Процесс кристаллизации и образования асфальтосмоло-парафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах
АСПО – сложная гетерогенная система, состоящая из парафинов, асфальтенов, смол, воды и механических примесей. Наиболее часто АСПО вызваны наличием высокомолекулярных парафинов в нефти. Высокомолекулярные парафины в большем или меньшем количестве практически всегда присутствуют в добываемой нефти. Содержащиеся в нефти парафины могут выделяться из нее при температуре начала кристаллизации парафинов, зависящей от химического состава нефти,и от молекулярной массы растворенных в этой нефти парафинов. Первыми начинают кристаллизовываться парафины с более высокой молекулярной массой. При дальнейшем понижении температуры кристаллы увеличиваются в размерах, увеличивается также их количество и образуется так называемая сетка, состоящая из кристаллов парафинов разных размеров, сцепленных между собой. Эта сетка «армирует» нефть: нефть становится вязкой, а затем гелеподобной. При определенной температуре нефть, в достаточной степени армированная парафиновой сеткой, «застывает» и перестает течь.
Ввиду своей небольшой температуры плавления (порядка 60...65С), парафин свободно при нагреве переходит из твёрдого состояния в жидкое, а при охлаждении могут образовываться центры кристаллизации.
Физико-химическая структура нефти определяется взаимной растворимостью ее компонентов. При температурах выше температуры плавления все компоненты нефтей полностью растворяются друг в друге.
|
|
|
Ограниченная растворимость наступает лишь после снижения температуры нефти ниже температуры застывания части компонентов.
Наиболее высокоплавкими компонентами нефтей, как мы говорили ранее, являются асфальтены, поэтому только они являются ограниченно растворимыми компонентами. При температурах выше температур кристаллизации парафинов асфальтены образуют ядро, а смолы – сольватную оболочку, окружающую ядро. Сольватная оболочка снижает поверхностное натяжение между асфальтеном и средой, обеспечивая агрегативную устойчивость асфальтенов. В таком состоянии они не сильно оказывают влияние на процесс кристаллизации углеводородов. Картина принципиально меняется, если нефть перед охлаждением подвергалась определенной термообработке. При нагреве нефти из -за повышения подвижности молекул смол сольватная оболочка дисперсных частиц разрушается. Благодаря таким превращениям при дальнейшем охлаждении нефти и кристаллизации углеводородов молекулы смол, ранее образовавшие сольватные оболочки вокруг асфальтенов, смогут участвовать в образовании дисперсных частиц с твердыми углеводородами, а кристаллические частицы асфальтенов частично могут оказаться центрами кристаллизации углеводородов, частично могут адсорбировать на своих поверхностях кристаллы углеводородов, образуя крупные агрегаты. При температурах ниже температуры насыщения нефти парафинами образуется новая твердая фаза мельчайших частиц, состоящая из наиболее высокоплавких парафинов. При дальнейшем снижении температуры, после достижения характерного для каждой нефти ее критического значения, благодаря повышению концентрации дисперсной фазы нефть превращается в связнодисперсную систему – гель, в которой дисперсные частицы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил и образуют своеобразные пространственные сетки, формируя структурные каркасы и превращая нефть в структурированную жидкость.
|
|
|
На практике отложения чаще всего представляю собой гелеобразную смесь, состоящую из АСПО, стабилизированных глобул воды, механических примесей и минеральных солей. При этом основным материалом отложений является парафин, а смолы и асфальтены выступают в роли цементирующего вещества.
Подавляющее большинство способов разработки месторождений, применяющихся в настоящее время в практике, связано с изменением в процессе разработки первоначальных пластовых условий – давления и температуры, вследствие чего меняются в процессе разработки и физические свойства пластовых нефтей. В процессе эксплуатации месторождений нефть направляется в забой скважин и поднимается на поверхность по НКТ. Этот процесс вызывает уменьшение давления и температуры, отделение фазового газа из углеводородов с легкими парафинами. Нарушение термодинамического и фазового равновесий в этих случаях приводит к отделению тяжёлых компонентов, таких как асфальтены и смолы, от сырой нефти. Такое нарушение равновесия также приводит к уменьшению растворимости твердых парафинов, что увеличивается риск их кристаллизации.
