АСПО Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему поучиться. Леонардо да Винчи 1

Общая характеристика отложений АСПО в целом представляют собой тёмно- коричневую или чёрную твёрдую или густую мазеобразную массу высокой вязкости, которая при повышении температуры снижается незначительно. Химический состав асфальтосмолопарафиновых отложений может изменяться в широких пределах и зависит от происхождения, возраста, свойств и состава добываемой нефти и ряда других факторов – геологических, геотехнических, термобарических, гидродинамических; свойств пластовых флюидов и условий разработки и эксплуатации месторождений. 2

3

Нако­пление АСПО в про­то­чно­й части нефтепромыслового оборудования и на внутренней по­ верхно­сти труб приво­дит к снижению производительности системы, снижению длительности работы скважин и эффективно­сти рабо­ты насосных установок. АСПО представляют собой высокодисперсные суспензии кристалло­в парафино­- нафтено­вых углево­до­ро­до­в, асфальтенов и минеральных примесей в маслах и смо­ лах. Эти суспензии в объеме имеют свойства твердых аморфных тел, ко­то­рые, о­ткладываются в призабойной зоне пласта, на нефтепромысловом оборудовании и в трубах. 4

В АСПО концентрируются: полярные природные поверхностно- активные вещества (ПАВ) и эмульгато­ры нефтей, повышающие прочность их сцепления с металлическими по­верхно­стями и о­блегчающие про­никно­вение вглубь зазоров, трещин и щелей на по­верхно­стях деталей; про­дукты ко­рро­зии и механического износа деталей; мелкие частицы го­рных по­ро­д; во­да. 5

Многие отечественные исследователи полагают, что основным отличием асфальтенов от других групп соединений входящих в состав АСПО, является обязательное наличие свободного радикала исключающего возможность существования этих соединений в нефти в несвязанном виде. В то время как характерной особенностью структуры нефтяных смол считается наличие кислородных мостиков между ароматическими кольцами. 6

В зависимости от содержания различных групп соединений АСПО делят на три класса: асфальтеновый (С парафино-нафтенов /(С асфальтенов +С смол ))<1; парафиновый (С парафино-нафтенов /(С асфальтенов +С смол ))>1; смешанный (С парафино-нафтенов /(С асфальтенов +С смол ))1, где С - концентрация веществ в АСПО в % масс. 7

Тип АСПО Подтип АСПО (вид) Отношение содержания парафинов (П) к сумме смол (С) и асфальтенов (А) П / (С+А) Содержание механических примесей, % Асфальтеновый (А) А1 А2 А3 < 0.9 < > 0.5 Смешанный (С) С1 С2 С3 0.9 – 1.1 < – 0.5 > 0.5 Парафиновый (П) П1 П2 П3 > 1.1 < – 0.5 > 0.5 Разделение АСПО на типы и виды 8

«Парафиновые» АСПО, это такие, в которых парафинов содержится значительно больше, чем асфальтенов. Если же основными тяжелыми компонентами АСПО являются асфальтены, а не парафины, следует говорить об «асфальтеновых» АСПО. 9

В зависимости от содержания парафина нефти разделяются на: парафинистые (более 2% парафина), слабопарафинистые(от 1 до 2% парафина) и беспарафинистые (менее 1% парафина). АСПО растворяются в нефти при температуре выше температуры их плавления (52 0 С), а при низкой температуре выпадают из нефти. При температуре ниже 10 0 С происходит полное выпадение парафина из нефти 10

11

12

13

При дальнейшем (ниже ТНКП) понижении температуры нефти кристаллизуются как церезины, так и парафины С16–С40, кристаллы увеличиваются в размерах, увеличивается также их количество и образуется так называемая сетка, состоящая из кристаллов парафинов разных размеров, сцепленных между собой. Эта сетка «армирует» нефть: нефть становится вязкой, а затем гелеподобной. При определенной температуре нефть, в достаточной степени армированная парафиновой сеткой, «застывает» и перестает течь. 14

Определение температуры застывания по ГОСТ 20287–91: после предварительного нагревания образца испытуемого нефтепродукта его охлаждают с заданной скоростью до температуры, при которой образец остается неподвижным; указанную температуру принимают за температуру застывания. Температуру текучести определяет как наиболее низкую температуру, при которой наблюдается движение нефтепродуктов в условиях испытания по ГОСТ 20287–91. Нефть перестает течь при температуре на 3 °С ниже температуры текучести. 15

ТНКП, как правило, измеряют в образцах (пробах) нефти, отобранных из поверхностного оборудования: устья скважин, трубопроводы, аппараты подготовки нефти и др., а измерения производят при атмосферном давлении. Если АСПО уже выделились в добывающей скважине, то химический состав поверхностной нефти будет отличаться от химического состава той же нефти, находящейся в скважине (в том числе и по парафинам: в поверхностной нефти концентрация парафинов будет меньше). Кроме того, нефть в скважинах находится под давлением газовой фазы, а ТНКП измеряют в дегазированной нефти. Поэтому ТНКП, даже если ее измерили в образце нефти, отобранном на устье скважины, будет, скорее всего, ниже той температуры, при которой парафины могут выделяться в скважине. 16

