Промысловая подготовка высокообводненной нефти: интеграция магнитного модуля в технологическую схему

Одной из устойчивых тенденций современной нефтедобычи является рост обводненности добываемой продукции, особенно на поздних стадиях разработки месторождений [8, 10]. Увеличение содержания пластовой воды приводит к формированию высокостабильных водонефтяных эмульсий, что существенно осложняет процессы сепарации, обезвоживания и обессоливания нефти и сопровождается ростом эксплуатационных затрат на ее подготовку [10, 7].

При повышенной обводненности возрастает роль природных стабилизаторов эмульсий – асфальтенов, смол, парафинов и механических примесей, формирующих прочные межфазные адсорбционные пленки и препятствующих коалесценции дисперсной фазы [5, 7, 11]. В этих условиях традиционные методы разрушения эмульсий – термические, химические и электрические – не всегда обеспечивают требуемую эффективность без увеличения расхода реагентов и энергетических затрат [6, 10].

В связи с этим актуальным направлением является поиск дополнительных физических методов интенсификации процессов подготовки нефти, способных эффективно интегрироваться в существующие технологические схемы без их существенной реконструкции [12]. Одним из таких решений является магнитная обработка потока с использованием постоянных магнитов, представляющая интерес благодаря своей энергонезависимости, конструктивной простоте и возможности встраивания в трубопроводные системы [1, 4].

Несмотря на значительное количество исследований, посвященных влиянию магнитного поля на дисперсные системы, полученные результаты носят противоречивый характер и существенно зависят от условий проведения эксперимента и параметров воздействия [2–4]. В частности, в литературе отсутствует единый подход к выбору режимов магнитной обработки и определению рациональных точек ее внедрения в технологические схемы подготовки нефти.

Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по выбору рациональных точек интеграции магнитных модулей в технологические схемы промысловой подготовки нефти.

Экспериментальная часть

Объектом исследования являлась стойкая водонефтяная эмульсия шифр ЯМ, характеризующаяся высокой степенью дисперсности и наличием природных стабилизаторов: асфальтенов – 1,39 % мас., смол – 7,02 % мас., парафинов – 3,76 % мас. и механических примесей, обеспечивающих ее повышенную агрегативную устойчивость.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием проточной магнитной системы на основе постоянных магнитов. Длина активной зоны магнитного воздействия составляла 0,5 м. Конструкция установки обеспечивала формирование стационарного магнитного поля в зоне протекания эмульсии.

Обработка образцов осуществлялась в динамическом режиме путем однократного пропускания эмульсии через магнитную систему при температуре (20 ± 1) °С. После магнитной обработки образцы помещались в градуированные мерные цилиндры для последующего гравитационного отстаивания в изотермических условиях.

В качестве контрольного образца использовалась исходная эмульсия, не подвергавшаяся магнитному воздействию, исследуемая при аналогичных условиях.

Оценку эффективности магнитной обработки проводили по следующим показателям: объем отделившейся воды в процессе отстаивания; поверхностное натяжение на границе раздела «нефть–вода»; кинематическая вязкость; динамическая вязкость.

Поверхностное натяжение определяли сталагмометрическим методом при температуре (24 ± 1) °С. Кинематическую вязкость измеряли с использованием капиллярного вискозиметра ВПЖ-1 при температуре (20 ± 0,5) °С.

Реологические характеристики эмульсии оценивали по зависимости динамической вязкости от скорости сдвига в диапазоне 0,01–1 с⁻¹, что позволяет учитывать особенности течения структурированных дисперсных систем.

Каждое измерение проводилось не менее трех раз. Обработка экспериментальных данных выполнялась с определением средних значений исследуемых параметров, что обеспечивает достоверность и воспроизводимость полученных результатов.

Для исключения влияния внешних факторов все эксперименты проводились при постоянных температурных условиях и одинаковом времени отстаивания.

Результаты и обсуждение

Проведенные экспериментальные исследования показали, что воздействие постоянного магнитного поля на водонефтяные эмульсии приводит к направленному изменению их структурно-механических и межфазных характеристик, определяющих устойчивость системы и эффективность ее разделения, что непосредственно влияет на процессы промысловой подготовки нефти.

