Ключевые слова: нефть, нефтешламы, волновые воздействия, магнитная обработка, низкочастотная акустическая обработка, ультразвуковая обработка.
Введение в эксплуатацию на территории России новых месторождений высоковязких смолистых или высокопарафинистых нефтей, которые с понижением температуры значительно ухудшают вязкостно-температурные характеристики, требует применения дополнительных мер и новых технологий, обеспечивающих их бесперебойную добычу и транспортировку [1]. Кроме того, одним из основных этапов при промысловой подготовке нефти является процесс обезвоживания, который осуществляется в результате разрушения водонефтяных эмульсий, в основном с применением термохимических методов.
В настоящий момент в нефтедобыче накоплен большой опыт по использованию технологий с применением различных видов физических полей – электрических, электромагнитных, магнитных, ультразвуковых, пульсационных, вибрационных, акустических или их различных комбинаций. Использование физических полей вызывает повышенный интерес у исследователей из-за высокой эффективности, меньшего потребления электроэнергии и лучшей стабильности рабочих характеристик [2].
В ИХН СО РАН в течение ряда лет проводятся работы по изучению влияния волновых воздействий, в том числе физических полей, на нефтесодержащие системы. Совместно с представителями производственных фирм ведутся исследования возможности использования установок, реализующих на практике обработку знакопеременным магнитным полем, низко- и высокочастотными акустическими полями, по снижению вязкости нефти и нефтешламов, температуры застывания, количества образующегося нефтяного осадка, обезвоживанию и обессоливанию сырой нефти.
Изучение влияния магнитной обработки (МО) на физико-химические свойства нефтесодержащих систем проводили с помощью магнитной системы (МС) устройства «МАУТ» (ПКФ «Экси-Кей», г. Томск) (рис. 1 и 2, табл. 1) [3]. Применение композиционных магнитотвердых материалов на основе сплавов Ne-Fe-B обеспечивает амплитуду магнитной индукции на внутренних полюсных концентраторах МС до 0,65 Тл, а на наружных – до 0,35 Тл. Это позволяет создать неоднородное магнитное поле высокой плотности за счет специальной пространственной конфигурации перпендикулярных и параллельных магнитных полей МС и омагничивать полностью весь поток проходящей жидкости.
После МО высокопарафинистых смолистых и малосмолистых нефтей с различным содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) наблюдается существенное снижение в 1,2–2,4 раза предела текучести sт (или предельного напряжения сдвига) и в два раза – пластической вязкости m. Оценка ингибирующей способности I МО предотвращать образование асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) и депрессорного эффекта снижения температуры застывания (DТз) показала, что после магнитообработки нефти ЗМ количество АСПО снижает всего на 21,5 %, а для смолистой высокопарафинистой нефти АР уже на 60 %. Максимальный депрессорный эффект обработки установлен для нефти МА (13,5 °С). Дополнительный ввод депрессорной присадки (ДП) в обработанные полем высокопарафинистые нефти привел росту I и DТз.
МО пластовых вод Столбового (ПВ1) и высокоминерализованной Игнялинского (ПВ2) месторождений проводилась в проточном режиме через один или последовательно через два прохода (табл. 2). Коррозионную активность оценивали гравиметрическим методом на стальных пластинах различных марок при 40 и 70 °С в течение 24 ч. МО пластовых вод ПВ1 и ПВ2 при 40 °С дает максимальную антикоррозионную защиту Z на образцах стали 32Г2 (до 99 %). Высокие значения Z при различных условиях эксплуатации (температура, количество циклов МО), наблюдаются после обработки воды на образцах стали 70Л. Для защиты от коррозионных процессов трубопровода из низколегированной стали марки 09Г2С в высокоминерализованной пластовой воде ПВ2 устройство МАУТ использовать не рекомендуется.
Было изучено влияние МО на структуру кристаллов солей воды ПВ1 и ПВ2 (рис. 3). В среднеминерализованной ПВ1 присутствует значительное количество близких по размеру небольших кристаллов солей, а в высокоминерализованной ПВ2 – кристаллы различных размеров от крупных до мелких кубической формы. После МО наблюдается разрушение многочисленных кристаллов и формирование одиночных небольших кристаллических структур.
Низкочастотная акустическая обработка (НАО) является одним из самых эффективных механических воздействий, ускоряющих различные процессы. Так, НАО увеличивает массо- и теплообмен, ускоряет химические реакции, снижает механическое сопротивление и вязкость обрабатываемой среды. Эти эффекты можно использовать при откачке высокозастывающих нефтей из нефтехранилищ, пуске нефтепроводов после длительных остановок, для уменьшения парафинизации трубопроводов, а также при разжижжении, удалении и переработке донных отложений в резервуарах и нефтехранилищах [3].
