книги / Тепловая депарафинизация скважин

а )

б )

Рис. 6.5. Изменение максимальных нагрузок на головку балансира станка-качалки во времени до и после тепловых обработок: а, б, в, г —по скважинам, имеющим МОП, равный, соответственно, 30.. .60, 90, 120, 150 сут; 1 — обработка горячей нефтью; 2 —обработка горячей водой.

Исходя из этого, эффективное удаление парафиновых отложений при использовании теплоносителей на водной основе может быть достигнуто только путем перевода процесса из чисто физического в физико-химиче­ ский. Для этого необходимо пресной воде, по существу инертной сре­ де, за счет ввода химических реагентов придать свойства нефтеотмы­ вающей жидкости, способной обеспечить мелкодисперсное взвешенное состояние АСПО как в процессе тепловой обработки скважины, так и в про­ цессе остывания теплоносителя при движении рабочей жидкости по тру­ бопроводной системе. В качестве таких добавок могут быть использо­ ваны ПАВ, обладающие заданными свойствами в интервале темпера­ тур 20...90° С.

Классификация ПАВ

В основе строения молекул ПАВ лежит простой принцип дифильности, но в его пределах возможны тысячи комбинаций типов, числа и размеров функциональных групп, что вызывает необходимость классификации ПАВ.

Наиболее важной и общепринятой является классификация ПАВ по ионогенным свойствам гидрофильных групп. Она устанавливает пять типов ПАВ [115]:

1. Анионные (анионактивные) ПАВ, содержащие в молекуле гидрофоб­ ную часть и одну или несколько полярных групп и диссоциирующие в вод­ ном растворе с образованием отрицательно заряженных длинноцепочечных органических ионов, определяющих их поверхностную активность. Разли­ чают шесть основных групп [124], главенствующими представителями ко­ торых являются производные карбоновых кислот (мыла), алкилсульфаты, алкил- и алкиларилсульфонаты, сульфоэтоксилаты спиртов и карбоновых кислот.

2. Катионные (катионактивные) ПАВ, способные диссоциировать в водных растворах с образованием поверхностно-активных катионов с гид­ рофобной цепью. К катионным ПАВ относят азотсодержащие соединения,

например додециламины, соединения сульфония и сульфоксония, фосфония

иоксония.

3.Амфотерные (амфолитные) ПАВ, молекулы которых содержат по нескольку полярных групп и способны давать при диссоциации, в зависи­ мости от внешних условий (прежде всего от значений pH в водном рас­ творе), поверхностно-активные анионы или катионы. К основным группам амфотерных ПАВ относятся производные алкиламинокарбоновых кислот, алкилимидазолинов, полимерные амфолитные ПАВ.

4.Цвиттер-ионные ПАВ, полярные группы которых являются цвиттерионами, например алкилбетаины.

5.Неионные (неионогенные) ПАВ. Неионные ПАВ имеют общую фор­ мулу R-X(CH2CH2 0 )nH. Подразделяются на одиннадцать групп [105], раз­ личающихся строением гидрофобной части молекулы, зависящей от исход­ ного вещества, лежащего в основе получения полигликолевых эфиров.

К ним относятся полиоксиэтиленовые эфиры алифатических спиртов

икислот, алкилфенолы, амины.

Первые три типа ПАВ часто объединяют под общим названием ион­ ных (ионогенных) ПАВ. Цвиттер-ионные ПАВ занимают промежуточное положение между ионными и неионными ПАВ.

По растворимости в воде и маслах ПАВ подразделяют на три группы: водо-, водомасло- и маслорастворимые.

Водорастворимые ПАВ состоят из гидрофобных углеводородных ра­ дикалов и гидрофильных полярных групп, обеспечивающих растворимость всего соединения в воде. Их используют прежде всего в виде водных рас­ творов в качестве смачивателей, моющих и очищающих средств, флота­ ционных реагентов, пенообразователей и пеногасителей, деэмульгаторов, ингибиторов коррозии. Характерная особенность этих ПАВ — их высокая поверхностная активность на границе раздела вода-воздух.

