АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ В МЕСТОРОЖДЕНИЯХ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

ANALYSIS OF THE APPLICATION OF MAGNETIC TREATMENT IN DEPOSITS WITH HIGH ASPHALT-RESIN-PARAFFIN DEPOSITS

Assim Alfayyadh

undergraduate, Kazan (Privоlzhsky) Federal University,

Russia, Kazan

Dinar Valiev

scientific adviser, seniоr lecturer, Kazan (Privоlzhsky) Federal University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В статье представлена технология применения магнитных полей для предотвращения образования асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО). Анализированы и обобщены результаты исследований магнитно-гидродинамической обработки добываемой продукции. Изучены факторы образования АСПО.  В работе проведено практическое применение магнитного устройства. Полученные результаты производства магнитной обработки текучей среды показали возможность использование его в нефтяных скважинах, оснащенных насосные агрегатами, а также в способе получения свободного потока.

ABSTRACT

The article presents the technology of using magnetic fields to prevent the formation of asphalt-resin-paraffin deposits (ARPD). Analyzed and summarized the research results of the magneto-hydrodynamic processing of the extracted products. The factors of formation of ARPD are studied. The practical application of a magnetic device has been carried out in the work. The obtained results of the production of magnetic treatment of the fluid showed the possibility of using it in oil wells equipped with pumping units, as well as in the method of obtaining a free flow.

Ключевые слова: асфальтосмолопарафиновых отложений; магнитная обработка; газожидкостной смеси; призабойная зона пласта; проницаемость; Метод волнового воздействия.

Keywords: asphalt-resin-paraffin deposits; magnetic processing; gas-liquid mixture; bottomhole formation zone; permeability; wave action method.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что образование АСПО в хозяйственных скважинах сопровождается авариями, в основном из-за поломок насосных штанг и полированных штанг, что приводит к многократному сокращению их межремонтного времени и объемов добычи.

Для контроля АСПО используются разные методы: использование скребков, обработка скважин горячей нефтью и водой, промывка дистиллятом, органическими растворителями, водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ), электрический подогрев призабойной зоны, магнитная обработка и ингибирование продуктивного флюида, использование углеводородокисляющих бактерий и т. д. [2,5].

Однако все известные методы контроля АСПО ограничены в зависимости от условий конкретных полей. Например, для скважин, эксплуатируемых штанговыми насосами, рекомендуется биотехнологический метод, который ограничен высоким пластовым давлением и газовым фактором, высоким содержанием сероводорода в нефти и температурами выше 40-50 ° C.

Магнитная обработка имеет свои требования к пораженной среде, такие как газовый фактор (20–300 м3 / м3), наличие ферромагнитных частиц в добыче скважин, содержание асфальтенов и смол не ниже содержания парафина в масле и т.д. Электрические методы требуют довольно сложного наземного оборудования для питания [1].

Однако проблема АСПО на нефтяных месторождениях актуальна и требует дальнейшего совершенствования методов ее решения. Исследования и опыт выявили преимущества и недостатки различных способов управления АСПО в условиях конкретных месторождений.

Современный этап развития нефтяной отрасли в России характеризуется следующими особенностями: снижение объемов добычи нефти, увеличение количества бездействующих и низкодебитных скважин, рост обводненности, окалины и твердых включений и др. Актуальность задачи заключается в сокращении количества бездействующих, простаивающих и сложных скважин.

Многие месторождения России характеризуются высокой температурой нефтенасыщенности парафином, достигающей 48-50 ° C. Кроме того, типичной частью парафиновых отложений является церезин - кристаллический высокомолекулярный парафин с числом атомов углерода 36 - 56. Церезины плохо растворимы в масле, их температура плавления составляет 80 - 92 ° C. Рассмотрим состав парафина на примере Бориславского НГКМ в таблице 1.

Таблица 1.

Гомологический состав парафинов.

