Химия нефти и газа

Оптическая  активность вызывается химической природой веществ и объясняется наличием в нефтях продуктов распада: холестерина и фитостерина.

Искусственные нефти не обладают оптической активностью. 

НЕФТЬ И НЕФТЕПРОДУКТЫ  КАК ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Вода  и нефть часто образуют трудно разделяемую, нефтяную эмульсию. Эмульсия – это система из двух взаимно не растворяемых жидкостей в которых одна распределена в другой во взвешенном состоянии в виде мельчайших капель. Образуется такая эмульсия за счёт турболизации водонефтяной смеси, при движении её по стволу скважины через задвижки, штуцеры и по трубопроводам от скважины до узла подготовки нефти. Смолистые нефти, содержащие нефтяные кислоты или сернистые соединения, отличаются большей склонностью к образованию эмульсии. Различают два типа эмульсии: нефть в воде (гидрофильная) и вода в нефти (гидрофобная). Та жидкость, которая образует взвешенные капли, называется дисперсной базой, а та, в которой взвешенные капли – дисперсной средой. В первом случае нефтяные капли образуют дисперсную фазу внутри водной среды. А во втором – капли воды образуют дисперсную базу в нефтяной среде.

Основными факторами, определяющими стойкость  нефтяных эмульсий, являются физико-химические свойства нефти. Степень дисперсности (размер частиц), температура и время  существования эмульсии. Чем выше плотность и вязкость нефти, тем устойчивее эмульсия. Труднее поддаются разрушению  мелкодисперсные эмульсии. Чем выше температура, тем менее устойчива нефтяная эмульсия. Эмульсии способны «стареть», т.е. повышать свою устойчивость со временем. Свежие эмульсии легче поддаются разрушению, поэтому обезвоживание и обессоливание необходимо проводить на промыслах.

Существует  три разновидности методов разрушения нефтяных эмульсий: механические, химические и электрические. Каждый из методов  основан на смягчении и укреплении капель воды, что способствует более интенсивному её оттаиванию.  

К механическим способам разрушения эмульсии относятся: отстаивание, центрифугирование и фильтрование. Нагрев эмульсии ускоряет их разрушение, т.к. уменьшается вязкость среды и увеличивается разность плотностей. 

Химические  методы. Разрушение эмульсий в этих случаях достигается применением поверхностно-активных веществ (ПАВ), действующих как деэмульгаторы. Деэмульгатор вводят в поток нефти в специальные смесители в количестве от 5 до 300 грамм на тонну.

По характеру  действия на нефтяные эмульсии деэмульгаторы  делятся на: 
-электролиты 
-неэлектролиты 
- калоиды 

Электрические методы. При попадании нефтяной эмульсии в переменное электрическое поле частицы воды, заряженные отрицательно начинают передвигаться внутри элементарной капли, придавая ей грушевидную форму, острый конец которой обращен к положительно заряженному электроду. При перемене полярности электродов капля претерпевает новое изменение формы, вытягиваясь острым концом в противоположную сторону. Подобные изменения конфигурация капли претерпевает столь часто, сколь велика частота электрического поля. Под воздействием сил притяжения отдельные капли, стремясь передвигаться в электрическом поле по направлению к положительному электроду, сталкиваются друг с другом и при достаточно высоком потенциале заряда наступает пробой оболочки диэлектрика, в результате чего мелкие капли воды укрупняются, что и облегчает их осаждение. Этот процесс проводят в аппаратах  называемых электродегидраторы. 

ПРОМЫСЛОВАЯ ПОДГОТОВКА НЕФТИ  И ГАЗА.

Добываемая  из нефтепромысловых скважин нефть, нефтью является лишь частично, поскольку  вместе с ней из скважины выносятся:

1. углеводородистый газ, называемый попутным газом, он растворен в нефти и механически смешан с нею, и называют его газовым фактором скважины.
2. пластовая вода в количестве  от 5 до 90% на нефть, сильно минерализованная, до 10г/л минеральных солей. Чем дольше эксплуатируется скважина, тем больше воды содержит добываемая нефть.
3. механические примеси, до 1%на нефть, состоящие из песчинок пластовой породы выносимые нефтью из пласта, кристаллы мин.солей, окалины и т.д.

В задачи промысловой подготовки нефти входят отделения от нефти основной части  этих примесей и доведение её качества по содержанию примесей до требования ГОСТа на нефть готовую к переработке. По ГОСТу содержание воды не более 1%, мин.солей от 20 до 300 млг/л. 

 

Описание  схемы сбора и  подготовки нефти  на промыслах

 
 
 

1 – нефть  из скважины

2 – клапан  – переключатель

3 – газоотделитель

4 – мерная ёмкость

5,6 – газосепараторы  I и II  степени

7 – электродегидраторы

8 – ректификационные  колонны 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

АГЗУ – автоматизированная групповая замерная установка

ГПЗ – газоперекачивающий завод

УПВ – установка  подготовки воды

НПЗ – нефтеперерабатывающий завод 

От определенной группы скважин нефть поступает  на АГЗУ, проходит газоотделитель, мерную емкость и после этого нефть  проходит первую ступень сепарации, где отделяется основное количество попутного газа и механических примесей с водой.

Газ направляется в ректификационные колонны ГПЗ на разделение. Нефть с остатками пластовой воды и газа поступает в сепаратор – делитель второй ступени, где отделяется вода и часть газа, а водонефтяная эмульсия поступает в электродегидраторы 7. Здесь, с помощью деэмульгаторов при повышении до температуры 100 – 120 ⁰С от нефти отделяется вода, до остаточного содержания, примерно 1% и соответственно снижается содержание минеральных солей. Такая нефть считается подготовленной для её переработки на НПЗ и поэтому она через установку сдачи нефти откачивается до магистрального нефтепровода  на перегонку.

