УДК 537.6/.8+665.614 

Магнитная обработка нефти. Природа воздействия

Magnetic oil treatment. Cause of exposure

Борисов Максим Игоревич, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь

Borisov M.I., borisov.m.pstu@gmail.com 

Аннотация. В наши дни большинство месторождений России находится на завершающих стадиях разработки, что диктует введение в эксплуатацию залежей, характеризующихся такими осложнениями, как высоковязкая нефть и значительное содержание асфальтосмолистых веществ. В целях борьбы с данными осложнениями применяются традиционные (тепловые, химические и механические) и альтернативные (магнитные, вибрационные и акустические поля) методы. Одним из наиболее исследуемых и перспективных методов является магнитная обработка нефти. Однако не существует однозначного объяснения воздействия магнитного поля на нефть. В рамках работы рассмотрены основные гипотезы, объясняющие данный процесс. Отмечено, что большинство авторов считают объектом обработки субмикронные соединения железа, входящие в комплекс с асфальтенами. Приведены показатели эффективности, экспериментально подтвержденные в рамках исследовательских работ.

Summary. Today, most of Russia’s fields are in the final stages of development, which dictates the commissioning of deposits characterized by high-viscosity oil and a significant content of asphalt-tar substances. Traditional (thermal, chemical, and mechanical) and alternative (magnetic, vibrational, and acoustic fields) methods are used to combat these complications. One of the most researched and promising methods is magnetic oil treatment. However, there is no clear explanation for the effect of the magnetic field on oil. In the work, the main hypotheses that explain this process are considered. It is noted that most authors consider submicron iron compounds included in the complex with asphaltenes to be the object of processing. Performance indicators that have been experimentally confirmed in the framework of research are presented.

Ключевые слова: магнит, нефть, обработка, добыча нефти, АСПО, вязкость, магнитное поле.

Key words: magnet, oil, treatment, upstream, ARPS, viscosity, magnetic field.

Введение

В настоящее время большинство месторождений России находится на поздних стадиях разработки, что обуславливает снижение остаточно извлекаемых запасов и объемов добычи нефти. В связи с этим производится активное внедрение в разработку залежей, характеризующихся следующим рядом осложнений: тяжелая высоковязкая нефть, интенсивное образование асфальтосмолопарафионвых отложений (АСПО). Данные осложнения негативно влияют на процессы эксплуатации, транспортировки и подготовки нефти и влекут за собой значительные финансовые затраты на ремонтные и очистные работы.

В целях борьбы с образованием высоковязких эмульсий (ВВЭ) все методы подразделяются на предотвращение их образования и разрушение. Для предупреждения образования ВВЭ применяют нагрев добываемой продукции, разбавление продукции маловязкой нефтью, добавление органических растворителей и деэмульгаторов [1]. Для разрушения уже образованной ВВЭ также применяются методы подогрева и подачи деэмульгатора [2,3]. Альтернативным методом предупреждения возникновения данных осложнений является обработка флюида магнитным и электромагнитным полем.

Для борьбы с АСПО применяют различные группы методов, а именно: механические (различного рода скребки), тепловые (путевой подогрев или обработки горячим агентом), химические (применение ингибиторов и растворителей) и физические (поля различной природы) [4,5].

Большое количество научно-исследовательских работ, диссертаций и патентов подтверждает, что наиболее перспективным и актуальным среди всех перечисленных методов является внедрение в процессы нефтедобычи и подготовки альтернативных методов борьбы с ВВЭ и АСПО, не требующих применение дорогостоящих сторонних агентов, — обработка добываемого флюида магнитным и электромагнитным полем.

Природа магнитного воздействия

На современном этапе развития науки пока что не имеется строгой теории, объясняющей взаимодействие магнитного поля и движущейся диамагнитной жидкости. Однако, исходя из результатов проведенных исследований, многие авторы подтверждают эффективность обработки нефти магнитным полем и, основываясь на этом, выдвигают определенные гипотезы. Далее рассмотрим основные.

