Исследование процессов формирования и удаления органических отложений для повышения эффективности эксплуатации скважин на поздней стадии разработки нефтяных месторождений
На правах рукописи
ХАЯРОВА ДИНАРА РАФАЭЛЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН НА ПОЗДНЕЙ СТАДИИ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Специальность 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Бугульма – 2011
Работа выполнена в Альметьевском государственном нефтяном институте
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Гуськова Ирина Алексеевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук Мусабиров Мунавир Хадеевич кандидат технических наук Дубинский Геннадий Семенович Открытое акционерное общество
Ведущая организация:
«Белкамнефть»
Защита диссертации состоится 9 февраля 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 222.018.01 в Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) ОАО «Татнефть» по адресу:
423236, Республика Татарстан, г. Бугульма, ул. М. Джалиля, д.32.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ТатНИПИнефть.
Автореферат разослан «_» декабря 2011 г.10 февраля 200 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук И.В. Львова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Для эксплуатации скважин на поздней стадии разработки нефтяных месторождений характерно одновременное проявление ряда осложнений, в том числе коррозии нефтепромыслового оборудования, формирования солеотложений и органических отложений.
К настоящему времени на Ромашкинском месторождении добыто 85 % от начальных извлекаемых запасов нефти. С начала разработки среднесуточный дебит нефти снизился более чем в 11 раз, а обводненность продукции скважин увеличилась с 27 до 86 %. Эксплуатационные затраты на тонну добытой нефти существенно зави сят от степени выработанности месторождения. При изменении степени выработан ности Ромашкинского месторождения от 30 % до 90 % эксплуатационные затраты на тонну добытой нефти выросли в 9,6 раза. В этих условиях приоритет должен быть от дан технологиям, обеспечивающим одновременное решение комплекса проблем при добыче нефти.
Анализ работ, посвященных изучению механизма формирования органиче ских отложений, показал, что проблема формирования органических отложений на поверхностях с температурой, равной температуре газоводонефтяного потока, т.е. в отсутствии перепада температур, ранее практически не рассматривалась. Кроме это го, существующие методы исследования предполагают изменение первичного ком понентного состава и агрегатного состояния органических отложений, то есть их структуры. Учитывая значительное количество текущих ремонтов скважин, обу словленных формированием органических отложений на поверхности штанг, в обла сти насосного оборудования, т.е. в условиях отсутствия перепада температур, необ ходимы дальнейшие исследования в данной области.
Существующие методики оценки эффективности применения составов для уда ления органических отложений основаны на проведении пробоподготовки, преду сматривающей механическое смятие или плавление органических отложений, что оказывает значительное влияние на результаты оценки их эффективности. Необходи ма разработка методики, обеспечивающей объективную оценку эффективности со ставов для удаления органических отложений.
Применение защитных покрытий нефтепромыслового оборудования при эксплуа тации нефтяных скважин обеспечивает одновременное решение проблем коррозии нефтепромыслового оборудования, формирования органических отложений, уменьше ния гидравлических сопротивлений, улучшения теплового режима работы скважины.
Опубликованы результаты многочисленных исследований различных параметров, ха рактеризующих эксплуатационную стойкость современных систем покрытий и мате риалов, применяемых для защиты нефтепромыслового оборудования от коррозии, од нако такая характеристика, как стойкость к формированию органических отложений, требует дальнейших исследований. В связи с этим на поздней стадии разработки осо бую актуальность приобретает изучение условий эффективного применения защитных покрытий нефтепромыслового оборудования при добыче парафинистой нефти и появ лении осложнений, обусловленных формированием органических отложений.
Водные растворы ПАВ широко применяются для выполнения промывок скважин при проведении подземных ремонтов, повышения нефтеотдачи пластов и улучшения фильтрационно-емкостных характеристик призабойной зоны пластов добывающих и нагнетательных скважин, ингибирования органических отложений. Учитывая рост экс плуатационных затрат на добычу нефти, а также то, что технологические операции с применением водных растворов ПАВ являются обязательными элементами значитель ной части технологий эксплуатации и ремонта скважин, необходимы дальнейшие ис следования по оценке условий эффективного удаления органических отложений вод ными растворами ПАВ при их проведении.
Целью диссертационной работы является исследование процессов формирова ния и удаления органических отложений при реализации технологий, обеспечиваю щих комплексное решение проблем эксплуатации скважин на поздней стадии разра ботки нефтяных месторождений.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
1. Анализ результатов исследований процессов формирования органических отло жений и современного состояния развития методов их предупреждения и удаления.
2. Исследование влияния перепада температур между нефтяным потоком и по верхностью глубиннонасосного оборудования на процесс формирования органиче ских отложений.
3. Разработка методики оценки эффективности применения составов для удале ния органических отложений с учетом их структуры.
4. Исследование эффективности применения водных растворов ПАВ для удаления органических отложений. Оценка влияния различных факторов на эффективность уда ления органических отложений с поверхности систем покрытий и материалов.
Методы решения поставленных задач. Решение поставленных задач произво дилось на основе теоретических, лабораторных и промысловых исследований с ис пользованием современных методов обработки исходной информации и анализа ре зультатов.
Научная новизна 1. Установлено, что наличие перепада температур между нефтяным потоком и поверхностью глубиннонасосного оборудования не является обязательным фактором, определяющим формирование органических отложений на поверхности нефтепро мыслового оборудования. Показано, что при отсутствии перепада температур между поверхностью и потоком жидкости существенное влияние на формирование органи ческих отложений оказывает природа поверхности.