В ходе лабораторных испытаний установлено, что магнитная обработка способствует интенсификации коалесценции капель дисперсной воды. После однократного прохождения эмульсии через магнитную систему объем выделившейся воды составил 40 мл, тогда как при отстаивании необработанной эмульсии в аналогичных условиях – 29 мл. При этом относительное увеличение степени разделения составило порядка 38–43 %, что свидетельствует о выраженном положительном эффекте магнитного воздействия.

Наблюдаемый эффект обусловлен укрупнением дисперсных капель и снижением агрегативной устойчивости системы вследствие частичного разрушения и разупрочнения межфазных адсорбционных пленок, сформированных природными стабилизаторами. В результате уменьшается структурно-механический барьер, препятствующий слиянию капель, что приводит к ускорению процессов коалесценции и последующего гравитационного разделения.

При этом установлено, что многократное воздействие магнитного поля может приводить к формированию промежуточного слоя, что указывает на наличие оптимального режима обработки. Данный факт не снижает общего положительного эффекта, а подчеркивает необходимость рационального подбора параметров магнитного воздействия для достижения максимальной эффективности.

Анализ физико-химических свойств эмульсии подтверждает выявленные закономерности. После магнитной обработки зафиксировано снижение поверхностного натяжения с 14,25 до 4,63 мН/м, что свидетельствует об ослаблении межфазного взаимодействия на границе «нефть–вода» и облегчении коалесценции дисперсных капель.

Одновременно наблюдается уменьшение кинематической вязкости с 71 до 44 мм²/с, а также снижение динамической вязкости во всем диапазоне скоростей сдвига. Это указывает на разрушение пространственной структуры эмульсии и повышение ее текучести, что дополнительно способствует ускорению процессов разделения.

Совокупность указанных изменений создает предпосылки для ускорения гравитационного разделения, повышения эффективности работы отстойного оборудования и снижения нагрузки на последующие стадии подготовки нефти.

Также установлено, что эффект магнитной обработки носит обратимый характер: время релаксации системы, определяемое как период восстановления исходных структурно-механических и межфазных характеристик эмульсии, составляет порядка 3–5 суток. Данный процесс обусловлен постепенной реорганизацией межфазных адсорбционных слоев, сформированных асфальтенами и смолами, а также восстановлением структурных взаимодействий в дисперсной системе.

Следует отметить, что выявленная релаксационная динамика не снижает технологической эффективности магнитной обработки, поскольку в реальных условиях промысловой подготовки нефти ключевые процессы коалесценции и гравитационного разделения реализуются в существенно более короткие временные интервалы. В связи с этим магнитное воздействие следует рассматривать как эффективный метод кратковременной дестабилизации эмульсии, обеспечивающий интенсификацию фазового разделения на стадиях первичной подготовки нефти.

Таким образом, магнитная обработка обеспечивает комплексное положительное воздействие на водонефтяную эмульсию, выражающееся в снижении ее устойчивости, интенсификации коалесценции и повышении эффективности гравитационного разделения. Это создает предпосылки для повышения производительности отстойного оборудования, сокращения времени подготовки нефти и снижения энергозатрат технологического процесса.

Влияние магнитной обработки на структуру эмульсии

Полученные в работе экспериментальные результаты, свидетельствующие об увеличении степени разделения, снижении поверхностного натяжения и вязкости, требуют физико-химического объяснения с учетом известных представлений о влиянии магнитного поля на дисперсные системы.

Анализ опубликованных данных показывает, что воздействие постоянного магнитного поля на водонефтяные эмульсии сопровождается рядом эффектов, определяющих процессы коалесценции и фазового разделения [1–4]. В частности, магнитное поле способствует ориентации дипольных молекул воды и поляризации водных капель [2, 4], что приводит к возникновению межкапельных сил притяжения и снижению агрегативной устойчивости эмульсии.