Воздействие магнитного поля на нефть приводит к приобретению новых физических свойств без изменения химического состава. По мнению А.А. Злобина природа воздействия магнитного поля на нефть обусловлена селективным действием магнитного поля на электро-спиновое состояние и эволюцию парамагнитных радикальных пар асфальтенов, что приводит к структурной перестройке надмолекулярных асфальтеновых структур и изменению макропараметров нефти в целом [6]. Отличительные особенности асфальтенов – это парамагнитные свойства, которые определяются содержанием парамагнитных центров в количестве 1018–1019 спин/г, поэтому молекулы этих веществ в определенном направлении ориентируются в магнинтом поле, образуя центры кристаллизации для растворенных в жидкости веществ, что приводит к образованию комплекса «асфальтен — сульфид железа» [7] (рис.1).

Водонефтяная эмульсия является сложной субстанцией класса «нефть в воде» или «вода в нефти» (рис.2), где на границах раздела фаз образуются «бронирующие оболочки», предотвращающие саморазрушение эмульсии. Данные оболочки состоят из асфальтосмолистых веществ (АСВ) и микрочастиц соединений железа, которые образуют вышеупомянутые комплексы.

Гипотеза, также основанная на влиянии магнитного поля на соединения железа, предложена Шайдаковым: при прохождении через магнитное поле жидкости, в которой во взвешенном состоянии находятся различные агрегаты, происходит их разрушение на мелкие ферромагнитные частицы железа. В связи с этим резко увеличивается количества центров кристаллизации парафинов и солей (рис. 4). Кристаллы данных отложений выпадают в виде тонкодисперсной, устойчивой взвеси, которая может спокойно быть вынесена потоком эмульсии [9].

Общим выводом по данным гипотезам является объект воздействия магнитного поля – соединения железа, находящиеся в комплексе с асфальтеном и образующие «бронирующую оболочку». И вследствие, разрушения данных комплексов возможно:

• увеличение центров кристаллизации отложений, приводящее к уменьшению накопления их на стенках трубопровода;
• снижение дисперсности эмульсии, приводящее к улучшению реологических свойств
• поляризация капель воды, вызывающая ускорению процессов коагуляции.

Исходя из данного материала, авторы предполагают среды, в которых магнитная обработка происходит наиболее эффективно:

• содержание соединений железа 10-100 г/т;
• повышенное содержание ионов солей (в целях увеличения центров кристаллизации);
• при повышенном содержании асфальтенов относительно всей массы АСВ (поскольку именно эти компоненты обладают парамагнитными свойствами).

Предлагаемые аппараты на рынке

С целью предупреждение образования АСПО и ВВЭ применяются магнитные активаторы, работа которых основана на обработке жидкости постоянным или переменным магнитным полем.

Аппараты, образующие постоянное магнитное поле, имеют простую конструкцию: корпус, выполненный из немагнитного аппарата, и система кольцевых магнитов из редкоземельных металлов  (Nd-Fe-B или Sm-Co). Достоинством данных аппаратов является простота конструкцию и отсутствие необходимости постоянного обслуживания. Примеры аппаратов: АМС-73 и АМС-60 (рис.5).

Аппараты, образующие переменное магнитное поле, состоят из: источника сигнала, который генерирует сигналы различной формы и частоты; усилителя сигнала, который должен обеспечить необходимую мощность сигнала для создания определенных значений магнитной индукции;  электромагнит (соленоид), который создает электромагнитное поле. Достоинством данных аппаратов является возможность варьирования частоты, формы сигнала, значений магнитной индукции и напряженности, что позволяет с высокой точностью подобрать оптимальный режим обработки нефти. Примером является импульсно-магнитная установки (ИМУ-1), принципиальная схема которой приведена на рис.6.

Важными преимуществами обработки нефти магнитным полем перед другими методами борьбы с вышеперечисленным осложнениями  являются: отсутствие отрицательного влияния на окружающую среду и персонал, сохранение технологического процесса, не ухудшающего выход скважин на режим, приобретение  новых физических свойств нефтью без изменения химического состава.  