Водомаслорастворимые ПАВ применяют в основном в системах нефть-вода. Гидрофильные группы в молекулах таких веществ обеспе­

чивают им растворимость в воде, а достаточно длинные углеводородные радикалы — растворимость в углеводородах. Водомаслорастворимые ПАВ используют в качестве деэмульгатров, эмульгаторов и ингибиторов корро­ зии.

Маслорастворимые ПАВ не растворяются и не диссоциируют (или слабо диссоциируют) в водных растворах. Помимо разветвленной углеводородной части, значительной молекулярной массы, обеспечивающей растворимость в углеводородах, маслорастворимые ПАВ часто содержат гидрофобные ак­ тивные группы. Как правило, эти ПАВ слабо поверхностно-активны на границе раздела жидкость-воздух. Поверхностная активность маслораство­ римых ПАВ в малополярных средах проявляется прежде всего на границах раздела с водой, а также на металлических и других твердых поверхностях.

Механизм моющего действия водных растворов ПАВ

Моющее действие водных растворов ПАВ определяет комплекс их физико-химических свойств: поверхностная активность, смачивающая, пептизирующая, солюбилизирующая, эмульгирующая, стабилизирующая и пе­ нообразующая способности [57, 112]. Под термином солюбилизация по­ нимают способность проникновения молекул низкомолекулярного веще­ ства, нерастворимого в рассматриваемой жидкости, внутрь находящихся в ней мицелл или глобул макромолекул, а пептизация —самопроизвольное диспергирование, проявляющееся в форме перехода в коллоидный раствор осадка, образовавшегося при коагуляции.

Моющее действие веществ характеризует способность этих веществ

иих растворов удалять с поверхности металла парафиновые загрязнения

ипереводить их во взвешенное состояние в виде эмульсии или суспензии. Для проявления эффективного моющего действия ПАВ должны обладать соответствующим молекулярным строением и свойствами, которые и поз­ воляют отнести их к особому классу моющих веществ.

Воснове моющего эффекта ПАВ лежит способность ПАВ адсорбиро­ ваться на границе раздела «жидкость-твердое тело».

Гидрофилизация загрязнения, т. е. резкое усиление его смачиваемости, характеризует моющее действие. Если загрязнением является жидкое ве­ щество, эффективность моющего препарата определяет его эмульгирующая способность. Если загрязнение — твердое вещество, основным свойством моющего препарата является диспергирующая, стабилизирующая и пено­ образующая способность. Благодаря малому поверхностному натяжению моющий раствор проникает в мельчайшие зазоры и трещины между части­ цами загрязнения и, адсорбируясь на этих частицах, создает расклиниваю­ щее давление, которое размельчает и отрывает их.

Тем же явлением адсорбции обусловлена стабилизирующая и пенооб­ разующая способность, удерживающая частицы загрязнений во взвешенном состоянии и способствующая их выносу с очищаемой поверхности.

Появление поверхностной активности предопределяется дифильным строением ПАВ, т. е. наличием в их молекуле двух частей, противополож­ ных по природе и свойствам и представляющих в общем случае сильнопо­ лярные и неполярные группы. Сильнополярная группа — гидрофильная — способна к межмолекулярным взаимодействиям, обусловливающим раство­ римость молекул ПАВ в воде и других полярных средах, а также прочную адсорбцию на границе раздела фаз. Неполярная (или слабополярная) гидро­ фобная группа является носителем липофильных (маслолюбивых) свойств. В большинстве случаев это углеводородные цепочки, которые определяют сродство ПАВ к углеводородным средам.

Если в молекуле ПАВ углеводородный радикал небольшой (С2-С3 ), то такое вещество полностью растворяется в воде и практически не обладает поверхностной активностью. При длине радикалов Сю-Cis полного раство­ рения ПАВ не происходит, поэтому в растворе содержатся неорганические и органические ионы, а также мицеллы-агрегаты из 50 ... 100 плотно упа­ кованных молекул ПАВ, т. е. образуется полуколлоидная система.

