CC BY
129
УДК 622.692
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ АСФАЛЬТО-СМОЛИСТЫХ ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В РЕЗЕРВУАРАХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ
М.В. ПАВЛОВ, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа
Б.Н. МАСТОБАЕВ, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Россия,
450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1).
E-mail: mihail_pavlov@list.ru, E-mail: mastoba@mail.ru
Х. ХОФШТАТТЕР, проф., завкафедрой нефтяной и геотермальной энергии
Горный университет города Леобен, Австрия
В работе рассмотрена возможность и описан эксперимент с целью определения применения ультразвука для очистки нефтехранилищ от асфальтосмолопарафиновых отложений.
Ключевые слова: нефть, асфальто-смолистые и парафиновые отложения, ультразвук, ультразвуковой генератор, резервуар.
Очистка емкостей постоянного хранения нефти от остатков нефтепродуктов - одна из самых актуальных и значимых проблем эксплуатации резервуаров. В нефтепродуктах, хранимых в емкостях, происходят различные процессы и превращения (окисление, разложение, расслоение под воздействием температур окружающей среды, насыщение влагой нефти, химическая и биологическая деградация), влияющие на выделение и накопление нефтяных отложений на внутренних стенках резервуаров. Образовавшиеся отложения состоят из тяжелых углеводородов в основном парафинового ряда, удельный вес которых выше плотности нефти и воды. Располагающаяся по стенкам и днищу резервуаров плотная нетекучая парафиновая масса образует воскообразное вещество. Образовавшийся осадок препятствует движению нефти и перемешиванию различных ее слоев в резервуаре, что способствует локализации концентрированных агрессивных растворов солей и развитию коррозионных процессов в районе днища и первого пояса резервуара. Одновременно происходит уменьшение рабочего (полезного) объема резервуара. Все это снижает эксплуатационные характеристики объекта и отрицательно влияет на качество нефти и нефтепродуктов, вновь заливаемых в эти емкости.
Плавится парафиновая масса только при температуре около 40 °С. При понижении температуры прокачиваемой нефти и увеличении количества содержащегося в ней парафина возрастает ее вязкость и уменьшается тягучесть. Поэтому одним из самых распространенных методов депа-рафинизации является тепловой метод, при котором прибегают к использованию электронагревателей, тока, горячего пара или жидкости.
Другим распространенным (в основном в странах третьего мира с самой низкой стоимостью рабочей силы) методом борьбы с парафиновыми отложениями остается ручной способ очистки емкостей. При реализации этого способа очистки сначала нагревается и откачивается ставший жидким парафиновый осадок, затем в резервуар насыпается песок для более тщательного вычищения.
После удаления твердых остатков емкость пропаривают и промывают горячей (до 50 °С) водой под давлением 0,2-0,3 МПа. Промывочную воду с парафиновым осадком откачивают насосами. Так как основной целью этого метода остается очищение резервуара, а не восстановление сырой нефти, то процент извлекаемого углеводорода близок к нулю. Кроме того, данный способ очистки резервуаров связан с огромным риском для здоровья рабочих, загрязнением окружающей среды и огромным объемом нефтеот-ходов, что в итоге приводит к проблемам с их транспортировкой и захоронением.
К другим методам удаления парафиновых отложений с внутренних поверхностей нефтехранилищ относят гидрохимический способ, подразумевающий промывание резервуаров горячей водой с ингибиторами или химическими реагентами, и механический, при котором отложения удаляются с помощью скребков различной конструкции.
При химическом способе очистки емкостей используются дорогостоящие реагенты, способные понизить температуру застывания и вязкости парафиновых отложений. Химический растворитель проникает в осадок и разрушает молекулярные соединения. В зависимости от размера резервуара и количества парафиновых осадков на весь процесс уходит 6-8 недель. Но при необходимости вся операция может быть закончена за 10 минут, так как данный метод не требует держать резервуар открытым. Основным недостатком химического способа очистки нефтехранилищ являются дороговизна используемого специального реагента, необходимость дальнейшей очистки растворов моющих средств и утилизации реагента.
Механизированный способ очистки резервуаров осуществляется путем подачи воды под большим давлением с помощью гидромониторов, пропаркой верхней поверхности нефтехранилищ перегретым паром в течение нескольких дней с последующей механической очисткой, а также путем использования аппаратов струйной абразивной очистки. Данный метод не требует больших финансовых вложений и тяжелой работы, вредной для здоровья человека, но он
I Фото 1. Ультразвуковой процессор UIP2000hdT
Фото 2. Ультразвуковой прибор Telsonic. Слева: генератор мощностью 600 ватт, справа: резонатор. Резонатор типа RS-20-48-1S. Частота 20,25,40 кГц. Включая 4 м силовой кабель ECO-генератор мощностью 600 Вт
Фото 3. Стакан, наполненный нетекучей парафиновой массой с проделанным углублением для заполнения его водой (примерно 10 мл). После воздействия ультразвуком вся масса полностью расплавилась в течение 10 минут
имеет и некоторые отрицательные свойства. К недостаткам механизированного способа очистки нефтехранилищ следует отнести большой расход тепловой энергии на подогрев холодной воды, необходимость откачки загрязненной воды на очистные сооружения и сравнительно большие потери легких фракций из нефтеостатков.
