Механизм образования солей в проточных каналах центробежного насоса при откачке многофазных сред

Процесс солеобразования в различных элементах добывающей системы является одним из основных осложнений в разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Большинство нефтяных месторождений в России находятся в завершающей стадии разработки, при этом скважины эксплуатируются глубинными насосами. Завершающая стадия разработки нефтяного месторождения характеризуется осложненными условиями добычи нефти, например: увеличение глубины подвески оборудования, изменение термобарических условий в скважине, повышение обводненности и изменение химического состава воды. Все это приводит к интенсификации процесса солеобразования в призабойной зоне скважины и в элементах внутрискважинного оборудования.

Большинство нефтедобывающих компаний Западной Сибири отмечают ежегодную тенденцию роста фонда скважин, осложненных фактором солеотложений. Процентное соотношение между скважинами, осложненных выпадением солей, и всего действующего фонда в ОАО «Самаранефтегаз» – 13 %, ОАО «Ноябрьскнефтегаз» – 37 %, ОАО «Лукойл-Западная Сибирь» – 24 %, ОАО «Самотлорнефтегаз» – 14,6 %, ООО «РН-Юганскнефтегаз» – 36 %, ООО «РН-Пурпенефтегаз» – 28 % [10].

Многие авторы на протяжении последних десятилетий изучают физические процессы выпадения солей, с учетом формулирования методов прогнозирования солеотложений в скважинном оборудовании.

Практически все пластовые воды с минерализацией выше 300 г/л необходимо проверять на вероятность выпадения галита в различных элементах добывающей системы, которые характеризуются динамикой изменения термобарических условий, особенно активно выпадение галита возможно в поверхностных условиях при максимальном разгазировании. Снижение давления до атмосферного и температуры до стандартной величины приводит к интенсивности кристаллизации хлорида натрия.

На процесс интенсификации осаждения галита влияет выделение растворенного в нефти газа. Газовые пузырьки обладают повышенной влагоемкостью, они «отнимают» чистую воду из природного рассола, концентрируя его. Если дегазация нефти начинается еще в пласте или вблизи забоя скважины, то практически на всем пути подъема воды до устья скважины имеются условия для концентрации пластового рассола [7]. Аналитические методики прогнозирования выпадения хлоридов в настоящий момент не разработаны, поэтому прогноз ведется по результатам замера минерализации, концентраций ионов и косвенным признакам.

В работе [12] показано, что на Верхнечонском нефтегазоконденсатном месторождении (ВЧНГКМ) добывается нефть и попутная вода с высоко минерализованным раствором хлоридов натрия, калия, кальция и магния. Количественные показатели минерализации добываемой попутной воды зависят от количественного состава ионов пластовой и закачиваемой (в системе ППД) воды, причем закачиваемая вода контактирует с засолоненным коллектором галитом, который, растворяясь в пластовых условиях в закачиваемой воде, выносится из недр в виде растворов. В процессе эксплуатации скважин на ВЧНГКМ нередки случаи образования галитных «пробок» в стволе скважин. Как правило, в результате прорыва в добывающих скважинах закачиваемой воды, при эксплуатации добывающих скважин погружными электроцентробежными насосами, обнаружили наличие галита в рабочих элементах насоса (после демонтажа насосной установки). Опытным путем [12] достигли положительного результата декольматации рабочих элементов погружного насоса путем промывки пресной водой (прямая промывка при нагнетании пресной воды в затрубное пространство до приема насоса) с последующей прокачкой горячей нефтью с целью предупреждения образования газовых гидратов и обеспечения запуска насоса при его наполнении нефтью с плотностью меньшей, по сравнению с плотностью пресной воды, при этом желательно запуск насоса производить при щадящей прокачке горячей нефти в затрубное пространство, чтобы исключить срыв подачи насоса из-за высокого противодавления столба пресной воды над насосом в насосно-компрессорных трубах.

Авторы [12] указывают, что на основе анализа промысловых данных подтверждается закономерность образования галита в соответствии с критериями, опубликованными в работе [7]:

– галиты образуются при наличии высокоминерализованных рассолов в пластовых водах до 600 г/л;

– снижение давления и температуры способствует выпадению галита;

– выделение растворенного газа из нефти в призабойной зоне скважин способствует интенсивности выпадения галита.

