ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ФЛОТАЦИИ. ФЛОТАЦИЯ ОДИНОЧНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Большинство месторождений в РФ находятся на последней стадии разработке. Средняя обводненность продукции нефтяных скважин, по данным за 2016 год, уже превышает 83 %. Приведенная статистика говорит о том, что зачастую, при эксплуатации скважин с помощью УЭЦН, на участке «забой – прием» мы имеем барботаж нефти через столб воды. В этих условиях практически всегда будет иметь место процесс флотации.

Экспериментальным изучением эффекта флотации, занимались авторы [1]. Установка представляла собой стеклянную колбу с делениями. Диаметр колбы 50 мм высота 390 мм. На высоту более 300 мм. Колба заполнялась раствором соли в воде. Раствор приготовлялся из расчета 1 столовая ложка поваренной соли на 1 л. воды. Колба закрывалась слоем герметика, через который внутрь колбы была проведена пластиковая трубка (кембрик). Использовались трубки диаметром 2 и 4 мм. Трубка заполнялась подсолнечным маслом с песком или кирпичной крошкой. После этого колба переворачивалась. Через несколько минут, когда движение воды затухало, из трубки внутрь раствора выдувались капли масла. Всплытие и флотация регистрировалась с помощью цифровой видеозаписи.

Рисунок 1. Кинограммы всплытия капли масла в воде с частицами песка

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают, что основным механизмом выноса частиц из скважины является флотация (рисунок1).

Определим максимально возможный диаметр частицы, который может удержать глобула нефти, за счет капиллярных сил. Для этого воспользуемся балансом сил, представленном в виде:

Где  – поверхностное натяжение на границе раздела фаз вода-нефть, Н/м;  – диаметр частицы, м;  и  – плотность частицы и плотность нефти соответственно, кг/м³.

Приняв значение поверхностного натяжения  Н/м, а плотность частицы и нефти 2560 кг/м³ и 840 кг/м³, получим диаметр частицы

Отсюда следует, что глобула нефти, находящаяся в покоящейся воде, может удерживать частицы диаметром порядка 1 мм.

Для определения диаметров частиц, выносимых каплями нефти, в скважинном потоке, можно воспользоваться неравенством (3), подставив в него значения силы тяжести, силы Архимеда и силы сопротивления Стокса, с поправкой на Адамара - Рыбчинского:

В приведенном выше уравнении  и  – вязкость воды и нефти соответственно, Па∙с; ,  и  – диаметр системы «глобула-частица», частицы и глобулы нефти соответственно, м;  – скорость потока в скважине, м/с; ,  и  – плотность частицы, глобулы нефти и жидкости соответственно, кг/м³; При расчете  принималось равным диаметру перфорационного отверстия, а   равным , с предположением, что частица занимала устойчивое положение внутри нефтяной глобулы.

Таким образом, решая кубическое уравнение (3.1) относительно диаметра частиц, получим таблицу (1)

Таблица 1.

Диаметры выносимых частиц из скважины

По данным таблицы 1 можно говорить о максимальных размерах частиц, которые будут выноситься потоком в результате флотации. По данным скоростей осаждения для метода Лященко и учетом пристеночного слоя определить максимально возможный диаметр частиц, выносимых из скважины можно следующим способом:

1. Рассчитать скорость потока в трубе

2. Подбирая диаметр частиц добиться выполнения равенства (3.1)

здесь  – скорость потока, м/с;  – скорость осаждения частиц м/с.

Учитывая вышеизложенное, построим график (рисунок 2) зависимости наибольших диаметров выносимых частиц от дебита добывающей скважины.

Рисунок 2. Наибольшие диаметры выносимых частиц от дебита добывающей скважины

Как видно из рисунка 2 флотационный эффект имеет огромное значение для расчета и прогнозирование максимально возможных диаметров, выносимых скважинным потоком. С увеличением расхода потока растет и скорость всплытия нефтяного пузырька, а значит и диаметр флотирующейся частицы. Для рассматриваемой скважины с дебитом 30 м³/сут, не учет флотационного эффекта ведет к ошибочному прогнозированию выносимых частиц диаметром 0,0002 м вместо 0,001 м.

Следует заметить, что пренебрежение эффектом флотации для высокообводнённых скважин является большой ошибкой, так как это может привести к абсолютно неверному подбору фильтрующих компоновок, входящих в состав УЭЦН. Точнее говоря, можно ошибиться и оборудовать УЭЦН циклонным сепаратором тонкой отчистки, однако в результате флотации в него будут попадать частицы крупных размеров и сепарационный эффект окажется не удовлетворительным.

Список литературы:

1. Сухинин С. В. Адаптация и подготовка для внедрения эффективных технологий эксплуатации ЭЦН в условиях высокого газосодержания и квч. Новосибирск 2003, 101с.