С учетом выше изложенного механизм моющего действия водных рас­ творов ПАВ может быть представлен тремя основными стадиями:

—смачивание моющим раствором поверхности загрязнения и свободной от загрязнений поверхности металла;

—воздействие на загрязнение путем солюбилизации, эмульгирования жидких и суспензирования твердых компонентов с последующим уда­ лением их с границы раздела металл-загрязнение;

—удержание загрязнения в объеме моющего раствора и удаление его из зоны мойки в суспензированном, эмульгированном и солюбилизиро­ ванном состоянии.

Схема осуществления моющего процесса [24] представлена на рис. 6 .6 .

Этап А. Поскольку почти все загрязнения, в том числе и асфальто­ смолопарафиновые образования, гидрофобны, то вода, обладая большим поверхностным натяжением, не смачивает загрязненные поверхности и стя­ гивается в отдельные капли.

Этап Б. Растворение в воде моющего средства обеспечивает снижение поверхностного натяжения раствора, вследствие чего он начинает смачивать парафиновые отложения и проникать в их трещины и поры.

Этап В. После проникновения ПАВ внутрь парафиновых отложений снижается сила сцепления частиц между собой и с поверхностью. Отделен­ ные частицы АСПО, увлекаемые гидродинамическим потоком с молекулами моющего средства, переходят в раствор.

Этап Г. Молекулы моющего средства обволакивают частицы АСПО и отмытую поверхность, что препятствует укрупнению частиц и оседанию их на поверхности. В результате частицы АСПО во взвешенном состоянии стабилизируются в потоке и удаляются вместе с ним.

Составы для депарафинизации скважин

Как было уже отмечено, водные растворы ПАВ обеспечивают очист­ ку загрязненных нефтепродуктами, в том числе и АСПО, металлических поверхностей. В связи с этим использование ПАВ, проявляющих универ­ сальные гидрофобно-гидрофильные свойства, позволяющие одному концу

Рис. 6.6. Схема действия ПАВ на АСПО из раствора: А, Б, В, Г — этапы процесса; 1 — капля воды; 2 — АСПО; 3 — поверхность металла; 4 — раствор ПАВ; 5 — гидрофильная часть моле­ кулы ПАВ; 6 — гидрофобная часть молекулы ПАВ (радикал); 7 — пере­ вод частиц АСПО в раствор; 8 — ча­ стицы АСПО, стабилизированные в растворе; 9 — адсорбированные моле­ кулы ПАВ на очищенной поверхно­ сти металла.

молекул ПАВ взаимодействовать с молекулами АСПО, а другому — с моле­ кулами воды, в составе теплоносителей на водной основе является вполне обоснованным и разумным решением. В процессе осуществления горя­ чей промывки скважин ПАВ, накапливаясь на границе раздела фаз АС- ПО-металлическая поверхность, обеспечивают эффективное отделение ча­ стиц АСПО от поверхности труб.

Химически-активные добавки для композиционных систем теплоноси­ телей на водной основе исследовались в лаборатории добычи нефти ин­ ститута «УдмуртНИПИнефть». В качестве базового реагента и отправной точки были выбраны препараты типа МЛ, являющиеся основой многих составов, используемых для очистки загрязненных нефтепродуктами по­ верхностей. Данные препараты разработаны аналитической лабораторией Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР, где впервые были

сформулированы и реализованы требования к многофункциональным тех­ ническим моющим средствам (ТМС).

Методика исследования по выбору химически-активных добавок ха­ рактерна следующими действиями. Пресную водопроводную воду с ис­ пытываемыми реагентами нагревают в стеклянной колбе до температуры порядка 70 ... 80° С, добавляют промысловый парафин и расплавляют при постоянном перемешивании. После расплавления парафина осуществляют естественное охлаждение системы при незначительном перемешивании. По достижении раствором температуры 30° С оценивают состояние парафина и системы в целом. При этом фиксируют величину дисперсии парафина, размеры слипшихся комочков, устойчивость взвеси парафина в объеме рас­ твора. Составы, обладающие устойчивой дисперсией парафина в растворе без образования комочков и замазывания поверхности колбы, считают вы­ державшими испытания. Несколько рекомендуемых составов для горячей промывки скважин отражены в табл. 6.4.