2. На основе анализа состава более 80 промысловых проб органических отложе ний, сформировавшихся на поверхности глубиннонасосного оборудования скважин в условиях наличия и отсутствия перепада температур, установлено, что, в среднем, со держание парафина при формировании органических отложений в отсутствии пере пада температур превышает на 8,7 % содержание парафина в составе проб органиче ских отложений, сформировавшихся при наличии перепада температур. При прове дении экспериментальных исследований в условиях отсутствия и наличия перепада температур (от 0 до 25 С) установлено уменьшение адгезионной прочности органи ческих отложений при увеличении перепада температур между потоком жидкости и поверхностью глубиннонасосного оборудования скважин.
3. Разработана методика определения эффективности составов для удаления ор ганических отложений с учетом их структуры. Показано, что изменение структуры органических отложений оказывает существенное влияние на достоверность резуль татов экспериментальных исследований.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены факторы, определяющие эффективность разрушения органических отложений вод ными растворами ПАВ. С использованием методов математической статистики пока зано, что на эффективность удаления органических отложений оказывает влияние увеличение времени контакта отложений с водными растворами ПАВ вне зависимо сти от их концентрации в исследуемом диапазоне времени (30-90 минут) и концен трации (0,1-1 % об.).
5. Количественно оценено влияние термодинамических факторов на эффектив ность удаления органических отложений различной структуры с поверхности систем защитных покрытий. В зависимости от типа покрытия скорость удаления органических отложений с поверхности защитных покрытий увеличивается, в среднем, на 40 % неза висимо от типа промывочной жидкости. На основе проведения многофакторного дис персионного анализа результатов исследований установлено существенное влияние тем пературы промывочной жидкости на эффективность удаления органических отложений с поверхности систем защитных покрытий. Показано, что увеличение температуры про мывочного состава от 32 С до 70 С обусловливает повышение эффективности удале ния органических отложений в зависимости от вида покрытия (минимальное повышение – 20,8 %, максимальное – 35,6 %).
Основные защищаемые положения 1. Результаты теоретических, экспериментальных и промысловых исследований по оценке влияния перепада температур между потоком жидкости и поверхностью глубиннонасосного оборудования на формирование органических отложений при эксплуатации скважин, оборудованных ШСНУ.
2. Методика оценки эффективности удаления органических отложений с по верхности нефтепромыслового оборудования в технологических процессах эксплуа тации и ремонта скважин с учетом структуры отложений.
3. Обоснование применения методов предупреждения и удаления органических отложений, обеспечивающих комплексное решение проблем эксплуатации скважин на поздней стадии разработки нефтяных месторождений.
Практическая ценность и реализация работы 1. Обоснована и разработана методика оценки эффективности составов для уда ления органических отложений, учитывающая их структуру и свойства контактиру ющей поверхности. Методика защищена патентом РФ № 2429344 на изобретение.
2. Выявлены оптимальные для технологического воздействия интервалы темпера тур и концентраций для ряда составов промывочных жидкостей, определяющие макси мум их отмывающей и диспергирующей способности по отношению к органическим от ложениям. Максимальная эффективность удаления органических отложений (94%) получена при использовании водного раствора АФ9-12 и защитного покрытия Scotchkote 6171. Отмечено также, что увеличение времени воздействия положительно сказывается на эффективности удаления отложений.
3. На основании результатов исследований разработаны рабочие программы, учебно-методические комплексы, учебные пособия и методические указания для про ведения практических занятий и выполнения контрольных работ по дисциплинам «Осложнения в нефтедобыче», «Эксплуатация нефтяных и газовых скважин» для студентов всех форм обучения специальности 130503.65 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» Альметьевского государственного нефтяного института.
4. Результаты исследования эффективности применения водных растворов ПАВ для удаления органических отложений использовались при выполнении работ по до говору № 1-11 с ОАО «Татнефть» от 01.03.2011 г. «Анализ эффективности примене ния технологий с использованием промывочных растворов на водной основе в про цессах эксплуатации скважин и разработка рекомендаций по выбору оптимальных составов».
5. На основе результатов исследования факторов, оказывающих влияние на уда ление органических отложений с поверхности систем покрытий и материалов, разра ботаны и представлены в ОАО «Татнефть» рекомендации, изложенные в отчете по договору № 12-09 от 01.01.2010 г. «Анализ влияния различных факторов на эксплуа тационные свойства защитных покрытий оборудования в системе подготовки пара финистой нефти на поздней стадии разработки».
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2008» (г. Уфа, 2008 г.);
III научной конференции «Промышленная экология и безопасность» (г. Казань, 2008 г.);
X Международной научной конференции «Се вергеоэкотех-2009» (г. Ухта, 2009 г.);
Международной научно-практической конфе ренции «Инновационные технологии в геологии и разработке углеводородов» (г. Ка зань, 2009 г.);
VIII Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губ кина, «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2010 г.);
Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения» (г. Туапсе, 2010 г.);
семинаре молодых специалистов ОАО «Татнефть» секции «Гео логия, разработка нефтяных и газовых месторождений» (г. Казань, 2011 г.).
Публикации результатов По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 1 патент РФ на изобретение, 3 статьи из списка рецензируемых научных журналов ВАК Минобра зования и науки РФ, рекомендованных для опубликования результатов исследования, материалы 15 докладов и тезисы 2 докладов в трудах международных, российских и региональных конференций.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, биб лиографического списка из 223 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 23 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и основные защищаемые положения, практическое значение и апробация работы.
