книги / Тепловая депарафинизация скважин

Температура плавления парафинов, °С

Рис. 2.16. Температурная модель распределения парафиновых отложений по длине НКТ: 2,3 — соответственно, минимальные и максимальные значения температур плавления парафинов, входящих в состав АСПО; 1 — температура плавления АСПО.

стью [132]. Противоположную характеристику имеют парафины с относи­ тельно низким молекулярным весом и изостроением.

Механическая прочность смол и асфальтенов зависит от множества факторов, и прежде всего — от состава молекул и количества входящих в них полярных групп, обеспечивающих увеличение, как сил молекулярного взаимодействия, так и коагуляционных сил между агрегатами.

Асфальтены и смолы относятся к категории твердых аморфных тел, причем первые в составе нефти присутствуют в виде истинных или кол­ лоидных растворов. Таков же характер присутствия и смол, но с меньшей склонностью выделяться в твердую фазу ввиду более низкого молекуляр-

Таблица 2.11. Температуры плавления АСПО и парафинов по длине колонны НКТ

	Глубина отло­	Содержание	Температура	Интервал температур плавления
	жения АСПО		плавления	парафинов, входящих в состав
		парафинов
	по колонне		АСПО на дан-	АСПО, °С
		в отложении, %
	НКТ, м		ной глубине, °С	минимальный	максимальный
	50	35,38	52,2	29,2	66,6
	100	31,02	53,0	30,0	69,0
	200	26,66	54,3	32,3	71,6
	300	24,36	55,5	33,0	74,0
	400	22,69	56,6	34,6	75,6
	500	21,28	57,6	35,6	76,6
	600	20,12	58,5	36,5	77,5
	700	19,23	59,3	37,3	78,3
	800	18,46	60,0	38,0	79,0
	900	17,69	60,6	38,6	79,0
	1000	16,24	61,1	39,1	79,1

ного веса по отношению к асфальтенам и хорошей растворимостью во всех жидких углеводородах, входящих в состав нефти.

Эффективность тепловой депарафинизации скважин зависит от меха­ нических свойств удаляемых парафиновых отложений и определяющих эти свойства структуры отложений, действующих межмолекулярных сил сцеп­ ления и величины адгезии с металлической поверхностью. В связи с этим исследование физико-химических свойств приобретает первостепенное зна­ чение и представляет несомненный практический интерес.

Под понятием механические свойства парафиновых отложений, прежде всего, следует понимать величину их механической прочности, поскольку отложения по своей природе представляют из себя твердые образования. В качестве оценочного показателя величины прочности парафиновых от­

ложений может быть использован критерий твердости как показатель, наи­ более реально определяемый в лабораторных условиях и подкрепленный инструментальными замерами. В качестве одного из способов оценки твер­ дости отложений может быть принят ГОСТ 25771-83 «Метод определения пенетрации иглой» [42]. Сущность метода заключается в измерении глу­ бины погружения иглы пенетрометра в пробу испытуемого парафина при температуре испытания под нагрузкой 100 гс в течение 5 с и выражается в единицах, соответствующих десятым долям миллиметра (0,1 мм). Измере­ ния производят на ручном или автоматическом лабораторном пенетрометре ПН-1, ЛП-1 или приборе Вика ОГЦ-1. Приборы для определения пенетра­ ции парафинов должны соответствовать ГОСТ 1440-78 [35].

Измерение глубины погружения пенетрационной иглы производят в следующей последовательности.

Подготовка к испытанию. Испытуемую пробу продукта нагревают в стеклянном стакане до температуры приблизительно на 20° С выше тем­ пературы плавления, не допуская местных перегревов. Затем пробу освобо­ ждают от пузырьков воздуха, помешивая ее стеклянной палочкой, и зали­ вают в цилиндр, устанавливаемый на латунную или стеклянную пластину, смазанную раствором глицерина, до образования выпуклого мениска.