Дополнительно авторами [12] отмечено, что в случае накопления воды на забое скважины при малых числах Рейнольдса движения нефти в потоке трехфазной смеси происходит формирование кристаллов солей галита. В подтверждение данного обстоятельства может служить наблюдение: солевые пробки галита образуются в элементах насосного оборудования и фонтанной арматуры сразу после промывки скважин нефтью, т.е. в процессе закачки нефти в затрубное пространство скважины на дневную поверхность поднимается пластовая вода со сформировавшимися кристаллами солей в процессе исторического накопления пластовой воды на забое и в призабойной зоне скважины. На основе достигнутого положительного опыта при проведении промысловых исследований авторами [12] предлагается эксплуатировать скважины, продукцией которых является нефть с обводнением высокоминерализованной водой, погружными электроцентробежными насосами при проведении периодической промывки не менее двух раз в месяц. С практической точки зрения представляет интерес экспериментальная проверка образования кристаллов солей галита на рабочих элементах насоса, с моделированием промывки пресной водой при различных термобарических условиях.

Из сульфатных солей наиболее распространенным при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений является гипс (CaSО4x2H2О), который при высоких температурах проявляется в модификации бассанита (CaSО4×0,5H2О) и ангидрита (CaSО4). Менее распространенными, но наиболее трудно удаляемыми солями являются барит (BaSО4) и целестин (SrSО4). Существует множество методик определения выпадения сульфатных солей, такие как: метод Э.Е. Лондона, метод Х.А. Стиффа и Л.Е. Дэвиса, метод Ю.П. Гаттенберrера и В.П. Дьяконова, метод Дж. Е. Оддо и М.Б. Томсона, метод В.Е. Кащавцева и др. [7]. Однако каждая из методик имеет свои ограничения и диапазон применимости, а некоторые предоставляют только качественный результат выпадения солей, например – метод прогнозирования солеотложений Дж. Е. Оддо и М.Б. Томпсона (далее по тексту метод Оддо-Томсона).

В процессе обводнения добывающих скважин ВЧНГКМ наблюдается образование солей гипса в погружном насосном оборудовании, в насосно-компрессорных трубах (НКТ), в устьевой арматуре [11]. На примере одной из скважин ВЧНГКМ рассмотрим способ химической обработки скважины. Скважина Х052 ВЧНГКМ эксплуатировалась при минимальных значениях обводненности менее 5 % по объему, при этом наблюдалось выпадение галита, методом промывки пресной водой удавалось восстановить циркуляцию и режим работы погружного насоса, но при увеличении обводненности промывки пресной водой не приносили эффекта. Данное обстоятельство было связано с образованием в глубиннонасосном оборудовании нерастворимых в воде солей. Кислотная обработка скважины 12%-ным раствором соляной кислоты результата не принесла Следующий этап обработки скважины пришелся на закачку 15%-ного раствора каустической соды в объеме 4 м3, результат положительный [11].

Борьба с отложениями гипса с использованием раствора каустической соды дает положительный результат при декольматации кристаллов солей гипса в погружном насосном оборудовании, однако в процессе обработки скважин наблюдается побочный отрицательный эффект – повышается интенсивность коррозионной активности образовавшейся в результате реакции щелочи с металлическими компонентами погружного оборудования и скважины. Для снижения коррозионной активности в процессе обработки скважины раствором каустической соды научный интерес представляет способ акустической обработки скважины (насосного оборудования) с одновременной химической обработкой раствором каустической соды малой концентрации, а в некоторых случаях – без применения химических методов обработки.

В отличие от сульфатных солей выпадение карбонатов, в частности – наиболее распространенного карбоната кальция, определяется наличием диоксида углерода (СО2), что значительно осложняет прогноз. Диоксид углерода растворяется в воде с образованием угольной кислоты (Н2СО3), которая в свою очередь диссоциирует с образованием солеобразующих гидрокарбонатного иона-НСО3 (по первой ступени диссоциации) и карбонатного иона-CO3 (по второй ступени диссоциации). Вследствие этого возникают различные подходы к прогнозным оценкам образования карбонатных осадков. Для оценки выпадения карбонатных солей также существуют различные методики: метод Х.А. Стиффа и Л.Е. Дэвиса, расчетный метод с использованием данных С.С. Заводнова, метод Г.П. Волобуева и Л.Е. Сокирко.

Анализ и сравнение существующих аналитических методов прогнозирования солеобразования показал высокую сходимость с фактическими данными методики Оддо-Томсона с уточненными коэффициентами для основных нефтегазовых провинций России [7].