Первая глава посвящена аналитическому обзору существующих представлений об условиях и механизме формирования органических отложений, а также методов борьбы с ними. Основы этих исследований были заложены такими учеными, как Р.А.Абдуллин, А.А. Абрамзон, Л.Ф.Волков, П.П.Галонский, Ф.С.Гарифуллин, В.Н.Глущенко, Я.М.Каган, С.Ф.Люшин, Б.А.Мазепа, Р.А.Максутов, А.Х.Мирзаджанзаде, В.Ф.Нежевенко, Н.Н.Непримеров, В.А.Рагулин, В.А.Рассказов, Б.М.Сучков, В.П.Тронов, З.А.Хабибуллин, Ю.В.Шамрай, Д.М.Шейх-Али и др.
В результате проведения теоретических исследований и анализа геолого промысловой информации была выявлена необходимость изучения факторов, ока зывающих влияние на формирование органических отложений в условиях отсут ствия перепада температур между газоводонефтяным потоком и поверхностью глу биннонасосного оборудования скважин, эксплуатируемых ШГН (на поверхности штанг и насосного оборудования).
Учитывая, что основные исследования по применению защитных покрытий для борьбы с органическими отложениями были проведены более 40 лет назад, появление новых систем и классов защитных покрытий, обеспечивающих эффективную защиту от коррозии, а также отсутствие сведений об интенсивности формирования органиче ских отложений на новых системах покрытий, необходимо проведение исследований по оценке интенсивности формирования органических отложений на поверхности за щитных покрытий для повышения эффективности их использования. Показано, что на поздней стадии разработки нефтяных месторождений расширение возможностей ис пользования защитных покрытий с целью комплексного решения ряда проблем нефтедобычи, включая обеспечение защиты от коррозии, уменьшение гидравлических сопротивлений, улучшение теплового режима работы скважин, предотвращение обра зования органических отложений на поверхности нефтепромыслового оборудования является актуальной проблемой.
Известно, что водные растворы ПАВ являются обязательным элементом ряда технологических операций при эксплуатации и ремонте скважин. Определение эф фективности применения водных растворов ПАВ для удаления органических отло жений является необходимым условием эффективной эксплуатации нефтяного место рождения на поздней стадии разработки. Исследования применения водных растворов ПАВ рядом ученых проводились, в основном, для разработки технологий повышения нефтеотдачи пластов, подготовки нефти, ингибирования формирования органических отложений. В связи с этим в данной работе особое внимание уделено применению водных растворов ПАВ для удаления органических отложений и систем защитных покрытий с целью повышения эффективности эксплуатации скважин на поздней ста дии разработки нефтяных месторождений в условиях образования органических от ложений.
На основе приведенного анализа и обобщения результатов применения методов борьбы с органическими отложениями сформулированы задачи исследований диссер тационной работы.
Во второй главе представлены результаты теоретических, промысловых и экс периментальных исследований формирования органических отложений в условиях отсутствия перепада температур между нефтяным потоком и поверхностью глубин нонасосного оборудования скважин. На основе анализа геолого-промысловых данных установлено, что органические отложения формируются как на поверхностях, имею щих температуру, отличающуюся от температуры потока, так и в отсутствии темпе ратурного перепада. Зоны формирования органических отложений на поверхности штанг, фильтре насоса, нагнетательном и всасывающем клапанах насоса являются областями, в которых отсутствует перепад температур между поверхностью оборудо вания и потоком жидкости.
Анализ геолого-промысловой информации по ряду объектов эксплуатации ОАО «Татнефть» за 10 месяцев 2011 года показал, что доля ремонтов по причине формиро вания органических отложений в НКТ составляет 53,2 %, по причине образования ор ганических отложений на поверхности штанг, на приеме насоса, в насосе – 46,8 %.
Был выполнен анализ состава и областей формирования проб органических от ложений, отобранных с поверхности различных технологических элементов глубин нонасосного оборудования 82 скважин, оборудованных ШСНУ, на Сармановской, Чишминской, Ташлиярской, Алькеевской и Восточно-Сулеевской площадях Ромаш кинского месторождения. Колонна штанг и штанговый глубинный насос находятся в центре нефтяного потока при эксплуатации скважин, оборудованных ШСНУ, что обусловливает формирование отложений на их поверхности в отсутствии разности температур по сравнению с нефтяным потоком. В результате анализа геолого промысловой информации установлено, что доля скважин анализируемых площадей, в которых отмечено формирование органических отложений в условиях отсутствия перепада температур между нефтяным потоком и поверхностью глубиннонасосного оборудования, зависит от геолого-физических условий и варьирует от 18,7 % (Во сточно-Сулеевская площадь) до 56,3 % (Сармановская площадь). В результате анали за проб органических отложений, отобранных из различных областей формирования, установлено, что в составе органических отложений при условии отсутствия перепада температур между нефтяным потоком и поверхностью глубиннонасосного оборудо вания отмечено наиболее высокое содержание парафина (максимум – 55,2 % мас.).
Среднее содержание парафина в составе проб органических отложений, отобранных с поверхности штанг (отсутствие перепада температур), составляет: Сармановская площадь - 46,9 % мас., Чишминская площадь - 50,4 % мас., Ташлиярская площадь 44,0 % мас., Алькеевская площадь - 37,7 % мас., Восточно-Сулеевская площадь - 47,4 % мас. При этом среднее содержание асфальтенов по рассматриваемым площадям НГДУ «Джалильнефть» составляет: Сармановская площадь - 3,9 % мас., Чишминская площадь - 5,8 % мас., Ташлиярская площадь – 5,0 % мас., Алькеевская площадь - 3,4 % мас., Восточно-Сулеевская площадь - 1,7 % мас.
