ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
УДК 622.276
© Коллектив авторов, 2015
Моделирование процесса осаждения асфальтосмолистых веществ при добыче, транспорте и подготовке нефти
Г.И. Келбалиев, д.т.н.,
Г.З. Сулейманов, д.х.н.
(Институт катализа и неорганической
химии НАН Азербайджана),
Р.Н. Бахтизин, д.ф.-м.н.
(Академия наук Республики
Башкортостан),
Аб. Г. Рзаев, д.т.н,
(Институт систем управления
НАН Азербайджана),
С.Р. Расулов, д.т.н.,
Л.В. Гусейнова, к.х.н.
(Азербайджанская гос.
нефтяная академия)
Адрес для связи: rasulovsakit@gmail.com
Ключевые слова: скорость осаждения, миграционно-гравитационный механизм, диффузионный процесс массопереноса, адсорбционный слой, нефтяная эмульсия.
Modeling of sedimentation phenomena of asphalt-resin substances in the process of production, transporting and preparation of oil
G.I. Kelbaliyev, G.Z. Suleymanov (Institute of Catalysis and Inorganic Chemistry, ANAS, Azerbaijan, Baku), R.N.Bakhtizin (Academy of Science of the Republic of Bashkortostan, RF, Ufa),
Ab.G.Rzayev (Institute of Control Systems, ANAS, Azerbaijan, Baku),
S.R. Rasulov, L.V. Guseynova
(Azerbaijan State Oil Academy, Azerbaijan, Baku)
E-mail: rasulovsakit@gmail.com
Key words: sedimentation speed, migration-gravitational mechanism, diffusion process, mass-transfer adsorption layer, oil emulsion.
Condition and mechanism of sedimentation of asphalten-resin substances in the processes of production, transporting and preparation of oil have been analyzed in the given investigation. Models of description of sedimentation processes of asphalten-resin substances in horizontal and vertical conveying pipes, models of change of porosity in oil layers and on the surface of water in oil emulsion have been offered. It has been mentioned that mainly mechanism of sedimentation of particles is characterized by migration-diffusion transfer of the particles to the surface in laminar and turbulent flow Possible variants of comparison of experimental and calculation values have been shown.
Осаждение асфальтосмолистых веществ является серьезной проблемой во всех областях нефтяной промышленности: добыче, транспорте, подготовке и переработке нефти [1, 2]. Асфальтосмоли-стые соединения осложняют эксплуатацию скважин вследствие уплотнения и кольматации пор пласта, а также отложения на внутренней поверхности труб, в результате снижаются производительность и эффективность работы скважин.
Целью данного исследования является разработка методов описания процесса осаждения асфальтосмолистых веществ на поверхности при добыче, подготовке и транспорте нефти.
Осаждение асфальтосмолистых веществ
в порах нефтяного пласта
Рассмотрим проблему уплотнения пористой среды ас-фальтосмолистыми примесями, содержащимися в нефти, как диффузионный процесс массопереноса от объема жидкости к поверхности твердой фазы, предполагая, что частицы асфальтенов и смол, достигшие поверхности, с наибольшей вероятностью осаждаются вследствие высокой степени адгезии между ними и шероховатой внутренней поверхности поры. Масса отложившихся продуктов уплотнения в единичной цилинд-
рической поре определяется диффузионным переносом к поверхности пор частиц примеси
dmy dCy
—L = J = SpD—-
dt J p dr
(1)
где ту - масса образовавшихся на поверхности продуктов уплотнения; I - время уплотнения продуктов; J -полный диффузионный поток к поверхности стенки поры из объема жидкости; Sp - площадь поверхности пор; D - эффективный коэффициент молекулярной и турбулентной диффузии; Су - концентрация продуктов уплотнения, Гр - средний радиус пор.
Приняв массу отложившегося слоя ту = руУу (ру -плотность продуктов уплотнения, Уу - объем продуктов уплотнения), преобразуем уравнение (1) к виду
dVy SVD dCY
dr
dt
, Vy(t=0)=0.
(2)
Определив величину диффузионного потока при изотропном турбулентном течении в цилиндрических каналах с осаждением частиц без учета гравитационной со-
y
ставляющей [3, 4] и подставив в формулу (2), после несложных преобразований получим
1/2
а Ея •;2
V
с
(3)
где а - коэффициент, определяемый из экспериментальных данных; Су0 - начальная концентрация продуктов уплотнения в потоке; ея » У3/2тр - удельная диссипация энергии в единице массы жидкости, vc - скорость течения жидкости в порах.
Приняв Е = V - Vy)/Vо6 = Ео - (Vy/Vо6) (Vо6 - объем образца), определим изменение пористости слоя при турбулентном течении в виде
ей
1/2
а Ч • * 2
ис
с
(4)
где е0 - начальная пористость пласта; ^ - начальная проницаемость пласта; <р0 - объемная доля частиц загрязнений (в том числе асфальтенов и смол) в потоке.
Аналогично при ламинарном течении жидкости в порах изменение пористости слоя определим как
— = 1 -
1 - ей
12у[вг
ейс| а1
12^Тпг 0
(5)
где а1 - коэффициент, определяемый экспериментально; D - суммарный коэффициент молекулярной и кнуд-сеновской диффузии.
Как следует из уравнений (4) и (5), изменение пористости пласта определяется содержанием примеси в объеме нефти.
Изменения дебита скважины в зависимости от пористости и проницаемости можно определить по формуле
Ч _к
Чо ко
(6)
где q, q0 - соответственно текущий и начальный дебит скважины; k - текущая проницаемость.
