Comparative tests of fly ash powder as solid demulsifiers

Full Text

Введение

На данный момент вся сырая нефть добывается в виде стойкой водонефтяной эмульсии (далее – ВНЭ), стабильность которой обеспечивается за счет природных поверхностно-активных веществ (далее – ПАВ).

Образование ВНЭ происходит при смешивании воды, закачиваемой в пласт для поддержания пластового давления, и нефти. При этом происходит взаимное диспергирование воды в нефти или же нефти в воде, в результате чего образуется эмульсия. Эмульсия, образованная путем движения жидкости по стволу скважины нефтесборных трубопроводов, быстро стабилизируется природными ПАВ, которые образуют механически прочные защитные пленки на границе раздела вода-нефть. Состав природных ПАВ весьма разнообразен: к нему относятся асфальтены, смолы нафтеновых кислот и тяжелых металлов, парафины, церезины, тонкодисперсные неорганические вещества, состоящие из глины, песка и горных пород [1]. Асфальтены играют основную роль в стабилизации ВНЭ, в работах [2, 3] было установлено, что нефти, подвергнутые деасфальтенизации, не способны образовывать стойкие эмульсии, и после удаления асфальтенов эмульгирующая способность большинства нефтей резко снижается. Также в работе [3] исследовалась стабильность эмульсии типа «вода в нефти», было установлено, что устойчивость эмульсии зависит от процентного содержания асфальтенов в нефти.

Переработка нефти без тщательной деэмульгации приводит к таким вынужденным затратам, как транспортировка бесполезных объемов воды наряду с нефтью. Дополнительно наблюдается износ трубопроводов, насосов, производственного оборудования, ректификационных колонн и дорогостоящих катализаторов из-за содержания едких солей в водной фазе. Таким образом, деэмульгация ВНЭ является одним из самых важных этапов в нефтяной промышленности.

Для достижения удовлетворяющих показаний по содержанию воды и хлористых солей при первичной подготовке нефти применяют различные технологические приемы и методы воздействия на нефтяную эмульсию. Среди них самым распространенным является термохимический метод, суть которого заключается в добавлении в эмульсию химических ПАВ, которые при небольшом нагревании вытесняют природные ПАВы с границы раздела вода-нефть. Механизм действия деэмульгаторов на эмульсию основан на процессе замещения менее активных природных эмульгаторов на границе раздела фаз вода-нефть и их вытеснением в объём водной или нефтяной фазы [5], т.е. деэмульгаторы должны обладать более высокой активностью, чем эмульгаторы. Несмотря на высокую эффективность данного метода, цены на реагенты очень высоки, а невозможность их извлечения из водной фазы приводит к некоторым экологическим проблемам. Также по мере разработки одного нефтяного месторождения, в зависимости от глубины добычи, состав эмульсии меняется, поэтому возникает необходимость оптимизации деэмульгирующего агента или подбора другого. В последнее время происходит активное изучение так называемых твердотельных деэмульгаторов, состоящих из таких веществ, как кварц, корунд, гематит и т.д., в связи с возможностью их повторного использования в процессе обработки нефти. Таким образом, поиск и разработка новых и более дешевых деэмульгаторов остается актуальной темой.

В данной работе в качестве деэмульгаторов ВНЭ использовалась зола уноса (зола после сжигания угля) Алматинской теплоэлектростанции (далее – ТЭЦ). Ввиду того, что зола уноса является отходом, целесообразно его вторичное применение в данной области.

Целью данной работы является проведение сравнительных лабораторных испытаний по определению эффективности золы уноса Алматинской ТЭЦ в качестве деэмульгатора на искусственной эмульсии м. Каламкас.

Экспериментальная часть

Во всех экспериментах была использована искусственная эмульсия, приготовленная смешиванием нефти и воды в соотношении 0,6 : 0,4 соответственно. По степени дисперсности глобул воды в нефти приготовленная эмульсия соответствует реальным промысловым условиям. В качестве водной фазы использовалась промысловая вода м. Каламкас. Пробоподготовка используемого деэмульгатора заключалась в тщательном высушивании золы при 60°С в течение 24 ч и последующем просеивании через лабораторное сито с размером ячейки в 40 мкм.

Деэмульгация проводилась в цилиндрических пробирках объемом 50 мл. Зола добавлялась в эмульсию в количестве 0,1, 0,5 и 1 г. Для сравнительного анализа использовали эталонный (холостой) образец эмульсии без золы. Каждую смесь встряхивали вручную в течение 1 мин, а затем помещали в печь при 60°C. Эффективность деэмульгирования рассчитывалась путем измерения объема воды, отделившейся от эмульсии, с учетом времени и начального объема воды по следующей формуле [7]:

De(%) = (V/V₀) · 100% (1)

где V представляет собой объем воды, отделившейся от эмульсии, а V_o – начальный объем промысловой воды.

Фазовый состав золы уноса был исследован посредством рентгенофазового анализа. Анализ был выполнен при помощи рентгеновского дифрактометра Rigaku MiniFlex 600 с медным катодом (СuKα), напряжение на рентгеновской трубке 40 kV, ток трубки 15 mA, шаг движения гониометра 0,02° 2θ. При проведении фазового анализа использовалась программа PCPDFWIN с базой дифрактометрических данных PDF-2. Морфология и размеры частиц золы были исследованы сканирующим электронным микроскопом SEM Quanta 3D 200i. Визуальный послойный анализ эмульсии проводили при помощи тринокулярного микроскопа XJP-146JBT.

