Повышение безопасности эксплуатации оборудования и трубопроводов нефтегазовых промыслов в условиях их биозаражения

Видно, что с увеличением количества каскадов МГДО скорость коррозии стали существенно снижается. Изменяется и ее характер: язвенная коррозия постепенно уступает место равномерной. Отсюда следует, что жизнедеятельность СВБ кардинально подавляется. В результате значительно повышается безопасность эксплуатации оборудования и трубопроводов в подобных условиях, поскольку удается полностью предотвратить локальную коррозию металла – наиболее опасный вид разрушения этих объектов.

Таким образом, предлагаемый метод борьбы с СВБ в нефтегазопромысловом оборудовании и трубопроводах заключается в выполнении следующих операций:

1. определение ионного состава минерализованной воды;
2. расчет и изготовление устройства для МГДО, а также экспериментальное определение количества ионов, выпадающих в виде кристаллической фазы, то есть процентного показателя обессоливания воды по сульфат-ионам. Расчет теоретического и реального мольного соотношения катионов и анионов – для определения количества дополнительно дозируемых катионов кальция, необходимых для полного удаления растворенных сульфат-ионов из жидкости;
3. разработка системы устройств (рисунок 6) для удаления сульфат-ионов из среды. Возможны три варианта системы.

Рисунок 6 - Возможные варианты системы для обработки среды, содержащей СВБ, с удалением выпавших сульфатов: а) отстаиванием; б) фильтрованием; в) центрифугированием

Первый включает дозатор (1) для подачи расчетного количества раствора соли кальция, устройство для МГДО (2) и отстойник (3) (

рисунок 6 а). При этом 4 – входящий в устройство для МГДО поток жидкости, содержащей сульфат-ионы; 5 – выходящий из отстойника поток жидкости без сульфат-ионов; 6 – выходящий из отстойника поток жидкости, обогащенный микрокристаллами сульфатов. Во втором варианте отстойник заменяется фильтром (рисунок 6 б). При этом 4 – то же; 5 – выходящий из фильтра поток жидкости без сульфат-ионов. В третьем варианте (рисунок 6 в) для отделения выпавших после МГДО кристаллов сульфата кальция служит гидроциклон. При этом 4 – то же; 5 – выходящий из гидроциклона поток жидкости без сульфат-ионов; 6 – выходящий из гидроциклона поток жидкости, обогащенной микрокристаллами сульфатов. Выбор того или иного варианта зависит от размера образующихся кристаллов сульфата кальция и их количества. Немаловажную роль играют и экономические аспекты.

Расчет количества дозируемой в обрабатываемую среду соли кальция с известной концентрацией ионов CCa2+ производится исходя из найденных в лабораторных условиях мольных концентраций сульфат-ионов и карбонат-ионов в среде объемом V. Количество добавляемого раствора составляет

.

После МГДО все сульфат-ионы переходят в микрокристаллическую фазу, переносятся потоком среды в отстойник (

рисунок 6 а), фильтр (рисунок 6 б) или гидроциклон (рисунок 6 в) откуда в дальнейшем удаляются.

Предлагаемый метод обеспечивает полное подавление жизнедеятельности СВБ в промысловых средах, снижение образования отложений гипса на стенках трубопроводов и оборудования, предотвращает образование биогенного сероводорода, то есть способствует как улучшению экологической обстановки в районе предприятия, так и значительному повышению безопасности эксплуатации оборудования и трубопроводов.

В четвертой главе описаны методические указания по расчету разработанных устройств для МГДО промысловых сред, проведению их монтажа и определению эффективности предложенного метода подавления жизнедеятельности СВБ.

На практике для осуществления МГДО необходимо рассчитать и изготовить устройство, которое имело бы высокую эффективность в рассматриваемых условиях. Методически это выполняется следующим образом.

Примем за основу расчетную схему, изображенную на рисунке 2.

Требуется определить:

1) количество хлорида кальция, которое следует дозировать в трубопровод для осаждения максимального количества сульфат-ионов;

2) количество предварительно дозируемой щелочи (например, NaOH), если обрабатываемый поток имеет значение рН ниже 3-4 или повышенное содержание растворенных кислых газов, препятствующих достаточно полному удалению сульфат-ионов;

3) величины В, L, m и необходимое количество последовательно устанавливаемых каскадов в устройстве для МГДО;

4) тип и параметры устройства (отстойник, фильтр или гидроциклон) для выведения из среды образующейся кристаллической фазы.

Кроме того, проектируемая система должна соответствовать параметрам промысла по пропускной способности и давлению на выходе, а также климатическим условиям эксплуатации.

