figure

Asphalt-milling-paraffin deposits (AFS)

Одной из проблем, вызывающих осложнения в работе скважин при добыче нефти, а также в работе нефтепромыслового оборудования и трубопроводных коммуникаций являются АСПО – асфальтомолотопарафиновые отложения.

Накопление АСПО в проточной части нефтепромыслового оборудования, а также внутри труб приводит к уменьшению межремонтного периода работы скважин,  снижению производительности системы, снижению эффективности работы насосных установок.

АСПО в НКТ

АСПО – сложная углеводородная смесь, которая состоит из парафинов, асфальто-смолистых веществ (АСВ), силикагелевой смолы, воды, масел, механических примесей.

Парафины (20%-70% по массе в АСПО) – являются углеводами метанового ряда, находятся в нефти в растворенном состоянии. Классифицируются на:

  • Малопарафиновые – менее 1,5%;
  • Парафиновые – от 1,5% до 6%;
  • Высокопарафиновые – более 6%.

Парафины устойчивы к действию кислот и щелочей, легко окисляются на воздухе.

Церезины (высокомолекулярные парафины) отличаются более высокой температурой кипения, чем обычные парафины, и большей молекулярной плотностью и массой.

В состав асфалто-смолистых веществ входят сера, азот и кислород.

Асфальто-смолистые вещества нелетучи, обладают высокой молекулярной массой, неоднородны.

Содержание смолистых веществ в нефти при контакте с водой, а также в связи с окислением и испарением, возрастает.

Также к группе смолистых соединений относятся и асфальтены.

Асфальтены (5% по массе в нефти) – порошковые вещества бурого или коричневого цвета, плотностью больше единицы.

В асфальтенах содержатся следующие вещества:

  • Углерод – 80%-86% по массе;
  • Водород – 7%-9% по массе;
  • Сера – 9% по массе;
  • Кислород – 1%-9: по массе;
  • Азот – 1,5% по массе.

Данные вещества являются наиболее высокоплавкой и малорастворимой частью осадков тяжелых компонентов нефти.

Согласно современным физико-химическим представлениям, нефтяные дисперсные системы относятся к классу коллоидов, в которых дисперсная фаза из АСВ диспергирована в мальтеновой дисперсионной среде. Физико-химические свойства и технологические характеристики нефти во многом обусловлены межмолекулярным взаимодействием в системах асфальтены-смолы и мальтены-смолы-асфальтены.

Компонентный состав АСПО может сильно изменяться в пределах одного нефтедобывающего региона, и даже в пределах отдельного месторождения.

Знание состава АСПО имеет практическое значение для оптимального подбора химических реагентов.

Для физико-химического исследования состава и структуры АСПО на практике известно множество методов, среди которых экстракционный, хроматографический, термический, спектральный, электрохимический и др.

Причины и условия образования АСПО

Стадии образования и роста АСПО:

  • Зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов;
  • Осаждение мельчайших кристаллов на поверхности металла;
  • Осаждение более крупных кристаллов на запарафиненную поверхность.

Основными факторами, влияющими на АСПО, являются:

  • Снижение давления на забое и связанное с этим нарушение гидродинамического равновесия газожидкостной системы;
  • Интенсивное газовыделение;
  • Уменьшение температуры в пласте и стволе скважины;
  • Изменение скорости движения газожидкостной смеси и отдельных ее компонентов;
  • Состав углеводородов в каждой фазе смеси;
  • Соотношение объема фаз;
  • Состояние поверхности труб.

Влияние давления на забое и в стволе скважины

Когда забойное давление меньше давления насыщения нефти газом, равновесное состояние системы нарушается, вследствие чего увеличивается объем газовой фазы, а жидкая фаза становится нестабильной. Это приводит к выделению из нее парафинов. При этом нарушение равновесного состояния происходит в пласте, и выпадение парафина возможно как в пласте, так и в скважине, начиная от забоя.

При насосном способе эксплуатации давление на приеме насоса меньше, чем давление насыщения нефти газом. Это может привести к выпадению парафина в приемной части насоса и на стенках эксплуатационной колонны.

В колонне НКТ (насосно-компрессорных труб) образуются две зоны:

  • Выкидная часть насоса – давление резко возрастает и становится больше давления насыщения, вероятность отложения в этом интервале минимальна.
  • Зона снижения давления до давления насыщения и ниже, здесь начинается интенсивное выделение парафина.

В фонтанных скважинах, при поддержании давления у башмака равным давлению насыщения, выпадения парафина следует ожидать в колонне НКТ.

Как показывает практика , основными местами образования отложений парафина являются: скважинные насосы, насосно-компрессорные трубы, выкидные линии от скважин, резервуары промысловых сборных пунктов. Наиболее интенсивно парафин откладывается на внутренней поверхности подъемных труб скважин.

Для борьбы с АСПО следует работать в двух направлениях – предупреждение образования отложений, а также удаление уже образовавшихся отложений.

На сегодняшний день существует несколько наиболее применяемых и эффективных методов борьбы с АСПО. Многообразие условий разработки нефтяных месторождений и различие характеристик добываемой продукции часто требует индивидуального подхода, и даже разработки новых технологий.

В настоящее время наиболее широко используются химические методы, базирующиеся на дозировании в добываемой продукции соединений, они уменьшают, а иногда и полностью предотвращают образование отложений.

