ЛАБОРАТОРНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ВНУТРЕННИХ ПОКРЫТИЙ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ К НЕОРГАНИЧЕСКИМ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯМ Российский патент 2024 года по МПК F17D3/16 G01N17/02 

Изобретение относится к специализированному лабораторному испытательному оборудованию, способному имитировать внутренние условия внутри участка колонны насосно-компрессорных труб (далее НКТ), по которым происходит подъем водонефтяной смеси в добывающей скважине. Целью подобной имитации является оценка методов противодействия процессам отложения солей на внутренних стенках НКТ в процессе подъема минерализованной среды в составе поднимаемой из скважины смеси, а также набор достаточного массива статистических данных для выявления закономерностей в механизмах процессов солеотложения. Изобретение может быть использовано прежде всего для проведения сравнительных испытаний стойких к выпадению отложений внутренних покрытий НКТ или специальных ингибиторов, предназначенных к применению в скважинах с высоким содержанием неорганических солей в попутной пластовой воде.

Колонны НКТ в нефтяных скважинах, в которых происходи добыча сырья с высокой степенью обводненности и минерализацией попутной воды, склонны к снижению своего проходного сечения по причине постепенного нарастания на внутренней стороне труб слоя неорганических солей, устойчивого к механическому и химическому воздействию. Уменьшение проходного сечения приводит к снижению выработки скважины вплоть до остановки ее работы при полной закупорке проточной области. На участках колонны труб где снижение проходного сечения существенно увеличивается внутреннее давление среды, а значит и внутренние механические напряжения в трубном металле. Также солеотложения приводят к усилению степени локальной электрохимической коррозии внутренней поверхности не защищенной покрытием трубы.

Образование слоя солеотложений на внутренней поверхности НКТ происходит по многим причинам - в основном из за неизбежных изменений физических условий в процессе подъема водонефтяной смеси на поверхность. Снижаются давление и температура, что приводит к снижению растворимости растворенных в пластовой воде минеральных солей. Смешение вод разных типов из разных пластов или закачка в пласт воды иного типа для интенсификации добычи также приводит к химическим реакциям между ионами растворенных в них солей и выпадению нерастворимого в данных изменившихся условиях осадка.

Изменение температуры, давления или рН, концентрация в среде кислых газов (H₂S/СО₂) и смешение несовместимых вод, безусловно, являются движущими силами солеобразования. Вместе с тем, для формирования осадка на стенках труб, кристаллы солей должны определенным образом «вырастать» из раствора, чему способствуют скорость движения потока, наличие дефектов на поверхности раздела, сама способность кристаллов дорастать до критического размера, необходимого для дальнейшего развития их пространственного роста на подложке. Прикрепление отложений происходит при гетерогенном образовании зародышей центров кристаллизации непосредственно на поверхности трубы, что зависит от степени насыщения среды солями и также от скорости массопереноса вдоль внутренней поверхности труб.

Ряд исследований говорят о том, что именно скорость и характер движения потока среды в трубе являются основным фактором, от которого зависит степень отложения солей. Турбулизация потока ведет к тому, что в образовании осадка на стенках оборудования участвуют не только кристаллизованные нерастворимые соли, но также дополнительно осаждаются уже циркулирующие в потоке частицы.

Для полного понимания масштаба проблемы, прогнозирования ее развития в системах НКТ и нефтесборах, а также для разработки методов противодействия необходимо изучение механизма образования отложений на поверхностях разного типа и объемных характеристик солетложений - морфологии и взаиморасположения кристаллов в слое таких отложений. Сделать это можно как в реальных так и в лабораторных условиях. Лабораторные стендовые испытания позволяют избежать и заменить дорогостоящий и долгий процесс отладки в реальных промысловых условиях тех или иных технических решений для предотвращения или снижения солеотложений.

Процессы солеобразования значительно ускоряются в экстремальных условиях -высокой температуре или давлении, турбулентном потоке. Эти условия должны быть воспроизводимы в лаборатории, но в случае использования проточных циркуляционных стендов эта задача требует сложной и протяженной водопроводной системы, обслуживания, калибровки крупногабаритного оборудования, огромных объемов потребляемой для прокачивания среды. Потребности в таком крупногабаритном лабораторном оборудовании можно избежать при перемещении образца металла или покрытия, на котором должно происходить отложение соли относительно неподвижной жидкости. При этом одновременно можно моделировать поток солеобразующей среды относительно испытуемой поверхности и локально создать условия для выпадения солей в емкости, заполненной испытательной средой.