Таким образом, в результате проведения лабораторных исследований состава про мысловых проб органических отложений, сформировавшихся в условиях отсутствия пе репада температур между поверхностью оборудования и потоком жидкости, отмечено преобладание углеводородов парафинового ряда, что в значительной степени предопре деляет прочность органических отложений. В целом, по рассматриваемым площадям среднее содержание парафина в составе органических отложений, сформировавшихся в условиях отсутствия перепада температур, составляет 33,2%, что на 8,7% превышает со держание парафина в составе органических отложений, сформировавшихся при наличии перепада температур между потоком жидкости и поверхностью глубиннонасосного обо рудования.
Таким образом, в результате проведения экспериментальных исследований и ана лиза геолого-промысловой информации установлено, что наличие перепада температур не является обязательным условием для формирования органических отложений. Кон кретизация условий формирования и технологических свойств органических отложе ний, сформировавшихся при эксплуатации скважин на поверхности глубиннонасосно го оборудования при отсутствии температурного перепада, позволяет уточнить область применения технологий предупреждения и удаления органических отложений и мини мизировать отрицательные последствия проблемы образования органических отложе ний в добыче нефти.
Сравнительный анализ интенсивности формирования органических отложений в условиях наличия и отсутствия перепада температур между поверхностью оборудо вания и потоком жидкости проводился на основе результатов экспериментальных ис следований, выполненных с использованием метода «холодного стержня» и автор ской методики (рисунок 1).
0,012 0, ма сса отложений, г 0, масса отложений, г 0,008 0, 0, 0,004 0, 0, 0 время, мин время мин а б 0, 0, 0, масса отложений, г масса отложений, г 0, 0,0050 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0000 время, мин время, мин в г Рисунок 1 - Зависимость интенсивности формирования органических отложений в отсутствии перепада температур между модельной средой и металлической поверхностью от времени: а – при 25 0С;
б – при 30 0С;
в – при 35 0С;
г – при 40 0С Исследования интенсивности формирования органических отложений при нали чии перепада температур между поверхностью оборудования и жидкостью, выполнен ные по методу «холодного стержня», проводились в широком диапазоне температур.
При этом интервал температур модельной среды составлял от 300С до 450С, а интервал температур на поверхности «холодного стержня» - от 50С до 450С. В качестве модель ной жидкости использовался раствор керосина, содержащий 3,2 % гудрона и 2,8 % па рафина. Результаты проведенных исследований интенсивности формирования органи ческих отложений при наличии перепада температур между поверхностью оборудова ния и жидкостью показали, что перепад температур между поверхностью и средой не является обязательным условием формирования органических отложений на поверхно сти.
В результате проведения исследований интенсивности формирования органиче ских отложений в условиях отсутствия перепада температур между металлической по верхностью и жидкостью (рисунок 1) установлена различная динамика формирования органических отложений в условиях отсутствия перепада температур между поверхно стью и модельной средой. Максимальная интенсивность формирования отложений в условиях отсутствия перепада температур между поверхностью и модельной средой была отмечена при температуре 25 0С и составила 4,3·10-5 г/мин.
Механизм формирования органических отложений в условиях отсутствия пере пада температур между нефтяным потоком и поверхностью глубиннонасосного обо рудования скважин может быть представлен следующим образом. Органические от ложения, представляющие собой новую фазу, могут формироваться в лабильных или метастабильных системах. Наличие метастабильных состояний связано с энергетиче скими препятствиями образованию новой фазы. Основным фактором, определяющим метастабильное состояние, является пересыщение раствора данной фазой. Практиче ски во всех случаях для формирования новой фазы требуется создать значительное пересыщение, ведь новая фаза микроскопических размеров должна первоначально сформироваться из микроскопических зародышей, поверхность которых сильно ис кривлена. Для начала процесса образования новой фазы необходимо появление за счет какого-либо механизма зародышей новой фазы, причем образование очень ма лых зародышей может идти самопроизвольно. При хорошем смачивании поверхности возникновение новой фазы может происходить при малых пересыщениях. При этом работа образования зародыша на подложке меньше работы его образования в объеме, если краевой угол отличен от 180°. Отсюда следует важный вывод о том, что природа поверхности оказывает существенное влияние на формирование органических отло жений при отсутствии перепада температур между поверхностью и потоком жидко сти.
С технологической точки зрения является важным определение адгезионных свойств отложений, формирующихся как в условиях наличия, так и в условиях отсут ствия перепада температур (на поверхностях штанг и НКТ соответственно). Исследо вание адгезионных свойств органических отложений проводилось в лабораторных условиях для отложений, сформированных при температурах модельной среды 30, 35, 40 и 45 0С в условиях наличия и отсутствия перепада температур, величина которого варьировала от 0 до 25 0С с шагом 50С. Оценка адгезионной прочности отложений была выполнена на основе определения времени отмыва отложений, сформировав шихся в условиях наличия и отсутствия перепада температур (рисунок 2).
Эффективность 0,1 % об.
Эффективность 0,1 % об.
раствора АФ 9-12, Э, % раствора АФ 9-12, Э, % 30./ 30 35/ 30./ 25 35/ 30/15 20 20 35/ 30/ 15 15 35/ 30/ 10 35/ 5 30/ 0 35/ 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Время воздействия, мин Время воздействия, мин а б Эффективность 0,1 % об.
раствора АФ 9-12, Э, % Эффективность 0,1 % об.