Дополнительно отмечается ослабление адсорбционных пленок на границе раздела фаз вследствие воздействия на асфальтено-смолистые компоненты [5, 11]. Это приводит к снижению прочности межфазного слоя, что согласуется с полученными в работе данными по уменьшению поверхностного натяжения.

Практическим проявлением указанных эффектов является укрупнение капель дисперсной воды после прохождения зоны магнитного воздействия. Данный результат подтверждается как экспериментальными наблюдениями, полученными в настоящей работе, так и литературными данными, в которых фиксируется тенденция к агрегации мелкодисперсных капель и ускорению их последующего осаждения.

В ряде исследований [2–3, 9] показано, что при индукции магнитного поля порядка 0,3–0,6 Тл возможно значительное ускорение процессов разделения, вплоть до практически полного выделения воды в лабораторных условиях. Вместе с тем следует отметить, что подобные результаты достигаются при строго контролируемых параметрах и не всегда воспроизводятся в промысловых условиях, что указывает на существенную роль технологических факторов.

Анализ представленных данных показывает, что наибольшая эффективность магнитной обработки достигается при сочетании высокой обводненности, повышенной температуры и наличии последующей стадии разделения. Указанные условия в полной мере соответствуют особенностям промысловой подготовки нефти, что подтверждает применимость рассматриваемого метода в реальных технологических схемах.

Технологические особенности применения магнитных модулей

С учетом установленных механизмов воздействия и выявленных закономерностей изменения свойств эмульсии, магнитная обработка может быть интерпретирована как стадия предварительной дестабилизации дисперсной системы, эффективность которой в значительной степени определяется условиями ее реализации.

С точки зрения промышленного применения магнитная установка представляет собой трубопроводную вставку, содержащую блок высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов, сформированных таким образом, чтобы обеспечить равномерное магнитное поле в зоне протекания эмульсии (рисунок 1).

Рисунок 1. Конструктивная схема магнитного модуля на постоянных магнитах

Устройство не требует внешнего электропитания, не имеет движущихся частей и характеризуется минимальным гидравлическим сопротивлением.

Указанные конструктивные особенности позволяют рассматривать магнитный модуль как элемент дооснащения действующих объектов промысловой подготовки нефти. Это особенно важно в условиях действующих производств, где модернизация должна осуществляться без остановки технологического процесса и без существенного изменения трубопроводной обвязки. При этом, как следует из анализа экспериментальных и литературных данных, ключевым фактором эффективности является не только наличие магнитного воздействия, но и выбор рационального места его реализации в технологической цепочке.

Рациональные точки интеграции в технологическую схему

С учетом выявленных закономерностей изменения структурно-механических и межфазных характеристик водонефтяных эмульсий под воздействием магнитного поля была проведена оценка рациональных мест интеграции магнитного модуля в технологическую схему промысловой подготовки нефти. Анализ типовых схем показал, что максимальный эффект достигается на участках, где поток эмульсии отличается высокой обводненностью, значительной дисперсностью водной фазы и повышенной чувствительностью к дополнительным физическим воздействиям. На рисунке 2 представлена принципиальная технологическая схема комплексной подготовки нефти с выделением потенциальных мест интеграции магнитной установки на основе постоянных магнитов.

КС – конденсатосборник, СН – сепаратор нефтегазовый (среда-нефть, газ, пластовая вода), СГ – сепаратор газовый (СГ-1, СГ-2) (среда-нефть, попутный газ), СВГ – сепаратор вертикальный газовый (среда – попутный нефтяной газ, конденсат), УСТН – установка сепарационная трубная наклонная (среда – нефть, попутный газ), РВСН№1,2,3,4 – резервуар вертикальный стальной, ПП 0.63 – путевой подогреватель нефти, ПТБ-10 – печь трубная блочная, ЦНС-60/99 – насос внутренней перекачки, ЦНС-180/128 – насос внещней перекачки, УУН – узел учета нефти, ЕП-3,6,8 – емкость подземная дренажная, БРХ - блок дозирования химреагента (депрессорная присадка/ингибитор коррозии), ФДВ – факельная установка высокого давления, ФНД – факельная установка низкого давления