Для целей аппробации методов противодействия солеотложениям, актуальных для нефтедобывающей промышленности основным триггером выпадения солей в стенде должно являться смешение несовместимых вод, что позволяет практически мгновенно получить пересыщение раствора и начало выпадения солей из него. Поскольку скорость солеотложения трудноконтролируема и подвержена вариациям, даже когда независимые переменные поддерживаются постоянными, для получения статистически значимых результатов устройство должно обеспечивать масшатабируемость и конвеерность испытаний в одинаковых условиях.

Кроме того, подходящий для целей отрасли нефтедобычи стенд должен в обязательном порядке быть ориентированным на испытания на стойкость к солеотложениям различных покрытий, применяемых в отрасли для защиты внутренней поверхности НКТ от различных осложняющих факторов. Применение для предотвращения солеотложений именно внутренних покрытий труб (ВАКП) позволит решать применением одного технического решения другие проблемы при нефтедобыче кроме солеотложений - коррозионное воздействие среды и закупорка трубного сечения отложениями тверды углеводородных компонентов (АСПО).

Из уровня техники известен стенд для моделирования засорения ступеней погружных электроцентробежных насосов [Пат. 2681054 Российская Федерация, МПК Е21В 37/00, F04B 51/00, G01M 99/00. Стенд для моделирования засорения ступеней погружных электроцентробежных насосов / Д.А. Павлов. С.Н. Пещеренко; заявитель и патентообладатель АО «Новомет-Пермь». - №2018107148, заявл. 26.02.2018, опубл. 01.03.2019, Бюл. №7.]. Стенд представляет собой проточный замкнутый циркуляционный контур и предназначен для моделирования процесса отложения солей и других механических частиц на деталях прогружных электроцентробежных насосов (ЭЦН). В нем емкость для приготовления рабочей смеси заполняется смесью воды, солей (кальцита) и мехпримесей. Получившаяся смесь насыщается углекислым газом, подаваемым в емкость под давлением. Мешалка, расположенная в емкости, при включении электродвигателя перемешивает воду и измельченный кальцит, попутно создавая пузырьки CO₂ в объеме емкости, способствуя быстрому насыщению смеси газом. После приготовления раствора, он под действием включенного насоса прокачивается через ступени ЭЦН через дроссели и специальную мембрану на входе в ЭЦН. Мембрана снижает давление в жидкости, при этом из нее выделяется углекислый газ, при этом на внутренней поверхности первой ступени ЭЦН и в объеме смеси начинают выпадать кристаллы кальцита. При движении через последующие ступени ЭЦН давление жидкости снова повышается и становится равным давлению в исходной емкости при этом начнется обратный процесс растворения газа и кристаллов кальцита. Таким образом авторами достигается локализация процесса выпадения соли лишь в первой ступени ЭЦН. Для оценки солеотложений первая ступень ЭЦН взвешивается до и после испытаний.

Основным недостаком данного технического решения является управляемость и локализация процесса выпадения солей только через воздействие на концентрацию углекислого газа в жидкости. При снижении содержания в ней углекислоты СО₂ изменяется лишь растворимость тех солей, что были образованы с ее участием - карбонатов. В реальных же условиях добычи нефти карбонаты могут вовсе отсутствовать в составе отложений, которые будут состоять, как это часто встречается, из смеси гипса (CaSO₄ ⋅ 2H₂O) и галита (NaCl). Таким образом, выделение и насыщение СО₂ тех вод, что насыщены этими солями никак не скажется на выпадение их из смеси.

Общим недостатком использования всех проточных циркуляционных стендов для целей исследования солеотложений является то, что с каждым циклом прокачивания среда будет все более обедняться минеральными солями, выпадающими на участке выделения СО₂, пока концентрация их в рабочей жидкости не дойдет до того, что жидкость эта станет для уже выпавшего осадка растворителем и вместо накопления солей на интересующих поверхностях начнется обратный процесс - их растворение при проведении экспериментов. В реальных же условиях концентрация солей в пластовых водах изменяется незначительно и при прочих равных соли постепенно и монотонно накапливаются на поверхностях, где произошла кристаллизация их из раствора.