Справедливо следующее утверждение: если нефть парафинистая, то АСПО будут образовываться в нефтепромысловой системе и, в первую очередь, в добывающих скважинах; если нефть малопарафинистая, то это не означает, что в нефтепромысловой системе не будет происходить интенсивного образования АСПО. Для асфальтенов это утверждение несправедливо: часто нефти, содержащие значительное количество асфальтенов (до 6 %), являются стабильными по асфальтинам, в то же время асфальтены могут интенсивно выделяться из нефти, в которой их концентрация составляет 0,5–2,0 %. 17

Стабильность нефти по асфальтинам – свойство нефти удерживать в себе асфальтены без их флокуляции и осаждения. Флокуляция (агрегирование) асфальтенов – соединение частиц, коллоидно- растворенных в нефти асфальтенов, в видимые массы, которые могут (но не обязательно) выпадать в осадок. 18

Большинство исследователей согласны тем, что депарафинизация скважин напрямую зависит от химического состава выпадающих веществ, поэтому конечной целью исследования всех, вышеописанных физико-химических свойств АСПО, является точная характеристика веществ, входящих в состав АСПО, а через это, и способность прогнозировать уровень парафинизации технологического оборудования, что является одной из важнейших задач на нефтепромысле. 19

20

21

Механизм формирования АСПО Существуют различные теории и модели, позволяющие описывать выпадение АСПО. Достаточная теоретизация данного процесса необходима для адекватного его моделирования, конечной целью которого является прогнозирование выпадения АСПО на различных участках технологического оборудования. В целом, теории парафинизации делятся на три типа. Первая, наиболее распространенная теория, объясняет выпадения АСПО с точки зрения температуры кристаллизации твердых парафино- нафтеновых углеводородов (кристаллизационный, дендритный механизм). 22

Содержащиеся в нефти парафины могут выделяться из нее кристаллизацией при температуре, ниже определенной, – температуре начала кристаллизации парафинов ТНКП. ТНКП зависит от химического состава нефти и от молекулярной массы растворенных в этой нефти парафинов. 23

Моделирование процесса осуществляется путем решения уравнения теплового баланса, применительно к исследуемому участку скважины или трубы. Эта теория не учитывает таких определяющих факторов как адгезия, адсорбция, взаимодействие молекул ПАВ, неполярных молекул и т. д. 24

Вторая теория, принимает во внимание существенное влияние смолисто- асфальтеновых веществ на процесс выпадения АСПО. В качестве эмпирической характеристики нефти обычно принимается соотношение смол, асфальтенов и парафино- нафтеновых углеводородов. При этом, рост кристаллов АСПО объясняется сложным сочетанием процессов коагуляции, агрегации и мицеллообразования парафино-нафтеновых углеводородов и асфальтенов 25

Процесс флокуляции асфальтенов в среде насыщенной парафино-нафтенами. 26

Роль коагулянтов и флокулянтов в осаждении взвешенных частиц 27

Как показано многими исследователями, нейтральные и кислые смолы в нефтях способны как ингибировать, так и промотировать процесс парафинообразования путем образования стерического коллоида с асфальтинами. Все эти процессы влияют на вязкость перекачиваемой жидкости, по снижению которой определяется эффективность тех или иных мер по предотвращению АСПО. Математические модели, основанные на использовании таких эмпирических характеристик более адекватны и применимы. Однако процесс выпадения АСПО связан не только со взаимодействием внутри перекачиваемой жидкости, но объясняется и взаимодействием жидкость-металл с последующей агрегацией и нарастанием слоя. Именно это взаимодействие в маловязких нефтях при температурах °С, не учитывается в таких моделях, а следовательно их адекватность не достаточна. 28

Образование стерического коллоида из асфальтеновых ассоциатов в присутствии достаточного количества смол и парафино- нафтеновых углеводородов. 29

Третья теория описывает механизм формирования АСПО с учетом большинства возможных влияющих факторов. К таким факторам различные исследователи относят: - температурный фон в связи с индивидуальными температурами кристаллизации парафино-нафтеновых углеводородов; - обводненность нефти; - интенсивное газовыделение; - изменение скорости движения газожидкостной смеси и отдельных ее компонентов; 30

- состав углеводородов в каждой фазе смеси; - соотношение объемов фаз; - состояние поверхности труб; - электризация нефтяного потока. Каждый из этих факторов в большей или меньшей степени оказывает влияние на выпадение АСПО, но проблема заключается и в наложении влияний различных факторов друг на друга и в их взаимосвязи. 31

