На правах рукописи

УДК 622.276.4

магнитодинамическая коагуляция механических примесей при подготовке воды для системы поддержания пластового давления

25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа-2011

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» ( «Геофизика»).

Научный руководитель: доктор технических наук

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Ведущая организация: Государственное автономное научное учреждение Институт нефтегазовых технологий и новых материалов АН РБ, г. Уфа

Защита диссертации состоится 25 марта 2011 года в 1400 часов в конференц-зале на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 520.020.01 при открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» ( «Геофизика») г. Уфа, .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Геофизика».

Автореферат разослан 24 февраля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Сейчас в России на шельфе добывается всего около 3% нефти и наша страна не является лидером в этой области. Мировые же тенденции таковы, что нефтедобыча с континента все больше перемещается на шельф и, следовательно, необходимо создание новых и совершенствование уже существующих технологий и оборудования, на основе опыта разработки месторождений, расположенных на материке. При создании данных технологий и оборудования необходимо учитывать повышенные экологические требования, климатические условия, ограничения площади для размещения оборудования.

Интенсивно разрабатывается Сахалинский шельф, на котором можно выделить Пильтун-Астохское месторождение, в разработке которого задействована платформа «Моликпак». Одной из проблем, требующей в перспективе своего решения на данной платформе, является подготовка воды для системы поддержания пластового давления. Использование морской воды требует тщательной ее подготовки, очистки от механических примесей в условиях ограниченного пространства платформы. Химическая обработка, вследствие дороговизны реагентов и недостаточной эффективности, требует своего развития и дополнения физическими методами, в частности, получающим все большее распространение методом магнитодинамического воздействия. Так, устройства магнитной обработки воды имеют комплексное воздействие: предотвращают отложения неорганических солей, повышают эффективность действия реагентов, в том числе биоцидов, а также удаляют механические примеси. И очень важно, что данные устройства должны быть компактны и просты в эксплуатации. Сложность проведения промышленных испытаний на платформе требует апробации созданных технологий и технических средств на месторождениях, расположенных на материке.

Целью диссертационной работы является обоснование параметров магнитодинамического воздействия на механические примеси в потоке жидкости и разработка технологии и технических средств очистки воды для системы ППД.

Объект исследования Технология подготовки воды для системы поддержания пластового давления.

Предмет исследования Качество воды, используемой для системы поддержания пластового давления.

Основные задачи исследования

1. Анализ эффективности системы водоподготовки на платформе «Моликпак» и перспектив ее развития по мере разработки Пильтун-Астохского месторождения.

2. Разработка технологических основ магнитодинамического воздействия на механические примеси в потоке жидкости при подготовке воды с целью очистки ее от механических примесей.

3. Совершенствование технологии подготовки воды на платформе «Моликпак» с использованием магнитодинамического воздействия.

Методы исследования Поставленные задачи решались с использованием аналитических, лабораторных и промысловых методов исследования.

Научная новизна

1. Впервые, на основе динамической модели взаимодействия частицы с поверхностью постоянного магнита в потоке жидкости, аналитически установлено влияние режима течения на процесс коагуляции, в частности, переход от ламинарного режима течения жидкости у поверхности постоянного магнита к турбулентному меняет условия закрепления частицы на поверхности постоянного магнита и начала процесса коагуляции.

2. Экспериментально установлено, что наличие в очищаемой воде нефтепродуктов способствует формированию на поверхности постоянных магнитов агломератов механических примесей в 5-10 раз больших, чем без нефтепродуктов и при прочих равных условиях.

Основные защищаемые научные положения

1. Условия закрепления частиц на поверхности постоянного магнита в зависимости от режима течения жидкости.

2. Влияние нефтепродуктов в воде на укрупнение агломератов механических примесей, образующихся на поверхности постоянных магнитов.

3. Технология одновременной очистки воды от механических примесей и нефтепродуктов при магнитодинамической коагуляции.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Достоверность результатов основана на использовании общепризнанных апробированных методик; базовых понятий и принципов теории и практики эксплуатации нефтяных месторождений
, общей физики, а также на результатах внедрения разработок на предприятиях нефтегазовой отрасли.