Кроме того, все циркуляционные проточные стенды являются габаритными устройствами со сложной и протяженной трубопроводной системой, тяжелой в обслуживании. В подобных системах для воспроизведения реальных условий необходимо прокачивать десятки литров в минуту через сечение трубопроводной системы стенда, что требует чрезмерных объемных для лабораторных условий емкостей для забора рабочей среды в сотни литров и высокого энергопотребления рабочего насоса.

Известна лабораторная установка для динамического тестирования ингибиторов образования галита [Development of halite test methodology, inhibitors and field application / T. Chen, H. Montgomerie, T. Jackson, P. Chen, O. Vikane, T. Hagen // NACE - 2013 - 2659. - 2009.]. В данной установке нагретый гомогенный раствор хлорида натрия пропускается через охлажденный капилляр, на холодных стенках которого при охлаждении выпадают отложения галита (NaCl). На входе и выходе из капилляра установлены манометры, с помощью которых происходит постоянное измерение внутри него перепада давления, увеличивающегося при нарастании на стенках слоя галита. Перепад давления здесь является функцией от эффективности того или иного ингибитора, добавляемого перед экспериментом в изначальную емкость с раствором.

Недостатком подобной установки является ее принципиальная неприменимость для оценки стойкости покрытий к солеотложениям по причине невозможности нанесения характерных для трубной отрасли защитных покрытий на внутреннюю поверхность любого капилляра из-за его малого диаметра. Кроме того, снижение температуры является катализатором выпадения лишь галита и не приводит к выпадению в осадок других солей характерных для пластовых вод нефтяных месторождений.

Известна установка для исследования накипеобразования камерного типа [Пат. 2306560 Российская Федерация, МПК G01N 33/18, G01N 25/02, B63J 1/00. Установка для исследования накипеобразования / С.В. Гнеденков, А.Н. Минаев, Д.В. Машталяр, С.Л. Синебрюхов, А.О. Кудрявцев; заявитель и патентообладатель Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН). - №2006122911, заявл. 27.06.2006, опубл. 20.09.2007, Бюл. №26.]. Основой установки является испарительная камера с размещенными внутри ее электронагревательными элементами заключенными внутрь трубок, покрытых снаружи составом, чью стойкость к солеотложениям необходимо оценить. Катализатором выпадения соли на наружной поверхности трубок является изменение соотношения «растворитель-растворенное вещество» - вода (растворитель) выпаривается и на нагреваемых поверхностях выпадает минеральный осадок. Выпариваемая вода создает необходимое давление для моделирования внутри камеры производственных условий, при которых выпадет соль. Предусмотрен слив образовавшегося раствора и подмешивание в испарительную камеру рабочей; жидкости для контроля концентрации соли в процессе испытаний. Это сделано потому, что постоянная подпитка испарительной камеры жидкостью без возможности слива образующегося при испарении рассола ведет к неконтролируемому росту концентрации в результате чего искажается реальная картина солеотложений. |

Недостатком данного технического решения является принципиальная непригодность его для моделирования условий внутри колонны насосно-компрессорных труб. Среда внутри камеры в спокойном состоянии, тогда как внутри НКТ всегда движется с той или иной скоростью, влияющей на кинетику и характер солеотложений. Также катализатором выпадения солей в НКТ и на стенках другого погружного оборудования является смешение вод или снижение температуры/давления по мере подъема водонефтяной смеси на поверхность. Достижение температуры, при которой происходило бы выпаривание водной фазы при движении пластового флюида внутри НКТ невозможно. Кроме того, недостатком данной испарительной камеры или, как минимум, недосказанностью в описании ее функционирования является отсутствие установленной скорости или периодичности, с которой будет реализован слив обедненного раствора из камеры для поддержания постоянства концентрации соли во время испытания.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является установка для оценки стойкости к солеотложениям углеродных покрытиях на основе вращающегося цилиндрического электрода (RCE) [Charpentier,, T.V.J., Neville, A., Baraka-Lockmane, S., Hurtevent, C., Ordonez-Varela, J-R, Nielsen, F. M., Erioni, V., Olsen, J.H., Ellingsen, J.A. and Bache, O. ʺEvaluation of Antifouling surfaces for prevention of mineral scaling in sub-surface safety valves,ʺ SPE-1699750-MS, Presented at SPE International Oilfield Scale Conference and Exhibition, Aberdeen, Scotland, UK, 14-15 May 2014.]. Установка состоит из химического стакана (резервуара) для испытательной смеси с вращающимся электродом внутри, а также с блоком управления, позволяющим регулировать скорость вращения вертикального вала электрода и температуры внутри ячейки для моделирования натурных условий. Несколько цилиндрических металлических образцов, разделенных непроводящими и химически инертными кольцевыми материалами установлены на валу для одновременного тестирования сразу нескольких образцов. Резервуар объемом 1 л размещен на нагревательной плите, работающей во время тестирования. Испытание включает погружение нескольких надетых на вал цилиндрических образцов с нанесенным на наружную поверхность тестируемым покрытием в перенасыщенный раствор, предварительно нагретый до 80°С, и установку скорости вращения вала на 500 об/мин. Рассолы обновляются каждый 1 час для поддержания постоянной степени насыщения в течение 24 часов.

