Предупреждение отложений и эмульсеобразования в нефтегазодобывающих скважинах

К.т.н. Шайдаков В.В. (Инжиниринговая компания "Инкомп-нефть"), Малахов А.И. (ОАО "Газпром"),Емельянов А.В.(Уфимский государственный нефтяной технический университет), к.т.н. Лаптев А.Б.(Инжиниринговая компания "Инкомп-нефть"),Чернова К.В. (Уфимский государственный нефтяной технический университет

В статье рассмотрены вопросы ресурсосбережения при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Мероприятия по борьбе с осложнениями в нефтегазодобыче - отложениями солей, АСПО и эмульсеобразованием - с каждым годом становятся все более дорогостоящими ввиду роста цен на химические реагенты. Применение магнитной обработки позволяет значительно снизить расход химических реагентов, а в некоторых случаях - и полностью отказаться от химической обработки.Поздняя стадия разработки, на которой находится в настоящее время большинство нефтяных и газовых месторождений, в силу ряда известных причин способствует росту доли осложнений, связанных с эмульсеобразованием,  АСПО и  отложениями неорганических солей, имеющих место по всей технологической цепочке добычи, транспорта и подготовки нефти и газа.

Подъем скважинной жидкости, представляющей собой  водогазонефтяную эмульсию, от продуктивного пласта к устью, связан с изменением давления, температуры, скорости движения потока. Водогазонефтяная смесь - сложный конгломерат, эмульгированный турбулизацией потока в колонне НКТ, и включающий растворы тяжелых непредельных и гетероорганических соединений в нефти и сжатом газе, минеральных солей в воде, а также механических примесей. Качественная оценка процессов, происходящих в скважине, свидетельствует о главенствующей роли скорости движения потока. При малых скоростях происходит образование АСПО и солеотложений, при высоких скоростях - образование эмульсий и повышение вязкости продукции.Образование отложений на стенках НКТ. В случае, если растворы насыщены, снижение температуры и (или) давления приводит к выпадению твердой фазы АСП из нефти и кристаллов солей из воды. Процесс образования отложений имеет адсорбционный механизм: сольватированные молекулы смол и асфальтенов полярны, гидратированные ионы минеральных солей имеют электрический заряд и уже при слабом взаимодействии с энергетически неоднородной поверхностью металла НКТ и малых скоростях потока выходят из раствора и адсорбируются на стенках труб. Образованные мономолекулярные слои АСП или неорганических солей за счет перераспределения зарядов между отложениями и основной поверхностью металла вновь приобретают способность адсорбировать на себе молекулы АСП и неорганических солей. При однородности состава потока во времени, адсорбционные процессы происходят постоянно, а узкие пределы изменения давления и температуры, при которых происходит выпадение твердой фазы, приводят к лавинообразной адсорбции одного из компонентов растворов в определенном интервале скважины, что может привести к полному перекрыванию сечения НКТ (Рис.1).

Рис.1 Асфальтосмолопарафиновые отложения  в насосно-компрессорных трубах

Солеотложение в нефтедобыче происходит при любых способах эксплуатации скважин, однако наиболее негативные последствия имеют место при добыче нефти с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН) и установок электропогружных центробежных насосов (ЭЦН) (рис.2). Наличие неорганических солей на поверхности рабочих органов насосов повышает их износ, приводит к заклиниванию и разрушению вала ЭЦН и штанг ШГН.

В газодобыче солеотложение происходит в НКТ, технологическом оборудовании сбора и подготовки газа.

Рис. 2 Отложения солей на рабочем колесе ЭЦН и в НКТ

Эмульсеобразование Высокие скорости движения водогазонефтяной смеси препятствуют адсорбции на стенках труб и начинается выпадение твердой фазы непосредственно в растворе, как правило, в зонах раздела фаз "нефть - газ - вода", что, в свою очередь, приводит к образованию структурно-механического слоя эмульгаторов (асфальтенов, смол, парафинов и механических примесей) на границе глобул, а также к образованию двойного электрического слоя в присутствии ионизированных электролитов. Турбулизация потока в колонне и перемешивание в насосе приводит к образованию стойких эмульсий, увеличению ее дисперсности.Образование стойких эмульсий снижает межремонтный период работы скважин из-за обрывов штанг в ШСНУ, пробоев электрической части УЭЦН вследствие перегрузок погружного электродвигателя. Рост давления жидкости в системах сбора нефти и газа влечет за собой порывы коллекторов. Затрудняются сепарация газа и предварительный сброс воды на УПС. Однако наибольший рост энерго- и металлоемкости, связанный с необходимостью разрушения стойких эмульсий, имеет место в системах подготовки нефти.