Практическая значимость и реализация работы

Разработаны и приняты к использованию на нефтедобывающей платформе «Моликпак» «Рекомендации по очистке вод для системы ППД» (справка от 01.01.2001 г.). Магнитные коагуляторы по патентам № 000, № 000 изготовлены Инжиниринговой компанией «Инкомп-Нефть» в соответствии с ТУ , сертификатом соответствия Госстандарта России № РОСС RU. АЯ36. В26367 и внедрены в Уфимском управлении по добыче нефти и газа Акционерной нефтяной компании «Башнефть, , -Мегионнефтегаз».

Личный вклад автора Постановка задач, анализ существующих технологий, аналитические и лабораторные исследования и обобщение их результатов.

Апробация работы

Работа обсуждалась и докладывалась на технических советах Инжиниринговой компании «Инкомп-Нефть» (22.08.2008 г., 13.03.2009 г., 28.05.2010 г., г. Уфа), Sakhalin Energy Investmen Company LTD (17.04.2009 г., г. Южно-Сахалинск), (24.10.2008 г., г. Нижневартовск), семинаре «Осложненные условия эксплуатации нефтепромыслового оборудования. Методы борьбы с коррозией» (18.05.2010 г., г. Уфа), организованном экспертным советом по добыче нефти; IV Всероссийской научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия» (Москва, 2008); III, IV и V Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (секция «Промысловые трубопроводы») (Уфа, 2007, 2008, 2009); Международной практической конференции «Механизированная добыча» (Москва, 2009).

Публикации Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, в том числе в 9 статьях и тезисах докладов. В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, опубликованы 3 статьи, получено 3 патента.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, включает 130 стр. машинописного текста, 44 рисунка, 16 таблиц, список использованных источников из 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна, основные защищаемые положения и показана практическая значимость работы.

В первой главе представлены особенности разработки и эксплуатации месторождений нефти сахалинского шельфа. В работе рассматривается подготовка воды для системы ППД на платформе «Моликпак», с которой ведется промышленная добыча нефти на Астохском участке Пильтун-Астохского месторождения. Суточная добыча нефти –м3, воды – 4 770 м3 и газа - 2.04 млн. м3 (второе полугодие 2009 г. – первое полугодие 2010 г.).

Было выделено три периода эксплуатации системы ППД: 1) закачка газа, 2) закачка морской воды, 3) закачка смешанных пластовой и морской вод. При закачке газа существенных проблем не возникало. Закачка газа компенсировала 40% отбора нефти, но не обеспечивала возможности максимальной добычи нефти. Поддержание пластового давления путем нагнетания воды позволяет увеличить извлечение нефти за счет полной компенсации отбора нефти и газа. На данном этапе для разработки залежей Астохской площади принято использование для заводнения очищенной и отфильтрованной морской воды. Продолжительное нагнетание воды, начавшееся в 2002 г., привело к росту темпа добычи попутной воды. При достижении объемов добычи пластовой воды 1590 м3/сут. (ориентировочно к началу 2011 г.), вода должна будет проходить обработку, очистку от углеводородов и далее смешиваться в деаэраторе с морской и закачиваться в пласт. При использовании для заводнения морской воды существуют следующие проблемы, связанные с ее составом: 1) высокое содержание макро - и микроорганизмов (общее число бактерий может быть до 103 мл-1); 2) высокое содержание растворенного кислорода (9,02 - 10,47 мг/л); 3) высокая скорость коррозии (1-2 мм/год).

При использовании для заводнения совместно морской и пластовой вод возможно образование нерастворимых соединений - сульфатов и карбонатов. Обращает на себя внимание несколько высокое содержание стронция в морской воде, так как сульфаты стронция имеют низкую растворимость в воде и способны к интенсивному осадкообразованию.

На добывающей платформе "Моликпак" в настоящее время водоподготовка осуществляется по следующей схеме: морская вода, добываемая из 8 скважин, пробуренных на глубину приблизительно 40 м в песчаном ядре кессона, проходит сквозь щелевые фильтры, установленные в зоне перфорации, и попадает в систему фильтров грубой очистки, установленную также в ядре кессона. Отфильтрованная вода направляется в деаэратор для уменьшения  содержания кислорода. Вода в деаэраторе обдувается газом для удаления кислорода до уровня 0,05 мг/л, а для ускорения процесса и удаления кислорода до уровня менее 0,02 мг/л в деаэратор добавляется поглотитель кислорода - бисульфит аммония. На входе в деаэратор подают органический биоцид в составе: формальдегид - 10-30 % (об.), глютаральдегид - 5-10% (об.), 2-пропанол - 1-5% (об.), моноэтиленгликоль - 30-60% (об.). Он предотвращает развитие микроорганизмов в деаэраторе и призабойной зоне нагнетательных скважин. После деаэратора обработанная морская вода направляется в два газотурбинных насосных блока. Производительность каждого насоса составляет 464 м3/ч при давлении нагнетания 24 МПа.

