книги / Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи

вие движению потока нефти, изменяют его гидродинамические характеристики, способствуя тем самым выпадению парафино­ вых отложений на этих участках.

Парафиновые отложения включают не только собственно па­ рафины, но и асфальтены, смолы, песок, глину, соли и другие примеси. Процесс образования отложений парафинов на поверх­ ности оборудования весьма сложен и является результатом фи­ зико-химических процессов, протекающих в объеме среды и на границе с поверхностями оборудования: адсорбции, коагуляции, кристаллизации и др.

Образование парафиновых отложений происходит из-за воз­ никновения и роста кристаллов парафина непосредственно на поверхности, контактирующей с нефтью, или в результате сцеп­ ления с поверхностью частиц твердой фазы парафина, образо­ вавшихся в потоке. Накопление парафиновых отложений на по­ верхности чередуется с их частичными или полными срывами, зависящими от адгезии к поверхности и гидродинамических ха­ рактеристик потока.

Интенсивность образования парафиновых отложений на по­ верхностях 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 гидрофоб­ ных поверхностях наблюдается обратная картина - присутствие воды в нефти вызывает интенсивное отложение парафина. Меха­ нические примеси участвуют в образовании агрегатов парафина, которые прилипают затем к поверхностям оборудования и сли­ ваются, 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 наблюда­ ются при обводненности скважин более 50 %. Наиболее интен­ сивное 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 оборудова­ ния, контактирующих с минерализованной водной средой, связа­ но 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 - на-

152

рушение равновесного состояния системы соль - вода, обусловли­ вающее переход солей из раствора в кристаллическое состояние.

Основными типами солевых отложений на большинстве оте­ чественных нефтяных месторождений являются сульфаты и кар­ бонаты кальция, сульфаты бария.

Солевые осадки, образующиеся на поверхностях оборудова­ ния, содержат органические компоненты нефти (асфальтены, смолы, спирты, нефтяные кислоты, их соли, галлоидные и серо­ органические соединения), которые, обладая высокой адсорбци­ онной и химической активностью, интенсифицируют процесс отложения солей. Адсорбируясь на границе раздела фаз, они увеличивают адгезию солевых частиц к поверхности.

Накопление на поверхностях оборудования солевых отложе­ ний, как и парафиновых, сопровождается их частичными или полными срывами, зависящими от прочности сцепления с по­ верхностью и гидродинамических характеристик потока.

Физико-химические свойства и геометрия поверхностей обо­ рудования оказывают существенное влияние на интенсивность их запарафинивания. Наличие на поверхности макро- и микро­ неровностей, мелких пор, царапин, раковин способствует интен­ сивному образованию отложений. Наиболее значительный рост отложений происходит при увеличении шероховатости поверхно­ сти от 1-2 до 7-9 мкм (рис. 5.7). Дальнейшее увеличение шеро­ ховатости оказывает слабое влияние на интенсивность запарафи­ нивания. Низкая шероховатость поверхности не является доста­ точным условием для предотвращения ее запарафинивания. Важную роль играет природа материала поверхности. При одной и той же шероховатости количество парафина, отложившегося на единице поверхности Am/S материалов различной химической природы, разное (рис. 5.8).

Парафин удерживается на поверхности твердого тела адсорб­ ционными силами, уровень которых зависит от свободной по­ верхностной энергии твердого тела и парафина. По мере сниже-

I, кг/(м2 ч)

153

Влияние диэлектрических свойств и гидрофильности поверхности на интенсивность запарафинивания (по данным В.П. Тронова)

Шероховатость сказывается положительно на смачивании гидрофильных поверхностей, что обусловливает снижение ©, и в большинстве случаев отрицательно на смачивании гидрофобных поверхностей, что вызывает увеличение ©. Если материалы обла­ дают электроизоляционными свойствами, то мерой их полярно­ сти может служить диэлектрическая проницаемость. У материа­ лов, характеризующихся более высокой полярностью, диэлектри­ ческая проницаемость больше. С увеличением диэлектрической проницаемости интенсивность запарафинивания снижается.

Материалы покрытий, диэлектрическая проницаемость кото­ рых составляет от 2 до 4, подвергаются интенсивному запарафиниванию и не могут быть рекомендованы для практического применения. К числу таких материалов относятся фторопласты, полиэтилены, полихлорвинил и ряд других. Наибольший эффект достигается при использовании материалов с диэлектрической проницаемостью в пределах 6- 8, например, покрытий на основе фенольных и эпоксидных лакокрасочных материалов.

Процесс накопления парафиновых отложений на поверхности чередуется с периодическим их срывом потоком нефти. Срыву отложений предшествует их сдвиг относительно поверхности. Чем меньше сила сдвига, тем больше вероятность отрыва пара­ финовых отложений потоком нефти и, следовательно, ниже ин­ тенсивность запарафинивания поверхности. С увеличением по­ лярности поверхности напряжение сдвига уменьшается.

Значения напряжения сдвига (в МПа) парафиновых отложений при температуре 293 К на поверхности покрытой различной химической природы (данные В.П. Тронова)

Влияние гцдрофильности поверхности на прочность ее сцепления с осадком минеральных солей

теля у материала, тем большее количество солей откладывается на его поверхности (табл. 5.11).

