Лекция 3. Подготовка_нефти__Обезвоживание_нефти

1. Подготовка нефти

2.

Целью промысловой подготовки нефти является:
- дегазация (отделение газа от нефти);
- обезвоживание (отделение воды из потока);
- обессоливание (отделение соли из эмульсии);
- стабилизация.
Дегазация.
Дегазацию нефти осуществляют для отделения
газа от нефти. Аппарат, в котором происходит
процесс дегазации, называют сепаратором, а сам
процесс разделения фаз - сепарацией. Процесс
сепарации нефти - многоступенчатый, то есть
происходит в несколько этапов. Очевидно, что
увеличение количества этапов приводит к
увеличению количества нефти, отделенной из
нефтегазоводного потока. Однако учитывая
капиталовложения в изготовление сепараторов,
эксплуатационные расходы и потери давления
число ступеней обычно ограничивают двумятремя.
Сепараторы для отделения нефти из потока
бывают:
- вертикальные;
- горизонтальные;
- гидроциклонные.
А - основная сепарационная секция, Б осадочная секция, В - секция сбора нефти, Г секция каплеулавливания
1 - патрубок ввода газожидкостной смеси; 2 раздаточный коллектор; 3 - регулятор
давления на линии отвода газа; 4 жалюзийный каплеуловитель; 5 предохранительный клапан; 6 - наклонные
полки; 7 - поплавок; 8 - регулятор уровня на
линии отвода нефти; 9 - линия сброса
механических примесей; 10 - перегородки; 11 уровнемерное стекло;12 - дренажная трубка.

3. Обезвоживание нефти

• Для
разрушения эмульсий
методы:
применяют
- гравитационное холодное разделение;
- внутритрубная деэмульсация;
- термическое воздействие;
- термохимическое воздействие;
- электрическое воздействие;
- фильтрация;
- разделение в поле центробежных сил.
следующие

4.

При движении нефти, и пластовой воды по стволу скважины и
нефтесборным трубопроводам происходит их взаимное перемешивание, а в
результате перемешивания — дробление. Процесс дробления одной
жидкости в другой называют диспергированием. В результате
диспергирования одной жидкости в другой образуются эмульсии. Под
эмульсией понимают такую смесь двух взаимно не растворимых (или очень
мало растворимых) жидкостей, одна из которых диспергирована в другой в
виде мелких капелек (глобул). Диспергированную жидкость называют
внутренней, или дисперсной фазой, а жидкость, в которой она находится, —
дисперсионной, или внешней средой
Основными характеристиками нефтяных
эмульсий являются: агрегативная
устойчивость, вязкость, размер
эмульгированных глобул водной фазы.

5. Зачем удалять воду?

• Низкая стоимость обводненной нефти
Обводненность товарной нефти <0.5%
• Вода – коррозивный компонент
Трубопроводы и оборудование промыслов
Нефтеперерабатывающие заводы
• Пропускная способность системы
Большинство систем рассчитано только на транспортировку нефти
• Стоимость транспортировки
Транспортировка попутно-добываемых компонентов экономически-невыгодна

6. Экологические аспекты

Удаление воды из нефти, с другой стороны, создает проблемы:
Сбор воды, загрязненной нефтепродуктами
Действующие нормативы – от 5 мг/л до 40 мг/л
Механические примеси загрязняют продуктивные пласты
вклад естественных процессов в загрязнение нефтью пресных водоемов может
достигать 50%
углеводороды поступают в водоемы и в ходе выпадения атмосферных осадков, с
поверхностным стоком в результате дренирования торфов и почв
углеводороды присутствуют в воде в растворенном или эмульгированном виде, а тяжелые
фракции оседают на дно. Попав в воду, нефть подвергается переносу на поверхности и в
толще воды (растекание, дрейф, седиментация, затопление), с ней происходит ряд
превращений (испарение, растворение, диспергирование, эмульгирование, окисление,
биодеградация), в ходе которых она меняет свои физические и химические свойства.
Скорость этих процессов определяется количеством и составом нефти, особенностями
углеводородов (плотность, вязкость), а также условиями водной среды, временем года и
преобладающими погодными условиями

7. Что такое эмульсия?

Смесь двух нерастворяющихся друг в друге жидкостей, одна из которых
диспергирована (распределена) в виде капель в другой. Такая дисперсия
стабилизируется эмульгирующими веществами.