Однако вышеперечисленные методы требуют больших финансовых вложений, не отличаются высокой эффективностью, а также замедляют или временно приостанавливают процесс хранения нефти. Поэтому разрабатываются различные методики для удаления уже имеющихся отложений кристаллов парафина.
Одним из самых результативных и нетрудозатратных способов очистки резервуаров от парафиновых осадков на сегодняшний день является ультразвуковой метод. Чтобы доказать исключительную эффективность данного метода, специалистами был проведен эксперимент. Целью эксперимента было наглядно продемонстрировать, как под воздействием ультразвуковых волн можно быстро и легко сжижать осадки тяжелых компонентов сырой нефти. Поскольку на ультразвуковых устройствах существует множество вариаций волн по длине и мощности, было принято решение использовать два разных устройства с высокой мощностью (ультразвуковой процессор и!Р20001пС, 2000Вт, 20 кГц (фото 1) и меньшей мощностью (ультразвуковое оборудование Те^опю).
Ультразвуковой процессор и!Р2000ИС (2000 Вт, 20 кГц), состоящий из трансдьюсера и генератора; автоматическая настройка частоты, амплитуда 25 микрон, регулировка амплитуды от 50 до 100%, защита от сухого хода, интерфейс для удаленного или ПК-управления, датчик !Р65, титановый рог.
Первый опыт по сжижению парафиновых масс был проведен с помощью ультразвукового процессора и!Р2000ИСТ, специально сделанного в лабораторных масштабах для проводимого эксперимента.
Ультразвуковой процессор - это система, состоящая из трансдьюсера и генератора. Генератор является электрической частью ультразвукового процессора.
1. Трансдьюсер (1) - электромеханическая часть ультразвукового процессора, передающая электроэнергию в механические колебания.
2. Усилитель (2) - механическая часть, расположенная между ультразвуковым трансдьюсером и сонотродами. В зависимости от направления установки увеличивает или уменьшает механические амплитуды сонотродов.
3. Сонотроды (3) - инструмент ультразвукового процессора, связанный с трансдьюсером или усилителем, передает колебания в среду для ультразвуковой обработки.
В ходе эксперимента стеклянный стакан наполнили парафином (фото 3). В парафиновой массе проделали небольшое углубление (приспособленное для резонатора диаметром 4 см) и заполнили примерно 10 мл воды (для передачи ультразвуковых волн). Когда резонатор был погружен в парафиновую массу, ее температура составляла 16 градусов. В течение 5 минут температура возросла до 50 °С (в 2 см от резонатора). Через 10 минут вся парафиновая масса расплавилась и начала кипеть (фото 4) (температура массы повысилась более чем на 50 °С ).
Как и предполагалось, при охлаждении парафин снова начал застывать (фото 5). Причина в том, что процесс
плавления парафина ультразвуком осуществляется полностью физическим методом.
Второй эксперимент проводился над баррелем, наполненным парафиновой массой с помощью оборудования TELSONIC, мощность - 600 Вт (фото 6).
По сравнению с первым экспериментом ультразвуковое оборудование будет показано в действии на емкости с большим масштабом. Так же, как и в первом опыте, было проделано небольшое отверстие примерно по центру парафиновой массы, находящейся в барреле, и заполнено жидкостью (дизельное топливо) для передачи ультразвуковых волн.
Температура была измерена в отверстии рядом с резонатором (около 2-3 см от резонатора) и на дне барреля, где парафиновая масса имела воскообразное состояние. Дальнейшие изменения в температуре и состоянии парафиновой массы измеряются временем, прошедшим с начала эксперимента:
Через 20 минут: температура около резонатора - 36°, на дне барреля - 16 °С . Только масса, окружающая резонатор, приобрела жидкую консистенцию.
Через 40 минут: температура около резонатора достигла 40°, на дне барреля оставалась на прежней отметке 16 °С. Проделанное в начале эксперимента отверстие стало шире, поэтому резонатор опустился глубже.
Через 1 час 20 минут: температура около резонатора поднялась до 45°, на дне барреля парафиновая масса прогрелась до 18 °С . Появились очевидные изменения в состоянии парафиновых масс, но расплавившийся участок вокруг резонатора не увеличился в площади.