В начальный период нагнетания воды (первые полгода) в морскую воду добавляли, на устье нагнетательных скважин, ингибитор солеотложений, а через два года эксплуатации начали постоянно добавлять микробиоцид – 42 %-ный раствор нитрата кальция в концентрации 65 мг/л, для подавления роста сульфатвосстанавливающих бактерий по всему фронту распространения морской воды в пласте. Система очистки морской воды на платформе Моликпак предназначена для удаления кислорода и подавления роста макро - и микроорганизмов. Контроль воды осуществляется в трёх точках каждые 8 часов: содержание кислорода должно быть до 0,02 мг/л, сульфитов – 2-3 мг/л.

Но существует еще одна проблема – необходимо удаление соединений FeCO3, FeS, FeS2, (Fex Sy), FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3, образованных в результате воздействия коррозионно-агрессивной морской воды на оборудование скважин и системы ППД. Также в системе очистки отсутствует операция, предотвращающая образование отложений неорганических солей в технологическом оборудовании, которая потребуется при смешении морской и пластовой вод.

Схема подготовки морской воды для системы ППД должна включать: подавление жизнедеятельности макро - и микроорганизмов; удаление растворенного кислорода до 0,02 мг/л (требования, установленные на платформе «Моликпак»); удаление механических примесей до 3 мг/л (требования ОСТ ); подавление роста сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ являются анаэробными бактериями и при отсутствии кислорода интенсивно размножаются); предотвращение отложений неорганических солей.

Вопросами подготовки попутной воды для системы ППД занимались , , , , , и другие исследователи. В результате анализа научно-технической информации по вопросам теоретических основ изменения свойств технологических жидкостей магнитная обработка выделена как наиболее оптимальный вариант для совершенствования системы подготовки морской воды. Большой объем научно-исследовательских работ проведен в Московском энергетическом институте (МЭИ), Уфимском государственном нефтяном техническом университете, Азербайджанском государственном научно-исследовательском и проектном институте нефти, Новочеркасском политехническом институте.

Эффективность влияния магнитного поля на процесс дегазации воды подтверждают все существующие теории. Магнитная очистка позволяет улавливать ферромагнитные механические примеси или агрегатированные с ними частицы размером менее 0,5 мкм, что практически невозможно осуществить другими способами очистки. Исследования влияния магнитодинамической обработки на процесс сульфатредукции доказали в ряде случаев подавление жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий.

Во второй главе обоснованы параметры магнитодинамической коагуляции, в частности, определено влияние магнитной силы и силы гидродинамического сопротивления потока, позволяющее разработать устройство с точечными постоянными магнитами для эффективной очистки воды. В связи с этим указанная задача решалась для условии, когда ферромагнитная частица находилась на поверхности магнита – это начальный момент процесса коагуляции. При этом не учитывалось влияние соседних магнитов, намагниченных пластин.

На частицу, находящуюся на магните и в потоке жидкости (рисунок 1), действуют следующие силы: магнитная Fм, силовое воздействие со стороны потока жидкости, причиной которого является сила гидродинамического сопротивления Fс, тяжести Fт, подъемная (архимедова) Fа, адгезии Fад, поверхностного натяжения Fпн.

Рисунок 1. Силы, действующие на частицу, находящуюся на магнитной поверхности, в потоке жидкости

Условие равновесия твердого тела (частицы) на горизонтальной магнитной поверхности: Fс= Fтр, где Fтр – сила трения частицы о поверхность магнита.

Fтр =k(Fм+ Fт+ Fад+ Fпн - Fа), (1)

где k – коэффициент трения.

