеся зародыши кристаллов, соизмеримые с размерами пустот, начинают создавать дополнительное сопротивление потоку. Таким образом, температура помутнения соответствует точке изгиба кривой зависимости градиента давления от температуры. Результаты фильтрационных и реологических исследований в работе [28] показали, что начало кристаллизации парафина в поровом пространстве происходит на несколько градусов выше, чем в свободном объеме.
Температура помутнения нефти может быть спрогнозирована на основании математических расчетов. В работе [26] представлена модель расчета температуры насыщения нефти парафином, которая учитывает зависимости параметров растворимости отдельных компонентов в жидкой и твердой фазах от температуры, а также молярные объемы отдельных компонентов.
Методы исследования процесса образования отложений парафина
Исследованию явления отложения парафина на внутренней поверхности нефтепромыслового оборудования посвящено большое количество научных трудов, поскольку более детальное понимание данного процесса позволяет подобрать эффективный способ борьбы с данным осложнением. Опыт проведения экспериментальных исследований показал, что результаты существенно зависят от их методики [14].
Наиболее распространенным и простым методом исследования процесса образования отложений парафина является метод «Холодного стержня» [25]. Общий принцип работы существующих установок «Холодный стержень» заключается в погружении металлических трубок, которые охлаждаются внутренним потоком жидкости до требуемых условий, в емкость с пробой исследуемой нефти, к которой, в свою очередь, подводится тепло для поддержания определенной температуры. На рисунке 4 изображена принципиальная схема установки «Холодный стержень». Таким образом, данная установка позволяет создавать температурный градиент между поверхностью трубки, имитирующей поверхность нефтепромыслового оборудования, и пробой нефти.
Достоинством данного метода, помимо простоты, также является небольшой объем пробы, требуемый для исследования [12], при этом авторы работы [15] указывают на возможность возникновения эффекта истощения нефти. Главным недостатком метода «Холодный стержень» является то, что в нем не учитываются сдвиговые воздействия, которые присутствуют в промысловых условиях при течении продукции. С целью имитации течения жидкости установка может быть совмещена с ротационным реометром, или могут применяться перемешивающие элементы [25]. Однако в работе [15] отмечается, что конструкция и принцип работы установок «Холодный стержень» могут влиять на результаты исследований. Авторы указывают на эффект донного перемешивающего устройства, который заключается в том, что напряжения сдвига, действующие в верхней части стержня, при определенных условиях могут быть значительно меньше, чем в нижних частях холодного стержня. В работе [14] также отмечаются недостатки метода «Холодный стержень», которые отсутствуют при проведении исследований на циркуляционной установке.
Циркуляционная установка в литературе также обозначается как установка кольцевого или замкнутого контура потока [10, 30]. Принципиальная схема данных стендов (рисунок 5) включает в себя два замкнутых контура потока. В первом циркулирует исследуемая нефть, которая нагревается в резервуаре до требуемой температуры. Второй контур предназначен для жидкости, которая имитирует охлаждение внутренних стенок нефтепромыслового оборудования. Тестовая часть циркуляционной установки представляет собой конструкцию «труба в трубе»: по внутренней трубе течет исследуемая жидкость, а в межтрубном пространстве – охлаждающая жидкость [23]. В циркуляционной установке объем исследуемой жидкости регулярно перемешивается и циркулирует по системе, предотвращая ее переохлаждение, а режим течения максимально приближен к реальным условиям [14].
Для исследования процесса образования отложений применяются установки замкнутого контура потока различных конфигураций: с разным живым сечением потока исследуемой жидкости [23], с прямой и изогнутой тестовой секцией [20], с горизонтальной и вертикальной ориентацией [4], с возможностью непосредственно наблюдать отложения парафина в ходе выполнения эксперимента [18]. Разнообразие циркуляционных установок позволяет исследовать механизмы образования парафиновых АСПО и оценивать технические и технологические факторы интенсивности формирования отложений парафина с учетом более широкого перечня условий протекания эксперимента.
Ключевым параметром, определяемым при проведении лабораторных исследований на циркуляционной установке, является толщина образовавшихся отложений. Ее изменение позволяет оценивать интенсивность формирования АСПО при конкретных условиях.
Наиболее распространенным способом мониторинга толщины отложений является метод измерения перепада давления на тестовом участке трубы. Данный способ основан на том, что по мере накопления отложений парафина уменьшается площадь живого сечения потока, что в свою очередь приводит к увеличению потерь давления на трение [31]. Таким образом, измерение разницы давлений на входе и выходе тестовой части трубы позволяет рассчитать среднюю толщину отложения парафина исходя из равенства, представленного в работе [9]:
Применение метода перепада давления подразумевает следующие допущения: свойства исследуемой жидкости не изменяются, шероховатость поверхности считается постоянной, пространственное распределение образовавшихся отложений происходит равномерно. Основным достоинством данного метода определения толщины отложений парафина является то, что расчет параметра может осуществляться во время проведения эксперимента и не требует прекращения циркуляции исследуемой жидкости.