раствора АФ 9-12, Э, % 25 30 45/ 20 40/ 40/20 45/ 15 40/25 45/ 40/30 45/ 40/35 45/ 0 40/40 45/ 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Время воздействия, мин Время воздействия, мин в г Рисунок 2 - Результаты определения эффективности удаления сформировавшихся органических отложений водным раствором ПАВ АФ9-12 0,1 % об. конц. при температуре модельной среды: а - 30 0С;
б - 35 0С;
в - 40 0С;
г - 45 0С;
30/5 – температура модельной среды / температура поверхности «холодного стержня» В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что орга нические отложения, сформированные в условиях максимального перепада температур, характеризуются минимальной адгезионной прочностью, которая может быть охарактери зована эффективностью удаления органических отложений с поверхности (максимальная эффективность удаления составила 46,5 %). При этом для органических отложений, сфор мированных в отсутствии перепада температур, эффективность удаления составила от 18,1 % (при температуре формирования 45 0С) до 29,1 % (при температуре формирования 30 0С). В качестве показателя изменения консистенции отложений при проникновении водного раствора ПАВ в структуру отложений был использован метод пенетрации. Для органических отложений, формирующихся в условиях отсутствия температурного пере пада, диапазон изменения пенетрации исследованных проб составляет от 32 ед. (поверх ность штанг, глубина 700 м) до 63 ед. (поверхность штанг, глубина 0-10 м);
для органиче ских отложений, формирующихся при наличии перепада температур на поверхности НКТ, – от 39 ед. (глубина 0-10 м) до 70 ед. (глубина 700 м).
Полученные результаты позволили сделать заключение о том, что органические отложения, формирующиеся на поверхности глубиннонасосного оборудования в условиях отсутствия температурного перепада, имеют повышенную адгезию к по верхности и значительно отличаются по механической прочности.
Таким образом, в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований показано, что начало процесса образования новой фазы может идти са мопроизвольно в пересыщенном потоке, а природа поверхности оказывает суще ственное влияние на формирование органических отложений при отсутствии перепа да температур между поверхностью и потоком жидкости.
В третьей главе обоснована необходимость и представлены результаты разра ботки методики оценки эффективности удаления органических отложений, учитыва ющей их структуру и свойства контактирующей поверхности.
В настоящее время известно достаточное большое количество методик определения эффективности составов для удаления органических отложений, основанных на опреде лении изменения массы навески органических отложений, находящейся в среде удалите ля в динамических условиях, по отношению к его массе до воздействия. Необходимо от метить, что использование этих методик приводит к погрешностям исследований, появ ление которых обусловлено следующими причинами:
1. Применяемые методики предусматривают выполнение пробоподготовки: смя тие, нагревание или расплавление исходного образца органических отложений. При смятии происходит уплотнение структуры органических отложений в зависимости от силы надавливания, что является субъективным фактором. Нагрев или расплавление образца приводит к изменению структуры органических отложений, и, как следствие, к изменению растворимости.
2. Не учитывается наличие поверхности формирования: в реальных условиях удаления органических отложений с поверхности нефтяного оборудования не всегда наблюдается процесс перехода отложений в фазу состава для удаления только с его поверхности. Возможны случаи диспергирования отложения, а также «вытеснения» его с поверхности оборудования.
3. «Визуальный» анализ динамики разрушения органических отложений в про цессе проведения исследований.
Результаты экспериментальных исследований влияния пробоподготовки на оценку эффективности ПАВ АФ9-12 (концентрация 0,1 % об.) для удаления органи ческих отложений, отобранных со скважин НГДУ «Альметьевнефть», приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты исследований влияния условий формирования образцов органических отложений на эффективность их удаления Пене- Изменение массы образца отложений через, мин тра Образец ция, 10 20 30 40 50 60 70 80 ед.
№1 Отложения с нативной структурой (скв. 19 0,039 0,045 0,049 0,054 0,058 0,062 0,065 0,067 0, № 3165) Отложения после смятия 15 0,007 0,009 0,011 0,012 0,012 0,012 0,013 0,016 0, Отложения после плавления 6 0,001 0,002 0,002 0,005 0,007 0,012 0,014 0,016 0, №2 Отложения с нативной структурой (скв. 51 0,043 0,043 0,059 0,065 0,067 0,078 0,079 0,082 0, № 3080) Отложения после смятия 32 0,006 0,008 0,01 0,01 0,01 0,01 0,013 0,014 0, Отложения после плавления 15 0 0 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,006 0, Очевидно, что наиболее значительное влияние на изменение результатов исследо вания эффективности удаления органических отложений оказывает предварительное плавление образцов (максимальное изменение – на 92%), после механического воздей ствия наблюдается изменение результатов исследований на 84%. На основе проведения экспериментальных исследований установлено существенное различие полученных ре зультатов при исследовании эффективности составов для удаления образцов органиче ских отложений в зависимости от вида их подготовки.
Результаты выполненных исследований положены в основу методики оценки эффективности составов для удаления органических отложений с учетом структуры отложений. Разработаны лабораторная установка и методика оценки эффективности удалителей органических отложений с учетом недостатков существующих методик, определены и обоснованы параметры проведения эксперимента. Разработка методики и её оценка осуществлялась в соответствии со стандартами ГОСТ Р 8.563-96 «Мето дики выполнения измерений», ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений».
Предложенный способ оценки эффективности составов для удаления органических отложений включает следующие этапы. Осуществляется отбор образцов органических от ложений из скважины. Далее проводится измерение массы подготовленных образцов по верхности (металлическая пластинка размером 50302 мм, с покрытием и без покрытия, с различной степенью шероховатости). Затем образец поверхности нагревается до 80 °С, на него приплавляется образец пробы органических отложений, отобранный с максималь ной осторожностью для сохранения структуры. При нанесении образца отложений на нагретую металлическую пластинку происходит сцепление отложений с поверхностью за счет разницы температур исследуемого образца и металла. Таким образом, обеспечивается прочное закрепление образца на поверхности и исключается погрешность определения, связанная с уплотнением структуры органических отложений в процессе формирования образца. Лабораторная установка состоит из аналитических весов GR-200 с точностью ±0,0001 г. и термостата LT-200 для поддержания постоянной температуры. Термостат также оборудован специальным термоизолированным подводящим контуром. Во избежа ние влияния окружающей среды установка снабжена защитным кожухом. Особенностью данной методики является непрерывный замер изменения массы отложений, сохранение структуры отложений, что предопределяет более точное определение и оценку эффектив ности удаления отложений.