Очевидно, отрыв частицы от поверхности возможен, если сила гидродинамического воздействия жидкости на частицу в направлении потока превысит ее силу трения о поверхность Fтр, а для того чтобы частица закрепилась на магнитной поверхности в начальный момент, необходимо выполнения условия Fтр > Fc, причем Fтр=kFм. Здесь, как видно, не учитывается сила тяжести, так как при отсутствии магнитного поля данная сила не вносит вклад в осаждение и закрепление частицы на пластине. Закрепление частицы на магнитной поверхности может происходить лишь под действием магнитного силы Fм. Действие сил адгезии, поверхностного натяжения также не учитываются, так как мы рассматриваем момент крепления частицы на поверхность под действием магнитной силы, а указанные силы (Fад, Fпн) способствуют лучшему закреплению частицы, не учитывается подъемная сила (Fа), так как она незначительно препятствует закреплению частицы.

Для того чтобы выявить условия для удержания частицы на магнитной поверхности в потоке воды, как начала процесса коагуляции, определялись силы магнитная и гидродинамического сопротивления, действующие на частицы разной магнитной восприимчивости разного диаметра.

При определении взаимодействия ферромагнитной частицы с постоянным магнитом цилиндрической формы было предположено, что материал магнита является однородным и изотропным ферромагнетиком, и вектор намагниченности I (А/м) направлен вдоль оси цилиндра. Магнитное поле, создаваемое таким магнитом, будет аналогично полю однослойного соленоида с бесконечно тонкой обмоткой, геометрически соответствующей боковой поверхности магнита, по которой течет намагничивающий ток J (А). Условием эквивалентности магнита и соленоида является равенство их магнитных моментов.

Была введена цилиндрическая система координат (ρ, φ, z) с началом в геометрическом центре магнита. При определении внешнего магнитного поля H (А/м), создаваемого магнитом, был использован закон Био-Савара в общем виде:

(2)

где – поверхностная плотность намагничивающего тока (А/м2); r и r¢ – радиус-векторы точки наблюдения поля и элемента тока соответственно; eφ – азимутальный орт; – дельта функция Дирака (1/м); R – радиус цилиндрического магнита (м). Учитывая, что радиальная jr и аксиальная jz компоненты плотности тока равны нулю, расписываются компоненты H по осям координат из:

(3)

Далее определяли силу, действующую на шаровидную частицу радиуса r, находящуюся на поверхности магнита, вблизи центра. Напряженность магнитного поля на оси элементарного кольцевого тока dJ = idz, текущего по боковой поверхности цилиндра: (4)

где z и z’ – аксиальные координаты точки наблюдения и элемента тока соответственно. Учитывая принцип суперпозиции магнитных полей, проинтегрировали по z’ и получили осевое поле тока, текущего по всей цилиндрической поверхности магнита:

(5)

Азимутальная и радиальная составляющие поля на оси магнита равны нулю. Следует, что на частицу, лежащую на верхней поверхности магнита (z = b/2, r << b), будет действовать сила:

, (6)

где В – остаточная намагниченность, b – высота магнита, R – радиус магнита, r – радиус частицы, c - магнитная восприимчивость частицы, µ0 – магнитная постоянная.

Исходные данные для определения магнитной силы: В=1,15 Тл, диаметр магнита 10 мм, высота магнита 10 мм.

Силу гидродинамического сопротивления определяли по формуле:

Fс = cxSrжW 2/2, (7)

где S – площадь миделева сечения частицы, W – скорость потока на уровне центра тяжести миделева сечения частицы, rж – плотность жидкости, cx – коэффициент лобового сопротивления.

При определении силы Fс учитывались: 1) режим течения, 2) распределение скоростей потока между пластинами, 3) толщина ламинарного слоя (при наличии), 4) коэффициент лобового сопротивления в ламинарном и турбулентном слоях.

Определение влияния силы гидродинамического сопротивления проводилось для режимов: 1) Re кр<Re £ 10d/Dэ; 2) 10d/D э <Re £ 500d/Dэ; 3) Re >500d/Dэ.

Результаты определения влияния сил на частицы магнетита (c=6,36) и гематита (c=0,019), находящиеся в потоке жидкости на поверхности магнита радиусом 5 мм, представлены на рисунках 2-4.