1 – криогенная машина Стирглинга, 2 – конденсатор, 3 – емкость для хранения жидкого азота, 4 – линия слива жидкого азота, 5 – линия подачи жидкого азота, 6 – насос высокого давления, 7 – контактный теплообменник, 8 – слой сжиженных паров, 9 – охладитель, 10 – линия подачи насыщенных паров, 11 – дроссельный вентиль, 12 – РВС, 13 – паро-воздушная смесь, 14 – раздаточная гребенка

Схема включает узлы первичного сбора и перекачки продукции, сепарационное оборудование, резервуарный парк, блоки подготовки и распределения газа, а также линии отвода подготовленной нефти и подтоварной воды. Анализ гидродинамических условий потоков показывает, что интеграция магнитного модуля наиболее эффективна на участках, где обеспечивается высокая интенсивность перемешивания и где дисперсная водная фаза сохраняет метастабильное состояние, чувствительное к физическим воздействиям.

На схеме выделены три потенциальные точки интеграции магнитной установки (МС).

Точка 1 – на линии подачи водонефтяной эмульсии перед резервуарным парком.

Первая точка интеграции расположена после блока реагентного хозяйства (БРХ) и перед резервуарным парком (РВС). Эмульсия на этом участке уже подверглась химической обработке деэмульгатором, но процессы коалесценции еще находятся на начальной стадии. Высокая дисперсность водной фазы и наличие стабилизирующих межфазных пленок создают условия для дополнительного дестабилизирующего воздействия магнитного поля.

Размещение магнитного модуля здесь обеспечивает:

• усиление действия деэмульгатора за счет воздействия на межфазную границу «нефть–вода»;
• снижение прочности адсорбционных слоев природных стабилизаторов (асфальтенов, смол, парафинов);
• инициацию коалесценции капель до поступления в аппараты отстаивания.

В результате повышается эффективность гравитационного разделения в резервуарах за счет формирования укрупненных капель воды.

Точка 2 – на линии после насосного блока и подогревателей.

Вторая точка интеграции расположена после насосной перекачки и подогревателей, перед подачей потока на последующие стадии сепарации. Этот участок характеризуется следующими особенностями:

• после насосной перекачки возможно вторичное диспергирование воды;
• подогрев снижает вязкость нефти и межфазное натяжение, создавая благоприятные условия для коалесценции;
• эмульсия находится в термодинамически ослабленном состоянии и особенно чувствительна к физическим воздействиям.

Магнитная обработка на данном участке обеспечивает:

• компенсацию эффекта повторного эмульгирования;
• синергетический эффект «магнитное поле + температура + реагент», ускоряющий укрупнение капель воды;
• повышение эффективности последующих стадий разделения (сепарации и обезвоживания).

Таким образом, вторая точка интеграции является ключевой для интенсификации процессов деэмульсации и максимизации технологического эффекта.

Точка 3 – на линии подачи скважинной продукции после блока БРХ и перед входом в сепарационную часть технологической схемы.

Третья точка интеграции предназначена для воздействия на поток, в который уже введен деэмульгатор, но который еще не прошел основное сепарационное разделение. В этом случае магнитная обработка способствует:

• предварительной коалесценции капель дисперсной воды;
• снижению агрегативной устойчивости эмульсии;
• повышению эффективности последующей сепарации.

Эта точка является дополнительным вариантом, повышающим гибкость технологической схемы, но ее эффективность несколько ниже по сравнению с основной второй точкой.

Анализ экспериментальных и расчетных данных подтверждает, что магнитная обработка является эффективным инструментом повышения интенсивности процессов разрушения водонефтяных эмульсий. Наибольший эффект достигается в зонах, где эмульсия уже подверглась термогидродинамическому воздействию и находится в метастабильном состоянии.

Практическое применение магнитных модулей целесообразно для систем подготовки нефти с обводненностью 50 % и выше. В этих условиях внедрение магнитной установки позволяет: сократить время отстаивания; повысить степень обезвоживания; потенциально снизить расход химических деэмульгаторов; интегрировать метод в существующую инфраструктуру без капитальной реконструкции.

