 |
Образование на поверхностях оборудования
|
|
|
|
ОБРАЗОВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ОБОРУДОВАНИЯ
ОТЛОЖЕНИЙ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
Процессы выпадения парафина из нефти и образования отложений на поверхности оборудования определяются условиями нарушения фазового равновесия нефти, представляющей гомогенную систему. На выпадение твердой фазы в первую очередь влияет снижение растворяющей способности нефти по отношению к парафину, которая в значительной мере зависит от температуры.
Нефть охлаждается, в основном, при движении от забоя к устью скважины. Этим объясняется значительное выпадение парафиновых отложений в верхней части колонны труб. Устьевая арматура, манифольдные и выкидные линии, создавая препятствие движению потока нефти, изменяют его гидродинамические характеристики, способствуя тем самым выпадению парафиновых отложений на этих участках.
Парафиновые отложения включают не только собственно парафины, но и асфальтены, смолы, песок, глину, соли и другие примеси. Процесс образования отложений парафинов на поверхности оборудования весьма сложен и является результатом физико-химических процессов, протекающих в объеме среды и на границе с поверхностями оборудования: адсорбции, коагуляции, кристаллизации и др.
Образование парафиновых отложений происходит из-за возникновения и роста кристаллов парафина непосредственно на поверхности, контактирующей с нефтью, или в результате сцепления с поверхностью частиц твердой фазы парафина, образовавшихся в потоке. Накопление парафиновых отложений на поверхности чередуется с их частичными или полными срывами, зависящими от адгезии к поверхности и гидродинамических характеристик потока.
Интенсивность образования парафиновых отложений на поверхностях
|
|
|
оборудования зависит от содержания в нефти воды и других примесей. На гидрофильных поверхностях вода образует сплошной слой, и нефть непосредственно примыкает только в виде капель. В этих условиях с увеличением содержания воды в нефти парафинизация оборудования уменьшается. На гидрофобных поверхностях наблюдается обратная картина - присутствие воды в нефти вызывает интенсивное отложение парафина. Механические примеси участвуют в образовании агрегатов парафина, которые прилипают затем к поверхностям оборудования и сливаются, образуя сплошной слой.
При эксплуатации скважин, продукция которых содержит значительное количество пластовых вод, в подъемных трубах, выкидных линиях, коллекторах и сборных емкостях образуются солевые отложения. В 80 % случаев отложения солей наблюдаются при обводненности скважин более 50 %. Наиболее интенсивное отложение солей происходит при форсированном отборе нефти, несовместимости составов нагнетаемых и пластовых вод, что приводит к уменьшению сечения труб, снижению дебита скважин, выходу из строя скважинных насосов и т. д.
Накопление солевых отложений на поверхностях оборудования, контактирующих с минерализованной водной средой, связано с возникновением и ростом кристаллов соли непосредственно на поверхности и покрывающих ее адсорбционных слоях или прилипанием к поверхности готовых кристаллов, находящихся в потоке жидкости. Причина выпадения солей из раствора - нарушение равновесного состояния системы соль - вода, обусловливающее переход солей из раствора в кристаллическое состояние.
Основными типами солевых отложений на большинстве отечественных нефтяных месторождений являются сульфаты и карбонаты кальция, сульфаты бария.
Солевые осадки, образующиеся на поверхностях оборудования, содержат органические компоненты нефти (асфальтены, смолы, спирты, нефтяные кислоты, их соли, галлоидные и серо-органические соединения), которые, обладая высокой адсорбционной и химической активностью, интенсифицируют процесс отложения солей. Адсорбируясь на границе раздела фаз, они увеличивают адгезию солевых частиц к поверхности.
|
|
|
Накопление на поверхностях оборудования солевых отложений, как и парафиновых, сопровождается их частичными или полными срывами, зависящими от прочности сцепления с поверхностью и гидродинамических характеристик потока.
Физико-химические свойства и геометрия поверхностей оборудования оказывают существенное влияние на интенсивность их запарафинивания. Наличие на поверхности макро- и микронеровностей, мелких пор, царапин, раковин способствует интенсивному образованию отложений. Наиболее значительный рост отложений происходит при увеличении шероховатости поверхности от 1-2 до 7-9 мкм (рис. 5). Дальнейшее увеличение шероховатости оказывает слабое влияние на интенсивность запарафинивания. Низкая
Рис. 5. Влияние шероховатости поверхности Rz, на интенсивность I запарафинивания различных металлов:
1 - алюминий; 2 - сталь; 3 – латунь
шероховатость поверхности не является достаточным условием для предотвращения ее запарафинивания. Важную роль играет природа материала поверхности. При одной и той же шероховатости количество парафина, отложившегося на единице поверхности ∆ m/S материалов различной химической природы, разное (рис. 6).
Парафин удерживается на поверхности твердого тела адсорбционными силами, уровень которых зависит от свободной поверхностной энергии твердого тела и парафина. По мере снижения поверхностной энергии уменьшаются силы, удерживающие парафин на поверхности, и, как результат этого, снижается интенсивность запарафинивания.
Мерой оценки поверхностной энергии твердого тела служит критическое поверхностное натяжение σ к, численно равное поверхностному натяжению жидкости σ ж, полностью растекающейся на поверхности твердого тела.
Рис. 6. Кинетические кривые отложения парафинов на поверхности материалов различной химической природы:
1 - полиэтилен;
2 - фторопласт,
|
|
|
3 - капрон;
4 - сталь;
5 - полиамид ПК-4;
6 - стекло;
7 - бакелитовый лак
Поверхностная энергия твердого тела во многом определяет такие важные свойства поверхности, как смачивание и адгезия. При соответствии знака полярности любые жидкости тем лучше смачивают твердое тело, чем выше его поверхностная энергия, т. е. чем больше разница между значениями σ к и σ ж.
|
|
|