|
|
|
Исследования показывают, что существует последовательность кристаллизации парафинов, начиная от парафинов с более высоким молекулярным весом. В начале процесса кристаллизации кристаллы парафина обычно имеют форму пирамиды или тонкой пластинки, которые расположены в беспорядке в нефти. Далее по мере снижения температуры увеличивается размер кристаллов парафина, и эти кристаллы переплетаются. В месте контакта кристаллов образуются связи. Такие связи образуют трехмерную пространственную сетку кристаллов парафина в нефти. Таким образом, в зависимости от типов связей, если нефть находится в подвижном состоянии, и при этом другие компоненты нефти обычно присутствуют в пустой части трехмерной пространственной сетки, то нефть более пластична. Когда эта трехмерная пространственная сетка развивается до некоторой степени, другие компоненты запираются, и нефть не может двигаться, происходит застывание нефти. В случае если нефть находится в неподвижном состоянии, связь всего пространства нарушается, и возникают локальные твердые фазы парафинов.
|
|
|
Современные представления о механизме образования парафиновых отложений на скважинном оборудовании можно условно подразделить на осадочно - объемную теорию и кристаллизационно - поверхностную.
Первая предполагает, что кристаллы парафина образуются в объеме движущейся нефти, постепенно оседают на поверхности металла и закрепляются на ней, образуя постепенно осадочный слой органических отложений.
По второму механизму парафиновые кристаллы образуются непосредственно на металлической поверхности и постепенно кристаллизуются в комплексы. Процесс кристаллизации парафина на поверхности идет за счет подпитки из нефтяного раствора.
Существует еще и третий механизм – это смешанный, имеющий все особенности первых двух. При этом состояние поверхности и ее природы существенным образом влияют на течение процесса образования парафиновых отложений.
Таким образом, принимая тот или иной механизм образования АСПО за базу, подходы в борьбе с предупреждением органических отложений будут разные.
Необходимыми условиями формирования парафиновых отложений являются:
- наличие в нефти высокомолекулярных соединений углеводородов, и в первую очередь метанового ряда(парафинов);
- снижение пластового давления до давления насыщения;
- снижение температуры потока до значений, при которых происходит выделение твердой фазы из нефти;
- наличие подложки с пониженной температурой, на которой кристаллизуются высокомолекулярные углеводороды с достаточно прочным сцеплением их с поверхностью, исключаю ее возможность срыва отложений потоком газожидкостной смеси или нефти при заданном технологическом режиме.
Факторы, способствующие или препятствующие интенсивному формированию парафиновых отложений, к наиболее существенным из них могут быть отнесены следующие.
1. Скорость потока. Как показали исследования, в начале интенсивность отложений растет с увеличением скорости за счет увеличения массового переноса, а затем снижается, поскольку возрастают касательные напряжения, повышающие прочность сцепления парафина с поверхностью оборудования.
2. Газовый фактор и сам процесс выделения газа при снижении давления. С выделением и расширением газа понижается температура, а присутствие газа в потоке усиливает массообмен, в результате доля парафиновых углеводородов, кристаллизирующихся на поверхности оборудования, существенно возрастает.
3. Наличие механических примесей, являющихся активными центрами.
4. Кристаллизация может привести к уменьшению интенсивности отложения парафина за счет снижения состояния перенасыщения нефти последним и увеличение его доли кристаллизации в объеме.
5.Состояние поверхности оборудования (подложки) оказывает существенное влияние на прочность отложений, в частности полярность материала подложки и качество поверхности (гладкость). Чем выше значение полярности материала и ее гладкость, глянцевитость (чистота обработки), тем меньше адгезия, а следовательно, при меньших скоростях потока будут срываться парафиновые образования с таких поверхностей.
6. Обводненность продукции скважины. Она оказывает двоякое действие. Вначале при малом содержании воды в нефти и прочих равных условиях наблюдается некоторое повышение интенсивности отложений парафина, а затем с увеличением доли воды в потоке интенсивность снижается как за счет повышения температуры потока (теплоемкость воды в 1,6... 1,8 раза больше нефти), так и за счет обращения фаз, при котором ухудшается контакт нефти с поверхностью оборудования.
На образование АСПО оказывают существенное влияние:
- снижение давления на забое скважины 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, сечение и форма трубопроводов.
Факторы, влияющие на процесс образования АСПО: шероховатость стенки трубы, скорость притока, количество парафинов в притоке, форма и размер частиц.
Важнейшей характеристикой образования твердой фазы является температура кристаллизации парафина, это температура при которой появляются первые микрокристаллы парафина.
Если температура насыщения нефти парафином близка пластовой температуре, то создаются условия для образования АСПО в призабойной зоне пласта и нижней части ствола скважины. Таким образом, температура насыщения нефти парафином определяет глубину начала кристаллизации АСПО в скважине и интервал осадкообразования.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 771; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!