Синергетический эффект с традиционными методами

Одним из ключевых результатов анализа является выявление выраженного синергетического эффекта при совместном применении магнитной обработки с традиционными методами деэмульсации.

Тепловое воздействие снижает вязкость нефти, облегчает движение капель воды и ослабляет прочность межфазных пленок. Химические реагенты (деэмульгаторы) разрушают адсорбционные оболочки, способствуя коалесценции капель. Магнитная обработка, в свою очередь, действует как дополнительный физический фактор дестабилизации эмульсии, ориентируя диполи воды, поляризуя водные капли и ослабляя адсорбционные слои природных стабилизаторов.

Предварительное магнитное воздействие подготавливает систему к более эффективному воздействию тепла и реагентов, что, по данным ряда исследований [3, 9], повышает эффективность деэмульсации в среднем на 10–15 % при неизменном расходе химических средств. На практике это проявляется в:

• сокращении времени отстаивания;
• снижении остаточного содержания воды в нефти;
• уменьшении расхода деэмульгатора;
• повышении стабильности работы промыслового оборудования.

Таким образом, магнитная обработка не заменяет традиционные методы, а усиливает их действие, обеспечивая комплексный эффект интенсификации процессов подготовки нефти.

Условия эффективного применения

Эффективность магнитной обработки напрямую зависит от исходных условий потока и технологической схемы. На основании экспериментальных исследований и анализа технологических параметров выделены следующие критические условия, при которых магнитная обработка наиболее целесообразна:

• обводненность продукции более 50 %;
• температура потока выше 40–50 °C;
• наличие турбулентного режима (после насосов);
• последующая стадия гравитационного или электрического разделения;
• наличие природных стабилизаторов (АСВ-компонентов).

При отклонении от указанных условий, а именно: низкая обводненность, низкая температура, отсутствие последующего разделения, эффективность магнитной обработки существенно снижается.

Область практического применения

Наибольший эффект от внедрения магнитных модулей ожидается на объектах поздней стадии разработки месторождений, где доля воды в добываемой продукции достигает более 50 %.

К таким объектам относятся: централизованные установки подготовки нефти (УПН); установки комплексной подготовки нефти и газа (УКПНГ); кустовые площадки с блоками предварительного обезвоживания.

Особую актуальность технология имеет для регионов с высокой степенью выработанности запасов, таких как Западная Сибирь, Волго-Уральская и Тимано-Печорская провинции.

Использование магнитных модулей в этих условиях позволит повысить эффективность существующих технологических схем; сократить время отстаивания и повысить степень обезвоживания; снизить нагрузку на последующие стадии подготовки; внедрять технологию без капитальной реконструкции и значительных остановок производства, что особенно важно при ограничениях по инвестициям и эксплуатации.

Таким образом, интеграция магнитной обработки в комплекс подготовки нефти обеспечивает обоснованный, технологически реализуемый и экономически эффективный способ интенсификации процессов разрушения водонефтяных эмульсий.

Заключение

Проведенные исследования подтвердили, что воздействие постоянного магнитного поля на водонефтяные эмульсии приводит к существенным изменениям их структурно-механических и межфазных характеристик, что напрямую влияет на эффективность процессов подготовки нефти.

Установлено, что однократное прохождение эмульсии через магнитную систему увеличивает объем выделившейся воды на 38–43 % по сравнению с необработанной эмульсией. При этом наблюдается укрупнение капель дисперсной воды, снижение агрегативной устойчивости эмульсии и ослабление межфазных адсорбционных пленок. Физико-химические измерения подтвердили уменьшение поверхностного натяжения с 14,25 до 4,63 мН/м и снижение кинематической вязкости с 71 до 44 мм²/с, что свидетельствует о разрушении структурной организации эмульсии и создает предпосылки для ускоренного гравитационного разделения.

Разработан подход к выбору рациональных точек интеграции магнитных модулей в технологические схемы промысловой подготовки нефти. Установлено, что максимальный технологический эффект достигается при размещении магнитной установки на участках после насосного блока и подогревателей, где эмульсия находится в метастабильном состоянии и реализуется синергетическое воздействие гидродинамических, тепловых и химических факторов.