Солеотложение в проточных элементах электроцентробежных насосов приводит к ухудшению напорно-энергетических характеристик вследствие увеличения сил трения в деталях, температуры и ухудшения теплообмена, а также сужения поперечного сечения проточных каналов рабочих органов. Стендовые испытания ступени ЭЦН показали уменьшение напора и КПД на 10–15 % и 3–5 % соответственно при толщине отложений не превышающей 0,15 мм [6]. Ухудшение подачи насоса может привести к перегреву электродвигателя и его преждевременному отказу. Отложения на поверхности ПЭД приводят к снижению коэффициента теплопроводности и, как следствие, к перегреву двигателя. На Ватьеганском месторождении на долю солеотложения приходится порядка 13 % от общего количества преждевременных отказов при эксплуатации глубины насосными установками [8].

Для погружного оборудования наибольшую опасность с точки зрения коррозии ЭЦН и ПЭД представляет процесс выпадения солей карбонатов кальция, которые приводят к процессу мейза-коррозии, характеризующегося высокими скоростями – до 45 мм/год [5]. Мейза-коррозия характеризуется значительными по площади областями локальных коррозионных повреждений, которые чередуются с участками металла, не затронутыми коррозией. Осаждаясь на поверхности металла, карбонат кальция превращает их в катодные зоны. Там, где солеотложение отслаивается из-за турбулентности потока, механических деформаций и др., возникают анодные зоны, которые начинают интенсивно корродировать с образованием язв.

На основе данных о работе скважин различных месторождений Западной Сибири проведены качественные аналитические расчеты, показывающие риск выпадения солей по уточненной методике Оддо-Томсона (анализируемые скважины оборудованы УЭЦН).

Методика Оддо-Томсона заключается в расчете индекса насыщения SI по результатам шестикомпонентного анализа проб попутной воды:

Краткая характеристика месторождении представлена в таблице 1.

Аналитический расчет проводился для солей гипса, бассанита, ангидрида, барита, кальцита, целестина и сульфата магния. Для исследуемой группы месторождений данные аналитического расчета выпадения солей выявили образование осадков солей карбоната кальция.

На рисунке 1 приведены результаты расчета осадкообразования карбонатов на основе 585 отобранных проб за период с сентября 2020 г. по июль 2021 г.

По результатам расчета на многих исследуемых месторождениях существует высокий риск отложения кальцита в скважинах на глубине подвески погружного насоса.

На рисунках 2–8 представлены кривые, характеризующие технологические условия эксплуатации исследуемых скважин, в которых спрогнозирован риск выпадения солей.

Как видно из представленных графиков (рисунки 2–8), выпадение кальцита наблюдается при повышенной температуре (выше 60 °С) в условиях разгазирования и низких забойных давлений, что непосредственно связано с наличием растворенного углекислого газа в воде (рисунок 9).

Оперативный контроль показателей добычи нефти из скважин в современных условиях является неотъемлемым атрибутом мониторинговой деятельности нефтяной компании, однако определение фактора риска образования солеотложений в скважине является одним из важнейших и требует создания простых и надежных инструментов по прогнозированию солеотложения и предупреждения, борьбы с образованием солей в скважинных условиях.

Поиски эффективного метода предотвращения солеобразования ведутся последние полвека отечественными и зарубежными учеными, однако до сих пор не получилось найти универсальный способ. На данный момент широкое распространение получили следующие методы борьбы с отложением солей:

· использование ингибиторов солеотложения;

· изменение технологического режима работы скважины;

· физико-химические методы очистки скважин и погружного оборудования.

Физико-химические методы направлены на удаление образовавшихся кристаллов солей и в большей степени используются для очистки призабойной зоны скважины (проведение кислотных ванн) и внутреннего пространства лифтовых труб (применение скребков). Изменение технологического режима работы скважины приводит к изменению термобарических условий в скважине, что приводит к изменению условий отложения солей. Однако на практике диапазон, в котором можно изменить технологический режим работы скважины, не всегда удовлетворяет стратегическим задачам нефтепромысла. Применение ингибиторов солеотложений имеет широкое распространение вследствие доступности и простоты их доставки до места образования солеотложений, однако ингибиторы имеют ограниченные диапазоны применимости в зависимости от химического состава вод и термобарических условий, что требует непрерывного и оперативного контроля эффективности ингибитора.

В последнее время научным сообществом ведется поиск альтернативных и экологических технологий борьбы с солеобразованиями. Одной из перспективных технологий является метод акустического воздействия на добываемый поток скважинной жидкости. Акустические методы по сравнению с химическими методами являются экологически безопасными, простыми в управлении, экономичными. Эффективность акустических методов зависит от многих параметров эксплуатации скважины.