8. Типы эмульсий

• «Вода в нефти» гидрофобная эмульсия
«Обычная» эмульсия
Основная фаза - нефть
Дисперсная фаза - вода
«Обычная» эмульсия
• «Нефть в воде» гидрофильная эмульсия
«Обратная» эмульсия
Основная фаза - вода
Дисперсная фаза - нефть
«Обратная» эмульсия

9.

Теоретически водонефтяная эмульсия — неустойчивая система,
тяготеющая к образованию минимальной поверхности раздела фаз, т. е.
к расслоению. Фактически же, благодаря наличию адсорбционных слоев
на поверхности диспергированных частиц, образующих устойчивые
эмульсии. Адсорбционные слои обладают значительной механической
прочностью и препятствуют слиянию частиц и расслоению эмульсии. В
их состав входит несколько классов природных веществ — компонентов
продукции нефтяной скважины

10. Что нужно для образования эмульсии?

Две несмешивающиеся
жидкости
Нефть и вода
Источники перемешивания
Ствол скважины, насос,
штуцер, запорная арматура,
изгибы трубопроводов,
турбулентный режим
движения
Эмульгирующие агенты
Мех.примеси (порода,
продукты коррозии)
Хим.реагенты для бурения и
добычи нефти
Природные ПАВ парафины, соли нафтеновой
кислоты

11. Эмульгирующие вещества - ПАВ

Упрощенная диаграмма
«Голова и хвост»
Водорастоворимая
«голова»
Нефтерастворимый «хвост»

12. Эмульгирующие вещества - ПАВ

«Голова»
афилирована
к водной фазе
Граница раздела
«вода – нефть»
«Хвост»
афилирован
к нефтяной фазе
Эмульгирующие вещества
проявляют ограниченную
растворимость как в нефти, так и
в воде

13. Факторы стабильности «обычной» эмульсии

• Тип и количество эмульгирующих веществ
• Интенсивность перемешивания
• Вязкость основной фазы – Правило Стокса
• Разная плотность добываемых жидкостей - Правило Стокса
• Обводненность
С ростом обводненности стабильность эмульсии обычно понижается
• «Возраст» эмульсии
Стабильность эмульсии обычно возрастает со временем
• Температура
Наиболее значимый фактор
При росте температуры стабильность эмульсии понижается

14. Правило Стокса

Формула Стокса используется для
определения скорости оседания воды в
водонефтяной эмульсии.
V = g(dв - dн)r2/18u
V -
скорость сепарации воды
r -
радиус водяной капли
dв -
плотность воды
dн -
плотность нефти
u -
вязкость нефти
g -
константа
Применение формулы Стокса основано на допущении, что глобулы дисперсной
фазы ведут себя как твёрдые шарики, что более чем условно.
Поэтому, для реальной монодисперной эмульсии рекомендуется следующая
формула:

15. Эмульгирование

Усиление с течением времени

16. Стабильность эмульсии

Устойчивость нефтяных эмульсий — это их способность в течение
длительного времени не разрушаться и не разделяться на две
несмешивающиеся фазы.
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ:
Заряд частиц
Размеры и плотность частиц (правило Стокса)
pH и ионная сила
Изменяет заряд частиц, чем стабилизирует эмульсию
Температура
Наиболее значимый фактор
Стабильность понижается с ростом температуры
Поскольку любая система согласно 2-го начала термодинамики всегда стремится к
минимуму свободной энергии водо – нефтяные эмульсии представляют собой
термодинамически неустойчивые образования, стремящиеся к саморазрушению.
Причём, с ростом температуры поверхностное натяжение всегда уменьшается, в
следствии
ослабления
сил
молекулярного
притяжения.
Обусловленного
увеличением среднего расстояния между молекулами.

17. Заряд частиц

Частица нефти
Негативно заряженные частицы нефти притягивают слой положительно
заряженных ионов, который называют слоем Стерна. Затем формируется
третий слой положительно/отрицательно заряженных ионов
+
Слой Стерна
+
+
+
+
+
+
+
Диффузный слой + и - ионов с общим
отрицательным зарядом
Отрицательный заряд наружного слоя
Взаимное отталкивание между
частицами
Стабильность эмульсии возрастает

18. Разрушение эмульсии

Деэмульсация
Химическое деэмульгирование — это вытеснение одного типа веществ с поверхности
частиц другим типом. Вводимый в систему химический реагент обладает большей
поверхностной активностью, чем природные эмульгаторы. Деэмульгатор вытесняет
указанные природные вещества из поверхностного слоя диспергированных частиц воды и
образует более гидрофильный адсорбционный слой с небольшой структурно-механической
прочностью.
К
химическому
реагенту
для
деэмульгирования
нефти
предъявляются
два
принципиальных требования: 1. высокая адсорбционная или смачивающая активность,
достаточная для вытеснения природных эмульгаторов с поверхности диспергированных
частиц;
2.
способность
формировать
новый
адсорбционный
слой
с
низкой
структурномеханической прочностью.
В качестве растворителя применяются ароматические углеводороды, смеси спиртов и
метанол. Особую опасность представляет метанол, который добавлен в состав растворителя
деэмульгаторов. Метанол является сильнодействующим ядовитым веществом (ПДК
метанола-5 г/м3 ), а также он легко воспламеняется.