Показано, что эффективность магнитной обработки определяется совокупностью технологических параметров и достигает максимума при обводненности продукции свыше 50 %, температуре потока более 40–50 °C, наличии турбулентного режима и последующей стадии гравитационного или электрического разделения.

Установлено, что эффект магнитного воздействия носит обратимый характер: время релаксации эмульсионной системы составляет 3–5 суток, что обусловлено восстановлением межфазных адсорбционных слоев и структурных взаимодействий. Данное обстоятельство определяет необходимость реализации магнитной обработки непосредственно перед стадиями разделения и не снижает ее технологической эффективности в условиях промысловой подготовки нефти.

Показано, что магнитная обработка проявляет выраженный синергетический эффект при совместном применении с традиционными методами деэмульсации. Предварительное магнитное воздействие повышает эффективность действия тепловых и химических факторов, обеспечивая сокращение времени отстаивания, снижение остаточного содержания воды в нефти и уменьшение расхода деэмульгаторов.

Практическая значимость работы заключается в обосновании возможности интеграции магнитных модулей в действующие системы подготовки нефти без их капитальной реконструкции. Наибольшая эффективность внедрения достигается на объектах поздней стадии разработки месторождений с высокой обводненностью продукции. Применение магнитной обработки позволяет повысить производительность отстойного оборудования, интенсифицировать процессы разрушения эмульсий и снизить эксплуатационные затраты.

Таким образом, магнитная обработка водонефтяных эмульсий представляет собой обоснованный, технологически реализуемый и экономически целесообразный метод интенсификации процессов коалесценции и разделения фаз, обеспечивающий повышение эффективности существующих промысловых схем подготовки нефти.

Литература

1. Coey J. M. D., Cass S. Magnetic water treatment // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2000. – Vol. 209. – P. 71–74.
2. Darbandi Sofla A., Norouzi‑Apourvari S., Schaffie M. The effect of magnetic field on stability of conventional and Pickering water‑in‑crude oil emulsions stabilized with fumed silica and iron oxide nanoparticles // Journal of Molecular Liquids. – 2020. – Vol. 314. – Article 113629.
3. Eow J. S., Ghadiri M. Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil: a review of the current understanding // Chemical Engineering Journal. – 2002. – Vol. 85, No. 2–3. – P. 357–368.
4. Hołysz L., Szcześ A., Chibowski E. Effects of a static magnetic field on water and electrolyte solutions // Journal of Colloid and Interface Science. – 2007. – Vol. 316, No. 2. – P. 996–1002.
5. Kokal S. L. Crude oil emulsions: A state‑of‑the‑art review // SPE Production & Facilities. – 2005. – Vol. 20, No. 1. – P. 5–13.
6. Manning F. S., Thompson R. E. Oilfield Processing of Petroleum. Vol. 1: Natural Gas. – Tulsa: PennWell Books, 1995. – 408 p.
7. McCain W. D. The Properties of Petroleum Fluids. 2‑nd ed. – Tulsa: PennWell Books, 1990. – 548 p.
8. Schramm L. L. (ed.) Emulsions: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry. – Washington, DC: American Chemical Society, 1992. – 428 p.
9. Sheng J. J. Modern Chemical Enhanced Oil Recovery: Theory and Practice. – Oxford: Gulf Professional Publishing, 2011. – 632 p.
10. Sjöblom J. (ed.). Emulsions and Emulsion Stability. 2nd ed. – Boca Raton: CRC Press, 2005. – 684 p.
11. Speight J. G. The Chemistry and Technology of Petroleum. 5‑th ed. – Boca Raton: CRC Press, 2014. – 944 p.
12. Zolfaghari R., Fakhru’l‑Razi A., Abdullah L. C., Elnashaie S. S. E. H., Pendashteh A. Demulsification techniques of water‑in‑oil and oil‑in‑water emulsions in petroleum industry // Separation and Purification Technology. – 2016. – Vol. 170. – P. 377–407.