Цилиндры представляют собой открытые с обоих концов, с внутренним диаметром 25, высотой 32, толщиной 3 мм латунные изделия с гладкими торцовыми поверхностями.

Залитую пробу продукта вместе с цилиндром и пластиной охлаждают при температуре (25 ± 2)° С не менее 30 мин, после чего избыток пробы срезают с верха цилиндра и удаляют латунную пластину. Затем цилиндр с пробой переворачивают нижней поверхностью вверх, помещают в водя­ ную баню на подставку с отверстиями и выдерживают в течение 30 мин при температуре испытания с погрешностью не более 0,1° С.

Проведение испытаний. Цилиндр с пробой из основной бани перено­ сят в небольшую баню и устанавливают на подставке с отверстиями ниж­

ней поверхностью вверх. Подготовленную баню с пробой устанавливают на столик пенетрометра так, чтобы игла находилась над поверхностью про­ бы. Пенетрационную иглу поднимают вверх до упора, проверяют на экране нулевое положение визирной линии нажатием кнопки «Шкала».

Вращая маховик столика, поднимают его до момента соприкоснове­ ния острия пенетрационной иглы с поверхностью пробы. Соприкосновение иглы и поверхности пробы проверяют по световому отражению иглы на поверхности пробы с помощью лупы.

Нажимают кнопку «Пуск», одновременно включается индикаторная лампа на блоке управления. По истечении 5 с, что соответствует включению индикаторной лампы, нажимают кнопку «Шкала» и записывают результат определения глубины по данным, полученным на освещенном экране.

Четыре определения выполняют в точках, расположенных приблизи­ тельно на равных расстояниях друг от друга (не менее 13 мм одна от дру­ гой). Точки должны быть расположены по кругу на расстоянии 3 мм от стенок цилиндра. Перед каждым определением тщательно вытирают конец иглы чистой и сухой салфеткой, устанавливают иглу и повторяют опреде­ ление. За результат определения пенетрации принимают среднее арифме­ тическое четырех измерений одной пробы.

Согласно исследованиям [64] механическая прочность высокомолеку­ лярных углеводородных образований зависит исключительно от содержа­ ния в них парафиновых фракций, которые и определяют их индивидуаль­ ные свойства. Результаты этих исследований приведены на рис. 2.17. Для удобства сопоставления результатов исследований принят единый показа­ тель относительной прочности парафиноотложений. За величину предель­ ной прочности принята прочность чистого плиточного парафина с темпе­ ратурой плавления, равной 54° С. Исследования показали:

—прочность парафиновых отложений зависит от содержания парафина. С увеличением в образцах количества парафина и уменьшением содер­ жания нефти прочность отложений возрастает, рис. 2.176;

—прочность парафиновых отложений различна по сечению трубы. Обра­ зец парафиноотложений, взятый непосредственно у стенки трубы (3), имеет значительно большую прочность, чем образец поверхностного слоя отложений (7), рис. 2.17 а.

Структурно-групповой состав и свойства слоев АСПО, расположенных на различном расстоянии от поверхности металла, различны. Чем ближе к поверхности металла, тем больше в составе АСПО карбенов, карбоидов, минеральных веществ и меньше воды, табл. 2.12. Это, с одной стороны, связано с каталитическим влиянием металла, ускоряющим в тонких слоях консекутивные реакции полимеризации и поликонденсации нефти и обра­ зования их конечных продуктов, с другой —с генезисом образований отло­ жений, так как прилегающий непосредственно к металлу слой АСПО имеет состав, отличный от состава позднее образованных покрывающих слоев.