Толщина отложений парафина также может быть рассчитана, исходя из массы образовавшихся АСПО. После завершения эксперимента необходимо слить остатки исследуемой жидкости из тестового участка трубы и собрать с помощью скребка твердые отложения парафина. Полученное при взвешивании значение массы и измеренная средняя плотность отложений позволяют рассчитать толщину слоя твердого парафина при допущении равномерного распределения отложений на внутренней поверхности трубы [13]:
Объем образовавшихся отложений парафина может быть определен методом вытеснения жидкости, который заключается в сравнении внутреннего объема тестового участка трубы до эксперимента и после формирования АСПО. Исходя из полученной разницы объемов жидкости, используемой для определения внутреннего объема, рассчитывается средняя толщина отложений парафина на поверхности трубы [30].
По мере накопления отложений парафина теплопередача между потоками исследуемой и охлаждающей жидкости уменьшается, поскольку парафин обладает довольно низкой теплопроводностью, и, соответственно, образовавшийся слой отложений выступает в роли теплоизоляции [13]. Данный эффект потенциально может использоваться с целью мониторинга толщины отложений АСПО за счет фиксации изменения температуры исследуемой жидкости при прохождении через тестовый участок трубы и соотношения со значениями температуры охлаждающей жидкости. Однако исследования теплопроводности парафиновых отложений указывают на существенную зависимость данного показателя от состава самих АСПО. Поскольку содержание и плотность отложений парафина изменяется со временем, тепловой метод не может применяться для определения толщины АСПО с высокой точностью [32].
В работе [13] для определения толщины отложений парафина была применена лазерная установка с камерой для фиксации проекции лазерных лучей. Данный метод заключается в сравнении полученных снимков проекции лучей с калибровочными случаями для серии чистых труб с известными диаметрами и дальнейшем обработкой полученных изображений с целью определения конкретных значений толщины отложений. Главным достоинством метода лазерного измерения является то, что он позволяет учитывать пространственное распределение отложений по окружности сечения трубы.
С целью определения толщины образовавшихся АСПО также могут применяться специальные толщиномеры для невысохших пленок. Данные приборы позволяют производить прямое измерение толщины отложений парафина путем ввода устройства внутрь тестового участка трубы при отсутствии циркуляции исследуемой жидкости [20, 23].
Опыт применения различных способов определения толщины отложений парафина при лабораторных исследованиях на циркуляционных установках показывает близость значений, полученных описанными выше методами [13, 20, 23]. Однако каждый из указанных способов имеет некоторые недостатки и ограничения, поэтому рекомендуется использовать несколько методов для проверки приемлемости результатов.
Помимо «Холодного стержня» и циркуляционной установки для изучения процесса образования отложений парафина может использоваться система Куэтта-Тейлора. Общая схема установки исследования процесса образования парафиновых АСПО, работающей по принципу системы Куэтта-Тейлора, включает в себя два цилиндра. Внешний полый цилиндр представляет собой емкость, в которой располагается исследуемая жидкость, в которую, в свою очередь, погружается внутренний сплошной цилиндр установки. В сравнении с «Холодным стержнем» моделирование гидродинамической характеристики сдвига осуществляется за счет вращения одного из цилиндров, при этом тепловые параметры поверхности осаждения и исследуемой жидкости устанавливаются аналогично. Существуют установки, где внутренний цилиндр статичен и выступает в роли поверхности для формирования отложений парафина, в свою очередь внешний вращается с фиксированной скоростью, как и стенды, где АСПО осаждается на внутренней поверхности статичного наружного цилиндра. Данный принцип имитации реального течения продукции обеспечивает отсутствие некоторых недостатков, характерных для метода «Холодного стержня», которые были указаны ранее. Соответственно, при сопоставимом уровне простоты проведения исследований на установке системы Куэтта-Тейлора и на «Холодном стержне», применение первой выглядит предпочтительнее [19].
Установку «Холодный диск» [5], систему параллельных пластин [33] можно назвать модификациями «Холодного стержня» и циркуляционной установки, соответственно. В первом случае основным отличием является элемент, выступающий в роли поверхности для формирования отложений – диск или пластина. Особенностью же системы параллельных пластин является площадь сечения тестового участка, форма поверхности, где образуются отложения, и область ее охлаждения.
Выводы
1. Процесс образования отложений парафина на внутренней поверхности нефтепромыслового оборудования представляет собой сложное явление, для объяснения которого используют такие механизмы, как молекулярная диффузия, термодиффузия, сдвиговое воздействие, гравитационное осаждение и броуновское движение. На сегодняшний день в большей части научных трудов указывается, что молекулярная диффузия считается основным механизмом образования парафиновых АСПО.
2. Исследование процесса образования отложений парафина может проводиться на установках с различными принципами работы и экспериментальными методиками. Установка «Холодный стержень» является наиболее распространенным оборудованием и позволяет проводить эксперименты с точностью, сопоставимой с продолжительностью и простотой проведения исследования. Наиболее подходящей для изучения процесса формирования парафиновых АСПО считается циркуляционная установка, поскольку она обеспечивает условия потока, максимально приближенные к реальным.
3. Для определения толщины отложений парафина при проведении экспериментов на циркуляционных установках могут применяться следующие способы: метод перепада давления, использование толщиномеров и лазерных установок, метод вытеснения жидкости, массовый и тепловой методы. Способ, основанный на измерении изменения потерь давления, считается более предпочтительным, так как позволяет фиксировать толщину слоя отложений без прерывания эксперимента.