Содержание церезина в составе АСПО может быть преобладающим. Например, по данным в одной из добывающих скважин, 70,5% отобранной массы осадка составлял церезин.

По данным промышленных наблюдений установлено, что залежи парафина в добывающих скважинах уменьшаются при увеличении дебита скважин и незначительной обводненности нефти.

Известны две стадии формирования и роста АСПО. Первый этап - зарождение кристаллов и рост кристаллов парафина непосредственно на поверхности контакта с маслом. Второй этап - осаждение более крупных кристаллов на поверхности, покрытой парафином.

На формирование АСПО существенно влияют следующие факторы:

- снижение давления на забой и связанное с этим гидродинамическое равновесие газожидкостной смеси (ГЖС);

- интенсивное газообразование;

- падение температуры в пласте и скважине;

- изменение скорости движения ГЖС и отдельных его компонентов;

- углеводородный состав в каждой фазе смеси;

- соотношение объемов фаз;

- состояние поверхности труб.

Интенсивность образования АСПО зависит от преобладания одного или нескольких факторов, которые могут меняться с течением времени и глубины, поэтому количество и характер отложений не являются постоянными [4].

Когда забойное давление меньше давления насыщения при аэрации нефти, равновесие системы нарушается, что увеличивает объем газовой фазы, и жидкая фаза становится нестабильной. Это приводит к отделению парафина не только в пласте, но и в скважине, начиная с забоя.

В насосной технике давление насоса может быть меньше давления аэрации масла. Это может привести к отложению парафина в приемной части насоса и на стенках эксплуатационной колонны. В трубке над насосом есть две зоны. Первая зона расположена прямо над насосом: здесь резко возрастает давление и давление насыщения. Вероятность осаждения в этой зоне минимальна.

Вторая зона характеризуется понижением давления до уровня давления насыщения и ниже, где начинается интенсивное осаждение парафинов.

В проточных скважинах, если давление в забое скважины поддерживается равным давлению насыщения, в колонне насосно-компрессорных труб может ожидаться осаждение парафина.

Практика показывает, что основными объектами, в которых формируются АСПО, являются скважинные насосы, насосно-компрессорные трубы, выкидные линии от скважин, резервуары станций сбора [4].

Наиболее интенсивное отложение парафина наблюдается на внутренней поверхности НКТ. Мощность отложений постепенно увеличивается от начальной точки их образования на глубине 500 - 900 м и достигает максимума на глубине 50 - 200 м от устья скважины, а затем уменьшается до толщины 1 - 2 м. мм на устье (рис. 1).

Рисунок 1. Отложение АСПО по глубине скважины

По мере уменьшения глубины содержание асфальтосмол в АСПО также уменьшается, а количество твердых частиц и твердых парафинов увеличивается (рис. 2).

Рисунок 2. Отложение АСО и парафинов по глубине скважины

Чем ближе к устью, тем больше церезинов в составе АСПО и, как следствие, выше структурная прочность отложений.

Целью работы является обоснование применения магнитного поля для предотвращения образования АСПО в нефтегазовом оборудовании, а также рассмотрение некоторых современных взглядов на состояние проблемы АСПО в нефтепромысловом оборудовании и возможные методы ее решения с использованием магнитного поля.

Для решения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Определить сущность технологии применения магнитных полей для предотвращения образования АСПО;
2.  Проанализировать и обобщить результаты исследований магнитно-гидродинамической обработки добываемой продукции с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics;

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В последнее время интерес к использованию магнитных полей для обработки добываемой жидкости для предотвращения АСПО значительно возрос в связи с появлением на рынке широкого спектра высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных материалов. Обнаружено, что под действием магнитного поля движущаяся жидкость становится средой, вызывающей разрушение агрегатов, содержащих субмикронные ферромагнитные микрочастицы соединений железа с концентрацией 10 - 100 г / т в нефти и связанной с ней воде.