Таблица 2.12. Температуры плавления АСПО и парафинов по длине колонны НКТ

				Состав АСПО, %								Относительная
Место				в том числе									плотность
	органические	вещества			асфальтены		и карбоиды		минеральные	вещества
отбора			масла	смолы		карбены		прочие			вода
пробы
Наружный слой	67,0		47,7	12,1	3,9	2,9		0,4	8,6		24,4	0,97
Внутренний слой	• 65,9		53,0	27,7	6,3	12,2		0,5	16,2		17,9	1,001

Значительный интерес представляет кривая механической прочности старых отложений (2), выдержанных длительное время на воздухе. Как показали исследования, несмотря на малое содержание в них парафинов (13,1%), прочность их довольна значительная и приближается к прочности чистого парафина. Это может быть объяснено, при прочих равных условиях, испарением жидких компонентов пробы, полимеризацией смол в асфальте-

Температура, °С

Рис. 2.17. Зависимость механической прочности парафиновых образований от тем­ пературы: 1 — чистый парафин; 2 — старые отложения; 3 — отобранные непосред­ ственно у стенки трубы; 4 — смесь парафина с нефтью — 60/40%; 5 — смесь парафина с нефтью — 40/60%; 6 — церезин; 7 — отобранные с поверхностного слоя в трубе.

ны под воздействием окисления и соответствующим структурным преобра­ зованиям, поскольку обогащение состава смол и асфальтенов кислородом приводит к росту коагуляционной способности этих компонентов [132].

Церезиновая фракция относится к мягким парафинам и имеет мень­ шую прочность по сравнению с парафиновой фракцией, рис. 2.16 в.

Механическая прочность парафиновых отложений может быть характе­ ризована показателем физического параметра структуры —величиной пре­ дельного напряжения сдвига данных отложений с исследуемой поверхно­ сти.

Сцепляемостъ парафина с металлической поверхностью. Влияние природы поверхности на интенсивность ее запарафинивания проявляется в том, насколько эта поверхность является подходящим объектом для воз­ никновения и прочного закрепления на ней кристаллов парафина. В связи с этим наиболее важным параметром, влияющим на развитие и рост парафиноотложений на материалах различной природы, является величина сцепляемости парафина с поверхностью этого материала.

Естественный процесс накопления отложений парафина на поверхно­ стях чередуется с их периодическими срывами. При этом кристаллы пара­ фина при охлаждении нефти возникают на поверхности любой природы, но интенсивность их накопления определяется как соотношением сил сцепле­ ния с поверхностью, так и сдвигающим усилием потока нефти. Срыву отло­ жений всегда предшествует их сдвиг относительно поверхности, на которой они возникли [22]. Следовательно, механизм влияния природы поверхно­ сти на интенсивность ее запарафинивания определяется теми же законами и в той же мере, в какой природа поверхности и качество граничных слоев определяют величину статического граничного трения при нулевых нагруз­ ках. Это позволяет подойти к рассмотрению данного вопроса с позиций теории двучленного закона трения, разработанного Б. В. Дерягиным [44].

Возможность использования этих закономерностей применительно к условиям отложения парафина обусловливается однотипностью физиче­

ских процессов [121]. К особенностям рассматриваемой задачи следует от­

нести следующее:

—номинальная площадь контакта соприкасающихся пар (твердый пара­ фин — поверхность) близка к истинной или меньше ее;

—нормальное давление равно нулю.

Приняв за основу формулу, предложенную Б. В. Дерягиным для опре­ деления трения с учетом молекулярной природы соприкасающихся тел, и введя в нее необходимые коэффициенты, можно определить силу сдвига, обеспечивающую срыв парафиновых отложений с поверхности различной природы,

F = к [fi ■N 4- S (р • р0 + х •

где к — температурный коэффициент; ц — истинный коэффициент трения, зависящий от атомно-молекулярной шероховатости; N — нормальное дав­ ление на соприкасающиеся тела; S — площадь контакта соприкасающихся поверхностей; р0 — удельное давление прилипания, зависящее от природы соприкасающихся поверхностей; х —коэффициент, определяющий соотно­ шение площади когезионного отрыва парафина и общей площади контакта;

сг —напряжение среза по массе парафиновых отложений.