Эффективность удаления органических отложений Э определяется по формуле:
m1 m Э= 100, %, (1) m где m1, m2 – масса отложений до и после исследования, соответственно, г.
За результат анализа Эср принимали среднее арифметическое значение резуль татов двух параллельных определений Э1 и Э2.
Использование разработанного способа оценки позволит выполнять исследова ния эффективности удаления органических отложений на основе учета влияния не только состава отложений, но и структуры отложений и её изменения, а также выпол нить анализ динамики удаления. Способ, положенный в основу методики, защищен патентом РФ № 2429344.
В четвертой главе исследована эффективность применения водных растворов ПАВ для удаления органических отложений с поверхностей различной природы.
Определение условий и анализ эффективности применения водных растворов ПАВ является актуальной задачей, так как технологические операции с применением водных растворов ПАВ являются обязательными элементами значительного количе ства технологий эксплуатации и ремонта скважин. Несмотря на это, механизм дей ствия водных растворов ПАВ и определение оптимальных условий их применения в процессах проведения промывок скважин для удаления органических отложений ис следовался недостаточно полно.
На основе анализа геолого-промысловой информации проведена оценка исполь зования водных растворов ПАВ на промысловых объектах ОАО «Татнефть» (рисунок 3). За 2008-2010 гг. на осложненном фонде скважин НГДУ «Джалильнефть» успеш ность проведения промывок водными растворами ПАВ на скважинах, оборудованных УШГН, составила, в среднем, 52,4% (2008 г.), 47,1% (2009 г.) и 51,8% (2010 г.).
69,7 71, относительная частота, % 55, 28, 16, 12,2 16, 8,7 8, 8, 4, Пр. вода + Пл. вода + Пр. вода + Пл. вода + МЛ-81Б МЛ-81Б СНПХ-1004 СНПХ- жидкость промывки 2008 г 2009 г 2010 г Рисунок 3 - Распределение по типам применяемых жидкостей промывки при выполнении ремонтных работ на скважинах НГДУ «Джалильнефть» Недостаточно высокая успешность применения раствора МЛ-81Б для промывок скважин предопределила дальнейшее направление исследований – оценку факторов, влияющих на эффективность проведения операций по удалению органических отложе ний, и определение оптимальных концентраций промывочных растворов.
На основе разработанной методики оценки эффективности составов для удаления органических отложений и сконструированной лабораторной установки с использовани ем проб органических отложений, отобранных с различных элементов глубиннонасосно го оборудования скважин Восточно-Сулеевской площади Ромашкинского месторожде ния (НКТ в интервале: 0-10 м, 700 м, 1266 м;
насосных штанг на глубине: 0-10 м, 700 м – образцы №№1-5 соответственно), определена эффективность водных растворов ПАВ – МЛ-81Б, АФ9-6 и АФ9-12, – широко применяющихся на промыслах ОАО «Татнефть», при концентрациях 0,1 – 1 % об. с шагом 0,1 %. Установлено, что в результате контакта органических отложений с водным раствором МЛ-81Б в динамическом режиме наибольшая эффективность составила 3,4 %. Отмечено, что максимальная эффектив ность удаления органических отложений составляет 54,6 % для 0,1 % раствора АФ9-12 в течение 90 минут, 54,2 % для 0,1 % раствора АФ9-6 в течение того же временного про межутка. Результаты проведенных исследований оценки эффективности использования водного раствора ПАВ АФ9-12 для удаления органических отложений показаны на ри сунке 4.
образца органических отложений, % изменение массы № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № № 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 через 30 минут через 60 минут через 90 минут номер скважины/концентрация АФ9-12, % об.
Рисунок 4 - Результаты определения эффективности удаления органических отложений водным раствором АФ9-12 в динамических условиях Отмечен значительный разброс величины потери массы в зависимости от пробы отложений. Максимальная потеря массы образца соответствовала максимальной дли тельности контакта раствора ПАВ и образца отложений. Дальнейшее увеличение кон центрации реагентов в растворе не привело к значительному увеличению эффективности разрушения отложений.
На основе проведения однофакторного непараметрического анализа результатов экспериментальных исследований с использованием критерия Краскела-Уоллеса установлено, что на эффективность удаления органических отложений оказывает влияние увеличение времени контакта отложений с рассматриваемыми водными рас творами ПАВ вне зависимости от их концентрации.
Проведены исследования по выявлению факторов, оказывающих влияние на эф фективность удаления органических отложений водными растворами ПАВ (АФ9-12, АФ9-6 и МЛ-81Б 0,1 % об. концентрации) с поверхности различных типов защитных покрытий Scotchkote 134, Scotchkote 6171, Scotchkote 6258+ТК8007 и Б-ЭП 610 в интервале температур 32-70 0С при статическом и динамическом режимах. Ис следована эффективность применения водных растворов ПАВ АФ9-12, АФ9-6, МЛ-81Б 0,1 % об. конц. для удаления органических отложений с поверхностей с по лимерными покрытиями при температуре 70 °С (рисунок 5).
