Разработка и освоение нефтяных месторождений, содержащих тяжёлые нефти и природные битумы, ставит перед нефтяниками ряд проблем в связи с отсутствием не только необходимого оборудования для их добычи, транспортировки и переработки, но и опыта эксплуатации таких углеводородов.
Большинство таких месторождений находится в районах с низкими температурами окружающей среды, вечномёрзлыми грунтами и малой степенью обжитости.
Вязкость тяжёлых нефтей при понижении температуры возрастает до такой степени, что они становятся не транспортабельными. Гидравлические потери на трение становятся столь велики, что серийное оборудование оказывается неработоспособным. Транспорт подобных нефтей по трубопроводам без снижения их вязкости в условиях Крайнего Севера невозможен [1].
Выбор адекватных способов добычи, транспортировки и переработки тяжёлых нефтей и остатков требует детального изучения их характеристик. Необходимо тщательно исследовать все методы, влияющие на их физико-химические свойства, с целью подбора оптимальных воздействий для каждой конкретной нефти.
Для снижения физико-химических показателей добываемой нефти на месторождениях тяжёлой, высоковязкой нефти используют целый ряд технологий: термическую, ультразвуковую, магнитную обработки и другие методы физического воздействия, а также разбавление лёгкими фракциями нефти или различными растворителями [2].
В данной работе в качестве растворяющей среды использовали лёгкую нефть Тэбукского месторождения Тимано-Печорской провинции. Для интенсификации процессов смешения и анализа влияния внешних полей на физико-химические свойства тяжёлой ярегской нефти применяли ультразвуковые преобразователи, сверхвысокие частоты и магнитное поле постоянного и импульсного характеров.
В качестве ультразвукового излучателя использовали ультразвуковую ванну с цифровым управлением и системой нагрева ИЛ100-4. В корпус ванны было вмонтировано шесть преобразователей по 600 Вт, с помощью которых в воде возникает ультразвуковая кавитация. Пробы обрабатывались в течение 25 мин.
Опыты по микроволновой обработке тяжёлой нефти и её смеси с лёгкой проведены в микроволновой печи Elenberg выходной мощностью 600 Вт при интенсивной циркуляции воздуха в системе. Образцы подвергали микроволновому излучению в течение 5 мин. Следует отметить, что при использовании СВЧ и УЗ нельзя исключить дополнительное влияние нагрева на нефть.
Источниками постоянного магнитного поля для проведения экспериментальных исследований служили постоянные неодимовые магниты (NdFeB), обладающие бòльшей магнитной силой, чем ферритовые магниты (в 8-10 раз эффективнее феррита).
Для облучения нефти импульсным магнитным полем применяли установку ИЛ100-30, предназначенную для воздействия на различные материалы, помещаемые в индуктор. Установка может быть использована для намагничивания нефтегазового оборудования (стальная арматура трубопроводов, и т.п.); для облучения магнитным полем нефти и нефтепродуктов; для изменения реологических свойств нефтепродуктов.
Дополнительным методом воздействия было разбавление тяжёлой высоковязкой нефти (плотность 946 кг/м3, вязкость 650 мм2/с при 40°С) Ярегского месторождения лёгкой тэбукской нефтью (плотность 848 кг/м3, вязкость 2,1 мм2/с при 40°С), добываемой также в Тимано-Печорском регионе.
При определении параметров стабильности (рис. 1) смешения нефтей Тэбукского и Ярегского месторождений было выявлено, что все исследуемые смеси (с шагом в 1% мас.) обладают высоким значением P-value (>3), но наиболее оптимальными являются смеси с концентрацией тяжёлой нефти более 7% ввиду отсутствия резких скачков в показателях стабильности.
Рис. 1 Зависимость параметра P-value от концентрации ярегской нефти
Следует отметить, что показатель стабильности смесей выше, чем отдельно взятой нефти.
Таким образом, в настоящей работе для приготовления проб были выбраны следующие массовые содержания ярегской нефти в смеси с тэбукской, %: 8 + 92, 24 + 76, 50 + 50 соответственно и нефти в чистом виде.
Под влиянием внешних воздействий не только в индивидуальных соединениях, молекулярных растворах, но и в дисперсных системах происходят фазовые переходы (например, растворение или ассоциирование).
Для того чтобы управлять процессами фазовых переходов, необходимо знать поведение компонентов нефтяных систем индивидуальных соединений, молекулярных растворов и дисперсных систем при их взаимодействии.
Глубина и скорость протекания физических процессов зависит от состояния равновесия системы и регулируется параметрами процесса (температура, давление и пр.). Характерной особенностью физических процессов является неизменность состава исходных и конечных продуктов в системе в целом, хотя свойства нефтяных дисперсных систем могут существенно изменяться [3].
Таким образом, при попытке реализации химических явлений все исследуемые смеси были обработаны четырьмя видами физических полей: ультразвук, СВЧ, магнитное поле постоянного и импульсного типов. Следует отметить, что мощности (600 Вт) ультразвуковой установки не хватило для изменения физико-химических свойств тяжёлой ярегской нефти.
В результате исследований установлено, что при использовании внешних полей кинематическая вязкость исходных нефтей меняется (рис. 2, 3).
Рис. 2 Изменение кинематической вязкости ярегской (а) и западно-тэбукской (б) нефтей в результате воздействий
На тяжёлую ярегскую нефть особое влияние оказало магнитное поле, понизив значение вязкости почти в 2 раза. На лёгкой тэбукской нефти и смесях нефтей физические поля дали обратный эффект, увеличив показатели. Прямой обозначена вязкость смеси, полученная расчётом.
Рис. 3 Изменение кинематической вязкости смесей ярегской и западно-тэбукской нефти в результате воздействий
Следующим этапом было определение влияния полей на выход светлых фракций исследуемых нефтей и их смесей (рис. 4-5). В результате имеем, что внешнее воздействие отрицательно влияет на ярегскую нефть и положительно на тэбукскую нефть и их смеси.
Рис. 4 Изменение выхода светлых фракций ярегской (а) и западно-тэбукской (б) нефтей в результате воздействий
Рис. 5 . Изменение выхода светлых фракций смеси ярегской и западно-тэбукской нефти в результате воздействий
Прямой линией обозначены расчётные значения выхода лёгких фракций. Следует отметить, что при смешении двух разнородных нефтей проявляется эффект синергизма, т.е. суммарное действие двух и более факторов превышает воздействие каждого по отдельности или среднеарифметическое аддитивное воздействие. Так, при разделении смесей 8-92% и 50-50% ярегской и тэбукской нефтей фактический выход светлых фракций отличается от значений, полученных расчётным методом (прямая линия). Это объясняется экстремальным снижением энергии активации молекул или энергией межмолекулярного взаимодействия в граничном слое, что, в свою очередь, приводит к снижению энергии фазового перехода (энтальпия испарения) и температуры начала кипения смеси в оптимальном соотношении (по сравнению с исходными компонентами) [4]. Но особое внимание следует уделить влиянию ультразвуковой и СВЧ обработкам смеси 8% ярегской нефти + 92% тэбукской нефти, которые позволили увеличить выход светлых фракций на 6% (см. рис. 5 в).
Следует отметить, что температура разложения (рис. 6) данной смеси при СВЧ обработке составила 369°С, в то время как при ультразвуке — 365°С.
Рис. 6 Изменение температуры разложения смеси ярегской и западно-тэбукской нефти (8 – 92%) в результате воздействий
Так как по регламенту температура низа основной ректификационной колонны составляет не более 365°С, то целесообразно рекомендовать к использованию именно ультразвуковую обработку.
Для уточнения полученных результатов был определён коэффициент светопоглощения. Так, при СВЧ воздействии на 100- и 50%-ю концентрацию ярегской нефти в смеси коэффициент светопоглощения выше, нежели при других видах обработок (рис. 7). Это означает, что при этом уменьшается растворимость асфальтенов за счёт усиления процесса их ассоциации, укрупнения размеров частиц и выделения в твёрдую фазу.
Рис. 7 . Зависимость коэффициента светопоглощения ярегской (а) и её 50%-й смеси с западно-тэбукской (б) нефтей от используемого внешнего воздействия
В смеси нефтей 8-92% полученные значения коэффициента при ультразвуковой обработке ниже остальных (рис. 8), что подразумевает изменение структуры асфальтенов, делая их более легкорастворимыми.
Рис. 8 Зависимость коэффициента светопоглощения смеси (8% ярегская + 92% тэбукской нефтей) от физических полей
При увеличении концетрации тэбукской нефти в смеси частично разрушается сольватная оболочка, происходит её уменьшение и диспергирование ядра частиц дисперсной фазы нефтяной дисперсной системы.
Коэффициент светопоглощения свидетельствует о размерах частиц дисперсной фазы (асфальтенов), окружённых сольватными оболочками (смолами), которые образуют сложные структурные единицы. На данный параметр влияют концентрация частиц дисперсионной фазы и растворяющая сила дисперсионной среды. Следует отметить, что концентрация в исследованиях была одинакова.
При воздействии ультразвука образуются частицы более мелкие по сравнению с частицами, образующимися под действием других физических полей. Механизм заключается в воздействии разбавителя (лёгкой тэбукской нефти) на сольватную оболочку сложной структурной единицы (ССЕ), которая при концентрации 8% тяжёлой и 92% лёгкой нефтей сжимается или частично растворяется, а ядра частиц ССЕ диспергируют до более мелких размеров под воздействием внешнего поля. Световому потоку легче пройти через мелкие частицы, чем через крупные. Таким образом, полученная система является неустойчивой. Под термином «неустойчивость» (способность к агрегированию и дезагрегированию) понимают способность ССЕ к изменению радиуса частиц под действием внешних сил.
При исследовании изменения динамической вязкости нефтей было выявлено различное поведение динамической вязкости ярегской и тэбукской нефтей, которое объясняется их различным компонентным составом и строением надмолекулярных структур (асфальтенов, смол и твёрдых парафинов).
В случае нефти Ярегского месторождения отношение смол к сумме парафинов и асфальтенов равно 5,7, т.е. преобладает коагуляционная структура, образованная из частиц асфальтенов, окружённая смолами и полициклической ароматикой.
В случае тэбукской нефти соотношение смол к сумме парафинов и асфальтенов равно 1,96. Содержание парафинов в 10 раз больше, что означает образование кристаллической структуры из твёрдых парафиновых углеводородов, которая при увеличении скорости сдвига упрочняется и это приводит к увеличению вязкости системы.
В случае нефтяных смесей образуется смешанная структура, представленная в виде коагуляционной структуры с фрагментами парафиновых углеводородов, что подтверждает возрастание вязкости при увеличении содержания тэбукской нефти от 0 до 50%.
Сложная структурная единица в дисперсионной среде обладает определённой механической прочностью и способностью сопротивления к расслоению на фазы под действием сил тяжести. Под влиянием внешних сил ССЕ изменяет свою форму — деформируется. Внутренние силы упругости, стремящиеся вернуть ССЕ первоначальную форму, обуславливают её механическую прочность.
По мере перехода первичных ССЕ во вторичные и формирования в нефтяных дисперсных системах (НДС) решётки или каркаса непрерывно изменяются структурно-механические свойства системы [5].
На первом этапе при формировании первичных ССЕ толстые сольватные оболочки и молекулярный раствор обуславливают свойства НДС: сравнительно низкую механическую прочность, структурную вязкость, высокую устойчивость против расслоения.
Сольватные слои и молекулярный раствор НДС играют роль смазочных слоев и определяют вместе с тем подвижность ССЕ, пластичность и ползучесть НДС даже при самых малых напряжениях сдвига. Медленно развивающиеся и спадающие после разгрузки обратимые деформации сдвига характерны не для ССЕ, а для образованной ими решётки или каркаса с тонкими прослойками среды по участкам контакта. Такие структуры обладают тиксотропными свойствами, т.е. способны к обратимому восстановлению после механического разрушения [6].
Асфальтены, адсорбируясь на рёбрах и вершинах парафиновых структур, не дают им слипаться для образования кристаллической решётки. Но при увеличении скорости сдвига происходит перемешивание, в результате наблюдается структурообразование за счёт увеличения числа эффективных структур, приводящих к образованию единой структуры, пронизанной асфальтенами.
Формирование из ССЕ сплошной пространственной сетки или каркаса может происходить за счёт сил физического или химического взаимодействий, приводящих к образованию единого монолита [5].
Таким образом, зная соотношения компонентов в сложной структурной единице, устойчивость и структурно-механическую прочность нефтяных дисперсных систем, можно управлять процессами формирования надмолекулярных структур и сольватных оболочек при промышленной реализации технологических процессов в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.
На основании проведённых исследований была предложена схема подготовки тяжёлой ярегской нефти к переработке (рис. 9).
Рис. 9 Способ подготовки тяжёлой ярегской нефти к переработке
Ярегская нефть обрабатывается магнитным полем для снижения вязкости и затем смешивается с нефтью Тэбукского месторождения. Смешение происходит посредством ультразвуковой обработки, позволяющей интенсифицировать процесс растворения разнородных нефтей друг в друге за счёт уменьшения толщины сольватных оболочек. Далее полученная смесь поступает на первичную переработку. Результатом является снижение вязкости тяжёлой нефти в 2 раза и увеличение выхода светлых фракций на 6%.
Литература
1. Жуйко П.В. Разработка принципов управления реологическими свойствами аномальных нефтей: Дис. на соискание уч. ст. д.т.н.. — Ухта, 2003.
2. Ершов М.А. Снижение вязкости нефти методом гидродинамической кавитации: Дис. на соискание уч. ст. к.т.н. — М., 2011.
3. Сюняев З.И. Физико-химическая механика нефтей и основы интенсификации процессов их переработки: Учебное пособие. — М., 1979. — 94 с.
4. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Химия, 1975. — 512 с.
5. Сюняев З.И, Сафиева Р.З., Сюняев Р.З. Нефтяные дисперсные системы. — М.: Химия, 1990. — 226 с.
6. Батуева И.Ю., Гайле А.А. Химия нефти. — Л.: Химия, 1984. — 360 с.