На рисунках 2-4 видно, что сила трения превышает величину силы гидродинамического сопротивления для частиц с высокой магнитной восприимчивостью (магнетит, c=6,36) при любом режиме течения жидкости, т. е. частицы магнетита закрепляются на магнитной поверхности. Определение сил, влияющих на частицы с низкой магнитной восприимчивостью (гематит, c=0,019), показало, что для частиц, скрытых в ламинарном слое (до 1 мм для первого режима и 0,56 мм для второго режима), на процесс закрепления на магнитной поверхности влияют сочетание скорости потока на уровне миделева сечения частицы и коэффициент лобового сопротивления. Так, для первого режима частицы гематита диаметром 40 мкм способны удерживаться на магнитной поверхности, а для второго режима – только гематитовые частицы диаметром 560 мкм, то есть при втором режиме течения гематитовые частицы, скрытые полностью в ламинарном слое, не способны закрепиться на магнитной поверхности.

Рисунок 2. Влияние размера частиц, магнитной восприимчивости и режима течения на магнитную силу и силу гидродинамического сопротивления для условия Re кр<Re £ 10d/Dэ

Рисунок 3. Влияние размера частиц, магнитной восприимчивости и режима течения на магнитную силу и силу гидродинамического сопротивления для условия 10d/D э <Re £ 500d/Dэ

Рисунок 4. Влияние размера частиц, магнитной восприимчивости и режима течения на магнитную силу и силу гидродинамического сопротивления для условия Re >500d/Dэ

Необходимо создать условия, когда даже гематитовые частицы, то есть частицы с низкой магнитной восприимчивостью будут закрепляться на магнитной поверхности. Для этого нужно либо изменить режим течения потока, либо изменить размеры магнита. В работе рассматривается создание условий для очистки воды на платформе «Моликпак» (второй режим).

С уменьшением радиуса магнита, магнитная сила, действующая на частицу на поверхности магнита, увеличивается. Это связано с тем, что для одного и того же значения остаточной намагниченности плотность магнитной энергии вблизи поверхности будет больше у магнита меньшего объема. А магнитная сила, действующая на частицу, пропорциональна градиенту плотности магнитной энергии. Следовательно, при заданной остаточной намагниченности B, меньший по диаметру магнит будет удерживать частицу сильнее.

При определении магнитной силы для гематитовой частицы (второй режим) было выявлено, что радиус магнита должен быть менее 1 мм (для частицы диаметром 10 мкм Fc=2,96*10-11 Н, Fм=2,61*10-12 Н). С технологической точки зрения изготовить такой магнит невозможно, поэтому для удерживания слабомагнитных частиц необходимо турбулизировать поток возле пластин. Таким образом, в турбулентном потоке магнит диаметром 3 мм удерживает гематитовую частицу диаметром 9 мкм, что соответствует требованиям очистки.

На удалении от магнита характер зависимости Fм (R) существенно отличается от представленной выше Fм на поверхности магнита (рисунок 5). Так, на расстоянии от магнита, по мере увеличения его радиуса магнитная сила увеличивается, достигает максимума и затем снижается. Поэтому максимальный диметр магнита ограничивается значением магнитной силы и экономической целесообразностью. В нашем случае, в ламинарном слое, где высоко значение силы сопротивления, самую большую магнитную силу создает магнит диаметром 10 мм. Также было выявлено влияние связующего компонента (индустриальное масло И-16) на эффективность коагуляции. Экспериментально было установлено, что ферромагнитные частицы, в чистом виде и смешанные с маслом, притягиваются к магниту и срываются потоком по мере их накопления в виде укрупненных агломератов. Чистые частицы формируют под действием магнитного поля агломераты более игольчатой формы, а частицы со связующим компонентом – агломераты, близкие по форме к шару.

Рисунок 5. Зависимость магнитной силы, действующей на гематитовую частицу радиусом 5 мкм, от радиуса магнита R. z - расстояние от частицы до поверхности магнита

Как известно, коэффициент лобового сопротивления, имеющий важное значение для силы гидродинамического сопротивления, также зависит от формы обтекаемой частицы. Так, при одном и том же числе Re для шарообразной частицы наименьший коэффициент лобового сопротивления, чем для частиц другой формы. Поэтому для достижения силы гидродинамического сопротивления, необходимой для срыва с магнита шарообразного агломерата частиц, сам агломерат должен быть большего размера по сравнению с агломератом не шарообразной формы.

Стендовые испытания показали, что после выхода из коагулятора агломераты сохраняются в потоке как для чистых частиц, так и частиц со связующим компонентом. Причем агломераты из частиц со связующим компонентом гораздо крупнее. Здесь важную роль играет сила адгезии, которая, несомненно, больше у агломерата со связующим компонентом. Таким образом, связующий компонент способствует не только сохранению агломерата в потоке, но и формированию агломерата большего размера, что является важным для дальнейшей фильтрации, так как позволяет увеличить ее тонкость.

