к.т.н. Шайдаков В.В., Чернова К.В., Ємельянов А.В.
У статті наведена одна з гіпотез про вплив магнітного поля на водні системи. На підставі даної гіпотези описаний механізм впливу магнітної обробки промислових рідин на різні їх властивості. Розглянуто вплив магнітної обробки на АСПО і солеотложенія, освіта стійких емульсій і протікання корозійних процесів.
Обробка водних систем магнітним полем - одне з найбільш спірних напрямків в науці. Досить широко застосовують у різних галузях промисловості, магнітна обробка до теперішнього часу не має чіткої загальноприйнятої теоретичної основи. В основному дослідні роботи в даному напрямі ведуться на базі накопичених фактів - результатів дослідів і впроваджень, часто важковідтворимі, і гіпотез, часом суперечать один одному [1].
На думку А.Х. Мірзаджанзаде, С.М. Колокольцева, А.Л. Бучаченко, Р.З. Сагдеева, К.М. Саліхова, при магнітній обробці водних середовищ зрівнятися з енергією теплового руху і порядок внутрішню структуру можуть структурні хімічні зв'язки, які характеризуються взаємодією двох або декількох атомів, які обумовлюють утворення стійкої багатоатомних системи, і супроводжуються суттєвою перебудовою електронних оболонок зв'язують атомів. При цьому необхідно враховувати динаміку процесу, адже всі електронні орбіти, складові оболонку, безперервно здійснюють коливальні рухи. Щоб існувала стійка і стабільна зв'язок атомів, необхідна певна кореляція в русі електронів, тобто коливання електронних орбіт взаємодіючих атомів повинні бути синхронні. Синхронність коливань електронів в атомах свідчить про наявність дисперсійного взаємодії між атомами. Дисперсійні сили мають електромагнітну і квантову природу і є однією з різновидів міжмолекулярної взаємодії, званого силами Ван-дер-Ваальса. Дисперсійні сили виникають в результаті коливань електронів сусідніх атомів або молекул в однаковій фазі, при цьому взаємне притягання призводить до зближення цих атомів або молекул і освіти між ними зв'язки.
Якщо магнітне поле впливає на дві сусідні молекули, які здійснюють коливальні рухи у відповідності зі своїми спектрами (наборами власних частот), то відразу після накладення поля електронні орбіти цих двох частинок почнуть процесувати з однаковою, ларморовой, частотою навколо паралельних осей. У електронних орбіт різних частинок з'явиться як мінімум одна загальна частота коливань - ларморова. Коливання стануть частково синхронні в часі і просторі, тому між молекулами може виникнути дисперсійна зв'язок. Для цього, крім того, необхідно виконання умови рівності трьох частот: серед власних коливань двох поруч розташованих молекул повинні знайтися дві частоти, одночасно дорівнюють один одному і частоті Лармора. Старі взаємодії руйнуються і виникають численні нові, щільна мережа яких впливає на кожну молекулу, кожен атом, і тримає їх у рамках нової утворилася структури. Цим можна пояснити тривале збереження властивостей водних систем після їх магнітної обробки.
Відомо, що дія магнітного поля носить поліекстремальний характер. При наростанні напруженості магнітного поля, ларморова частота, що залежить від неї лінійно, також безперервно зростає. А оскільки спектр власних частот молекул не безперервний, виконання рівності трьох частот можливе лише для окремих значень напруженості магнітного поля. Звідси і поліекстремальность.
Парадоксальний факт помітного впливу слабких магнітних полів (напруженістю, наприклад, 10-30 кА/м2) на водні розчини та біологічні об'єкти. Це можна пояснити тим, що молекули даних речовин, особливо органічних, досить масивні і, відповідно, спектр їхніх власних коливань знаходиться в області низьких і наднизьких частот. А це означає, що умова рівності трьох частот із найбільшою ймовірністю буде реалізовуватися в області слабких значень напруженості магнітного поля, що дають малі ларморови частоти.
У нафтогазовій галузі застосування магнітної обробки водних середовищ, засноване на вищевикладеної теорії, здійснюється в кількох основних напрямках: боротьба з асфальто-смолистими і парафіновими відкладеннями (АСПО), солеотложенія, запобігання утворення стійких емульсій і зниження корозійної активності перекачуваних рідин.
Вплив магнітного поля на АСПО.