Результаты обработки

По результатам научно-исследовательских работ при правильно подобранных параметрах обработки нефти магнитным полем отмечаются положительные показатели:

• снижение скорости коррозии трубопроводов и оборудования до 50% [10];
• снижение вязкости жидкости до 30% [11];
• увеличение скорости расслоения до 50% [11];
• уменьшение интенсивности образования солеотложений и АСПО на стенках трубопроводов и оборудования [12].

Основным эффектом от внедрения рассматриваемой технологии будет являться увеличение межочистного периода скважины, снижение необходимого количества промывочных мероприятий,  как следствие, уменьшение затрат на ремонтно-очистные работы и повышение среднего дебита.

Заключение

Магнитная обработка нефти является одним из наиболее перспективных методов борьбы с ВВЭ и образованием органических отложений. Значительное количество авторов выдвигают гипотезы, объясняющие природу воздействия магнитного поля на нефть.  Практически все они сходятся на том, что объектом воздействия являются соединения железа, входящие в комплекс с асфальтенами. Научно-исследовательскими работами экспериментально подтверждена эффективность обработки нефти магнитом. В целях формирования основной теории магнитной обработки нефти необходимо проведения большого ряда испытаний, направленных на изучение влияния магнитного поля на физические параметры нефти.

Список литературы

1. Вяткин К. А., Илюшин П.Ю., Козлов А.В. Оценка эффективности применения технологий борьбы с возникающими комплексными осложнениями при сборе и транспортировке нефти // Московский экономический журнал. -2020. -№1. -С. 457-470.
2. Ляпина А.Ю., Астахова А.В., Михалёва Ю.П. Исследование температуры кристаллизации парафинов в нефти с целью уменьшения образования асфальтосмолопарафиновых отложений // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. -2017. -№7. -С.28-35.
3. Мустафина А.Н., Хаярова Д.Р. Лабораторные исследования и сравнительная оценка технологической эффективности деэмульгаторов для предотвращения образования водонефтяных эмульсий // БУЛАТОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. -2018. -№2-2. -С. 42-45.
4. Акрамов Т.Ф., Яркеева Н.Р. Борьба с отложениями парафиновых, асфальтосмолистых компонентов нефти // Нефтегазовое дело. -2017. -№4. -С.67-72
5. Аксёнов А.В. Анализ методов борьбы с асфальто-смолисто-парафиновыми отложениями (АСПО) на стенках НКТ и оборудования // Проблемы геологии и освоения недр. -С. 819-821
6. Злобин А.А. Изучение механизма магнитной активации нефти для защиты добывающих скважин от асфальтеносмолопарафиновых отложений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2017. – Т. 16, № 1. – С. 49–63.
7. Голубев И.А. Технология магнитно-фильтровальной очистки нефтезагрязненных сточных вод предприятий ТЭК. Дис. канд. техн. наук: 25.00.36. Санкт-Петербург, 2014. 153 с.
8. Шайхулов А.М., Бойчук А.А., Докичев В.А. и др. Влияние магнитного поля на деэмульсацию водонефтяной эмульсии пласта А4 Киенгопского месторождения // Нефтегазовое дело. -2014. -Т. 12. -№ 1. -С. 141–148.
9. Шайдаков В.В., Голубев М.В., Хазиев Н.Н., Емельянов А.В., Хайруллина Э.Р., Халикова А.И. Физико-химическое воздействие на добываемые продукция нефтяных скважин // Нефтегазовое дело. – № 1. – 2004. –С.26-30.
10. Ковач В.И., Аливанов В.В., Шайдаков В.В. Магнитная активация жидкости как метод защиты от коррозии // Нефтяное хозяйство 2002.- №10 -С. 126-128.
11. Инюшин Н.В., Ишемгужин Е.И., Каштанова Л.Е., Лаптев А.Б., Максимочкин В.И., Хайдаров Ф.Р., Шайдаков В.В. Аппараты для магнитной обработки жидкостей. – Уфа: Государственное издательство научно-технической литературы «Реактив», 2000. — 147с.
12. Апасов Т.К., Апасов Г.Т., Саранча А.В. Применение магнитных активаторов для борьбы с отложениями АСПО, солей и коррозией // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.