В третьей главе приведены разработанные устройства для очистки воды от механических примесей воды системы ППД. Устройство для обработки магнитным полем должно обеспечивать в зависимости от напряженности магнитного поля либо удаление, либо коагуляцию ферромагнитных частиц. В первом случае устанавливается только устройство для удаления ферромагнитных частиц, во втором – устройство для их коагуляции и сетчатый фильтр.

Было разработано устройство для удаления ферромагнитных частиц жидкости и газа (патент РФ № 000), где установлены магниты разного диаметра (рисунок 6), высота магнитов равна толщине пластин. В данном устройстве антикоррозионной фиксирующей композицией залиты и пластины, и установленные в них магниты.

Рисунок 6. Устройство для удаления ферромагнитных частиц из потока жидкости или газа: 1 – корпус; 2 – пластины; 3 – магниты; 4 – фиксирующая композиция; di – диаметр отверстий пластин и магнитов; hпл – высота пластины; hм – высота магнита.

За счет разного диаметра магнитов формируется магнитное поле с большим градиентом напряженности по направлению потока жидкости. Так, в начале пластины по направлению потока, где установлены магниты с большим диаметром, формируется магнитное поле с большей силой, способной притянуть частицы с разной магнитной восприимчивостью к поверхности магнита, а также удержать на магните частицы высокой магнитной восприимчивости, а в конце пластины, где установлены магниты меньшего диаметра, высока магнитная сила, удерживающая частицы с низкой магнитной восприимчивостью. В результате происходит притягивание и удержание на магнитной поверхности частиц разной магнитной восприимчивости, что обеспечивает эффективные коагуляцию или удаление их.

Также было разработано устройство для коагуляции ферромагнитных частиц жидкости и газа (патент РФ № 000). Пластины с закрепленными на них точечными постоянными магнитами установлены секциями, причем в первой секции точечные постоянные магниты закреплены по всей высоте пластины, а во второй и последующих секциях в нижней части пластин уровень закрепления точечных постоянных магнитов относительно оси корпуса уменьшается (рисунок 7). Так как пластины установлены секциями, то коагулированные тяжелые частицы в пространстве устройства, свободного от магнитов, падают вниз и далее выносятся потоком жидкости или газа.

Рисунок 7. Устройство для коагуляции ферромагнитных частиц жидкости и газа:1 – корпус; 2 – фланцы; 3 – пластины; 4 – точечные постоянные магниты; h1 и h2 – уровень закрепления магнитов относительно оси устройства

Были разработаны устройство и способ количественного определения механических примесей. На рисунке 8 представлена схема монтажа съемного элемента с магнитной системой на трубопровод. Способ количественной оценки ферромагнитных частиц в потоке действует следующим образом. Съемный элемент с магнитной системой сначала взвешивают, затем с помощью фланцев устанавливают параллельно трубопроводу и пропускают через него поток жидкости. Магнитная система в съемном элементе улавливает ферромагнитные частицы. По окончании времени экспозиции съемный элемент с магнитной системой снимают, освобождают от оставшейся жидкости и взвешивают. По разнице масс до и после прохождения потока жидкости или газа определяют количество ферромагнитных частиц.

Рисунок 8. Схема монтажа одного или нескольких съемных элементов с магнитной системой

Для улавливания частиц любого размера, а, следовательно, и массы, устанавливаются съемные элементы с магнитной системой на разных уровнях трубопровода. Данный способ определения количества ферромагнитных частиц в потоке жидкости или газа позволяет проводить все операции в процессе эксплуатации трубопровода.

В четвертой главе рассмотрено совершенствование существующей схемы подготовки воды для системы ППД на платформе «Моликпак».

Разработанное устройство для коагуляции ферромагнитных частиц для данной схемы было установлено и опробовано ранее для очистки и подготовки пластовой воды в системе ППД в АНК «Башнефть», а устройство для удаления ферромагнитных частиц из потока жидкости и газа было установлено и опробовано в Управлении по компримированию газа .