Для запобігання АСПО використання магнітних пристроїв почалося в п'ятдесяті роки минулого століття, але через малу ефективність широкого розповсюдження не отримало. Були відсутні магніти, досить довго і стабільно працюють в умовах свердловини. У 1995-2001 р.р. інтерес до використання магнітного поля для впливу на АСПО значно зріс, що пов'язано з появою на ринку широкого асортименту високоенергетичних магнітів на основі рідкоземельних металів. Механізм впливу магнітного поля на освіту АСПО, згідно [2,3], виглядає наступним чином: у рухомої рідини відбувається руйнування агрегатів, що складаються з субмікронних феромагнітних мікрочастинок сполук заліза, що знаходяться при концентрації 10-100 г / т в нафті і попутної воді. У кожному агрегаті міститься від декількох сотень до декількох тисяч мікрочастинок, тому руйнування агрегатів призводить до різкого (у 100-1000 разів) збільшення концентрації центрів кристалізації парафінів і солей і формування на поверхні феромагнітних частинок бульбашок газу мікронних розмірів. У результаті руйнування агрегатів кристали парафіну випадають у вигляді тонкодисперсної, об'ємною, стійкої суспензії, а швидкість росту відкладень зменшується пропорційно зменшенню середніх розмірів випали спільно зі смолами і асфальтенів в тверду фазу кристалів парафіну. Освіта мікробульбашок газу в центрах кристалізації після магнітної обробки забезпечує газліфтний ефект, що веде до деякого зростання дебіту свердловин [1].
Вплив магнітного поля на солеотложенія.
Використання магнітного поля для боротьби з утворенням солеотложеній засноване на принципі: магнітне поле впливає на кінетику кристалізації, яка обумовлює збільшення концентрації центрів кристалізації в масі води (рис.1), водна система виводиться з відносно стабільного стану, зростає швидкість утворення опадів і формується безліч дрібних кристалів практично однакового розміру (рис. 2,3).
Рис. 1. Вплив магнітного поля на освіту солеотложеній
Провокування кристаллообразования призводить до того, що надалі, замість відкладень солей на поверхні обладнання, зваж утворюється в об'ємі розчину, виноситься з небезпечної зони і її можна видаляти за допомогою спеціальних пристроїв [4].
Рис. 2. Форма і розміри кристалів хлориду натрію до магнітної обробки
Рис. 3. Форма і розміри кристалів хлориду натрію після магнітної обробки
Обробляти магнітним полем водну систему переважно до початку процесу формування кристалів. Так, стосовно до обладнання, що працює в свердловинах, схильних до солеотложенія, бажано встановлювати джерело магнітного поля в нижній частині колони. Максимальний ефект від магнітної обробки можна отримати на водних системах при відносно невисоких пластових температурах (до 70-80 0С) і підвищеному вмісті іонів солей (250-300 мг / л і вище) [2,4,5].
Вплив магнітного поля на емульсії.
У нафтовидобутку завжди гостро стояла проблема поділу високостійких водонафтових емульсій у зв'язку з недостатньо ефективним впливом деемульгатора. Для підвищення ефективності деемульгатора, особливо на високов'язкі і високоміцні водонафтових емульсії, застосовуються різні методи, серед яких особливо виділяється обробка емульсії магнітним полем. Розглянемо механізм впливу на водонафтової емульсію деемульгатора та магнітного поля.
Спочатку емульсія являє собою субстанцію класу "нафта у воді" або "вода в нафті", причому на межах розділу фаз утворюються так звані "бронюють оболонки", що запобігають саморуйнування емульсії. Молекули деемульгатора, адсорбируясь на поверхні розділу фаз, витісняють менш поверхнево-активні природні емульгатори. Однак, хоча плівка, що утворюється деемульгатора, володіє малою міцністю, дії сил ваги недостатньо для забезпечення швидкого осадження та коалесценції дрібних крапельок [6]. При цьому для прискорення процесу адсорбційного заміщення можна використовувати підвищення температури обстоюваної емульсії [2]. Однак це рішення не завжди є прийнятним і реалізованим. Вирішити цю проблему дозволяє магнітна обробка емульсії (рис.4). Застосування магнітного поля викликає поляризацію крапельок води і їх взаємне притягання, що призводить до значного прискорення коагуляції і коалесценції крапель води (мал. 5) і їх швидкому відстою. Найбільш ефективна магнітна обробка емульсії після додавання в неї деемульгатора [7].
Рис. 4. Вплив магнітного поля на водонафтової емульсію
а) б)
Рис.5 водонафтової емульсія до (а) і після (б) магнітної обробки
Вплив магнітного поля на корозійні процеси.
Поверхня корродирует металу зазвичай є багатоелектродного гальванічний елемент, що складається з двох і більше відрізняються один від одного електродів. Спрощено цю поверхню можна розглядати як систему, що складається з ділянок двох видів - анодних і катодних.
Причини виникнення електрохімічної неоднорідності поверхні розділу "метал - електроліт" можуть бути різні. Так для сталі 20, що має структуру "ферит + перліт", такою причиною може бути неоднорідність сплаву. Ферит, що має більш негативний електродний потенціал, є в цьому гальванічному елементі анодом, а перліт - катодом [8].