Магнитную обработку добываемой продукции следует отнести к наиболее перспективному из физических методов борьбы с перечисленными осложнениями [7]. Использование магнитных устройств, в частности для предотвращения АСПО, началось достаточно давно, но из-за малой эффективности широкого распространения не получило. Отсутствовали магниты, долго и стабильно работающие в условиях скважины. В последнее время интерес к магнитным технологиям значительно возрос. В России более 30 организаций предлагают различные аппараты магнитной обработки жидкостей,  в том числе скважинной продукции  [1-3]. Это связано с появлением на рынке широкого ассортимента высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных металлов.

Принципы воздействия магнитного поля на водные системы заложены рядом исследователей [4,5,6] и в общих чертах заключается в следующем. Транспортировка по трубопроводам водных сред, содержащих в своем составе растворенные соли, представляет собой перенос электрических зарядов - ионов гидратированных солей. Известно, что на движущиеся в магнитном поле заряженные частицы действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно вектору движения частиц. При движении ионов по трубе происходит смещение положительных и отрицательных ионов в противоположные стороны. Известно также, что под действием магнитных полей на движущиеся жидкости происходит разрушение агрегатов, находящихся в нефтяной и водной фазах в  количестве 10-100 г/т и состоящих из субмикронных ферромагнитных микрочастиц соединений железа. В каждом агрегате содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч микрочастиц. Разрушение агрегатов приводит к резкому (в 100-1000 раз) увеличению концентрации центров кристаллизации парафинов и солей и формированию на поверхности ферромагнитных частиц пузырьков газа микронных размеров. Таким образом, в магнитном поле инициируется выпадение твердой фазы в объеме жидкости и предотвращается адсорбция частиц при малых скоростях потоков и образование структурно-механических слоев в эмульсии при более высоких скоростях.

Для повышения эффективности магнитной обработки в реальных условиях скважины, разработана методика подбора оптимальных характеристик магнитного поля (частоты, формы и амплитуды изменения напряженности магнитного поля). Создан лабораторный комплекс, позволяющий достигать максимального эффекта по решаемой проблеме на реальных средах с использованием электромагнитной лабораторной установки [7]. Программа на ПЭВМ на основании лабораторных данных дает возможность производить расчет и конструирование устройства магнитной обработки жидкости.

Инжиниринговой компанией "Инкомп-нефть" освоено производство глубинных скважинных установок магнитной обработки жидкости  типа УМЖ. Установка УМЖ-73-005 представляет собой корпус (рис. 3) из ферромагнитной трубы с присоединительными резьбами. На одном конце трубы закреплена муфта с присоединительной резьбой. На внутренней поверхности корпуса закреплены точечные постоянные магниты, залитые полимерной композицией.

Установка с помощью резьб монтируется в колонну НКТ на прием ШГН или в требуемый участок колонны НКТ. При прохождении добываемой жидкости по корпусу она обрабатывается пульсирующим или знакопеременным магнитным полем.Установки УМЖ-122 разработаны для скважин оборудованных УЭЦН.

Рис. 3. Установки магнитной обработки жидкости УМЖ-122 (а) и УМЖ-73 (б)

Основные результаты использования УМЖ. Инжиниринговая компания "Инкомп-нефть" изготовила  более 250  скважинных установок УМЖ, которые внедрены в  АНК "Башнефть", ОАО "Белкамнефть",  НК "Лукойл", НК "ЮКОС", ОАО "Газпром" и ряде других организаций.

Применение установок УМЖ-73 позволило увеличить средний межремонтный период скважин НГДУ "Арланнефть" осложненных  эмульсией  и АСПО в  среднем в 1,8 раза. Химическая обработка скважин была прекращена.На Сергеевском месторождении НГДУ "Уфанефть" использование установок УМЖ-73-005 дало возможность увеличить межочистной период скважин в 2,7 раза, а количество термических и химических обработок  уменьшить в 2 и 5 раз соответственно.

Внедрение установок УМЖ-73 в скважинах МортымьяvТетеревского и Толумского месторождения ТПП "Урайнефтегаз", осложненных АСПО, позволило увеличить их средний межремонтный период в 2 раза при прекращении химических обработок скважин.

Список литературы

1. Магнитные камеры для предотвращения осложнений в добыче нефти.- Нижневартовск: НПП "Сибнефтехим", 1991.- 10 с.2.   Рекламные проспекты фирмы ООО "НПК "Магниты и магнитные технологии"

3.  Аппарат для магнитной обработки воды типа АМО-25УХЛ4. Паспорт 2.959.005 ПС

4. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках.-М.: Энергия, 1977.- 184 с.

5. Классен В.И. Омагничивание водных систем.- М.: Химия, 1978.- 240 с.

6. Огибалов П.М., Мирзаджанзаде А.Х. Механика физических процессов.- М.: Изд-во МГУ им. Ломоносова, 1976.

7. Аппараты для магнитной обработки жидкостей / Н.В. Инюшин, Л.Е. Каштанова и др.- М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2001.- 144 с.