Через 2 часа: температура около резонатора достигает своего максимума - 50°, температура на дне барреля упала до 16°. Область вокруг резонатора была полностью расплавлена (фото 7), и отверстие вокруг резонатора увеличилось (диаметр расплавившейся области достиг 50 см). Поэтому резонатор был перемещен к другой части барреля, где парафин оставался в воскообразном состоянии. Таким
Фото 4. Стакан с расплавленной парафиновой массой -через 10 минут после воздействия ультразвуковым прибором (на 2000 Вт)
< Л V * 1 д
Л 1| яН к »§
т^ЭИ ■ ' Щт г * ;
■ ■Г" „ *
|Фото 5. Застывший парафин после охлаждения холодной водой с 50 до 16 '
°С
Фото 6. Опыт для испытания оборудования Те1зоп'ю (600 Вт). Слева: оборудование на металлическом стержне опущено в парафиновую массу. Справа: демонстрация конструкции в лабораторных условиях
Фото 7. Через 2 часа воздействия оборудования Те^опю (600 Вт) 20% парафина в барреле было расплавлено (красным цветом выделены области, на которых видны расплавленные массы парафина)
образом, через 2 часа после начала эксперимента мы видим, что 20% общей массы было расплавлено под воздействием ультразвуковых волн.
В ходе удавшегося эксперимента было продемонстрировано влияние ультразвуковой волны на плавление воскообразной парафиновой массы, образующейся в резервуарах для хранения нефти. Для лучшего понимания ультразвуковой эффективности были применены два устройства с высокой и меньшей мощностью. Несмотря на то что один эксперимент проводился в лабораторных условиях (HIELSCHER 2000), а второй (с использованием
оборудования Те!зоп1о) в более масштабных условиях, в обоих случаях было доказано, что парафиновые массы полностью плавятся под воздействием ультразвуковых волн. Поскольку эксперимент с HIELSCHER 2000 проводился в малом масштабе, а не в воде, его невозможно использовать в стволе. Основываясь на этом тесте, можно установить, что необходимое время для для получения расплавленной парафиновой массы в стакане с парафином составляет 10 минут. С применением оборудования Те^опю с генератором мощностью 600 Вт 20% барреля, наполненного парафиновыми массами, было расплавлено за 2 часа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fuchs J. Ultrasonic Cleaning: Fundamental Theory and Application, Blackstone NEY Ultrasonics, Jamestown, NY, 2002.
2. Wu T., Guo N., Teh C., Hay J. Theory and Fundamentals of Ultrasound // Advances in Ultrasound Technology for Environmental Remediation, Springer, Dordrecht, 2013.
3. Towler B.F., Chejara A.K., Mokhatab S. Experimental Investigations of Ultrasonic Waves Effects on Wax Deposition During Crude-Oil Production // SPEAnnual Technical Conference and Exhibition, Anaheim, 2007.
4. Hamida T., Babadagli T. Capillary Interaction of Different Oleic and Aqueous Phases Between Matrix and Fracture Under Ultrasonic Waves // SPE Europec/EAGE Annual Conference, Madrid, 2005.
6. Hamida T., Babadagli T. Investigations on Capillary and Viscous Displacement Under Ultrasonic Waves // Journal of Canadian Petroleum Technology, vol. 45, no. 2, pp. 16-19, 2006.
7. Hofstaetter H., Pavlov M. Application of Ultrasound for the Destruction of Resin-Paraffin Deposits in Pipeline Transport of Oil. Ufa, 2014.
8. Black B. Klamath Falls: High-Power Acoustic Well Stimulation Technology. Prepared for the United States Department of Energy Office of Fossil Energy , 2006.
9. Amani M., Retnanto A., AlJuhani S. et. al. Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. 2015 International Petroleum Technology Conference, Doha, 2015.
10. Jeehyeong K., Seungmin N. Ultrasonic Effects on Water Flow Through Porous Media // International Journal of Offshore and Polar Engineering, vol. 16, no. 2, pp. 146-152, 2006.
11. Tagiltcev A. A., Korenbaum V.I. The Effect of Ultrasonic Oscillations of Pipe on Fluidity of Heavy Oil Productsi. ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, 2012.
12. Chen T., Chow R., Yuan J.-Y., Babchin A. A Physical Preventive Treatment of Crystallization and Precipitation in the Petroleum Industry. Petroleum Society's Canadian International Petroleum Conference, Calgary, 2001.
13. Naderi K., Babadagli T. Clarifications on Oil/Heavy Oil Recovery Under Ultrasonic Radiation Through Core and 2D Visualization Experiments. Petroleum Society's 8th Canadian International Petroleum Conference, Calgary, 2007.