Каждая единица содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч микрочастиц, поскольку разрушение единиц вызывает резкое (в 100 - 1000 раз) увеличение концентрации парафинов, кристаллизацию и образование пузырьков газа микронных размеров на поверхности частиц ферромагнетика. В результате разрушения блока кристаллы парафина выпадают в осадок в виде мелкодисперсной, объемной, стабильной суспензии, и скорость роста отложений снижается пропорционально уменьшению среднего размера выпавших кристаллов парафина в твердой фазе [5,11,12].

Образование микрогазовых пузырьков в очагах кристаллизации после магнитной обработки создает, по мнению некоторых исследователей, газлифтный эффект, приводящий к некоторому увеличению дебита скважин. Магнитная обработка нефти, в том числе нефтегазовых смесей, добываемых в скважинах, была предназначена для предотвращения (или значительного уменьшения) образования АСПО и солей в насосно-компрессорных трубах и уменьшения поверхностной коррозии трубопроводов [9].

Одним из наиболее важных результатов магнитной обработки является появление газовых микропузырьков, образующихся на поверхности частиц железа. Исследования показали, что эти микропузырьки обладают электрическим зарядом и высокой адсорбционной активностью по отношению к органическим и минеральным отложениям.

После магнитной обработки такие пузырьки обеспечивают жидкое моющее средство со свойствами, аналогичными тем, которые возникают при добавлении стирального порошка или мыла в воду. Чтобы эффект магнитной обработки проявился в целом ряде процессов, необходимо сочетание нескольких факторов. Это объясняет плохую восстанавливаемость, характерную для магнитной обработки [8,15].

Однако методы анализа вещества и гидродинамических условий течения жидкостей позволяют создавать или выбирать технологические процессы, в которых последовательно проявляются промышленно важные эффекты. В каждом случае можно предсказать ожидаемые эффекты и доказать их с физической точки зрения.

Влияние магнитного поля на образование парафиновых отложений в лаборатории помогло решить несколько задач по подбору постоянных магнитов для той или иной скважины в том или ином поле.

Тест, который указывает на присутствие ферромагнитных частиц - первых кристаллов АСПО - в скважинной добыче путем фильтрации масел, может доказать целесообразность обработки продукта магнитным полем. Изучение реологического поведения нефти после магнитной обработки позволило сделать вывод о том, что магнитное поле по-разному влияет на их свойства (табл. 2).

Таблица 2.

Реологические параметры нефти до и после магнитной обработки на Бориславском НГКМ.

Наблюдалось снижение следующих реологических характеристик нефти - динамической вязкости η на 28%, граничного напряжения сдвига τc на 13%, энергии активации вязкого течения Eact на 56% [6].

В случае достаточного содержания асфальтосмолистых веществ и следов железа в скважинном флюиде, трудоемкий анализ воздействия статического магнитного поля на флюид позволяет точно определить топологию и напряженность магнитного поля, а также желаемая температура для эффективной работы инструмента, определяющая предыдущую глубину установки магнитного устройства.

Магнитное устройство удобно в эксплуатации, так как не требует обслуживания и подачи каких-либо видов энергии. Наиболее эффективно использовать магнитные устройства сразу после очистки скважины от существующих залежей [11-13].

На колонне НКТ установлено магнитное устройство контроля АСПО. Поток эксплуатационной жидкости, проходящий через активатор, подвергается воздействию сильных магнитных полей постоянных магнитов, что предотвращает образование отложений асфальтенов, смол, парафинов и солей на внутренней поверхности НКТ [13].

Считается, что использование магнитных устройств позволяет увеличить добычу скважин в межремонтный период в 2-5 раз, что приведет к значительной экономии и увеличению добычи нефти.

Магнитное устройство удобно в эксплуатации, так как не требует обслуживания и подачи каких-либо видов энергии. Наиболее эффективно применение магнитных устройств сразу после очистки скважины от имеющихся отложений.