Химические реагенты для предотвращения образования АСПО подразделяются на:

  • Смачивающие – образуют на поверхности металла гидрофильную пленку, препятствующую адгезии кристаллов парафина к трубам, что создает условия для выноса их потоком жидкости. К ним относятся полиакриламид, кислые органические фосфаты, силикаты щелочных металлов, водные растворы синтетических полимерных ПАВ;
  • Модификаторы – ослабляют процесс укрупнения кристаллов, взаимодействуя с молекулами парафинов. Это способствует поддержанию кристаллов во взвешенном состоянии в процессе их движения. Такими свойствами обладают: атактический пропилен с молекулярной массой 2000-3000, низкомолекулярный полиизобутилен с молекулярной массой 8000-12000, сополимеры: алифатические, этилена и сложного эфира с двойной связью; тройной сополимер этилен с винилацетатом и винилпиролидоном; полимер с молекулярной массой 2500-3000.
  • Депрессаторы – адсорбируют молекулы на кристаллах парафина, что затрудняет их способность к агрегации и накоплению.
  • Диспергаторы – обеспечивают образование тонкодисперсной системы, которая уносится потоком нефти, что препятствует отложению кристаллов парафина на стенках труб. К ним относятся соли металлов, соли высших синтетических жирных кислот, силикатно-сульфанольные растворы, сульфатированный щелочной лигнин.

Использование химреагентов для предотвращения образования АСПО во многих случаях совмещается с:

  • процессом разрушения устойчивых нефтяных эмульсий;
  • защитой нефтепромыслового оборудования от коррозии;
  • защитой от отложений солей;
  • процессом формирования оптимальных структур газожидкостного потока.

Разработан достаточно широкий ассортимент химических реагентов для борьбы с АСПО:

  • Бутилбензольная фракция (бутиленбензол, изопропилбензол, полиалкилбензолы);
  • Толуольная фракция (толуол, изопентан, н-пентан, изопрен);
  • Смесь парафиновых углеводородов нормального и изостроения и ароматических углеводородов;
  • Углеводородная композиция, состоящая их легкой пиролизной смолы и гексановой фракции;
  • Смесь синтетических ПАВ разных классов и различного химического состава;
  • Сложные смеси оксиалкилированных ПАВ и ароматических углеводородов;
  • Комплексное воздействие на АСПО и коррозию при помощи реагента ИКБ-4;
  • Сополимер этилена с винилацетатом СЭВА-28.

Недостатком химического метода является сложность подбора эффективного реагента, связанная с постоянным изменением условий эксплуатации в процессе разработки месторождения, а также высокая стоимость.

Физические методы основаны на действии механических и  ультразвуковых колебаний (вибрационные методы), а также электрических, магнитных и электромагнитных полей.

Вибрационные методы основаны на создании в области парафинообразования ультразвуковых колебаний, которые, воздействуя на кристаллы парафина, вызывают их микроперемещение, что препятствует осаждению на стенках труб.

Воздействие магнитных полей следует отнести к наиболее перспективным из физических методов. Под действием магнитных полей на движущуюся жидкость происходит разрушение агрегатов, состоящих из субмикронных ферромагнитных микрочастиц соединений железа, находящихся в типичных концентрациях 10-100 г/т в нефти и попутной воде. В каждом агрегате содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч микрочастиц, поэтому разрушение агрегатов приводит к резкому (в 100-1000 раз) увеличению концентрации центров кристаллизации парафинов и солей и формированию на поверхности ферромагнитных частиц пузырьков газа микронных размеров. В результате разрушения агрегатов кристаллы парафина выпадают в виде тонкодисперсной, объемной, устойчивой взвеси, а скорость роста отложений уменьшается пропорционально уменьшению средних размеров выпавших совместно со смолами и асфальтенами в твердую фазу кристаллов парафина.

Образование микропузырьков газа в центрах кристаллизации после магнитной обработки обеспечивает газлифтный эффект, ведущий к росту дебита скважин.

Помимо химических методов удаления АСПО, в нефтедобыче используются также тепловые и механические методы.

Тепловые методы основаны на свойствах парафина плавиться при температурах выше 50 0С и стекать с нагретой поверхности. Для создания необходимой температуры требуется специальный источник тепла, который может быть помещен непосредственно в зону отложений или вырабатывать теплосодержащий агент. В настоящее время используются следующие технологии с применением:

  • Горячей нефти или воды в качестве теплоносителя;
  • Острого пара;
  • Электропечей наземного и скважинного исполнения;
  • Электродепарафинизаторов (индукционных подогревателей), осуществляющих подогрев нефти в скважине;
  • Реагентов, при взаимодействии которых протекают экзотермические реакции.

Недостатками данных методов является высокая энергоемкость, повышенная электроопасность и пожароопасность, и ненадежность конструкции при достаточно невысокой эффективности.

Применение растворителей для удаления уже образовавшихся отложений является одним из наиболее известных и распространенных методов в технологических процессах добычи, транспорта, хранения и переработки нефти.

Механические методы предполагают удаление уже образовавшихся отложений АСПО. Для этой цели разработана целая гамма различных очистных устройств, описанных ниже.

Как метод предотвращения АСПО, следует отдельно выделить применение гладких защитных покрытий из лаков, стекла и эмали.