Устройство для коагуляции ферромагнитных примесей было установлено 16.12.2008 г. на водоводе дожимной насосной станции «Бузовьязы» «Уфанефть» АНК «Башнефть» между резервуаром с пластовой водой и системой фильтров грубой и тонкой очистки. После установки коагулятора изменилась периодичность очистки фильтров грубой и тонкой очистки и фильтра тонкой очистки перед БКНС с 7 суток до 3 суток. Анализ проб воды в период эксплуатации системы очистки с 01.02.2009 г. по 31.03.2009 г. показал, что содержание нефтепродуктов в сточной воде снижается с 30 мг/л до 19 мг/л, а содержание механических примесей с 52 мг/л до 40 мг/л (рисунок 9).

Также известно, что мехпримеси и нефтепродукты собираются на фильтре тонкой очистки перед БКНС. Для анализа был предоставлен осадок с фильтров грубой и тонкой очистки, а также с фильтра тонкой очистки перед БКНС, на котором отфильтровывается 64% всех примесей. По результатам анализа эффективность очистки воды от нефтепродуктов составляет 98% (с 30 мг/л до 2 мг/л), механических примесей – 58% (с 52 мг/л до 22 мг/л). Таким образом, промысловые данные подтверждают эффективность работы коагулятора и влияние связующего компонента (в данном случае нефтепродукты) в воде.

Рисунок 9. Эффективность очистки пластовой воды на водоводе дожимной насосной станции «Бузовьязы» «Уфанефть»

Так как в существующей схеме на платформе «Моликпак» полностью отсутствует процесс очистки воды от механических примесей, предлагается установить устройство для коагуляции ферромагнитных частиц и фильтровальную установку перед деаэратором (рисунок 10).

Рисунок 10. Предлагаемая усовершенствованная схема подготовки воды для системы ППД

На участке между водяной скважиной и деаэратором устанавливается байпасно устройство для оценки состава механических примесей в воде, затем в воду добавляется органический биоцид для предотвращения жизнедеятельности макро - и микроорганизмов. Далее вода поступает в устройство для коагуляции ферромагнитных частиц, кроме того магнитное поле оказывает ряд дополнительных воздействий: выделение кислорода в отдельную фазу, повышение эффективности действии биоцида (что позволит снизить подачу биоцида), очистка от углеводородной составляющей, так как нефть, содержащаяся в воде, является связующим компонентом коагулированных агломератов.

После обработки магнитным полем вода поступает в фильтрационную установку. Была выбрана установка фильтрационная двухмодульная УФ10-40М. Определение периода фильтрования жидкости для уменьшения содержания механических примесей с 20 мг/л до 3 мг/л показало, что один блок работает трое суток, затем поток переключается во второй блок, первый в это время проходит регенерацию. После фильтрационной установки для контроля эффективности очистки от ферромагнитных примесей вода может пропускаться через байпасное устройство для определения количества ферромагнитных частиц. Также рекомендуется отбирать в данной точке воду на анализ содержания неорганических солей и растворенного кислорода, так как необходимо подтверждение существующей теории выделения кислорода в отдельную фазу. Уменьшение содержания растворенного кислорода в воде позволит уменьшить подачу поглотителя кислорода. Далее вода поступает в деаэратор, а затем также возможен контроль содержания примесей через байпасно установленное устройство для определения количества ферромагнитных частиц.

В случае, когда пластовая вода будет также направляться в деаэратор, необходимо смешивать потоки морской и пластовой вод до внесенных в схему устройств. Таким образом, смешанный поток пройдет весь цикл обработки и магнитное воздействие снизит вероятность осаждения неорганических солей, образование которых на стенках трубопровода и оборудования возможно при смешении вод. В связи с тем, что пластовая вода после очистки содержит углеводороды, то при коагуляции данная углеводородная составляющая будет являться связующим компонентом, необходимым для эффективной коагуляции и, следовательно, очистки.

Основные выводы

1. На основании анализа технологии подготовки воды для системы поддержания пластового давления на Пильтун-Астохском месторождении выявлено, что с изменением условий добычи нефти, связанных с ростом потребляемой воды, а также смешением вод морской и пластовой, необходимо совершенствовать технологию водоподготовки, предусматривая кроме снижения содержания растворенного кислорода, также удаление механических примесей, предотвращение отложения неорганических солей, подавление роста макро - и микроорганизмов, очистку от нефтепродуктов, содержащихся в пластовой воде.

