CC BY
61УДК 665.7.038
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМИ
Василевская Анастасия Андреевна, магистрант, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный технический университет», Самара, РФ
Аннотация: В данной статье кратко рассматривается влияние состава АСПО на физико-химические свойства нефти, проводится обзор основных способов борьбы с АСПО, изучаются достоинства и недостатки приведенных методов.
Ключевые слова: АСПО; отложения; тепловой метод; химический метод; ингибиторы.
PECULIARITIES OF THE FORMATION OF ASPHALT AND TAR-PARAFFIN DEPOSITS AND METHODS OF CONTROLLING THEM
Vasilevskaya Anastasiya Andreevna, the undergraduate, Samara State Technical University, Samara, Russia
Summary: This article briefly discusses the influence of the composition of AFS on the physico-chemical properties of oil, reviews the main methods of combating AFS, studies the advantages and disadvantages of these methods.
Keywords: asphalt and tar-paraffin deposits, deposits; hot-wire method; chemical method; inhibitor
На современном этапе развития нефтяной промышленности в России ухудшается сырьевая база и увеличивается число вводимых в эксплуатацию месторождений тяжелых нефтей. Такие нефти имеют высокие значения плотности, вязкости и температуры застывания, а также обогащены тугоплавкими парафиновыми углеводородами, смолистыми и асфальтеновыми соединениями. Откладываясь на стенках и днищах нефтепромыслового оборудования и трубопроводов, асфальтосмоло-парафиновые отложения (далее - АСПО) уменьшают пропускную способность трубопроводов и полезную емкость резервуаров, при этом резко увеличивается расход электроэнергии.
Применяемые в настоящее время методы борьбы и предупреждения образовавшихся отложений позволяют увеличить межремонтный период эксплуатации оборудования, но полностью не исключают образование отложений.
Выбор метода удаления АСПО тесно связан с их составом. Различные физико-химические свойства добываемых не-фтей часто требуют сугубо индивидуального подхода, а иногда даже разработки новых технологий.
Исследование свойств высоковязких нефтей поможет решить многие проблемы их транспортировки и переработки. В последние годы все чаще появляются высказывания о роли высоковязкой нефти, которая в будущем может стать решающей в удовлетворении мировой потребности в углеводородах [1].
Отличие физико-химических свойств маловязких и высоковязких тяжелых не-фтей крайне велико, оно значительно затрудняет применение традиционных технологий по их переработке. Первым шагом в поиске современных и экономически эффективных технологий должно стать более подробное изучение свойств тяжелых нефтей.
Любая нефть, будучи легкой или тяжелой, является горючим ископаемым с высокой теплотворной способностью (примерно 43 000 кДж/кг) вследствие малого содержания в ней минеральных негорючих примесей. Также жесткие условия, в которых находится нефть в недрах, обуславливают практически полное отсутствие таких химически активных соединений как альдегиды, спирты, алкины, алкадиены [2].
АСПО в нефти не является простой смесью асфальтенов, смол и парафинов, а представляют собой сложную структурированную систему с ярко выраженным ядром из асфальтенов и сорбцион-но-сольватным слоем из нефтяных смол (ССЕ). Асфальтосмолистые вещества (АСВ) представляют собой гетероциклические соединения сложного гибридного строения, в состав которых входят азот, сера, кислород и различные металлы (железо, магний, ванадий, никель, титан, медь, молибден, хром и другие). До 98 % состава АСПО представляет собой ароматические и нафтеновые структуры. Эти суспензии имеют свойства твердых аморфных тел, которые откладываются на технологическом оборудовании, а также в трубах. Значительную часть АСПО также составляют компоненты, обладающие высокой поверхностной активностью на границах разделов нефть - металл, нефть - вода [3].
АСПО также содержат в незначительных количествах и оксиды некоторых металлов (ванадий, железо). Они, образуя комплексы с макромолекулами ПАВ, значительно усиливают внутренние межмолекулярные взаимодействия.
Состав АСПО зависит от природы нефти и содержания в ней твердых углеводородов, а также влияние оказывает место отбора проб. Состав отложений включает в себя: парафины - 9...77 %, смолы - 5...30 %, асфальтены - 0,5...70 %, связанную
нефть до 60 %, механические примеси -1...10 %, воду - от долей до нескольких процентов, серу - до 2 %.