Устройство намагничивания магнитной жидкости состоит из кожуха трубопровода с магнитомягким материалом и магнитной системы, прикрепленной к оси кожуха. Эта система состоит из постоянных магнитов с последовательными направлениями намагничивания, последовательно установленных вдоль корпуса трубопровода. Эти постоянные магниты круглой формы и радиальной намагниченности размещены на магнитной цепи. На внешних поверхностях постоянных магнитов закреплены полюсные наконечники, а магниты помещены между контактными площадками из немагнитного материала [1].

Наружная поверхность магнитной системы с немагнитные прокладки между магнитами и полюсными наконечниками, размещенные на постоянных магнитах в форме цилиндра и в качестве рабочего канала для обрабатываемой жидкости, представляют собой кольцевой зазор, пересекающий магнитную систему и кожух трубопровода. На рисунке 3 представлена ​​схема установки магнитного устройства в скважине.

Магнитное устройство представляет собой корпус из ферромагнитной трубы. На одном конце трубы закрепляется муфта для НКТ. На внутренней поверхности корпуса закреплены постоянные магниты.

Устройство устанавливается в колонне насосно-компрессорных труб ниже забойного насоса или в необходимой части колонны насосно-компрессорных труб. Когда горнодобывающая жидкость течет через обсадную колонну, она обрабатывается магнитным полем.

Некоторые характеристики магнитного устройства:

- диаметр устройства, мм - 73;

- срок службы, лет, не менее 30;

- исполнение - взрывозащищенное;

- рабочее давление, МПа - до 15;

- масса магнитного устройства, кг - не более 10;

- диапазон рабочих температур добываемой жидкости - 10 - 120 ° С;

- состав производственной жидкости, гарантирующий эффективность магнитного устройства - полив не менее 25%, минерализация не менее 150 г / кг [6].

Рисунок 3. Технология контроля АСПО в добывающих скважинах, оснащенных штанговым насосным агрегатом

1 - глубинный насос; 2 - магнитное устройство; 3 - колонна насосно-компрессорных труб; 4 - кожух колонны; 5 - штанга колонны (стальная); 6 - центраторы-протекторы; 7 - полированный шток; 8 - изоляционная вставка; 9 - баланс; 10 - приводной агрегат; 11 - стеклопластиковая штанга; 12 - станция катодной защиты (электроснабжение); 13 - трос (гибкий); 14 – кабель.

Использование магнитного устройства позволило вдвое увеличить средний межремонтный период скважин, осложненных образованием эмульсий и АСПО. Химическая обработка скважин прекращена.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Нефть - сложная смесь по химическому составу. В зависимости от структуры и внешней среды его компоненты могут находиться в разных агрегатных состояниях. Снижение температуры вызывает изменение физического состояния компонентов, что приводит к образованию центров кристаллизации парафинов и их росту.

Лабораторные исследования показали, что скорость образования парафинов влияет на процесс образования пузырьков газа и их поведение в потоке смеси. Известно, что пузырьки газа обладают способностью плавать во взвешенных частицах парафина. Когда пузырьки соприкасаются с поверхностью трубы, частицы парафина соприкасаются со стенкой и осаждаются на ней.

Далее, процесс отложения парафина увеличивается из-за его гидрофобности. На стенке трубы образуется слой кристаллов парафина и пузырьков газа. Чем меньше газонасыщенность слоя, тем большую плотность он имеет. Поэтому более плотные отложения образуются на дне подъемных труб, где пузырьки газа имеют небольшие размеры и обладают большей силой сцепления с кристаллами парафина и стенками труб.