Процесс накопления солевых отложений при низкой адгезии слоя к поверхности сопровождается их частичными или полны­ ми срывами под действием потока эксплуатационной среды, что предотвращает наращивание слоя отложений на поверхностях оборудования.

Работа адгезии Wa между жидкостью и поверхностью твердого

Работа адгезии тем больше, чем сильнее взаимодействие кон­ тактирующих фаз. Работа когезии жидкости WKчисленно равна 2<т2.з, отсюда ст2.з = 0,5WK. Подставив это выражение в уравнение

Из уравнения (5.2) следует, что при контакте полярной жид­ кости с гидрофобной поверхностью взаимодействие будет мини­ мально, так как W* > Wa.

Для придания поверхностям оборудования гидрофобных свойств применяют покрытия на основе неполярных пленкообразователей или гидрофобизируют покрытия на основе полярных

Таблица 5.11

Влияние диэлектрических свойств материала поверхности на интенсивность отложения солей (по данным В.Е. Кащавцева)

пленкообразователей. Гидрофобизация осуществляется введением гидрофобизирующих добавок (кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, ВМ-1000 и др.) в объем материала по­ крытия или обработкой гидрофобизаторами поверхности покры­ тия. Кремнийорганические гидрофобизаторы (алкилхлорсиланы, алкилалкоксиксиланы, полиорганосилазаны и др.), взаимодейст­ вуя с гидроксильными группами пленкообразователей, понижают поверхностное натяжение и резко уменьшают смачивание по­ верхности водой. Краевой угол смачивания гидрофобизированных покрытий превышает 90°, в то время как при отсутствии гидрофобизаторов он составляет 40-75°. Гидрофобные свойства пок­ рытия повышаются при введении некоторых наполнителей и пиг­ ментов (слюда, сажа и др.). Наибольший эффект достигается при нанесении на покрытие из пигментированных материалов (грунт, эмаль) слоя лака на основе неполярных пленкообразователей.

Адсорбирующийся на поверхности слой органических компо­ нентов нефти усиливает сцепление солевых отложений с поверх­ ностью. При контакте покрытий из неполярных материалов с водно-солевой системой, не содержащей органических компонен­ тов, на гидрофобных поверхностях этих покрытий солевые отло­ жения не образуются. При наличии в водно-солевой системе да­ же 1 % органики возникают отдельные скопления кристаллов со­ лей на поверхности ряда гидрофобных материалов (например, на полиэтилене, поливинилхлориде, полистироле). Под осадками со­ лей обнаруживаются органические пленки. На поверхности фто­ ропласта отложения солей отсутствуют, что, очевидно, объясня­ ется его более низким критическим поверхностным натяжением.

Критическое поверхностное натяжение ак, характеризующее поверхностную энергию, служит одним из критериев, опреде­ ляющих смачивание жидкостью поверхности твердого тела. Наи­ меньшее смачивание наблюдается при контакте полярных жид­ костей с гидрофобными покрытиями, обладающими низким по­ верхностным натяжением.

Данные об осадке солей 8с (в мм) на внутренней поверхности труб выкидных линий скважин с различными покрытиями

В трубах с покрытием на основе гидрофобной фторопласто­ вой эмали ФП-734 солевые отложения не образуются.

Глава 6 ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

ОБСЛУЖИВАНИЯ, РЕМОНТА, ХРАНЕНИЯ И СПИСАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

6.1. СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ОБОРУДОВАНИЯ

Качество системы эксплуатации проявляется при ее функционировании. Процесс эксплуатации оборудования можно представить как последовательную во времени смену различных этапов эксплуатации в соответствии с принятой стратегией. К этапам эксплуатации, через которые проходит оборудование, мо­ гут быть отнесены: 1) использование по назначению (примене­ ние); 2) различные виды и методы технического обслуживания и ремонта (ТО и Р); 3) диагностирование; 4) периодические и спе­ циальные испытания; 5) готовность к применению; 6) хранение; 7) транспортирование; 8) модернизация и реконструкция; 9) ожидание поступления оборудования в каждый из выделенных этапов эксплуатации.

Структура процесса эксплуатации определяются принятой стратегией эксплуатации. В общем виде стратегия эксплуатации оборудования представляет совокупность принципов и правил, обеспечивающих заданное управление процессом эксплуатации за счет поддержания наивыгоднейших режимов работы оборудо­ вания и назначения работ по ТО и Р в соответствии с фактиче­ ским техническим состоянием оборудования.

Весь комплекс операций по ТО и Р оборудования можно классифицировать на две группы:

плановые профилактические работы, связанные в основном с предупреждением отказов и повреждений;

работы по обнаружению и устранению дефектов, вызвавших отказы и повреждения.

Между этими группами работ на практике могут существо­ вать различные соотношения в зависимости от принятого крите­ рия оптимальности и выбранной стратегии проведения ТО и Р. Но в любом случае основное требование, предъявляемое к про­ цессу эксплуатации в целом, состоит в том, чтобы при ограни­ ченных затратах обеспечить наибольшую вероятность того, что в необходимый момент времени функциональная система (обору-

160