Исследование влияния ультразвуковой обработки на свойства и групповой состав высоковязкой нефти
Текущее состояние. С учетом возрастания интереса к месторождениям с высоковязкими нефтями , большой интерес начинают представлять методики enhanced oil recovery. Одной из методик повышения нефтеотдачи является ультразвуковая обработка, которая позволяет бороться с асфальтопарафиновыми отложениями и снижать вязкость нефти. Снижение вязкости нефти при ультразвуковой обработке объясняется разрушением крупных молекулярных структур и молекул, а также диспергированием крупных образований, наподобие парафинов и асфальтеновых осадков.
Решаемая научная проблема. В данной работе изучается изменение вязкости и группового состава нефти после ультразвуковой обработки. Образцы нефти с двух Российских месторождений подвергались различным режимам ультразвуковой обработки.
Методы исследования. В процессе выполнения данного исследования было выполнено изучение вязкости нефти после ультразвукового воздействия и изменение его группового состава методом SARA анализа и методами газовой хроматографии и масс-спектроскопии. В процессе выполнения работы проводился контроль интенсивности кавитации акустическим методом.
Детали исследования. В данной работе использовались два образца нефти, с месторождения Ашальчи (Республика Татарстан, Россия) и Северокомсомольское (Ямало-Ненецкий Автономный Округ, Россия).
Экспериментальная установка для ультразвуковой обработки создана в ЛЛС «Волна» (Москва, Россия). Данная установка позволяет контролировать частоты сигнала при заданной амплитуде. Схематическое изображение установки представлено на рисунке 1.
Рисунок 1. Экспериментальная установка для ультразвуковой обработки нефти: 1 – термостат, 2 – вискозиметр, 3 – реактор с регулируемой температурой, 4 – термостатируемый реактор, 5 – токовый трансформатор, 6 – термометр, 7 – гидрофон, 8 – цифровой осциллограф, 9 – лабораторный ультразвуковой генератор УЗГ-22, 10 – персональный компьютер; [составлено авторами].
Амплитуда регулировалась с помощью изменения мощности генератора (9). Частота сигнала регистрировалась с помощью трансформатора (5). Частота сигнала так же контролировалась с использованием гидрофона (7). Цифровой осциллограф (8) подсоединенный к компьютеру (10) использовался для приема сигнала. Частота основной гармоники сигнала равно 20 кГц, спектр сигнала, подаваемого на пьезокерамический излучатель представлен на рисунке 2.
Рисунок 2. Спектр сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель; [составлено авторами].
В процессе выполнения работы велся контроль интенсивности кавитации с использованием гидрофона. Спектры акустического сигнала для разных нефтей представлен на рисунке 3. На рисунке величина измеренного на осциллографе напряжения скорректирована для удобства чтения.
Рисунок 3. Акустический сигнал с гидрофона для: а) Ашальчинской нефти, б) Северокомсомольской нефти; [составлено авторами].
В случае используемых нефтей, различимый пик субгармоники возникает при мощности обработки равной 60 Вт и 90 Вт. В связи с этим принято решение проводить ультразвуковую обработку при мощностях 60-90 Вт.
В ходе проведения эксперимента после воздействия ультразвука надмолекулярные структуры стремятся к возврату в предыдущее состояние и при этом происходит кратковременное повышение вязкости, что может соответствовать состоянию структуры нефти с большими нестабильными образованиями. Затем, через 7 дней происходит относительная стабилизация структуры. При этом вязкость превышает значения до обработки, так как структуры, сформированные при нормальных условиях, не соответствуют структурам, формировавшимся в нефти в пластовых условиях.
Стоит отметить, что вид обработки не оказал значительного влияния на изменение вязкости. Это говорит о том, что обработка при 3-х минутах и 60 Вт достаточна для достижения эффекта, аналогичного более длительным и мощным видам обработки.
Заключение. Ультразвуковая обработка является перспективным направлением в сфере нефтедобычи и нефтепереработки. Однако долговременные последствия ультразвуковой обработки нефти могут привести к увеличению вязкости и уменьшению количества легких компонентов нефти. Целью данной работы было изучение изменения вязкости и компонентного состава нефти после ультразвуковой обработки и длительной релаксации. Были получены следующие результаты:
1.Ультразвуковая обработки приводит к моментальному разогреву нефти и снижению её вязкости, что, вероятно, обусловлено разрушением надмолекулярных структур и разрушением крупных молекул.
2.После окончания ультразвуковой обработки через 1-4 дня наблюдается значительное повышение вязкости, что может говорить об образовании крупных нестабильных надмолекулярных структур. Через 7 дней происходит некоторая стабилизация структуры и вязкости. Продолжительность и мощность обработки при этом не оказывает заметного влияния на данные процессы.
3.После ультразвуковой обработки и релаксации в нефти наблюдается уменьшение насыщенных углеводородов и увеличение полярных молекул, смол и асфальтенов. В случае нефти Ашальчинского месторождения наблюдается уменьшение ароматических углеводородов, в случае нефти Северокомсомольского месторождения наблюдается их увеличение. Данные газовой хроматографии и масс-спектроскопии не показали значительных изменений в химическом составе насыщенных и ароматических углеводородов нефтей после обработки и релаксации.
В целом результаты говорят о том, что ультразвуковая обработка способна вызвать значительные химические и структурные преобразования в нефти и приводит к значительному снижению вязкости, однако длительные промежутки времени после обработки способны вызвать их релаксацию.