Интенсивность образования АСПО во многом зависит от скорости потока жидкости. В ламинарном режиме, т.е. при малых расходах, образование АСПО происходит довольно медленно. С увеличением скорости (при переходе в турбулентный режим течения) интенсивность осаждения первоначально увеличивается. Дальнейшее увеличение расхода ГЖС приводит к снижению интенсивности АСПО, так как высокая скорость потока жидкости позволяет парафину удерживать кристаллы во взвешенном состоянии и выносить их из скважины. Кроме того, движущийся поток отрывает часть отложений от стенок трубы, что объясняет резкое уменьшение количества отложений в зоне 0-50 м от устья. На высоких скоростях поток смеси остывает медленнее, чем на низких. В свою очередь, формирование АСПО замедляется невысокими темпами [7].

На образование отложений также влияет состояние поверхности труб. Микронеровности являются источниками образования вихрей и разрушения слоя, а также действуют как замедлители скорости вблизи стенки трубы. Это является причиной образования центров кристаллизации, налипания кристаллов парафина на поверхность трубы, блокирования их движения между неровностями и впадинами на поверхности.

Процесс образования АСПО носит адсорбционный характер. Адсорбционные процессы сопровождаются появлением двойного электрического слоя на поверхности контакта парафина с газонефтяным потоком.

В случае механического нарушения равновесия слоев на поверхности трубы или слоя парафина возникают нескомпенсированные заряды статического электричества, другими словами, происходит электризация на поверхности трубы и на поверхности кристаллов парафина, что усиливает парафин. адгезия к металлу.

Предполагается, что воздействие магнитных полей - один из самых передовых физических методов. Магнитные устройства были впервые применены для предотвращения АСПО в пятидесятых годах прошлого века, но из-за своей низкой эффективности этот метод не получил широкого распространения. В частности, не было магнитов, которые могли бы долго и стабильно работать в колодце.

Период 1995–2015 гг. Ознаменовался возобновлением интереса к использованию влияния магнитного поля на АСПО в связи с появлением на рынке широкого спектра высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных элементов.

В работе [5] на Бориславском НГКМ было проведено практическое применения магнитного устройства, что позволило увеличить межремонтный период скважин в 2,2 раза и уменьшить количество термических и химических обработок соответственно в 2 и 5 раз.

Применение магнитного устройства в скважинах, осложненных АСПО, позволило увеличить их средний межремонтный период в 2 раза и прекратить химические обработки скважин. Магнитная обработка направлена ​​на увеличение межремонтного периода скважин за счет воздействия направленного магнитного поля [6,13].

Применение магнитной обработки может быть эффективным как при обтекании скважины, так и при ее эксплуатации глубинными, центробежными и диафрагменными насосами, а также на нефтепроводах для повышения их антикоррозийной стойкости.

Срок окупаемости магнитных устройств, используемых для предотвращения образования АСПО, в зависимости от периода ремонта и геологических характеристик конкретной скважины составляет от одного до трех месяцев [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая магнитная обработка создает возможность для эксплуатации месторождений на более поздних стадиях разработки, которые характеризуются высоким содержанием асфальтенов, смол и парафинов. Результаты магнитно-жидкостной обработки продукции подтвердили эффективность этой технологии, которая позволила вдвое увеличить межремонтный период.

Статья была посвящена описанию магнитной обработки добываемой жидкости как метода контроля АСПО. Магнитное устройство входит в скважину, что обеспечивает эффективность магнитной обработки всего объема жидкости, проходящей через устройство, в одинаковых условиях высокоградиентного поля при достаточной продолжительности обработки.

Магнитная обработка отличается от других методов обработки жидкости тем, что эта операция не требует подачи питания на установку, так как в ее основе лежат постоянные магниты.

Магнитное антипарафиновое устройство может работать в трубопроводах большого диаметра, обеспечивая необходимое магнитное поле и магнитную индукцию. Поэтому, на наш взгляд, его следует использовать в скважинах с высоким содержанием отложений АСПО.