2. На основе анализа патентной и научно-технической литературы выявлено, что для решения вышеуказанных проблем возможно использование магнитодинамического воздействия на поток воды. Аналитически обосновано и экспериментально подтверждено влияние на магнитодинамическую коагуляцию ферромагнитных частиц в потоке жидкости режима ее течения, наличия связующего компонента в жидкости, размеров постоянных магнитов.

3. Аналитически показано, что управлять процессом коагуляции ферромагнитных частиц, в том числе частиц с низкой магнитной восприимчивостью, можно изменяя режим течения жидкости. Экспериментально подтверждено, что ферромагнитные частицы, объединенные в укрупненные агломераты, после их срыва с постоянных магнитов, сохраняются в потоке жидкости, причем связующий компонент позволяет создавать агломераты больших размеров. В промысловых условиях подтверждено, что при использовании магнитодинамического воздействия происходит одновременно очистка воды от механических примесей и нефти, как связующего компонента.

4. На основе постоянных магнитов из сплава неодим-железо-бор (Nd2Fe14 B) разработаны конструкции магнитных коагуляторов, включающие трубный корпус, внутри которого на параллельных оси пластинах располагаются постоянные магниты, вектор магнитной индукции которых перпендикулярен потоку жидкости (патенты № 000, 71976). Для оценки количественного и качественного состава ферромагнитных примесей в потоке жидкости, эффективности работы устройств очистки воды от механических примесей разработан способ, включающий определение количества ферромагнитных примесей, собранных на поверхности постоянных магнитов, размещенных в байпасно установленном относительно анализируемого трубопровода съемном элементе с магнитной системой (патент № 000).

5. Обосновано и предложено использование усовершенствованной схемы подготовки воды на нефтедобывающей платформе «Моликпак», включающей установку магнитодинамической обработки воды с целью повышения качества очистки ее от механических примесей и получения дополнительного эффекта от магнитного воздействия на процессы дегазации, рост микроорганизмов, процессы отложения неорганических солей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах, в том числе:

в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Шайдаков механических примесей в потоке жидкости / , , // Нефтепромысловое дело. -2009. -№ 9. – С.53-55.

2. Шайдаков коагуляция механических примесей в потоке жидкости / , , // Нефтегазовое дело. -2009. -№ 2. –С.134-138.

3. Мусаев при использовании морской воды при шельфовой добыче нефти / , , // Башкирский химический журнал, Т.№ 3. – С.70-71.

4. Пат.69859 Россия, МПК С 02 F 1/48 Устройство для коагуляции ферромагнитных частиц жидкости и газа / , , ; компания «Инкомп-нефть». - № /22; заявлено 03.10. 07; опубл.10.01. 08, Бюл. № 1.

5. Пат.71976 Россия, МПК С 02 F 1/48. Устройство для удаления ферромагнитных частиц из потока жидкости или газа / , , ; компания «Инкомп-нефть». - № /22; заявлено 12.12. 07; опубл.27.03. 08, Бюл. № 9.

6. Пат.2349900 Россия, МПК G 01 N 15/16. Способ определения количества ферромагнитных частиц в потоке жидкости или газа / , , ; компания «Инкомп-нефть». - №/28; заявлено 27.09. 07; опубл.20.03. 09, Бюл.№ 8.

в других изданиях:

7. Мусаев магнитным полем транспортируемой жидкости / , , // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. -2008. -№ 3.– С. 8-9.

8. Мусаев перекачки воды при добыче нефти на шельфе Сахалина / , , // Трубопроводный транспорт - 2007: тез. докл. Международной учебно-научно-практической конф. – Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2007. – С.57.

9. Шайдаков за содержанием ферромагнитных частиц в транспортируемом потоке / , , // Трубопроводный транспорт - 2007: тез. докл. Международной учебно-научно-практической конф. –Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2007. – С.88.

10. Шайдаков реагентов при подготовке морской воды для системы ППД / , // Нефтепромысловая химия: материалы IV Всероссийской научно-практической конф. – М., 2008. – С.72-74.

11. Мусаев -химическое воздействие на перекачиваемую морскую воду в системе ППД / // Трубопроводный транспорт - 2008: тез. докл. Международной учебно-научно-практической конф. – Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2008. – С. 267-268.

12. Катрич содержания нефти в пластовой воде на эффективность магнитной очистки от механических примесей / , , // Трубопроводный транспорт - 2009: тез. докл. V Международной учебно-научно-практической конф. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 315-316.