Поскольку в образовании солей принимают участие ионы, рассчитывают плотность индуцируемого тока для обоих их видов.

Величину магнитной индукции для различных ионов рассчитывают по формуле

,

где Qi – суммарный заряд i-ых ионов, проходящий за время t в зазоре устройства для МГДО, Кл; 0 – магнитная постоянная, Вс/(Ам); ei – заряд i-ых ионов, Кл; qi – валентность i-ых ионов; ci – концентрация i-ых ионов, ед./м3; ui - подвижность i-ых ионов, м2/Вс; S – площадь сечения, через которое протекает индуцируемый ток, м2; U - скорость движения среды, м/с.

Для катионов и анионов величина магнитной индукции различна, поэтому при проведении расчетов берут наибольшее значение с целью обеспечения эффективной обработки.

Величины m, L и необходимое число каскадов определяют с помощью специально разработанной в ходе выполнения диссертации компьютерной программы. Она позволяет также определять направление индуцируемого тока ионов и рассчитывать его плотность по осям x, y, z для каждого типа ионов. Зная величину магнитной индукции, рассчитанную по приведенной выше формуле, подбирают постоянные магниты с соответствующими характеристиками. Значения m и L задают с учетом геометрии трубы, размеров магнитов и условий в трубопроводе. Далее рассчитывают плотность индуцируемого тока для каждого типа ионов.

В качестве ИМП были выбраны магниты типа Nd2Fe14B, которые при относительно невысокой цене обеспечивают длительную работу устройства для МГДО в условиях газонефтепромыслов.

Число каскадов МГДО предварительно определяют, исходя из количества растворенных сульфат-ионов по таблице 1 и окончательно - по результатам испытаний на промысловой среде.

Эффективность устройства для МГДО оценивают по формуле

Э = (1- С ост / С0) ·100 %,

где С ост – остаточная концентрация сульфат-ионов после МГДО, моль/л; С0 - начальная концентрация сульфат-ионов в среде, моль/л.

Лабораторные эксперименты по определению влияния МГДО на снижение концентрации сульфатов в модельных средах в условиях дозирования раствора хлорида кальция показали высокую эффективность разработанного метода. Так, при скорости концентрированного модельного раствора сульфата кальция 1 м/с эффективность МГДО составила в среднем 40 % на один каскад. Обработанный раствор центрифугировали и определяли содержание сульфат-ионов. Было показано, что 4-5 каскадная МГДО промысловой воды в условиях дозирования раствора хлорида кальция дает возможность снизить количество сульфат-ионов до 0,05 % масс. и ниже, что позволяет полностью подавить жизнедеятельность СВБ.

Учитывая большое различие в плотности между выпадающими солями и средами технологических потоков, для разделения образующихся суспензий предлагается использовать отстойники, фильтры или гидроциклоны. В диссертации приведены методы их расчета в зависимости от полученных экспериментальных данных.

Таким образом, использование разработанного метода позволяет полностью исключить существование и рост СВБ в системах промысловых трубопроводов и, тем самым, значительно повысить безопасность эксплуатации объектов нефтегазовых промыслов.

ВЫВОДЫ

1 Теоретически обосновано и подтверждено на практике, что МГДО минерализованных промысловых сред позволяет полностью предотвращать локальную микробиологическую коррозию металла нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов, которая является одной из основных причин их разрушения и непрогнозируемых аварийных отказов. Даже в случае наличия в промысловой среде хорошо растворимых солей, когда для эффективного извлечения сульфатов необходимо одновременно с МГДО дозировать в нее соли кальция, метод отличается малыми энергозатратами, простотой изготовления требующихся устройств, отсутствием необходимости их обслуживания. В результате материальные затраты на реализацию метода значительно уступают таковым в случае использования распространенных в нефтегазовой отрасли методов (например, применение дорогостоящих бактерицидов), которые, к тому же, не обеспечивают полного подавления жизнедеятельности СВБ в адгезированной на поверхности оборудования форме.

2 МГДО промысловых сред имеет высокую антибактериальную эффективность практически с момента начала воздействия, так как условия, необходимые для образования кластеров сульфатов, формируются в течение первой секунды обработки. Микрокристаллы сульфатов имеют размеры до 4 мкм и при высоких скоростях потока не способны к отложению на стенках труб и оборудования. Они перемещаются в объеме транспортируемой среды в виде мелкодисперсной взвеси.