Електрохімічна неоднорідність поверхні корродирует металу призводить до диференціації останньої на анодні - з більш негативним електродним потенціалом, і катодні - з більш позитивним. Ступінь неоднорідності цієї поверхні характеризується величиною різниці електродних потенціалів анодних і катодних ділянок.
Електрохімічне розчинення металу складається з трьох основних процесів:
1) анодного - освіти на анодних ділянках гідратованих іонів металу в електроліті і вільних електронів:
.
2) перетікання електронів у металі від анодних ділянок до катодних і переміщення катіонів та аніонів у розчині (рис. 6)
3) катодного - відновлення електронів будь-якими іонами або молекулами розчину (деполяризатором) на катодних ділянках:
.
Стінка труби із Сталі 20
Рис. 6. Схема електрохімічного корозійного процесу
Процес перетікання електронів від анодного до катодного ділянці вирівнює значення електродних потенціалів цих ділянок. При відсутності анодного і катодного (електродних) процесів можлива повна поляризація (рівність електродних потенціалів ділянок), але в дійсності анодний і катодний процеси тривають, перешкоджаючи настанню повної поляризації, тобто, діє деполярізующе. Звідси, зокрема, походить і назва іонів і молекул розчину, забезпечують протікання катодного процесу - деполяризатори. Переміщення електронів від анодного до катодного ділянці відбувається швидше, ніж протікання електродних процесів (рис. 6), потенціали ділянок (електродів) вирівнюються і система, в кінцевому підсумку, повністю заполярізовивается [8].
Чим більше негативний електродний потенціал металу, тим більше вона схильна до корозійного руйнування. На думку Абдулліна І.Г. і Хайдарова Ф.Р., під впливом магнітного поля на систему "метал - електроліт" одночасно протікають два взаємовиключних процесу (рис. 7):
зрушення потенціалу корозії в негативну область, що має привести до зниження корозійної стійкості металу;
прискорення поляризуемости системи (більш крутий хід гілки поляризаційної кривої (рис. 7)), що призводить до зниження швидкості корозії [7,9].
1-1 - - без магнітної обробки; 2-2 - - після обробки магнітним полем
Рис. 7. Поляризаційні криві для сталі 20
Останнє пов'язано з тим, що процеси гідратації іонів металу і підведення деполяризатора до поверхні металу сповільнюються під впливом магнітного поля. Прискорення поляризації при магнітній обробці переважає над процесом збільшення термодинамічної нестабільності металу (зсув потенціалу в область більш негативних значень), в результаті чого швидкість корозії сповільнюється.
Список літератури
Магнітна обробка промислових рідин / Н.В. Инюшин, Л.Є. Каштанова, А.Б. Лаптєв і ін - Уфа, ГІНТЛ "Реактив", 2000. - 58 с.: Табл., Іл.
Персіянцев М.М. Видобуток нафти в ускладнених умовах. - М.: ТОВ "Надра-Бізнесцентр", 2000. - 653 с.: Іл.
Тронів В.П. Механізм утворення смоли-парафінових відкладень і боротьба з ними. - М.: Надра, 1970. - 192 с.
В.С. Духанін. Дослідження впливу магнітного поля на гідратацію іонів у розчинах електролітів і на швидкість деяких хімічних реакцій. Канд. дисс. Моск. держ. педагогічний інститут ім. Леніна, М., 1973.
Хуршудов А.Г., Залялов М.А., плечі А.В., Нікіфоров С.Ю. Запобігання відкладень сульфату барію шляхом магнітної обробки рідини / / Розробка та експлуатація нафтових родовищ. - 1995. - N 5. - С. 56-58.
В.В. Шайдаков, А.Б. Лаптєв, Н.В. Инюшин, Д.М. Халіта, Л.Є. Каштанова / / Вплив магнітної обробки на водонафтових емульсії ТПП "Когалимнафтогаз", УГНТУ - Уфа, 2001. - 10 с. - Укр. - Деп. у ВІНІТІ. - N 1173 - У 2001. - 07.05.2001.
Хайдаров Ф.Р. Підвищення довговічності промислових трубопровідних систем шляхом регулювання властивостей перекачуваних рідин методами магнітної обробки. Канд. дисс. Уфімський державний нафтовий технічний університет, 2002 р.
Жук. Н.П. Курс теорії корозії та захисту металів. Навчальний посібник. - М.: "Металургія", 1976 - 472 с.
Абдуллін І.Г., Агапчев В.І., Давидов С.М. Техніка експерименту в хімічному опорі металів. Навчальний посібник. - К.: Вид-во ННІ, 1985. - 100 с.