Условия формирования АСПО в скважине: - наличие в нефти высокомолекулярных соединений УВ и в первую очередь метанового ряда (парафинов); - снижение пластового давления до давления насыщения; - снижение температуры потока до значений, при которых происходит выделение твердой фазы из нефти; - наличие подложки с пониженной температурой, на которой кристаллизуются высокомолекулярные УВ с достаточно прочным сцеплением их с поверхностью, исключающим возможность срыва отложений потоком газожидкостной смеси или нефти при заданном технологическом режиме. 32

Влияние давления на забое и в стволе скважины В случае, когда забойное давление меньше давления насыщения нефти газом, равновесное состояние системы нарушается, вследствие чего увеличивается объем газовой фазы, а жидкая фаза становится нестабильной. Это приводит к выделению из нее парафинов. При этом нарушение равновесного состояния происходит в пласте и выпадение парафина возможно как в пласте, так и в скважине, начиная от забоя. 33

При насосном способе эксплуатации давление на приеме насоса меньше, чем давление насыщения нефти газом. Это может привести к выпадению парафина в приемной части насоса и на стенках эксплуатационной колонны. В колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) образуются две зоны. Первая – выкидная часть насоса: здесь давление резко возрастает и становится больше давления насыщения. Вероятность отложения в этом интервале минимальна. Вторая – зона снижения давления до давления насыщения и ниже, здесь начинается интенсивное выделение парафина. В фонтанных скважинах, при поддержании давления у башмака равным давлению насыщения, выпадения парафина следует ожидать в колонне НКТ. Как показывает практика, основными местами образования отложений парафина являются: скважинные насосы, насосно- компрессорные трубы, выкидные линии от скважин, резервуары промысловых сборных пунктов. Наиболее интенсивно парафин откладывается на внутренней поверхности подъемных труб скважин. 34

Скорость потока Как показали исследования, в начале интенсивность отложений растет с увеличением скорости за счет увеличения массового переноса, а затем снижается, поскольку возрастают касательные напряжения, повышающие прочность сцепления парафина с поверхностью оборудования. 35

Влияние снижения скорости газожидкостной смеси на интенсивность парафинизации single-phase turbulent flow - однофазный турбулентный поток; bubble flow - пузырьковое течение; transition flow – переходное течение; slug flow - пробковое течение; annular flow - кольцевое течение 36

Газовый фактор и сам процесс выделения газа при снижении давления. С выделением и расширением газа понижается температура, а присутствие газа в потоке усиливает массообмен, в результате доля парафиновых углеводородов, кристаллизирующихся на поверхности оборудования, существенно возрастает. Наличие механических примесей, являющихся активными центрами кристаллизации, может привести к уменьшению интенсивности отложения парафина за счет снижения состояния перенасыщения нефти последним и увеличение его доли кристаллизации в объеме. 37

Состояние поверхности оборудования (подложки) оказывает существенное влияние на прочность отложений, в частности, полярность материала подложки и качество поверхности (гладкость). Чем выше значение полярности материала и ее гладкость, глянцевитость (чистота обработки), тем меньше адгезия, а следовательно, при меньших скоростях потока будут срываться парафиновые образования с таких поверхностей. Обводненность продукции скважины. Она оказывает двоякое действие. Вначале при малом содержании воды в нефти и прочих равных условиях наблюдается некоторое повышение интенсивности отложений парафина, а затем с увеличением доли воды в потоке интенсивность снижается как за счет повышения температуры потока (теплоемкость воды в 1,6... 1,8 раза больше нефти), так и за счет обращения фаз, при котором ухудшается контакт нефти с поверхностью оборудования. 38

Рис. Схема движения нефти в полости НКТ при высокой обводненности продукции а) поверхность металла гидрофобная; б) поверхность гидрофильная; 1 штанга, 2-НКТ, 3 – нефть, 4-АСПО, 5 – вода. 39

При обводненности продукции более 80-85% нефть в виде отдельного компонента всплывает в воде, заполняющей полость подъемных труб. Поскольку поверхности НКТ и штанг, как правило, гидрофобны (лучше смачиваются нефтью), нефть обволакивает металлическую поверхность труб и штанг. В этом случае даже при очень высокой обводненности на металлической поверхности всегда будут АСПО, что и наблюдается на практике. АСПО не образуются на поверхности труб только при наличии гидрофильной ее природы, при этом нефть будет всплывать не по периферии, а в центре, находясь как бы в водяной оболочке. Из этого следует важный практический вывод: предотвращение выпадения парафина с помощью гидрофилизации поверхности НКТ и штанг. В данном направлении можно выделить два способа гидрофилизации поверхности металла: 1) нанесение жидких гидрофилизирующих полимерных составов; 2) футерование труб и штанг твердыми покрытиями. 40