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 процентонв, помогут определить оптимальные параметры для успешной нефтедобычи и продления срока службы оборудования.
В ПНИПУ выяснили, как повысить производительность оборудования для нефтедобычи / © Getty images
Исследование опубликовано в журнале «Инженер-нефтяник». 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°С, 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°С до 20°С вязкость нефти увеличивается в два 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 процентов, что облегчит добычу, транспортировку и хранение нефти, а также сократить затраты на замену и обслуживание техники.