В зависимости от содержания парафинов (П), смол (С), асфальтенов (А) и их соотношения в общей парафиновой массе (С + А)/П все отложения могут быть подразделены на следующие типы [4]:
• асфальтеновый - (С + А)/П > 1,1;
• парафиновый - (С + А)/П < 0,9;
• смешанный - (С + А)/П - 0,9-1,1.
Несмотря на условность такого подхода к классификации асфальтосмолопара-финовых отложений, использование её на практике представляет определенный интерес. Такой групповой состав АСПО обычно исследуют сочетанием таких методов как экстракция, жидкостная хроматография, карбамидная депарафинизация.
Борьба с АСПО предусматривает проведение работ по двум направлениям [5]:
• предупреждение образования отложений. К таким мероприятиям относятся: применение гладких (защитных) покрытий; химические методы (смачивающие, модификаторы, депрессаторы, диспергаторы); физические методы (вибрационные, ультразвуковые, воздействие электрических и электромагнитных полей).
• удаление АСПО. Это тепловые методы (промывка горячей нефтью или водой в качестве теплоносителя, острый пар, электропечи, индукционные подогреватели); механические методы (скребки, скребки-центраторы); химические (растворители).
Очевидно, что наиболее перспективными и эффектными методами борьбы являются методы, предотвращающие возникновение данной проблемы, так как это позволяет существенно увеличивать межремонтный пробег трубопроводов и технологического оборудования, тем самым увеличивая эффективный фонд рабочего
времени и, как результат, рентабельность.
Наиболее распространенным и наименее технологичным методом тепловой обработки скважин, трубопроводов и технологического оборудования является применение горячих теплоносителей. В качестве теплоносителей часто используют саму нефть или газовый конденсат. В настоящее время также используют следующие технологии с применением:
• острого пара;
• электропечей наземного исполнения.
Технология применения теплоносителя предусматривает нагрев жидкости и подачу ее в трубопровод. Недостатками данного метода являются высокая энергоемкость, пожаро- и электроопасность, очень низкая надежность и низкая эффективность.
Существуют различные варианты сочетания обработки трубопроводов теплоносителями с добавками различных химических реагентов, которые повышают моющую способность теплоносителей, и снижающих, тем самым, расход теплоносителя и температуру его нагрева. Сочетание магнитной обработки теплоносителя с тепловой обработкой тоже дает определенный эффект, однако тепловая обработка теплоносителем является устаревшим, дорогостоящим и малоэффективным методом борьбы с АСПО.
К механическим способам удаления АСПО обычно относят применение скребков различной конструкции. Скребок - это устройство, которое двигается в полости трубы за счет давления перекачиваемой нефти; при этом на скребке присутствуют разные элементы (ребра, щетки, и так далее) заполняющие весь внутренний диаметр трубы. Путем реализации различных схем, скребок очищает внутреннюю поверхность трубопровода от налипших отложений солей, парафинов и газовых гидратов.
Очистка труб и технологического оборудования вручную - это тоже разновидность методов механической очистки. Но в современных условиях он применяется при ремонте сложного технологического оборудования (резервуары, сепараторы, электродегидраторы).
Физические методы борьбы с АСПО называют «технологиями внешних силовых полей». К ним относятся ультразвуковую, микроволновую, электромагнитную, электростатическую обработку. Есть мнение, что данные методы наиболее перспективные и современные. Это связано с тем, что в процессах перекачки нефти почти отсутствуют химические превращения, а все процессы протекают под действием физических законов межмолекулярных взаимодействий. Однако данные методы редко применяются, и далеко не все из них эффективны. Это связано со сложностью оборудования и малым багажом теоретических знаний по этим процессам, которые в трубопроводах часто протекают иначе, чем в лабораторных условиях. Безусловно, существуют и вполне успешные примеры исследования оборудования в лабораторных условиях.
Биологические способы удаления АСПО начали применяться относительно недавно и, заключаются в применении анаэробных, аэробных и других бактерий. Тяжелые органические компоненты не-фтей являются питательным продуктом для таких микроорганизмов, которые в процессе метаболизма преобразуют их в более простые соединения, либо полностью разлагают до углекислого газа, воды, оксидов серы и азота.