орга нических отложений, % изменение ма ссы 0 70 140 210 280 время воздействия, мин АФ 9-12 -Scotchkote 134 АФ 9-12 -Scotchkote АФ 9-12 -Scotchkote 6258+ТК8007 АФ 9-12 -БЭП- АФ 9-6 - Scotchkote 134 АФ 9-6 - Scotchkote АФ 9-6 - Scotchkote 6258+ТК8007 АФ 9-6 - БЭП- МЛ-81Б -Scotchkote 134 МЛ-81Б -Scotchkote МЛ-81Б -Scotchkote 6258+ТК8007 МЛ-81Б - БЭП- Рисунок 5 - Динамика изменения массы органических отложений, сформированных на поверхности различных покрытий, в результате воздействия водных растворов ПАВ АФ9-12, АФ9-6, МЛ-81Б при температуре 70°С Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что при рода поверхности оказывает существенное влияние на эффективность удаления орга нических отложений. При прочих равных условиях наибольшее влияние оказывает изменение температуры промывочной жидкости. Так, эффективность удаления для одного и того же типа покрытий при температуре 70 0С превышает эффективность удаления при более низкой температуре (32 0С), в среднем, на 21-36%.
Наиболее интенсивное удаление органических отложений происходит при темпе ратуре, близкой к температуре плавления отложений, - 70 0С: максимальное значение ( %) получено при использовании водного раствора АФ9-12 и защитного покрытия типа Scotchkote 6171. Отмечено также, что увеличение времени воздействия положительно сказывается на эффективности удаления отложений.
Учитывая результаты проведенных исследований по определению степени эффек тивности удаления органических отложений при использовании водных растворов ПАВ с металлических поверхностей и с поверхностей с защитными покрытиями, можно отме тить, что эффективность удаления отложений увеличивается, в среднем, на 40 % при комплексном применении ПАВ и защитных покрытий.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. На основе теоретических исследований, анализа геолого-промысловой инфор мации и экспериментальных исследований установлена необходимость применения методов предупреждения и удаления органических отложений, обеспечивающих ком плексное решение проблем эксплуатации скважин на поздней стадии разработки нефтяных месторождений.
2. В результате проведения экспериментальных исследований и анализа геолого промысловой информации установлено, что наличие перепада температур между пото ком жидкости поверхностью глубиннонасосного оборудования скважин не является обя зательным условием формирования органических отложений. На основе анализа состава более 80 промысловых проб органических отложений, сформировавшихся на поверхно сти глубиннонасосного оборудования скважин в условиях наличия и отсутствия перепа да температур, установлено, что среднее содержание парафина при формировании орга нических отложений в отсутствии перепада температур превышает на 8,7 % содержание парафина в составе проб органических отложений, сформировавшихся при наличии пе репада температур. При проведении экспериментальных исследований в условиях от сутствия и наличия перепада температур (от 0 до 25 С) установлено, что органические отложения, сформированные в условиях отсутствия перепада температур, характеризу ются повышенной адгезией к поверхности (в среднем, на 28 %) и значительно отличают ся по механической прочности.
3. Разработана и защищена патентом РФ на изобретение методика (пат.2429344), позволяющая определить эффективность применения составов для удаления органи ческих отложений на основе учета их структуры. Показана возможность использова ния разработанной методики с целью выбора составов для удаления органических от ложений при проведении и проектировании технологических операций эксплуатации и ремонта скважин.
4. Исследована эффективность применения водных растворов ПАВ для удаления органических отложений, сформировавшихся в условиях наличия и отсутствия пере пада температур между потоком жидкости и поверхностью скважинного оборудова ния. Обоснованы оптимальные концентрации исследованных составов для удаления органических отложений. Отмечено, что максимальная эффективность удаления ор ганических отложений составляет 54,6 % для 0,1 % раствора АФ9-12. В результате проведения однофакторного непараметрического анализа на основе критерия Краске ла-Уоллеса установлена зависимость эффективности удаления органических отложе ний от увеличения времени контакта отложений с рассматриваемыми водными рас творами ПАВ вне зависимости от их концентрации.
5. Получены эмпирические зависимости эффективности удаления органических отложений от времени воздействия и температуры. Установлено, что природа по верхности оказывает существенное влияние на эффективность удаления органиче ских отложений. Дана научно обоснованная количественная оценка влияния термо динамических факторов на эффективность удаления органических отложений раз личной структуры с поверхности систем защитных покрытий. Независимо от типа промывочной жидкости скорость удаления органических отложений с поверхности защитных покрытий увеличивается, в среднем, на 40 % в зависимости от типа покры тия. На основе проведения многофакторного дисперсионного анализа результатов ис следований установлено существенное влияние температуры промывочной жидкости на эффективность удаления органических отложений с поверхности систем защитных покрытий. Показано, что увеличение температуры промывочного состава от 32 С до 70 С обусловливает повышение эффективности удаления органических отложений в зависимости от вида покрытия на 21-36%. Максимальная эффективность удаления органических отложений (94 %) получена при использовании водного раствора АФ9 12 и защитного покрытия Scotchkote 6171. Отмечено также, что увеличение времени воздействия положительно сказывается на эффективности удаления отложений.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1. Гильманова, Д.Р. О формировании асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО) в различных технологических элементах нефтедобывающей системы [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова, В.П. Тронов // Нефтяное хозяйство. – 2008. – № 3. – С. 86-87.
2. Гильманова, Д.Р. О проблеме использования скребков и скребков-центраторов на скважинах, осложненных формированием асфальтосмолопарафиновых отложений [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Нефтепромысловое дело. – 2010. – № 6. – С. 53-56.
3. Гильманова, Д.Р. Исследование особенностей применения поверхностно активных веществ для удаления асфальтосмолопарафиновых отложений [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Нефтепромысловое дело. – 2011. – № 2. – C. 53-56.