Отбраковывая образцы парафина, не давшие адгезионного отрыва, и принимая к = 1 при температуре опыта 19... 25° С, усилие сдвига можно определять по формуле Б. В. Дерягина

F = v (N + S - p 0).

Из формулы следует, что величина статического напряжения сдвига пропорциональна истинному коэффициенту трения, удельному давлению прилипания (адгезии) и площади контакта соприкасающихся твердых тел. Иными словами, формула практически универсальна, поскольку она учиты­ вает такие факторы, как атомно-молекулярную шероховатость ц, природу

соприкасающихся поверхностей р0, качество обработки одной из соприка­ сающихся поверхностей и температурные условия сдвига. В данном случае речь идет только об одной соприкасающейся поверхности, поскольку при возникновении смолопарафиновых отложений в конечном итоге все неров­ ности заполняются растущими кристаллами парафина, и именно эта поверх­ ность, играющая роль подложки, определяет истинную площадь контакта рассматриваемых твердых тел.

Для определения сдвигающего усилия, необходимого для отрыва приплавленного парафина к исследуемой поверхности, используют установку, общий вид которой показан на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Установка для определения напряжения сдвига парафина с исследуемой поверхности: 1 — двигатель; 2 — микрометр; 3 —пружина; 4 — форма с парафином; 5 — исследуемая поверхность материала; 6 — подставка; 7 — автомат-выключатель; 8 —регулировочные винты; 9 — основание; 10 — уровень; 11 — пульт управления электродвигателем.

Исследования проводят в следующей последовательности. Расплавлен­ ный технический или промысловый парафин заливают в латунные гильзы 4 с отполированными торцами и устанавливают их на заранее подготовлен­ ные к исследованиям пластинки из испытывающихся материалов 5. Про­ цесс заливки гильзы парафином осуществляют в термостате, температура в котором поддерживается на 3 ... 4° С ниже температуры плавления пара­ фина. При контакте расплавленного парафина с поверхностью пластины по

внутреннему периметру гильзы образуется тонкий слой из закристаллизо­ вавшегося парафина, предотвращающего возможность дальнейшего расте­ кания парафина по пластинке.

Процесс окончательного формирования парафинового блока произво­ дится в отключенном термостате при его охлаждении до комнатной темпе­ ратуры. После охлаждения испытываемые пластинки, вместе с приплавленными к ним парафиновыми блоками, устанавливают на рабочей площадке 6 и укрепляют с помощью пластинчатых зажимов, а парафиновый блок 4 со­ единяют проволочными петлями с пружиной 3 и точечным отключающим устройством 7. При замыкании электрической цепи в устройстве 11 элек­ тродвигатель 1, вращающийся со скоростью 2 об/мин, приводит в движе­ ние соединенный с пружиной 3 микрометр 2, по которому и фиксируется растяжение тарированной пружины 3. В момент сдвига парафинового бло­ ка с поверхности точечный контакт 7 размыкается и электродвигатель 1 практически мгновенно останавливается. Это позволяет с высокой точно­ стью определять величину сдвигающего усилия. Для последующего анали­ за принимают только те образцы, поверхность которых не имеет дефектов (раковин) и является зеркально-гладкой.

Поскольку, по мере продвижения нефти от забоя скважины к ее устью, температура нефти и поверхности лифтовой колонны непрерывно снижа­ ется, то вполне естественно предположить, что прочность отложений и их сцепляемость с поверхностью оборудования под влиянием этого фактора будут тоже соответственно возрастать. Вместе с тем, уменьшение моле­ кулярного веса и длины цепей выкристаллизовывающихся новых порций углеводородов способствует течению этого процесса в обратном направле­ нии. Первыми из потока выпадают углеводороды с наибольшей температу­ рой плавления, а затем — с наименьшей. Диапазон температур плавления этих углеводородов лежит в пределах 49 ... 80° С. При этом величина ад­ гезии (силы сцепления) образовавшихся фракций парафинов на твердой металлической поверхности, естественно, будет тоже различной.