Пластовая вода. В процессе добычи нефти пластовая вода своим напором вытесняет нефть по порам водных пород горных пород в направлении к стволу скважины. В зависимости от структуры пор самого пласта скорости притока нефти к скважине, вязкости нефти и др. факторов приток воды к скважине вместе с нефтью может быть различным.

Состав  пластовых вод извлекаемых вместе с нефтью чрезвычайно различен и  зависит от геологического возраста, химического состава, эксплуатируемого горизонта, физико-химических свойств нефтей и газов, пластовой температуры и давления и т.д., поэтому пластовые воды, как в пределах одной нефтяной залежи, так и особенно для важных нефтеносных районов имеет существенные различия. В количественном и качественном и качественном составе растворенных солей, газов, компонентов нефти. Основные характеристики пластовых вод, учитываемых в технологических процессах  сбора, транспорта и подготовки эмульсионных нефтей это плотность, общая минерализация и жесткость. В зависимости от общего содержания  солей и плотности, условно выделяют три основных группы пластовых вод:

• солоноватые
• соленые
• рассольные

Промысловая вода, отделенная от нефти, используется для заводнения пластов, т.е. вновь закачивается в недра земли в технологических целях. К этой воде предъявляются следующие требования:

1. она не должна содержать больших количеств механических примесей и соединений железа;
2. не должна содержать сероводород, углекислый газ, органических примесей (водоросли, бактерии);
3. вода должна быть химически инертна к пластовым жидкостям.

Поэтому на установках подготовки воды (УПВ) имеются  специальные водоочистительные  устройства, позволяющие за счёт отстоя добавки  коагулянтов и реагентов  очистить воду до требуемой кондиции.

Минеральные соли. Минеральные соли в пластовой воде находятся практически полностью в растворенном состоянии. По классификации пластовые воды, по химическому составу распространённых в них солей, делят на:

• хлоридно-кальциевые
• щелочные

Первые  наиболее распространены. Содержат в  своём составе смеси хлоридов натрия, магния, кальция.

Щелочные  воды могут быть представлены хлоридо-щелочными  и хлоридо-сульфато-щелочными. Растворенные в воде соли нефти ведут себя различно: хлористый натрий почти не гидролизуется, хлористый кальций в соответствующих условиях может гидролизоваться в количестве до 10% с образованием HCl, хлористый магний гидролизуется на 90% и гидролиз может протекать при низких температурах. Поэтому соли могут быть причиной коррозии нефтяной аппаратуры: 

MgCl₂ + H₂O « MgOHCl + HCl

Если  в нефти находится сероводород  в присутствии воды и при повышенной температуре сероводород начинает реагировать с металлом аппаратуры с образованием сернистого железа 

Fe + H₂S « FeS + H₂ 

А при  наличии ещё хлористого водорода 

FeS + HCl  « FeCl₂ + H₂S 

Минерализация или соленость воды измеряются количеством  сухого вещества, оставшегося после  выпаривания одного литра воды. Измеряется в млг/л. Попутный газ  - это лёгкая углеводородная часть нефти. Выделение газа начинается уже в стволе скважины и затем продолжается на поверхности земли в сепарирующих устройствах установок промысловой подготовки нефти. Углеводородный состав попутного газа на каждой ступени его отделения установленной в соответствии с законами фазового равновесия сложных смесей и зависит от давления и температуры. Но и после многоступенчатой сепарации газа из нефти на промыслы в ней остается в растворенном состоянии, а так же в виде мелких пузырьков. Газ определяется от нефти на стабилизированных установках. Для определения в растворенной нефти легких углеводородов С₁ – С₄. Существует несколько методов: хромотографический и дистилляционный. 

Установка стабилизация нефти 

Основное  направление стабилизации нефти  – это отделение растворенных в ней легких углеводородов от С₁ – С₄ и частично С₅ с целью предотвращения их безвозвратных потерь в атмосферу.

Если  нефть не подвергать стабилизации, то на пути от промысла до НПЗ из нефти терятеся до 2% этих фракций. С₁ – С₅ ценное нефтехимическое сырье с одной стороны, а с другой загрязнитель воздушного бассейна. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Установка стабилизация нефти 

1 – сепаратор

2 – ректификационные  колонны

3 -  газосепараторы

4 – нагреватель

5 – конденсатор

6 – газовый  компрессор 

I, V – нестабильная и стабильная нефть

II, III – углеводородный газ

IV – сжиженный газ

VI – водный конденсатор 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Нефть из сепаратора 1 направляется в ректификационную колонну 2, где за счёт отвода тепла внизу колонны нагревателем 4 от неё отпариваются лёгкие углеводороды. Последние конденсируются в конденсаторе 5 и в сепараторе 3 разделяются на неконденсированный газ III и жидкую фазу IV содержащих углеводород от C₃ до C₅ с небольшой примесью гексана. 
 

Подготовка  газа к переработке

Природный газ выносит из скважины взвешенную капельную жидкость (газовый конденсат, воду) и мелкие частицы горной породы, т.е. газ является дисперсной системой с дисперсной жидкой и твёрдой  фазой.

Необходимо  отделить эти фазы с помощью различных сепарационных устройств. Для очистки газа используются различные по конструкции и эффективности очистки сепарационного устройства, которые по своему принципу действия делятся на гравитационные инерционного типа (насадочные), центробежные и фильтрующие. В большинстве случаев конструкции объединяют в себе несколько из этих принципов. Рассмотрим каждый из этих сепараторов: