ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КЕРАМИЧЕСКИХ ШТУЦЕРОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ПОМОЩЬЮ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 622.692+539.4.015.1:621.763

В.М. Шамилов1, e-mail: valeh.shamilov@socar.az

1 SOCAR (Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики) (Баку, Азербайджанская Республика).

Повышение износостойкости керамических штуцеров для добычи нефти с помощью наноструктурирования

В статье представлены результаты лабораторных и промысловых испытаний, направленных на изучение возможности применения наноструктурированных керамических штуцеров для дроссельно-регулирующих устройств при добыче нефти. Цель работы заключалась в увеличении износостойкости керамических штуцеров путем усовершенствования технологии их изготовления за счет наноструктурирования композита. Был проведен сравнительный анализ керамических штуцеров, изготовленных традиционным методом, а также модифицированных с помощью наночастиц меди размерностью 50-70 нм. После проведения лабораторных испытаний наноструктурированные штуцеры были апробированы на 40 скважинах различных месторождений Апшеронского полуострова (Азербайджанская Республика). Это позволило протестировать наноструктурированные штуцеры в различных условиях эксплуатации, включающих физико-химические свойства добываемого флюида, минерализацию пластовой воды, температуру, давление и т. д. Было установлено, что модифицированные с помощью наночастиц меди штуцеры характеризуются большим сроком безаварийной эксплуатации и износостойкостью. Так, лабораторные исследования показали, что добавление наночастиц меди способствовало повышению средней твердости штуцеров на 15-20 %. Срок безаварийной эксплуатации наноструктурированных штуцеров по сравнению с штуцерами, изготовленными традиционным методом, по результатам промысловых испытаний увеличился в среднем от 30 % до 3,2 раза. Таким образом, лабораторные и промысловые испытания доказали эффективность добавления наночастиц меди размерностью 50-70 нм в предложенной концентрации при производстве керамических штуцеров. Тот факт, что низкая концентрация используемых наночастиц не оказывает значительного влияния на себестоимость производимой продукции, открывает возможность для широкого промышленного применения наноструктурированных штуцеров при добыче нефти. Кроме того, отмечено, что наночастицы меди обладают ярко выраженными биоцидными свойствами, что также позитивно сказывается на сроке службы и износостойкости наноструктурированных керамических штуцеров.

Ключевые слова: нефтедобыча, нанотехнология, керамический штуцер, композит, износостойкость, глинозем, поливиниловый спирт.

V.M. Shamilov1, e-mail: valeh.shamilov@socar.az

1 SOCAR (State Oil Company of the Republic Of Azerbaijan) (Baku, Republic of Azerbaijan).

Increasing the Wear Resistance of Ceramic Now Beans for Oil Production Using Nanostructuring

The article presents the results of laboratory and field tests aimed at studying the possibility of using nanostructured ceramic now beans for throttle control devices in oil production. The aim of the work was to increase the wear resistance of ceramic now beans by improving their manufacturing technology by nanostructuring the composite. A comparative analysis of ceramic fittings made by the traditional method, as well as modified using copper nanoparticles with a dimension of 50-70 nm was carried out. After laboratory tests, the nanostructured now beans were tested on 40 wells in various fields of the Absheron Peninsula (Republic of Azerbaijan). This made it possible to test nanostructured now beans in various operating conditions, including the physical and chemical properties of the extracted fluid, the mineralization of reservoir water, temperature, pressure, etc. It was found that the fittings modified with copper nanoparticles are characterized by a longer period of trouble-free operation and wear resistance. Thus, laboratory studies have shown that the addition of copper nanoparticles contributed to an increase in the average hardness of fittings by 15-20 %. The term of accident-free operation of nanostructured now beans in comparison with fittings made by the traditional method, according to the results of field tests, increased on average from 30 % to 3.2 times. Thus, laboratory and field tests

OIL AND GAS PRODUCTION

proved the effectiveness of adding copper nanoparticles with a dimension of 50-70 nm in the proposed concentration in the production of ceramic fittings. The fact that the low concentration of nanoparticles doesn't substantively affect the cost of production opens the possibility for a wide industrial application of nanostructured fittings in oil production. In addition, it was noted that copper nanoparticles have pronounced biocidal properties, which also has a positive effect on the service life and wear resistance of nanostructured ceramic now beans.

Keywords: oil production, nanotechnology, ceramic now bean, composite, wear resistance, aluminium oxide, polyvinyl alcohol.

Важными составляющими нанотех-нологий как научно-технического направления являются разработка и изучение наноструктурных материалов, исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях, поскольку при уменьшении размера структурного элемента до на-нометрового диапазона материалы демонстрируют новые физико-механические свойства [1]. К числу нано-материалов, уже нашедших применение в промышленности, относятся металлические нанопорошки [2]. Так, различного рода композиты на основе металлических нанопорошков активно используются в нефтяной промышленности, металлургии,строительстве, машиностроении и во многих других отраслях [3-6].