Основным недостатком прототипа является то, что регулировка концентрации соли в рабочей смеси осуществляется одной лишь периодической заменой раствора. Такая грубая регулировка не обеспечивает требуемого для подобных экспериментов постоянства; концентрации - при смешении пластовых вод разного типа, выпадение осадка начинается практически мгновенно, раствор обедняется и начинается обратный процесс растворения выпавшего осадка. Это искажает реальную картину солеотложения и не позволяет моделировать натурные условия.

Задачей настоящего изобретения является создание лабораторного стенда, обеспечивающего возможность проведения испытаний всей номенклатуры характерных для нефтегазовых труб защитных покрытий на их стойкость к солеотложениям в условиях, приближенных к реальным условиям выпадения минеральных солей в колонне НКТ при подъеме водонефтяной смеси, за счет, прежде всего, воспроизведения и поддержания в процессе всего испытания химического состава и уровня концентрации солей в рабочем растворе, характерных для реальных нефтяных месторождений, где солеотложения являются осложняющим фактором добычи.

Поставленная задача решается путем разработки лабораторного стенда на основе цилиндрического вала, установленного внутри заполненного рабочим солевым раствором заданного состава и концентрации реактора малого объема, и вращающегося в процессе испытания в этом солевом растворе с заданной угловой скоростью для имитации движения потока с разными скоростными режимами вдоль испытуемого покрытия, нанесенного на наружную поверхность съемного полого цилиндрического образца, соосно установленного на вращающийся вал; в нижней части реактора смонтирована нагревательная плита, моделирующая внутри него температурные условия и для оценки влияния углекислого газа на солеотложения есть возможность барботажа им солевого раствора через верхнюю часть резервуара, при этом, согласно изобретению, для обеспечения управляемости процессом выпадения солей при смешении несовместимых вод в широком диапазоне реальных скоростей солеобразования от самых мягких до самых жестких в стенде реализована подача таких вод из двух разных емкостей посредством работы двух перистальтических насосов с возможностью задавать в начале испытания скорость подачи из каждой емкости с водой в реактор путем установки расходомеров, одновременно при этом во избежание неконтролируемого роста концентрации соли реализована возможность постоянного сброса рабочей смеси из реактора в процессе проведения испытания также с заранее заданной скоростью.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами: Фиг. 1 - Общий вид лабораторного исследовательского стенда Фиг. 2 - Вид в разрезе реактора в варианте с четырьмя вращающимися стержнями и установленными на них образцами с испытуемыми покрытиями

Основными элементами лабораторного исследовательского стенда для оценки стойкости внутренних покрытий нефтепромысловых труб к неорганическим солеотложениям, изображенного на фиг. 1, являются: рабочая камера (реактор) 1, емкости с водами разного типа 2, перистальтические насосы для подачи вод в реактор 3, электропривод, обеспечивающий вращение образцов с заданной скоростью 4, подъемный механизм для открытия/закрытия реактора 5, камера 6 с нагревательным элементом и системой подачи/сброса рабочей среды в/из реактора, блок управления для настройки требуемых условий испытания (скорость подачи воды из емкостей в реактор, температура; среды в реакторе, скорость вращения образцов, скорость отвода рабочей среды из реактора 7.

