Образование асфальтосмолопарафиновых отложений осложняет добычу нефти. Эти вещества осаждаются на металлических поверхностях оборудования и мешают его работе, а в дальнейшем могут приводить к авариям. Чтобы этого избежать, применяют технологию «холодный поток» — добываемую нефть охлаждают так, чтобы ее температура была ниже, чем температура кристаллизации отложений. Тогда компоненты твердеют в потоке и скорость образования парафина в трубах уменьшается. Однако при намеренном снижении градусов важно учитывать изменение вязкости сырья и много других параметров, что довольно сложно. Ученые ПНИПУ смоделировали процесс на лабораторной установке и оценили влияние технологии «холодный поток» на свойства нефти и появление отложений. Результаты исследований снизят количество парафинов до 50%, помогут определить оптимальные параметры для успешной нефтедобычи и продления срока службы оборудования.
Исследование опубликовано в журнале «Инженер-нефтяник» №2 за 2023 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Сейчас для борьбы с парафином в нефти существует два способа — удаление накопившихся отложений и предупреждение их образования. Если рассматривать удаление, то проблема решается механической очисткой или дозированием химии. Недостаток очистки — необходимость регулярного обслуживания и возможность закупоривания системы, а дозирование реагентов крайне дорого.
Предупреждение появления отложений считается более выгодным, потому что решает проблему на ранней стадии. К нему и относится технология «холодный поток». Но для ее эффективного применения важно учитывать факторы, влияющие на процесс: состав нефти, ее температура, скорость потока и другие. Например, если концентрация асфальтенов (твердые хрупкие вещества черного или бурого цвета) в нефти больше, чем смол, то температура насыщения уменьшается, и кристаллизация замедляется.
Ученые ПНИПУ изучили, как образуются парафиновые отложения в скважине во время «холодного потока». Науке уже известны случаи компьютерного моделирования этого процесса, но необходимо подтверждение в реальных экспериментах. Математическая модель работает только в определенных рамках и не может качественно предвидеть все возможные исходы, поэтому ученые ПНИПУ выполнили все исследования на уникальной установке – подобных в России всего несколько штук.
В этой установке нефть циркулирует при заданных значениях температур, давления и массового расхода. Сначала она попадает в сырьевую емкость, где нагревается с помощью теплоносителя — тосола. Затем за счет подачи газообразного азота достигается необходимое давление, и насос перекачивает жидкость в тестовую секцию. Она состоит из внутреннего контура, по которому движется нефть, и внешнего, где перемещается теплоноситель. Тосол, охлаждая стенки тестовой секции до заданной температуры, создает температурный переход между нефтью и внутренней поверхностью. Так образуются парафины.
При помощи измерительного прибора — манометра — отслеживается перепад давления на входе и выходе в тестовую секцию. На основе полученных данных рассчитывается толщина парафина. После выхода из тестовой секции нефть проходит фильтрацию, затем снова попадает в сырьевую емкость и процесс повторяется.
— В ходе исследования мы последовательно снижали температуры стенки, а температуру нефти на входе поддерживали постоянной — выше, чем ту, при которой начинается кристаллизация парафина. Образование отложений отслеживали по мере увеличения перепада давления. При этом точность приборов позволяет фиксировать его изменение на 2-3 Па, что дает минимальную погрешность при расчете толщины отложений, — говорит инженер научно-образовательного центра геологии и разработки нефтяных и газовых месторождений горно-нефтяного факультета ПНИПУ Антон Козлов.
В результате исследований ученые ПНИПУ получили графики образования отложений и пришли к выводу, что температура начала кристаллизации парафинов — примерно 24 градусов Цельсия, а из-за низкой скорости потока нефть дольше охлаждается в тестовой секции, поэтому наблюдается стремительное парафинообразование.
Политехники выяснили, что охлаждение нефти ниже температуры начала кристаллизации парафинов значительно снижает интенсивность образования отложений. Оценка изменения свойств нефти в зависимости от ее температуры показала, что при охлаждении с 40 до 20 градусов Цельсия вязкость нефти увеличивается в 2 раза. Этот фактор ученые советуют учитывать при проектировании применения технологии «холодный поток».
— Поскольку нефть неминуемо остывает при транспортировке в подземном трубопроводе, намеренное охлаждение потока имеет большие перспективы в борьбе с парафиновыми отложениями. Наши исследования направлены на то, чтобы показать важность корректного проведения испытаний в рамках каждой отдельно взятой нефти перед применением технологии «холодный поток», — подводит итог доцент кафедры нефтегазовых технологий ПНИПУ Павел Илюшин.
Так ученые ПНИПУ провели исследования технологии для замедления образования парафиновых отложений на нефтяном оборудовании и определили ее оптимальные параметры. Результаты работы снизят количество отложений тяжелых компонентов в системе сбора до 50%, что облегчит добычу, транспортировку и хранение нефти, а также сократить затраты на замену и обслуживание техники.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.