ции; v0 - начальная скорость осаждения частиц; g - ускорение свободного падения;а - угол наклона трубы к горизонту; в - угол в сечении трубы; с0 - начальная концентрация частиц в потоке.
Ниже рассмотрено определение скорости осаждения частиц при течении в вертикальных и горизонтальных трубах.
Для вертикальных транспортных труб влияние гравитационной составляющей на осаждение частиц отсутствует, поскольку сила гравитации параллельна поверхности осаждения, и профиль осаждения по сечению трубы имеет симметричный характер. Исходя и из аналитического решения (7) скорость осаждения частиц на поверхности можно определить по формуле
vо = от Щ г.я = (екЯ)1/3 ^И)" кп ехР
дГ ".о
•¿2 1/3
Я_ц2 т2
2 я2/3е, р
, (8)
где Я - радиус трубы; kn - коэффициенты ряда; § - собственные числа уравнения, еь = ^Яь(е)йе -
лагранжев масштаб турбулентности; Яь - лагранжев вре-
2
' Р
менной коэффициент корреляции; - степень увлече-
ния частиц средой.
Поскольку ряд быстро сходится, достаточно ограничиться тремя членами и, введя безразмерные величины vs+ = v0/uD и т+ = тр ив2^, выражение (8) запишем в упрощенном виде
= А0 + А1ехр(-«1^2рТ2+) - A2exp(-m2^2pX2+), (9)
где Аг = к
М)1/3
12
/ \ 1/3 V
/ея. \
1 я2 ) , ио 0
\ 2
г = 0,1,2,...-
коэффициенты ряда, ив - динамическая скорость потока.
Решение уравнения (9) хорошо согласуется с экспериментальными данными по осаждению частиц в вертикальных трубах [5-7].
Осаждение в горизонтальных каналах формирует несимметричный слой по сечению трубы (рис. 1). Уравнение для скорости осаждения частиц в горизонтальных трубах при пренебрежении диффузионным переносом предложено авторами в виде
Осаждение асфальтенов в транспортных трубах
Учитывая вышеизложенные рассуждения, допускающие влияние поперечной скорости турбулентного переноса и турбулентной диффузии на осаждение, распределение частиц в трубе можно описать следующим уравнением:
дс 'дг
дг
дг
д гБт — | + й сов а сов в
дс
г = 0, с = с 0, — = 0,
о дг
(7)
где Dт - коэффициент турбулентной диффузии частиц; ¥ = т-1р - постоянная времени; тр = v0/g - время релакса-
^ дЧ
Я2 дф2
+ F (' - V р) - F сов ф = 0,
(10)
где Vp - текущая скорость осаждения частиц в зависимости от угла ф.
В результате решения уравнения (10) в первом приближении получено следующее выражение:
1 • 2 Ф 1 - а1 вт2 —
(11)
где а0, а1 - коэффициенты, зависящие от скорости потока и времени релаксации.
Е
Е
Е
о
о
о
Е
Е
о
о
р
о
и
о
I
3
Е
V
V
р
Рис. 1. Характерная схема расположения продукции скважины в горизонтальных трубах (^ - угол, рассчитываемый в радианах с донной части трубы)
Вычисленные по формуле (12) значения скорости осаждения частиц в горизонтальном канале удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными работы [8] (рис. 2). Как следует из рис. 2, с уменьшением динамической скорости потока скорость осаждения частиц с ростом угла ф уменьшается, что является причиной образования несимметричного профиля отложившегося слоя.
Рис. 2. Изменение скорости осаждения частиц в горизонтальном канале vp по сечению при различной динамической скорости потока и., полученное экспериментальным путем
Осаждение асфальтосмолистых веществ на поверхности капель воды при процессах разделения нефтяной эмульсии
Разделение нефтяных эмульсий осуществляется различными методами: в гравитационном, центробежном, электрическом и магнитном полях; путем фильтрования через твердые и жидкие слои; с использованием микроволновой и мембранной технологий. Структурно-механическая устойчивость эмульсионных систем связана с образованием на границе раздела нефть - вода (на поверхности капель воды) адсорбционных слоев, в состав которых входят асфальтены, смолы, парафины, минеральные соли и твердые частицы. Анализ состава этих
оболочек показывает, что основными стабилизаторами являются асфальтены и смолы, содержащие высокоплавкие парафины и неорганические механические примеси. Механизм образования на поверхности адсорбционных пленок включает диффузионный перенос массы вещества (асфальтенов) из объема нефти к поверхности капель воды и адсорбцию.
В работах [9, 10] поток массы на поверхность движущейся капли за единицу времени при малых числах Re = uar/vc << 1 определен как
I = .
Б п
аг Пс +П
1/2
2д С>/к,
(12)
где D - коэффициент молекулярной диффузии; Пс, - динамическая вязкость соответственно среды и капли; АС = С0 - С5; С0, С5 - содержание соответственно асфальтенов и смол в объеме и на поверхности капли; и - скорость движения капли.
Приняв, что изменение массы сферической капли в результате образования адсорбционного слоя определяется как йт/& = I и
4п
ПРа [(к + д)3 - Гк3 ] - 4 пГк2дРа, д<< Гк!
где гк - средний радиус капель воды;ра - плотность адсорбированного слоя. толщину слоя рассчитаем по формуле
Д_ а.
■ 0,65
Ре 1 + у
1/2
дс
(13)
где Ре = uar/D - число Пекле; у = St =
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.