Целью исследования, результаты которого представлены в данной статье, было изучение возможности повышения долговечности и износостойкости керамических штуцеров для дроссельно-ре-гулирующих устройств, применяющихся при добыче нефти и газа, за счет модификации химического состава исходных компонентов наночастицами меди. В композитный материал для изготовления керамических штуцеров, предназначенных для точного регулирования расхода проводимой рабочей среды при нефтедобыче, входят глинозем и раствор поливинилового спирта [7]. В рамках проведенного исследования к этому составу были добавлены на-ночастицы меди (в 2018 г. в Агентство интеллектуальной собственности Азербайджанской Республики подана заявка на получение патента на данный состав).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На заводе погружных насосов SOCAR были изготовлены штуцеры по следующей методике. В 5 %-ный раствор поливинилового спирта добавили нано-частицы меди размерностью 50-70 нм и перемешивали на паровой бане в течение 6 ч. Полученный таким образом наногель поместили в стеклянную тару и остудили. Остуженный наногель смешивали с 1 кг глинозема в течение 25 мин. Смесь пропустили через сито, поместили в соответствующие формы и на специальной установке подвергли

давлению 6,08-7,09 МПа. Для полного выпаривания поливинилового спирта образцы на несколько дней были помещены в сушильный шкаф. Далее они были подвергнуты поэтапной термической обработке в муфельной печи (температура была доведена до 1450 °С в течении 24 ч). Для нахождения оптимального состава было изготовлено множество штуцеров с различным процентным содержанием исходных компонентов. Наиболее эффективные по результатам исследования составы приведены в табл. 1.

Общий вид штуцеров:

а) без наночастиц; б) с наночастицами меди General view of the now beans:

a) without nanoparticles; b) with copper nanoparticles

Ссылка для цитирования (for citation):

Шамилов В.М. Повышение износостойкости керамических штуцеров для добычи нефти с помощью наноструктурирования // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2020. № 5-6. С. 56-60.

Shamilov V.M. Increasing the Wear Resistance of Ceramic Now Beans for Oil Production Using Nanostructuring. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2020;(5-6):56-60. (In Russ.)

Таблица 1. Наиболее эффективные по результатам исследования компонентные составы для изготовления наноструктурированных штуцеров Table 1. The most effective compositions for the manufacture of nanostructured now beans according to the results of the research

Содержание компонента, % Component value, % Проба Sample

1 2 3 4 5

Глинозем Aluminium oxide 95,908 95,907 95,906 95,905 95,904

Водный раствор поливинилового спирта Polyvinyl alcohol water solution 5,09 5,0907 5,0906 5,0905 5,0904

Наночастицы меди Cu nanoparticl.es 0,0009 0,0018 0,0027 0,0036 0,0045

Таблица 2. Результаты лабораторных испытаний наноструктурированных штуцеров Table 2. The results of laboratory tests of nanostructured now beans

Технология изготовления штуцера Now bean manufacturing technology Проба Sample Концентрация наносистемы,% Nanosystem concentration, % Диаметр штуцера D, мм Diameter of the now bean D, mm Средняя твердость по Роквеллу, HRA The average Rockwell hardness, HRA

Традиционный метод Traditional method 1 - 72^73

2 0,002 87,8

Наноструктурирование 3 0,003 9 89,6

Nanoscale patterning 4 0,004 86,3

5 0,005 84,3

Таблица 3. Результаты опытно-промысловых испытаний наноструктурированных штуцеров на производственных площадях SOCAR Table 3. Results of field testing of nanostructured now beans at SOCAR production facilities

Месторождение Field № скважины Well number Метод эксплуатации Method of operation Диаметр штуцера D, мм Diameter of the now bean D, mm Дата установки штуцера Now bean installation date Без наночастиц Without nanoparticles С наночастицами меди With Cu nanoparticles

Длительность эксплуатации, дней Duration of operation, days Доля механических примесей во флюиде, % Percentage of mechanical impurities in the fluid, % Длительность эксплуатации, дней Duration of operation, days Доля механических примесей во флюиде, % Percentage of mechanical impurities in the fluid, %

Апшерон Absheron 10 Погружной электроцентробежный насос Electric submersible centrifugal pump 3 04.09.2019 15 0,1 117 0,1

26 04.09.2019 30 0,02 119 0,02

Банка Дарвина Darwin Bank 340 Электроцентробежный насос Electrical centrifugal pump 06.09.2019 15 0,1 117 0,1