19. Как работают деэмульгаторы

Для разрушения «обычной» эмульсии деэмульгатор должен обеспечить:
Быстрое перемещение к границе раздела фаз
Флокуляцию
Коалесценцию
Смачивание механических примесей

20. Флокуляция и коалесценция

Капли воды
притягиваются
друг к другу
Слияние капель КОАЛЕСЦЕНЦИЯ
Объединение капель ФЛОКУЛЯЦИЯ
Большая капля воды падает вниз

21. Удаление мех.примесей

• Удаление примесей с границы раздела
может полностью разрушишь
некоторые эмульсии
• Типы примесей:
неорганические
Сульфиды железа, песок, глина, буровые
растворы
Органические
Парафин, асфальтены
• Удаление механических примесей
достигается:
Смачивание в нефти (дисперсия в нефти)
Смачивание в воде (дисперсия в воде)
Преимущества смачивания в воде:
Удаление примесей из нефтяной фазы
Профилактика накопления осадка в
трубопроводах товарной нефти
Облегчение процесса подготовки нефти
Недостатки смачивания в воде:
Накопление осадка в аппаратах и
резервуарах
Проблема очистки воды от
нефтепродуктов
Проблема утилизации воды
Эрозионные разрушения оборудования и
коммуникаций

22. Разрушение эмульсии

• Коагуляция
Это укрупнение частиц в дисперсных системах
Достигается:
Преодолением взаимного отталкивания частиц путем дестабилизации их зарядов
(частичная нейтрализация отрицательного заряда)
Сближением малых капель (уплотнение наружного слоя)
• Флокуляция
Это процесс объединение коллоидных частиц в рыхлые хлопьевидные агрегаты
(«гроздь»)
Зачастую необходимо перемешивание для интенсификации процесса

23. Система сбора/подготовки нефти

Утилизация газа
Установка
подготовки
нефти
Добывающие
скважины
Нефтепарк
Скважины
ППД
Очистные сооружения
Типичная система сбора и подготовки нефти, газа и воды

24. Вертикальный отстойник

Отвод газа
Подача эмульсии
Вода из стоков поступает в верхнюю
часть аппарата и направляется вниз
по центральной вертикальной трубе к
раструбу. Под трубой располагается
щит, который изменяет направление
движения воды с нисходящего на
восходящее. В это время
диспергированные частицы оседают на
дно.
газ
Отвод нефти
Сифон
нефть
Отвод
воды
вода

25. «Bottle Test»

Деэмульгаторы обычно выбирают для
определенных систем
Деэмульгатор должен обеспечивать:
Хорошо обезвоженную нефть
Быстрый сброс воды (в системах с малым
временем сепарации и (или) высокой
обводненностью)
Низкое содержание остаточной эмульсии
Четкую границу раздела фаз
Хорошее качество отделяемой воды
Низкое содержание солей
Экономическую эффективность
применения

26. Трехфазный горизонтальный сепаратор

Нефтегазовая смесь под давлением через
штуцер входа подаётся на приёмное
устройство циклонного типа, при этом
происходит отделение газа.
Отделившийся газ скапливается в
верхней части сепаратора и, пройдя
каплеуловитель струнного типа,
выводится через штуцер из аппарата.
Нефтеводяная эмульсия, пройдя через
дефлектор, коагулятор и пеногаситель,
равномерно распределяется по всему
сепаратору и в силу разности плотности
веществ разделяется на воду и нефть.
Отделившаяся вода собирается в нижней
части аппарата, откуда через штуцер
сброса воды сбрасывается из сепаратора.
Нефть, переливаясь через перегородку,
собирается в камере сбора нефти, откуда
подаётся на приём насоса.