4. Патент РФ № 2429344 RU, МПК51Е21В43/22 Способ оценки эффективности растворителей органических отложений // Н.Г. Ибрагимов, И.А. Гуськова, Р. И. Шафи гуллин, Д.Р. Гильманова, А.И. Павлова, С.Е. Емельянычева, Е.Ф. Захарова, М.В. Шве цов. – Опубл.20.09.2011.
5. Гильманова, Д.Р. О применении методов борьбы с АСПО в ОАО «Татнефть» [Текст] / Д.Р. Гильманова // «Севергеоэкотех-2009»: Материалы Х Международной научной конференции. Ухта: Ухтинский государственный технический университет. – 2009. – С. 239-242.
6. Гильманова, Д.Р. Исследование эффективности разрушения органических отложений водорастворимыми композициями ПАВ [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р.
Гильманова // Ашировские чтения: Сборник трудов Международной научно практической конференции. Том I. - Самара: Самарский государственный техниче ский университет. – 2010. – C. 148-151.
7. Гильманова, Д.Р. Методика оценки эффективности применения защитных по крытий при добыче парафинистых нефтей [Текст] / Д.Р. Гильманова, С.Е. Емельяныче ва, А.И. Павлова // Проблемы интенсификации добычи нефти и капитального ремонта скважин: Сб. научных статей. – Самара: Самарский государственный технический уни верситет. – 2010. – С. 8-11.
8. Гильманова, Д.Р. Анализ эффективности применения покрытия ПЭП-585 для си стемы промысловых трубопроводов ОАО «Татнефть» [Текст] / И.А. Гуськова, М.Н. Ники тин, Д.Р. Гильманова // «Трубопроводный транспорт-2008»: Материалы IV Международной учебно-научно-практической конференции. Уфа: УГНТУ. – 2008. – С. 270-273.
9. Гильманова, Д.Р. О возможности использования промывочных технологиче ских жидкостей на водной основе для удаления АСПО [Текст] // И.А. Гуськова, Р.Р.
Чекмаева, Д.Р. Гильманова // «Инновационные технологии в геологии и разработке углеводородов»: Материалы Международных научно-практической и научно технической конференций. – Казань: НПО «Репер». – 2009. – С. 102-107.
10. Гильманова, Д.Р. Оценка эффективности некоторых методов, применяемых для удаления АСПО [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // «Актуальные проблемы раз вития нефтегазового комплекса России»: Тезисы докладов VIII Всероссийской научно технической конференции. – Москва: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. – 2010. – С.
111-112.
11. Гильманова, Д.Р. О применении механических методов борьбы с АСПО [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // «Промышленная экология и безопасность»: Материалы III научной конференции. – Казань: «ФЭН». – 2008. – С. 52-53.
12. Гильманова, Д.Р. Повышение эффективности применения механических ме тодов борьбы с органическими отложениями [Текст] / Д.Р. Гильманова, С.Е. Емелья нычева, А.И. Павлова // «Геология, разработка нефтяных и газовых месторождений»:
Сборник тезисов докладов семинара молодых специалистов. – Казань: Изд-во «Ихлас». – 2011. – С. 63-66.
13. Гильманова, Д.Р. Влияние некоторых факторов на область формирования АСПО [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. Том VIII. - Альметьевск: Альметьевский гос ударственный нефтяной институт. – 2010. – C. 50-53.
14. Гильманова, Д.Р. Влияние системы заводнения на условия формирования АСПО [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. Том VII. Альметьевск: Альметьевский госу дарственный нефтяной институт. – 2009. – С. 57-64.
15. Гильманова, Д.Р. Обоснование технологических параметров применения рас творителей для удаления органических отложений в условиях скважин [Текст] / И.А.
Гуськова, С.Е. Емельянычева, Д.Р. Гильманова, А.И. Павлова // Ученые записки Аль метьевского государственного нефтяного института. Том IX. – Альметьевск: АГНИ. – 2011. – С. 48-51.
16. Гильманова, Д.Р. О применении системной классификации методов борьбы с органическими отложениями [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова, С.Е. Емелья нычева // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института.
Том IX. – Альметьевск: АГНИ. – 2011. – С. 90-95.
17. Гильманова, Д.Р. Лабораторные исследования эффективности применения вод ных растворов ПАВ для удаления органических отложений [Текст] / Д.Р. Гильманова // Материалы научной сессии ученых АГНИ по итогам 2010 года. Альметьевск: Альметьев ский государственный нефтяной институт. – 2011. – С. 50-54.
18. Гильманова, Д.Р. О некоторых аспектах условий формирования АСПО [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Материалы научной сессии ученых АГНИ по итогам 2008 года. Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной инсти тут. – 2009. – С. 29-30.
19. Гильманова, Д.Р. О применении технологии промывки нефтедобывающих сква жин, осложненных формированием АСПО, моющими средствами [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова// Материалы научной сессии ученых АГНИ по итогам 2009 года. - Альме тьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт. – 2010. – C. 40-43.
20. Гильманова, Д.Р. О применении химических методов борьбы с АСПО [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Материалы научной сессии ученых АГНИ по ито гам 2008 года. Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт. – 2009. – С. 26-28.
21. Гильманова, Д.Р. Результаты оценки эффективности применения методов удаления органических отложений [Текст] / И.А. Гуськова, Д.Р. Гильманова // Мате риалы научной сессии ученых АГНИ по итогам 2010 года. - Альметьевск: Альметьев ский государственный нефтяной институт. – 2011. – C. 47-50.
Отпечатано в секторе оперативной полиграфии института «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть» на Ricoh Aficio тел.: (85594) 78-656, 78- Подписано в печать 29.12.2011 г.
Заказ №29121101 Тираж 100 экз.