Результаты и обсуждения

Рентгенограмма золы уноса представлена на рис. 1. Согласно полученным данным, преобладающими фазами в составе образца являются гематит (Fe₂O₃) и корунд (Al₂O₃). На графике видно, что отдельные пики образца соответствуют дифрактометрическим стандартным данным, где синие колонки – это Fe₂O₃, а красные – Al₂O₃. На рис. 2 показан снимок образца золы, полученный на сканирующем электронном микроскопе. Как можно заметить, в основном частицы имеют форму сферы по размерам, не превышающим 40 мкм. Такая форма частиц обусловлена технологическим режимом ТЭЦ, при котором под действием высокой температуры в печи происходит плавление мельчайших оксидов, содержащихся в угле, и их последующее резкое охлаждение на выходе.

 

Рисунок 1. РФА золы уноса

 

Рисунок 2. Снимок изображения порошка золы, полученный с использованием сканирующего электронного микроскопа

 

Как видно из табл. 1, введение в эмульсию золы уноса приводит к деэмульгации ВНЭ. Увеличение дозировки золы уноса приводит к быстрому сбросу воды из эмульсии [8]. Так, при 20-минутном отстаивании проб ВНЭ в водяной бане с концентрацией золы уноса в 1 г. выделилось 15 мл воды. В пробах с концентрацией золы уноса 0,1–0,5 г. наблюдался процесс выделения воды (рис. 3).

 

Таблица 1. Результаты исследования динамики деэмульгации

Параметр	Холостая проба	Проба 1	Проба 2	Проба 3
Дозировка золы уноса, г	0	1,0	0,5	0,1
Выделенный объем воды после 15 мин в бане, мл	0	12,5	6,5	2,5
Выделенный объем воды после 20 мин в бане, мл	0	15,0	7,5	5,0

 

Рисунок 3. Динамика выделения водной фазы из эмульсии в зависимости от времени и количества добавленного деэмульгатора

 

Также стоить отметить, что после процесса деэмульгации пробы с содержанием золы уноса, которые были повторно диспергированы, не способны образовывать стойкие эмульсии. Из этого можно сделать вывод о деэмульгирующих свойствах золы уноса на ВНЭ м. Каламкас. Как видно из рис. 3 (пробирки слева направо: холостая, 0,1 г, 0,5 г, 1 г) в холостой пробе отсутствует граница раздела вода-нефть, эмульсия стойкая, а в пробах деэмульгированных порошком золы уноса наблюдается четкая граница раздела фаз. Однако на стенках пробирок наблюдается адгезия нефти [9].

На рис. 4–6 представлены оптические снимки послойного анализа холостой пробы.

 

Рисунок 4. Оптический снимок верхнего слоя холостой пробы

 

Рисунок 5. Оптический снимок среднего слоя холостой пробы

 

Рисунок 6. Оптический снимок нижнего слоя холостой пробы

 

Как видно из послойного анализа холостой пробы (рис. 4–6), наблюдается увеличение содержание глобул воды с верхнего уровня отбора до нижнего. В самом нижнем слое (рис. 3) наблюдается эмульсия.

На рис. 7–9 представлены оптические снимки верхних и нижних слоев деэмульгированных проб порошком золы уноса с дозировкой от 0,1–1 г. на 50 мл ВНЭ.

 

Рисунок 7. Послойный анализ деэмульгированных проб порошком золы уноса дозировкой 1 г на 50 мл

а – верхний слой, б – нижний слой

 

Рисунок 8. Послойный анализ деэмульгированных проб порошком золы уноса дозировкой 0,5 г на 50 мл

а – верхний слой, б – нижний слой

 

Рисунок 9. Послойный анализ деэмульгированных проб порошком золы уноса дозировкой 0,1 г на 50 мл

а – верхний слой, б – нижний слой

 

Как видно из рис. 7–9, наблюдается уменьшение количества водяных глобул в верхнем и нижнем слое проб по сравнению с холостой пробой. Также в каждом из проб наблюдается равномерное распределение глобул воды при послойном анализе.

Выводы

В данной работе показана эффективность частиц золы в качестве деэмульгатора водонефтяной эмульсии. Введение в эмульсию золы уноса приводит к разделению воды от нефти. Дозировка порошка составляла от 0,1 до 1 г. Увеличение дозировки золы уноса приводит к быстрому сбросу воды из эмульсии. При послойном анализе было выявлено равномерное распределение глобул воды. Также при повторном диспергировании деэмульгированных проб повторное образование эмульсии не наблюдалось, вследствие чего можно предположить, что порошок золы уноса может способствовать деасфальтенизации ВНЭ. Из проделанных экспериментов и из различных источников, где исследовалось влияние асфальтенов на стабильность ВНЭ [1–4, 6], можно сделать предположение, что порошок золы уноса может быть использован для деасфальтенизации ВНЭ. Более детальное исследование будет проводиться в дальнейшем.

About the authors

M. A. Mysakhanov

Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

Author for correspondence.
Email: mysahanov@gmail.com

магистр ТПУ по специальности «физика»

Kazakhstan, Алматы

A. S. Zhakypov

Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

Email: szhakupovalibek@gmail.com

докторант PhD, МНС

Kazakhstan, Алматы

A. M. Bakhadur

Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

Email: askar.bakhadur@gmail.com

докторант PhD, МНС

Kazakhstan, Алматы

N. V. Khan

Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

Email: mysahanov@gmail.com

докторант PhD КазНУ, МНС

Kazakhstan, Алматы

E. Erlanuly

АО «Казахстанско-Британский технический университет»

Email: yerlanuly@physics.kz

докторант PhD, научный сотрудник

Kazakhstan, Алматы

M. T. Gabdullin

АО «Казахстанско-Британский технический университет»

Email: m.gabdullin@kbtu.kz

и.о. ректора, Председателя Правления, канд. физ.-мат. наук, докт. PhD по физике плазмы, профессор

Kazakhstan, Алматы

References

Supplementary files