3 Механизм МГДО промысловых сред заключается в пространственном разделении катионов и анионов в постоянном магнитном поле. Они движутся в противоположные стороны – к области максимального воздействия магнитного поля. В зоне с нулевой магнитной индукцией происходит увеличение концентрации катионов и анионов. В случае удаления сульфат-ионов в условиях дозирования раствора хлорида кальция в этой зоне возникает пересыщение по сульфату кальция. Начинается процесс активного образования микрокристаллов, а концентрация растворенных сульфатов снижается до требуемых значений.

4 Показано, что с увеличением количества каскадов МГДО скорость коррозии стали 20 существенно снижается. Изменяется и ее характер: язвенная коррозия уступает место равномерной. Следовательно, жизнедеятельность СВБ эффективно подавляется. Удается практически полностью предотвратить локальную коррозию металла, которая существенно снижает безопасность эксплуатации нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Николаев О.А. Магнитогидродинамический метод обработки оборотной воды ГПЗ для предотвращения накипеобразования / Николаев О.А. // Новые технологии в газовой промышленности: тез. докл. 7-й всерос. конф. молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности. – М: РГУ НГ им. И.М. Губкина, 2007 - С. 20.

2 Николаев О.А. Магнитогидродинамический метод обработки оборотной воды ГПЗ для предотвращения сульфатредукции СВБ / Николаев О.А., Лаптев А.Б. // Новые технологии в газовой промышленности: тез. докл. 7-й всерос. конф. молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности. – М: РГУ НГ им. И.М. Губкина, 2007 - С. 21.

3 Николаев О.А. Обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводов и оборудования нефтяных промыслов в условиях солеотложения и биообрастания / Николаев О.А. // Трубопроводный транспорт – 2007: тез. докл. междунар. учеб.-науч.-практ. конф. – Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2007. – С. 58-59.

4 Николаев О.А. Уменьшение объема сульфатных отложений в промысловых трубопроводах как способ предотвращения биокоррозии / Николаев О.А. Лаптев А.Б., Ахияров Р.Ж., Бугай Д.Е. // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: материалы науч.-практ. конф. - Уфа: ИПТЭР, 2008 – С. 257.

5 Николаев О.А. Повышение безопасности эксплуатации трубопроводов и оборудования нефтяных промыслов в условиях биозаражения пластовых вод / Николаев О.А., Лаптев А.Б., Ахияров Р.Ж., Бугай Д.Е. // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. – Уфа: УГНТУ, 2008. – Вып. 3. – С. 75-76.

6 Николаев О.А. Использование магнитогидродинамической обработки для подавления жизнедеятельности аэробных бактерий и микроводорослей / Николаев О.А., Ахияров Р.Ж., Латыпов О.Р., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Энергоэффективность. Проблемы и решения: материалы науч.-практ. конф. – Уфа.: ИПТЭР, 2008. – С. 72-73.

7 Николаев О.А. Влияние магнитогидродинамической обработки на жизнеспособность сульфатвосстанавливающих бактерий / Николаев О.А., Ахияров Р.Ж., Алаев А.А., Латыпов О.Р.., Цыпышев О.Ю., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Энергоэффективность. Проблемы и решения: материалы науч.-практ. конф. – Уфа: ИПТЭР, 2008. – С. 79-81.

8 Николаев О.А. Применение магнитогидродинамической обработки для удаления сульфат-ионов из пластовых сред / Николаев О.А., Ахияров Р.Ж., Ибрагимов И.Г., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – Уфа: ИПТЭР, 2008. - № 74. – С. 41-46.

9 Николаев О.А. Лабораторный стенд для изучения влияния магнитогидродинамической обработки на микробиологическую коррозию стали / Николаев О.А., Ахияров Р.Ж., Ибрагимов И.Г., Латыпов О.Р., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Уфа: ИПТЭР, 2008. - № 74. – С. 98-102.

10 Николаев О.А. Расчет устройств для магнитогидродинамической обработки, применяемых с целью снижения сульфатредукции бактерий в пластовых водах / Николаев О.А., Ахияров Р.Ж., Ибрагимов И.Г., Черепашкин С.Е., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Нефтегазовое дело. - 2008. - № 4. - С. 204-208.

11 Николаев О.А. Повышение безопасности эксплуатации трубопроводов нефтегазовых промыслов в условиях воздействия сульфатвосстанавливающих бактерий / Николаев О.А., Ахияров Р.Ж., Ибрагимов И.Г., Латыпов О.Р., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья: материалы науч.-техн. семинара – Уфа: ИПТЭР, 2009. - С. 22-23.