27. До входа в электродегидратор в нефть подаётся технологическая вода и тщательно перемешивается для растворения солей,

находящихся в нефти.
Далее водо-нефтяная эмульсия подаётся в электродегидратор для разделения
её на нефть и воду с растворенными в ней солями.
Разделение эмульсии на водный раствор солей и обезвоженную и
обессоленную нефть происходит в результате поляризации в электрическом
поле и последующего укрупнения и осаждения капель воды вместе с
растворенными в ней солями.
Электрическое поле создаётся с помощью электродов, на которые через
трансформатор подаётся напряжение.

28. Электродегидратор Bielectric

Отвод нефти
Трансформатор
Электроды
Распределитель
Сброс воды
Перемешивающая
задвижка
Подача эмульсии

29. Электростатическая дегидратация

• Что происходит, когда «обычная» эмульсия подвергается воздействию
электростатического поля переменного тока?
Столкновения капель воды
Коалесценция
Сепарация воды в соответствии с Правилом Стокса

30. Электростатическая дегидратация

Капля воды
в нефтяной
фазе
Капля в поле
переменного
тока
(наведенный
диполь)
++
++
+
--
Смежные капли в поле переменного тока
(притяжение диполей)

31. Факторы электростатической коалесценции

Плотность капель и Напряжение электрического поля
В результате индукции электрического поля диспергированные глобулы
воды поляризуются с образованием в вершинах электрических зарядов,
изменяют направление своего движения синхронно основному полю и всё
время находятся в состоянии колебания.
Форма глобул постоянно меняется, что приводит к смятию структурномеханического барьера, разрушению адсорбционных оболочек и
коалесценции глобул воды.
Для повышения эффективности работы электродегидратора нефтяные
эмульсии предварительно подогревают до 100–110 °С, добавляют
деэмульгаторы

32. Технологический расчет отстойной аппаратуры

Технологический расчет отстойной аппаратуры заключается в определении пропускной способности
отстойника или его размеров.
Расчет пропускной способности.
Прикидочный (приближенный расчет).
Первое допущение: температура во всех точках гравитационного аппарата одинакова, т.е. конвекционные
токи отсутствуют.
Второе допущение: скорость движения частиц дисперсной фазы постоянна в любой момент времени и в
любой точке траектории.
Третье допущение: частицы дисперсной фазы сферичны.
Четвёртое допущение: скорость течения эмульсии в аппарате не влияет на скорость осаждения частиц
дисперсной фазы.

33.

определяют минимальный размер капель дисперсной фазы, которые удаляются в данном
отстойнике.
рассчитывают критерий Архимеда.
В зависимости от численного значения критерия Архимеда рассчитывают скорость
свободного осаждения одиночной частицы дисперсной фазы
Рассчитывают объёмную пропускную способность отстойника по исходной эмульсии

34. Обессоливание нефти проводится с целью предотвращения коррозии использованного оборудования нефтепроводов при перекачке

нефтепродуктов и нефти.
• Три отличия от электростатической дегидратации:
Преимущественно – на перерабатывающих заводах (за некоторыми исключениями)
Меньшая обводненность входящей эмульсии
Добавление промывочной воды

35. Обессоливатель

• Типовая спецификация
Обессоливатель
Обессоливание
Соли на входе
95% (одна ступень)
98% (две ступени)
350 г/л
Остаточные соли
0.65 - 6.0 г/л
Удаление мех.примесей
50% - 80%
Остаточная вода
0,1% - 1,0%
Нефть в воде
от 100 мг/л до 1.0%
Промывочная вода
3%…8% поступающей нефти
Рабочая температура
+100…+150oC

36.

В общих чертах процесс обессоливания выглядит следующим образом: в предварительно
обезвоженную нефть (до 0,5% объема пластовой воды) вводится пресная вода. В результате
тщательного перемешивания капли пресной и минерализованной воды смешиваются,
обеспечивая возможность проведения деэмульсации с помощью термохимических или
электрических методов. Объем так называемой промывочной (пресной) воды рассчитывается
исходя из показателей качества нефти и может составлять от 3 до 10% объема.

37. Производительность трехфазного сепаратора

Объем
поступающей
эмульсии
Выпадение
мех.примесей
Уровень
нефти
Дозировка
деэмульгатора
Пенообразование
Температура
Производительность
зависит от…
Конструкци
я аппарата
Уровень
воды
Уровень
раздела фаз

38. Производительность ЭДГ

Объем
поступающей
эмульсии
Рабочая
температура
Обводненность
Деэмульгатор
Производите
льность
зависит от…
Перемешивание
Уровень
раздела фаз
Эл.заряд
эмульсии