617 06.09.2019 34 0,02 117 0,02

717 06.09.2019 21 0,02 117 0,02

627 06.09.2019 36 0,02 117 0,02

715 06.09.2019 27 0,02 117 0,02

738 Эрлифт Air lift 04.09.2019 50 0,02 119 0,02

739 Фонтан Fountain 05.09.2019 43 0,1 117 0,1

740 Эрлифт Air lift 05.09.2019 29 0,1 117 0,02

621 Погружной электроцентробежный насос Electric submersible centrifugal pump 05.09.2019 36 0,02 117 0,02

676 05.09.2019 41 0,02 117 0,02

OIL AND GAS PRODUCTION

Месторождение Field № скважины Well number Метод эксплуатации Method of operation Диаметр штуцера D, мм Diameter of the now bean D, mm Дата установки штуцера Now bean installation date Без наночастиц Without nanoparticl.es С наночастицами меди With Cu nanoparticl.es

Длительность эксплуатации, дней Duration of operation, days Доля механических примесей во флюиде, % Percentage of mechanical impurities in the fluid, % Длительность эксплуатации, дней Duration of operation, days Доля механических примесей во флюиде, % Percentage of mechanical impurities in the fluid, %

Апшерон Absheron 31 Фонтан Fountain 3,5 04.09.2019 20 0,02 119 0,02

37 Погружной электроцентробежный насос Electric submersible centrifugal pump 04.09.2019 50 0,02 119 0,02

Банка Дарвина Darwin Bank 614 Электроцентробежный насос Electrical centrifugal pump 08.09.2019 66 0,1 115 0,02

622 08.09.2019 54 0,02 115 0,02

746 08.09.2019 39 0,1 115 0,02

119 08.09.2019 58 0,02 115 0,02

626 08.09.2019 42 0,1 115 0,02

645 08.09.2019 33 0,02 115 0,02

648 07.09.2019 30 0,1 116 0,1

649 07.09.2019 44 0,02 116 0,02

650 07.09.2019 47 0,1 116 0,02

773 Эрлифт Air lift 07.09.2019 59 0,02 116 0,02

830 07.09.2019 55 0,1 116 0,02

766 07.09.2019 69 0,02 116 0,02

745 07.09.2019 72 0,1 116 0,02

603 07.09.2019 74 0,1 116 0,1

604 Электроцентробежный насос Electrical centrifugal pump 07.09.2019 77 0,1 116 0,1

24 Погружной электроцентробежный насос Electric submersible centrifugal pump 4,0 04.09.2019 30 0,02 119 0,02

660 Эрлифт Air lift 04.09.2019 15 0,1 119 0,1

639 Электроцентробежный насос Electrical centrifugal pump 04.09.2019 30 0,02 119 0,02

829 Эрлифт Air lift 04.09.2019 20 0,02 119 0,02

834 04.09.2019 50 0,02 119 0,02

835 04.09.2019 30 0,02 119 0,02

456 Электроцентробежный насос Electrical centrifugal pump 04.09.2019 50 0,02 119 0,02

38 Погружной электроцентробежный насос Electric submersible centrifugal pump 5,0 04.09.2019 50 0,02 119 0,02

664 Эрлифт Air lift 03.09.2019 76 0,1 120 0,1

665 03.09.2019 65 0,02 120 0,02

666 03.09.2019 49 0,02 120 0,02

Для проведения исследования эффективности влияния наночастиц меди на долговечность и износостойкость керамических штуцеров было взято 50 % образцов с наночастицами меди и 50 % - без добавления нано-

частиц, т. е. традиционного состава (рис.).

Образцы визуально были проверены на наличие трещин. При наличии трещин были определены их размеры. Пределы прочности и жесткости

всех образцов были определены с использованием твердомеров Rockwell-ТР-5006М и Вшппе1У^Ь|-2М. Полученные характеристики образцов представлены в табл. 2, из которой видно, что пробы № 2 и № 3 обладают средней твердо-

стью - 87,8 и 89,6 HRA соответственно, тогда как проба № 1, т. е. штуцер, изготовленный традиционным методом, без добавления наночастиц меди, обладает средней твердостью 72ч-73 НИЗА. Далее для изучения возможности применения наноструктурированных штуцеров в нефтедобыче на 40 скважинах различных месторождений Апшерон-ского полуострова (Азербайджанская Республика) были проведены промысловые испытания, результаты которых представлены в табл. 3. Цель тестирования наноструктурированных штуцеров на столь значительном количестве скважин заключалась в возможности получения данных о влиянии различных условий эксплуатации на износостойкость испытуемых объектов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Удельная поверхность применяемых в рамках исследования наночастиц меди составляет 25 м2/ г, что явилось основополагающим фактором для ме-

ханической активации смесей, способствующей улучшению характеристик штуцеров.