Была создана и применяется на практике для разжижжения и утилизации нефтешламов и снижения вязкости парафинистых высокозастывающих нефтей физико-химическая технология виброструйной магнитной активации (ВСМА). В ИХН СО РАН в течение ряда лет проводились работы по адаптации технологии ВСМА, основным компонентом которой является низкочастотное акустическое воздействие на тяжелые нефтесодержащие среды, совместно с НИ ТПУ и ЗАО «Сибнефть-Инжиниринг» (г. Томск). Было изучено влияние полимерной присадки комплексного действия (D04) и НАО на вязкостно-температурные свойства трех высокозастывающих нефтей: ВС, ВУ и АР. Содержание САВ в нефтях колеблется от 2,5 до 20 % мас. при содержании парафинов более 6 % мас. (табл. 3).
НАО нефтей проводили на лабораторной установке мощностью 30 Вт (рис. 4), аналоге промышленного вибратора струйного погружного ВЭМА-0.3, в стационарном режиме при комнатной температуре в течение 1–3 минут [4].
Колебательная система установки, состоящая из вибрирующего конфузора (активатора), упругих элементов и моторной части, погружена в жидкую среду. Необходимая для поддержания устойчивых возвратно-колебательных движений активатора энергия передается в систему электромагнитным полем с предельной напряженностью H в воздушном зазоре 2·106 А/м. Рабочая концентрация присадки D04, обладающей депрессорными, диспергирующими и ингибирующими образование АСПО свойствами составила 0,05 % мас.
Результаты обработки нефтей присадкой и акустическим полем, а также последовательной НАО и D04 показали, что после НАО наблюдается незначительные изменения температуры застывания Tз и снижение вязкости на 8–17 %. Существенный эффект достигается после ввода в нефти присадки: Тз понижается на 10 °С для нефти ВС, содержащей максимальное количество парафина, и на 22 °С для нефти АР с максимальной долей САВ. С понижением температуры среды с 20 до 5 °С депрессия вязкости Dμ для нефти ВС составила всего 20 %, при этом для нефтей ВУ и АР она не только не уменьшилась, но и существенно возросла с 1,5 до 3 раз. Максимальный депрессорный эффект получен после ввода в обработанные нефти ВС и ВУ присадки D04: наблюдается дополнительное снижение температуры застывания.
Установлено, что НАО влияет не только на вязкостно-температурные свойства нефти, но и на микроструктуру смол и асфальтенов. Так, методом микроскопии были изучены выделенные из смолистой нефти АР и 10 % эмульсии асфальтены до и после НАО (рис. 5).
Асфальтены нефти до волновой обработки имеют мелкозернистую дисперсную упорядоченную структуру, при этом в выделенных из 10 % эмульсии асфальтенах появляются крупные хлопьевидные частицы. После НАО для асфальтенов нефти и эмульсии характерна более аморфная структура с крупными сферическими агломератами.
Основным компонентом технологии ВСМА является воздействие низкочастотных акустических полей на нефтяные и нефтесодержащие системы с различной вязкостью и составом дисперсной фазы (нефтяной и водной фазы, солей и мехпримесей). ВСМА нашла применение для механизированной очистки нефтяных резервуаров и емкостей от донных отложений при их ремонте, предотвращения образования нефтешламов в находящемся в эксплуатации оборудовании (рис. 6).
Нефтешламы являются чаще всего нетекучими или пастообразными. Для создания в лабораторных условиях возможности использования НАО их смешивали с легкой нефтью в различных соотношениях. В табл. 4 представлены данные по изменению вязкости смесей нефтешламов трех различных НПЗ со сборной товарной нефтью после 10 минут НАО и с добавлением присадки ДП. После комплексной обработки нефтешламов с нефтью в соотношении 3 к 2 и ввода 0,1 %мас. ДП вязкость осадка Саратовского НПЗ дополнительно снижается в 2,7 раза, а нефтешлама Пермского НПЗ – в 7,5 раза. Эффект обработки нефтешлама Омского НПЗ с меньшим содержанием мехпримесей и наибольшей долей органической части, в том числе нефтяного парафина (порядка 41 % мас.), был получен при соотношении осадок : нефть = 2 к 3
Кроме того, были проведены исследования влияния НАО на температуру начала кипения Тнк и общего объема выхода светлых фракций Vотгона для различных типов нефти (рис. 7). НАО легких нефтей увеличивает выход легких фракций до 30 % и снижает температуру начала отгона на 18 °С. Обработка средних и тяжелых нефтей приводит к росту выхода светлых нефтепродуктов на 4–12 % и понижает температуру начала отгона на 4–10 °С.