14. Roberts P. Ultrasonic Removal of Organic Deposits and Polymer Induced Formation Damage. SPE Formation Damage Control Symposium, Lafayette, Louisiana, 1996.
15. Champion B., Van der Bas F., Nitters G. The Application of High-Power Sound Waves for Wellbore Cleaning. SPE European Formation Damage Conference, The Hague, 2003.
16. Wong S.-W., Van der Bas W., Zuiderwijk P. High Power/High Frequency Acoustic Stimulation - A Novel and Effective Wellbore Stimulation Technology. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, 2003.
17. Amro M., Al-Mobarky M., Al-Homadhi E. Improved Oil Recovery by Application of Ultrasound Waves to Waterflooding // 15th SPE Middle East Oil & Gas Show and Conference, Bahrain, 2007.
APPLICATION OF ULTRASOUND FOR REMOVAL OF ASPHALT-RESIN PARAFFIN DEPOSITS IN TANKS FOR OIL STORAGE
PAVLOV M.V., Postgraduate Student of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
MASTOBAEVB.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
E-mail: mihail_pavlov@list.ru, E-mail: mastoba@mail.ru
HOFSTATTER H., Ph.D., Prof., Head of oil and Geothermal Energy Department
Montanuniversität Leoben (Franz-Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Austria).
ABSTRACT
The paper discusses the opportunity and conducted an experiment to determine the application of ultrasound for cleaning of oil storage tanks from the asphalt-paraffin deposits.
Keywords: oil, asphalt-resin and paraffin deposits, ultrasound, ultrasonic generator, tank. REFERENCES
1. Fuchs J. Ultrasonic cleaning: fundamental theory and application, Blackstone NEY Ultrasonics. New York, Jamestown Publ., 2002.
2. Wu T., Guo N., Teh C., Hay J. Theory and fundamentals of ultrasound in advances in ultrasound technology for environmental remediation. Dordrecht, Springer Publ., 2013.
3. Towler B. F., Chejara A. K., Mokhatab S. Experimental investigations of ultrasonic waves effects on wax deposition during crude-oil production. Proc. of 2007 SPE Annual technical conference and exhibition. Anaheim, 2007.
4. Hamida T., Babadagli T. Capillary interaction of different oleic and aqueous phases between matrix and fracture under ultrasonic waves. Proc. SPE Europec/EAGE Annual conference. Madrid, 2005.
5. Hamida T., Babadagli T. Investigations on capillary and viscous displacement under ultrasonic waves. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2006, vol. 45, no. 2, pp. 16-19.
6. Hofstaetter H., Pavlov M. Application of ultrasound for the destruction of resin-paraffin deposits in pipeline transport of oil. Ufa, 2014.
7. Black B. Klamath Falls: High-power acoustic well stimulation technology. 2006.
8. Amani M., Retnanto A., AlJuhani S. Investigating the role of ultrasonic wave technology as an asphaltene flocculation inhibitor, an experimental study. Proc. 2015 International Petroleum Technology Conference. Doha, 2015.
9. Jeehyeong K., Seungmin N. Ultrasonic effects on water flow through porous media. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2006, vol. 16, no. 2, pp. 146-152.
10. Tagiltcev A. A., Korenbaum V. I. The effect of ultrasonic oscillations of pipe on fluidity of heavy oil products. Proc. ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium. 2012.
11. Chen T., Chow R., Yuan J.-Y., Babchin A. A physical preventive treatment of crystallization and precipitation in the petroleum industry. Proc. Petroleum Society's Canadian International Petroleum Conference. Calgary, 2001.
12. Naderi K., Babadagli T. Clarifications on oil/heavy oil recovery under ultrasonic radiation through core and 2d visualization experiments. Proc. Petroleum Society's 8th Canadian International Petroleum Conference. Calgary, 2007.
13. Roberts P. Ultrasonic removal of organic deposits and polymer induced formation damage. Proc. SPE Formation Damage Control Symposium. Lafayette, Louisiana, 1996.
14. Champion B., Van der Bas F., Nitters G. The application of high-power sound waves for wellbore cleaning. Proc. SPE European Formation Damage Conference. The Hague, 2003.
15. Wong S.-W., Van der Bas W., Zuiderwijk P. High power/high frequency acoustic stimulation - a novel and effective wellbore stimulation technology. Proc. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Denver, 2003.
16. Amro M., Al-Mobarky M., Al-Homadhi E. Improved oil recovery by application of ultrasound waves to waterflooding. Proc. 15th SPE Middle East Oil & Gas Show and Conference. Bahrain, 2007.