Наиболее простые и достаточно эффективные составы основаны на использовании реагентов РТ-1М и МЛ-супер.

Более сложные, но и более эффективные системы, включающие по­ лимеры (ПАА, биополимер) и жидкое стекло, обеспечивают загущение раствора и 100%-е удержание диспергированных частиц парафина в объ­ еме, что способствует полному выносу АСПО из скважины. Выбор ПАА для этих целей не случаен. Ранее в работе [52] было показано, что вод­ ные растворы ПАА обладают смачивающим, диспергирующим и гидрофилизирующим действием по отношению к парафинам и металличе­ ским поверхностям. Водный раствор ПАА, вытесняя с поверхности ме­ талла частицы парафиновых отложений, смачивает металлические по­ верхности — стенки труб, образуя на них адсорбционные гелеобразные слои (пленки) гидрофильного характера. Эта пленка является энергети­ ческим барьером возникновению и росту кристаллов парафина, предот­ вращая тем самым дальнейшее отложение его в течение длительного

Таблица 6.4. Рекомендуемые составы жидкостей для горячей промывки скважин

времени. Благодаря этому ПАА обеспечивает последующее ингибирую­ щее действие. Для обеспечения более оперативного проведения горячих промывок раствор ПАА может быть приготовлен заранее в отдельной емкости.

Введение высокомолекулярных полимеров, помимо упомянутых функ­ циональных особенностей их применения, обеспечивает уменьшение теп­ ловых потерь в процессе закачки горячего теплоносителя в скважину [2 ]. Так, например, за счет добавки к закачиваемой воде 0,03% гуаровой смолы при числах Re порядка 5 • 104 достигают снижения теплообмена в трубах и коэффициента теплоотдачи в 3 раза. Помимо этого, использование поли­ мерных добавок приводит и к значительному снижению потерь в трубах

(эффект Томаса), что позволяет уменьшить затраты мощности на закачку

теплоносителя.

Приготовление промывочной жидкости на водной основе

Вкачестве теплоносителя на водной основе предложено шесть различ­ ных композиций, см. табл. 6.4. Две из них (1,2) являются наиболее просты­ ми двухкомпонентными системами, включающими пресную воду и ПАВ.

Всостав остальных (3-6) дополнительно введены еще и полимерные ин­ гредиенты. Помимо того что данные композиции являются трехкомпонент­ ными системами, они еще и более сложны в приготовлении, поскольку рас­ творение полимеров требует более тщательного подхода к осуществлению процесса его растворения.

Всвязи с этим процесс приготовления композиций водных раство­

ров теплоносителя рассмотрен на примере приготовления состава № 4 . В небольшой емкости, заполненной 6 м3 пресной воды, насосным агре­ гатом установки АДП при закрытом трубопроводе к нагревателю уста­ навливают циркуляцию жидкости по схеме агрегат-емкость. Небольши­ ми порциями в емкость высыпают расчетное количество порошка ПАА и производят циркуляцию жидкости в течение 20 ... 30 минут. Затем, для распускания полимера, прекращают циркуляцию на 30 мин. После этого восстанавливают циркуляцию жидкости, добавляя в нее неболь­ шими порциями расчетное количество третьего компонента РТ-1М, еще на 15... 20 минут.

Полученный раствор доводят до требуемого объема, после чего с помо­ щью насосного агрегата АДП раствор перемешивают в течение 15 ... 20 ми­ нут и направляют по проводящему трубопроводу к нагревателю. Нагретую до заданной температуры жидкость нагнетают в скважину.

Полученные выводы

1) Техническая пресная вода пригодна в качестве нагреваемой среды в агрегатах АДП.