Основные узлы внутри рабочей камеры (реактора), показанные на фиг. 2: вращающиеся валы 8, установленные на валах цилиндрические испытательные образцы с; покрытиями 9, узел подвода в реактор углекислого газа 10, узлы ввода в реактор пластовых вод разного типа 11 и 12, узел сброса жидкости из реактора в донной его части (условно не показан).

Лабораторный исследовательский стенд для оценки стойкости внутренних покрытий нефтепромысловых труб к неорганическим солеотложениям работает следующим образом:

После монтажа испытательных образцов на вращающиеся валы внутри реактора 1 подъемный механизм 5 закрывает реактор и он наполняется насыщенным раствором NaCl, повсеместно присутствующим по всех пластовых водах нефтяных месторождений. На блоке управления 7 выставляется необходимая скорость вращения валов, имитирующая скоростной режим в скважина с разными дебитами, температура в реакторе, а также скорость подмешивания вод из каждой из емкостей 2 и скорость сброса рабочего раствора через камеру 6 из стенда. После чего включаются электроприводы 4, вращающие валы 8 с образцами 9 внутри реактора, перистальтические насосы 3 начинают работать и раствор NaCl в реакторе начинает с заданной скоростью насыщаться водами из емкостей 2. В зависимости от режима насыщения и скорости вращения валов эксперимент продолжается от нескольких часов до нескольких суток, после чего вращение валов и работа насосов останавливается, жидкость из реактора полностью сливается вовне и реактор открывается для извлечения образцов и подготовки внутренней поверхности реактора для последующего эксперимента.

Цилиндрические образцы с наружным покрытием исследуются гравиметрическими, оптическими, спектрометрическими и другими методами для исследования взаимосвязей между количественными и качественными характеристиками выпавших отложений и режимом проведенных испытаний.

Изобретение относится к специализированному лабораторному испытательному оборудованию, способному имитировать условия внутри участка колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), по которым происходит подъем углеводородного сырья в нефтяной скважине. Целью подобной имитации является оценка методов противодействия процессам отложения солей на внутренних стенках НКТ в процессе подъема углеводородной продукции из скважины, а также набор достаточного массива статистических данных для выявления закономерностей в механизмах процессов солеотложения. Лабораторный исследовательский стенд содержит рабочую камеру-реактор, емкости с водами разного типа, перистальтические насосы для подачи вод в реактор, электропривод, обеспечивающий вращение образцов с заданной скоростью, подъемный механизм для открытия/закрытия реактора, камеру с нагревательным элементом и системой подачи/сброса рабочей среды в/из реактора. Требуемые параметры скорости подачи воды из емкостей в реактор, температуры среды в реакторе, скорости вращения образцов, скорости отвода рабочей среды из реактора задаются блоком управления. Изобретение обеспечивает приближенные к реальным условия выпадения минеральных солей за счет воспроизведения и поддержания химического состава и уровня концентрации солей в рабочем растворе в процессе всего испытания. 2 ил.

Лабораторный стенд на основе цилиндрического вала, установленного внутри заполненного рабочим солевым раствором заданного состава и концентрации реактора малого объема и вращающегося в процессе испытания в этом солевом растворе с заданной угловой скоростью для имитации движения потока с разными скоростными режимами вдоль испытуемого покрытия, нанесенного на наружную поверхность съемного полого цилиндрического образца, соосно установленного на вращающийся вал; в нижней части реактора смонтирована нагревательная плита, моделирующая внутри него температурные условия, и для оценки влияния углекислого газа на солеотложения есть возможность барботажа им солевого раствора через верхнюю часть резервуара, отличающийся тем, что для обеспечения управляемости процессом выпадения солей при смешении несовместимых вод в широком диапазоне реальных скоростей солеобразования от самых мягких до самых жестких в стенде реализована подача таких вод из двух разных емкостей посредством работы двух перистальтических насосов с возможностью задавать в начале испытания скорость подачи из каждой емкости с водой в реактор путем установки расходомеров, одновременно при этом во избежание неконтролируемого роста концентрации соли реализована возможность постоянного сброса рабочей смеси из реактора в процессе проведения испытания также с заранее заданной скоростью.