Список литературы:

1. Chow, R., Sawatzky, R., Henry, D., Babchin, A., Wang, Y., Cherney, L., & Humphreys, R. (2000). Precipitation of Wax from Crude Oil Under the Influence of a Magnetic Field. Journal of Canadian Petroleum Technology, 39(06). https://doi.org/10.2118/00-06-05
2. Gavriluk, O.V., & Glazkov, O.V. (2001). The Application of Magnetic Liquide Treatment in Oil Fields of West Siberia. In 11th European Symposium on Improved Oil Recovery. European Association of Geoscientists & Engineers. https://doi.org/10.3997/2214-4609.201405977
3. Ivakhnenko, O.P. (2006) Magnetic Analysis of Petroleum Reservoir Fluids, Matrix Mineral Assemblages and Fluid-Rock Interactions. Ph.D. Institute of Petroleum Engineering.
4. Klassen, V.I. (1982). Omagnichevanie vodnykh sistem. Moskva: Khimiya.
5. M. Kharchenko, A. Manhura, S. Manhura, I. Lartseva. Analysis of magnetic treatment of production fluid with high content of asphalt-resin-paraffin deposits. Journal homepage. Volume 11 (2017), Issue 2, pp. 28-33.
6. Nalivaiko, O., Mangura, A., Mangura, S., & Nalivaiko, L. (2015). Peculiarities of Magnetic Anti-Paraffin Device (MAD) Modeling in COMSOL Multiphysics Software. Problems of Energy Saving and Nature Use, 58-67.
7. Pisareva, S.I., Kamenchuk, Y.A., Andreeva, L.N., & Unger, F.G. (2005). The Nature of Formation and Dissolution of Asphalt-Resin-Wax Deposits. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 41(6), 480-485. https://doi.org/10.1007/s10553-006-0013-3
8. Suzuki, H., Kodera, S., Matsunaga, H., & Kurobe, T. (1993). Study on Magnetic Field-Assisted Polishing (2nd Report) – Effect of Magnetic Field Distribution on Removal Distribu tion. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 59(11), 1833-1838. https://doi.org/10.1016/0141-6359(94)90185-6
9. Tung, N.P.,   Van Vuong, N.,    Long, B.Q.K.,    Vinh, N.Q., Hung, P.V., Hue, V.T., & Hoe, L.D. (2001). Studying the Mechanism of Magnetic Field Influence on Paraffin Crude Oil Viscosity and Wax Deposition Reductions. In SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition (pp. 7). Jakarta: Society of Petroleum Engineers. https://doi.org/10.2118/68749-ms
10. Wang, L.J., & Wang, W. (2014). Paraffin Depositing Mechanism and Prediction Methods of Paraffin Removal Cycle. Applied Mechanics and Materials, (675-677), 1512-1516. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.675-677.1512
11. Zhang, W.W., Wang, T.T., Li, X., & Zhang, S.C. (2013). The Effect of Magnetic Field on the Deposition of Paraffin Wax on the Oil Pipe. Advanced Materials Research, (788), 719-722.
12. Апасов Т.К., Апасов Г.Т., Саранча А.В. Применение магнитных активаторов для борьбы с отложениями АСПО, солей и коррозией // Современные проблемы науки и образования. – 2015 – № 2-2.; URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21995 (дата обращения: 15.04.2021).
13. Миннеханович Ф.Л. Разработка высокочастотного электромагнитного метода воздействия на асфальтосмолопарафиновые отложения в нефтяных скважинах: диссертация ... кандидата технических наук: 25.00.10 / Ф.Л Миннеханович; [Место защиты: Перм. нац. исслед. политехн. ун-т] Количество страниц: 163 с. ил. 61 19-5/576.
14. Патент РФ N2298642 Способ борьбы с асфальтосмолопарафиновыми отложениями в нефтепромысловом оборудовании / Н.А.Петров, В.С. Золотоевский, М.Л.Ветланд, В.С.Беляев;B заявл. 14.09.2005; опубл. Выми отложениями 10.05.2007; бюл. №13 – 8.
15. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях. — М.: ООО «НедраБизнесцентр», 2000. — 653 с.