Эффективность применения комплексного воздействия для разжижжения или снижения вязкости нефтешламов зависит как от выбора оптимальных технологических параметров процесса, так и от физико-химических характеристик нефтешламов. Низкочастотное акустическое воздействие на нефти различного состава или смеси нефти с нефтешламом приводит не только к существенному снижению вязкости, но и к увеличению объема отгона светлых фракций при атмосферной перегонке, снижению количества кубового остатка после фракционирования и температуры начала отгона.
В настоящее время довольно широко исследуется возможность применения ультразвуковой обработки (УЗО) для нужд нефтяной отрасли: обработка скважин и пластов; повышение коэффициента нефтеотдачи; очистка емкостей, резервуаров, деталей нефтяного оборудования от различного вида загрязнений и отложений; разработан ряд приборов ультразвуковой обработки, применяемых при транспортировке нефти. Ультразвуковое воздействие направлено на изменение как физических, так и химических свойств нефтей, что позволяет проводить более глубокую ее переработку, увеличивать извлечение наиболее легких фракций. Кроме того, УЗО препятствует выпадению АСПО на поверхности технологического оборудования [6].
Ультразвуковое (УЗ) воздействие на нефть осуществляли на установке ULTRASONIC TS-4M мощностью 1 кВт на резонансной частоте 21,35 кГц при комнатной температуре в течение 5–20 минут. После 15 мин УЗО парафинистой нефти с соотношением САВ/парафин = 1/4 наблюдается снижение вязкости в 1,5–2 раза, температуры застывания на 10–15 °С при увеличении периода релаксации свойств до 7–10 суток (рис. 8) [5].
Показано, что высокочастотное акустическое воздействие приводит к увеличению выхода фракций, выкипающих в пределах нк-100 °С и до 240–350 °С (табл. 5). Наблюдаемое изменение фракционного состава связано с процессами термо- и химической деструкции нефтяных компонентов, выкипающих при 140–300 °С. При этом после УЗО наиболее существенный прирост происходит с фракцией дизельного топлива, ее количество увеличилось на 13,5 % об. При этом объем тяжелого остатка также снижается на 13 %.
Таким образом, в результате проведенных работ показано, что имеется принципиальная возможность использования современных малоэнергоемких технологий, реализующих на стадии подготовки нефти и нефтепродуктов различные типы волновых воздействий. Если магнитная обработка позволяет существенно снизить количество парафиновых отложений, снизить коррозионную активность и солеобразование в пластовой воде, улучшить вязкостно-температурные свойства нефтесодержащих систем, то при акустическом воздействии (низкочастотном или ультразвуковом) появляется дополнительная возможность при минимальных энергетических затратах не только увеличить выход светлых фракций при проточной обработке нефти, но и утилизировать уже имеющиеся на предприятии нефтяные отходы с получением дополнительного объема жидких товарных нефтепродуктов.
Конкретное решение о целесообразности использования вышеизложенных технологий для нефтей с повышенным содержанием тяжелых компонентов должно приниматься по результатам технико-экономического анализа с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.
Работа выполнена в рамках Государственного задания ФГБУН Института химии нефти СО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
Литература
1. Волкова Г.И. Подготовка и транспорт проблемных нефтей (научно-практические аспекты) / Г.И. Волкова, Ю.В. Лоскутова, И.В. Прозорова, Е.М. Березина. – Томск: Издательский Дом ТГУ, 2015. – 136 с.
2. Лоскутова Ю.В. Влияние магнитного поля и химических реагентов на структурно-механические характеристики высокопарафинистой нефти / Ю.В. Лоскутова, Н.В. Юдина // Химия в интересах устойчивого развития. – 2020, № 2. – С. 186–192.
3. Лоскутова Ю.В. Физико-химическая обработка нефтяных осадков при утилизации нефтешламов / Ю.В. Лоскутова, Н.В. Юдина, И.В. Прозорова // Химия твердого топлива. – 2021, № 4. – С. 66–72.
4. Данекер В.А. Расчет и конструирование электромагнитных преобразователей для активации жидких систем: Учебно-методическое пособие. / В.А. Данекер. – Томск: ТПУ, 2018. – 102 с.
5. Лоскутова Ю.В. Воздействие физических полей на высокосмолистую нефть / Ю.В. Лоскутова, А.В. Морозова, Г.И. Волкова // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. – 2021. – Т. 14, № 2. – С. 226–233.
6. Пивоварова Н.А. Использование волновых воздействий в переработке углеводородного сырья (обзор) / Н.А. Пивоварова // Нефтехимия. – 2019. – Т. 59. – № 6, вып. 2. – С. 727-738.