При магнитной обработке жидкостей применяются специальные аппараты, представляющие систему постоянных магнитов или электромагнитов. Действие магнитного поля направлено на изменение кристаллической структуры растворенных солей, в результате чего снижается скорость коагуляции. Таким образом, не происходит осаждение крупных солевых осадков, а имеющиеся частицы коагулянта с добываемой нефтью образуют мелкодисперсную систему и легко выносятся на поверхность. Положительным аспектом применения магнитной обработки является простая конструкция аппаратов.

К недостаткам способа магнитной обработки жидкости можно отнести низкую надежность прогнозного метода оценки эффективности. В исследованиях автора [5] в большинстве случаев оборудование по проведению обработок магнитным полем, установленное в рамках опытно-промышленных испытаний, показывало эффективность на уровне статистической погрешности исследований. В то же время лабораторные исследования в динамических условиях и опытно-промысловые испытания наносекундного импульсного электромагнитного воздействия на скважинную продукцию показали положительные результаты [4, 9]. Необходимо отметить, что данное направление только на пути своего становления и говорить о массовом распространении электромагнитного воздействия пока рано.

Одной из форм акустического воздействия является применение ультразвуковых волн. Ультразвук используется в самых разных процессах в химической и смежных отраслях промышленности. Следует различать «высокочастотный ультразвук» и «силовой ультразвук». «Высокочастотный ультразвук» в диапазоне от 2 до 10 МГц обычно используется в системе цифровых измерений параметров. «Силовой ультразвук» находится в диапазоне от 20 до 100 кГц и используется для очистки, сварки пластмасс, а также для звукохимии [3]. Для предотвращения отложении солей предлагается использовать ультразвук нижнего диапазона (8–16 кГц) [1].

Существует несколько гипотез принципа работы ультразвуковых волн в условиях динамического солеобразования. Первая из них основывается на воздействии создаваемых колебаний на центры кристаллизации, в результате чего интенсивность образования солей резко снижается. Акустическое поле изменяет кристаллическую структуру солей, как следствие, размеры частиц уменьшаются, и снижается количество осадков солей на поверхности оборудования [13]. В другой гипотезе считается, что кавитация является физической причиной ультразвуковой чистки [2]. За счет ультразвуковых волн в жидкости создаются узлы высокого и низкого давлений. В зонах низкого давления могут образовываться маленькие пузырьки, наполненные газом или паром. Образованные пузырьки растут, пока не достигнут критического диаметра, после которого они разрываются. Если газовый пузырек разрывается около поверхности раздела фаз, то схлопывание происходит асимметрично и создается струя жидкости в направлении поверхности, достигая скорости до 400 м/с, что может действовать как абразивная сила. Симметричные ударные волны генерируются из-за взрыва пузырьков, расположенных в объеме среды, однако их воздействие на поверхность имеет незначительный эффект из-за быстрого затухания. По другой гипотезе формирование газовых пузырьков в жидкости приводит к образованию границы раздела «пар – жидкость», которая ведет себя как центр кристаллизации, что приводит к объемной кристаллизации солей [5]. Образовавшиеся в результате акустического воздействия кристаллы взвешены в объеме жидкости и не кристаллизуются на поверхности оборудования. Интенсивный массоперенос к поверхности растущих во взвешенном состоянии кристаллов за счет перемешивания жидкости в акустическом поле приводит к снижению пересыщения раствора, образованию мелких кристаллов, которые выносятся с потоком жидкости. Данная гипотеза косвенно подтверждается исследованиями минерализованной воды в пористой среде, предварительно обработанной ультразвуком [1].

В литературе также встречаются случаи бескавитационной очистки поверхности оборудования от кристаллов солей вследствие того, что гидростатическое давление препятствует процессу кавитации и по мере увеличения гидростатического давления кавитация уменьшается до полного исчезновения.

В то же время при отсутствии отложений солей на поверхности металла, кавитация может привести к образованию каверн на поверхности и снизить прочностные свойства оборудования.

Из-за сложных процедур в сильно нелинейных кавитационных полях и того факта, что связь между кавитацией и ее очищающим эффектом до сих пор не изучена, большинство ультразвуковых систем в настоящее время разрабатываются эмпирически. Предполагается, что локальное распределение кавитации непостоянно [2]. Это означает, что некоторые зоны очищаются очень хорошо, в то время как другие, особенно в узлах давления, не подвержены воздействию.

Таким образом, научно-практический интерес представляет изучение механизма образования солей галита, гипса и кальцита в динамических каналах потока многофазных сред, обладающих различными термобарическими характеристиками, с учетом изменения минерализации солей в потоке смеси, в том числе при тестировании различных режимов работы элементов центробежного насоса, с приложением физических полей в динамическом потоке многофазных сред.