В частности, экспериментальные данные (табл. 2) показали, что добавление наночастиц меди при приготовлении керамических штуцеров повышает их среднюю твердость на 15-20 %. При этом, как свидетельствуют промысловые испытания (табл. 3), срок безаварийной эксплуатации наноструктурированных штуцеров по сравнению со штуцерами, изготовленными традиционным методом, увеличился в среднем от 30 % до 3,2 раза. Таким образом, лабораторные и промысловые испытания доказали эффективность добавления наночастиц меди размерностью 50-70 нм в предложенной концентрации при изготовлении керамических штуцеров. Несмотря на различные физико-химические свойства, компонентный состав и скорость прохождения добываемого флюида, на всех скважинах, где были установлены наноструктурированные штуцеры,

была зафиксирована их более высокая износостойкость в сравнении со штуцерами, изготовленными традиционным методом.

ВЫВОДЫ

1. Представленная технология изготовления наноструктурированных керамических штуцеров немногим отличается от традиционной технологии, а низкая концентрация используемых наночастиц не оказывает существенного влияния на себестоимость производимой продукции, что открывает возможность для широкого промышленного применения наноструктурированных штуцеров при добыче нефти.

2. Богатая микроорганизмами пластовая вода негативно влияет на долговечность используемых штуцеров. Однако наночастицы меди обладают биоцид-ными свойствами [8], что позитивно сказывается на долговечности и износостойкости наноструктурированных керамических штуцеров.

References:

1. Talina L.N., Minaev A.M., Proshkin V.A. New Composite Materials: textbook. Tambov: Publishing house of the Tambov State Technical University; 2011. (In Russ.)

2. Nazarenko O.B. Electro-Explosive Nanopowders: Preparation, Properties, Exploitation. Edited by A.P. Ilyin. Tomsk: Publishing house of the Tomsk Polytechnic University; 2005. (In Russ.)

3. Shamilov V.M., Babayev E.R. Development of Multifunctional Composite Mixtures Based on Watersoluble Surfactant, Polymer and Metallic Nanopowder as Agents of Oil Displacement. Territorija "NEFTEGAZ" [Oil and Gas Territory]. 2016;(6):60-63. (In Russ.)

4. Bazhenov Yu.M., Falikman V.R., Bulgakov B.I. Nanomaterials and Nanotechnologies in the Present-Day Concrete Technology. Vestnik MGSU. 2012;(12):125-133. (In Russ.)

5. Rudskoy A.I. Nanotechnologies in Metallurgy. Saint-Petersburg: Nauka; 2007. (In Russ.)

6. Reshetnikova S.N. Application of Nanopowders of Chemical Compounds to Improve the Physical and Mechanical Characteristics of Mechanical Engineering Products: author's abstract of the Candidate of Engineering Sciences. Krasnoyarsk; 2008. (In Russ.)

7. High-Pressure Oil Well Pipeline Fittings Having Ceramic Members: patent RU 2261978 C2; IPC E21B 33/03, E21B 34/02, E21B 43/12, F16K 27/02. Authors - Mentesh I.M., Benziger K.R.; patent holder - Carpenter Advances Siremix, Inc; No. 2002116250/03, applied 28.11.2000; published 10.10.2005, Bull No. 28, 22 p. (In Russ.)

8. Shamilov V.M., Babayev E.R. Biocidal Composition with Copper Nanoparticl.es for the Oil Industry. SOCAR Proceedings. 2019;(1):52-56. (In Russ.)

Литература:

1. Тялина Л.Н., Минаев А.М., Пручкин В.А. Новые композиционные материалы: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», 2011. 80 с.

2. Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение / Под редакцией А.П. Ильина. Томск: Изд-во ТПУ, 2005. 148 с.

3. Шамилов В.М., Бабаев Э.Р. Разработка многофункциональных композиционных смесей на основе водорастворимых ПАВ, полимеров и металлических нанопорошков в качестве агентов вытеснения нефти // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 60-63.

4. Баженов Ю.М., Фаликман В.Р., Булгаков Б.И. Наноматериалы и нанотехнологии в современной технологии бетонов // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 125-133.

5. Рудской А.И. Нанотехнологии в металлургии. СПб.: Наука, 2007. 226 с.

6. Решетникова С.Н. Применение нанопорошков химических соединений для повышения физико-механических характеристик изделий машиностроения: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2008. 21 с.

7. Трубопроводная арматура с элементами из керамики для нефтяных скважин высокого давления: пат. RU 2261978 C2; МПК E21B 33/03, E21B 34/02, E21B 43/12, F16K 27/02 / И.М. Ментеш, К.Р. Бензигер; патентообладатель Карпентер Эдванст Сирэмикс, Инк; № 2002116250/03, заявл. 28.11.2000; опубл. 10.10.2005, Бюл. № 28. 22 с.

8. Шамилов В.М., Бабаев Э.Р. Биоцидная композиция на основе наночастиц меди для нефтяной промышленности // SOCAR Proceedings. 2019. № 1. С. 52-56.