Однако удаление АСПО таким методом может идти очень долгий промежуток времени, что не всегда приемлемо в технологических условиях. Очевидно, такой тип воздействия применим для технологического оборудования, которое не требует частого ремонта (например, резервуары
или отстойники).
Для оптимизации процесса очистки трубопроводов, резервуаров, и другого оборудования от АСПО, предприятиями было разработано множество моющих составов и реагентов, позволяющих очищать трубопроводы и оборудование без существенного нагрева отмывающего агента. Некоторые из таких реагентов не только эффективно отмывают АСПО, но и могут относительно легко регенерироваться и использоваться до 3...4 раз. В качестве таких жидкостей часто используют растворы легких углеводородов нефти (гек-сан, петролейный эфир, нефрас), ароматических углеводородов (бензол, толуол), тяжелой, легкой смолы пиролиза, газового конденсата с добавками амидных, полиэфирных и других отмывающих присадок. Некоторые составы реагентов, предлагаемые производителями, являются вполне конкурентоспособными в настоящее время, и успешно применяются нефтеперекачивающими предприятиями, тем самым снижая потери прибыли, в сравнении с методом обработки трубопроводов горячим теплоно сителем.
Наиболее прогрессивным методом борьбы с АСПО является применение химических реагентов. Их механизм действия крайне разнообразен, и зависит от типа применяемого реагента, однако способ применения заключается в дозированном введении реагента в прокачиваемую нефть через специальные устройства в нефтепроводе. Технологическая схема установки для подготовки присадок и вводу их в трубопровод приведена на рис. 1.
Установка включает в себя емкость Е-1 с растворителем (например, дизельное
Гётз
топливо), емкость Е-2 с обогревающим устройством для приготовления раствора ингибитора, насос Н-1 для подачи растворителя в емкость Е-2, дозировочный насос Н-2 для подачи ингибитора в трубопровод, счетчики расхода растворителя С-1 и ингибитора С-2.
Ингибиторы поставляются в бочках в виде густой массы, и сливаются в емкость Е-2, куда подается растворитель. Раствор ингибитора нагревается до температуры 60.80 °С, и через форсунку Ф дозировочным насосом Н-2 подается в поток нефти, нагретой до той же температуры. Обычно объем активной части депрессатора составляет порядка 0,05.0,2 % от объема перекачиваемой нефти.
Как было сказано ранее, подбор присадки, и дозировка для каждой нефти индивидуальна. Эффект зависит от химического состава нефти и технологических параметров процесса ввода присадки в нефть (температура нагрева нефти перед вводом в неё присадки, последующей скорости охлаждения нефти, режима течения в процессе охлаждения и так далее).
Степень ингибирования образования АСПО при использовании эффективных реагентов находится в диапазоне от 50 до 95 %. При этом много факторов зависит от дозировки и состава реагента. Для применения таких реагентов необходимо определить оптимальное соотношение дозировки реагента для достижения высоких экономических показателей. Дозирование химических реагентов обладает значительными конкурентными преимуществами:
• дозирование реагентов происходит без остановки технологического
(Ж)
Н-1 С-1
Н-2 С-2
Ф
Г
трубопровод 2
Рис. 1. Установка ввода присадок в нефть
оборудования;
• межочистной период оборудования увеличивается в 2.. .20 раз;
• действие однократно введенных ингибиторов происходит на всем пути трубопроводного транспорта нефти;
• стоимость применения ингибиторов образования АСПО, в среднем, ниже других методов борьбы с АСПО.
Эти результаты подтверждаются многолетним опытом применения ингибиторов АСПО на нефтепроводах России, Канады, США и других стран. Поэтому целесообразным является изучение именно этой группы химических реагентов для разработки наиболее эффективных и экономичных составов.
Например, присадка СДК-102, разработанная фирмой «Конако», была испытана на участке Индер-Б. Чаган «горячего» нефтепровода «Атырау - Самара», по которому транспортировалась смесь западно-казахстанских нефтей с 10 %-ным содержанием в ней тенгизской нефти (I вариант) и 20 %-ным (II вариант). Пропускная способность участка нефтепровода по I варианту увеличилась с 10,2 до 11,3 млн тонн в год, а по II варианту - до 12,5 млн тонн в год.
Исследования проводились и по влиянию на реологию усинской нефти (республика Коми) с температурой застывания +8 °С и плотностью 0,85 г/см3 с марками депрессаторов ЕСА-5217 и V-Washes.
Параметры ввода депрессатора в усин-
скую нефть:
1) концентрация депрессатора - 0,1 %;
2) температура нагрева нефти -+ 50 °С;
3) охлаждение до 20 °С - 1,5 часа.
После обработки нефти депрессатором
ЕСА-5217 температура застывания снизилась до -10 °С. Примерно такие же результаты дала присадка V-Washes. Следует считать эти присадки весьма эффективными для улучшения условий транспорта усинской парафиновой нефти [6].
В последнее время намечается тенденция к разработке присадок комплексного действия. Суть заключается в создании композиций присадок с различным спектром действия. Использование химреагентов для предотвращения образования АСПО во многих случаях совмещается с:
• процессом разрушения устойчивых нефтяных эмульсий;
• защитой технологического оборудования от коррозии;
• защитой от отложений неорганических солей.
Широкое внедрение таких присадок с целью улучшения транспортабельности высоковязких нефтей сдерживается тем, что улучшенные реологические свойства обработанной нефти не всегда позвляют перекачивать её без осложнений в зимнее время. Кроме этого, следует учитывать достаточно высокую стоимость реагентов и необходимость обеспечения их устойчивых поставок [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Троян Е. С., Ясьян Ю. П. Изучение свойств высоковязких нефтей месторождения города Краснодара // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2015. - № 3. - С. 24-28.
2. Рябов В. Д. Химия нефти и газа: учебное пособие. - М. : ИД «ФОРУМ», 2012. - 336 с.
3. Нелюбов Д. В. Разработка композиционных ингибиторов образования асфальтосмолопа-рафиновых отложений нефти на основе изучения взаимосвязи их состава и адгезионных свойств: дисс. ... канд. техн. наук: 02.00.13 / Нелюбов Дмитрий Владимирович; Место защиты : [Уфимский государственный нефтяной технический университет]. - Уфа, 2014. -153 с.
4. Каменщиков Ф. А. Удаление асфальтосмолопарафиновых отложений растворителями. -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский институт компьютерных
исследований, 2008. - 384 с.
5. Иванова Л. В., Кошелев В. Н., Стоколос О. А. Исследование состава асфальтосмолопара-финовых отложений различной природы и пути их использования // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 2. - С. 250-256.
6. Дегтярев В. Н. Перекачка высоковязких и застывающих нефтей. - Самара: ВК-Транс, 2006. - 144 с.
REFERENCES
1. Troyan E. S., Yas'yan Yu. P. Izuchenie svoystv vysokovyazkikh neftey mestorozhdeniya goroda Krasnodara // Neftepererabotka i neftekhimiya. - 2015. - № 3. - S. 24-28.
2. Ryabov V. D. Khimiya nefti i gaza: uchebnoe posobie. - M. : ID «FORUM», 2012. - 336 s.
3. Nelyubov D.V.Razrabotka kompozitsionnykh ingibitorov obrazovaniya asfal'tosmoloparafinovykh otlozheniy nefti na osnove izucheniya vzaimosvyazi ikh sostava i adgezionnykh svoystv: diss. ... kand. tekhn. nauk: 02.00.13 / Nelyubov Dmitriy Vladimirovich; Mesto zashchity : [Ufimskiy gosudarstvennyy neftyanoy tekhnicheskiy universitet]. - Ufa, 2014. - 153 s.
4. Kamenshchikov F. A. Udalenie asfal'tosmoloparafinovykh otlozheniy rastvoritelyami. - Izhevsk: NITs «Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika», Izhevskiy institut komp'yuternykh issledovaniy, 2008. - 384 s.
5. Ivanova L. V., Koshelev V. N., Stokolos O. A. Issledovanie sostava asfal'tosmoloparafinovykh otlozheniy razlichnoy prirody i puti ikh ispol'zovaniya // Elektronnyy nauchnyy zhurnal «Neftegazovoe delo». - 2011. - № 2. - S. 250-256.
6. Degtyarev V. N. Perekachka vysokovyazkikh i zastyvayushchikh neftey. - Samara: VK-Trans, 2006. - 144 s.
Материал поступил в редакцию 01.05.2017 © Василевская А. А.. 2017
