Исследовано влияние ультразвуковой обработки (частота 22 кГц, интенсивность 10 Вт/см2) на вязкостно-температурные свойства нефтей различного компонентного состава. Показано, что при оптимальном времени ультразвукового воздействия вязкость малопарафинистых высокосмолистых нефтей (соотношение н-алканы : смолисто-асфальтеновые компоненты = 0,13–0,25) снижается в 1,9–3,2 раза, температура застывания ˗ на 16–33 оС. Структурно-механические характеристики высокопарафинистых нефтей, обработанных ультразвуком, существенно ухудшаются.
Выработка крупнейших мировых высокопродуктивных месторождений легкой нефти привела к изменению структуры разведанных запасов нефти, а именно увеличению в балансе добычи нефтей с высоким содержанием высокомолекулярных углеводородов нормального строения, смол и асфальтенов. Парафинистые и высокопарафинистые нефтяные системы теряют текучесть уже при положительных температурах в результате кристаллизации парафиновых углеводородов. Для преодоления проблем, возникающих при добыче и транспортировке парафинистых нефтей, существуют специальные методы воздействия: тепловые, механические, физические и химические. В настоящее время довольно широко исследуется возможность применения ультразвуковой обработки для нужд нефтяной отрасли. Благодаря воздействию ультразвуковых колебаний при добыче нефти достигаются следующие эффекты: увеличение проницаемости призабойной зоны пластов; депарафинизация; акустическая дегазация и снижение вязкости нефти в ультразвуковом поле; вовлечение в разработку низкопроницаемых и закольматированных пропластиков [1-5 и др.].
Основные физико-химические и химические эффекты, которые возникают в жидкости под действием акустических полей, связывают с кавитацией [1]. Характерной особенностью ультразвуковой кавитации является локальное концентрирование относительно невысокой средней энергии акустического поля в очень малых объемах, что приводит к созданию исключительно высоких плотностей энергии. Исследования показали, что в ультразвуковом поле значительно увеличиваются скорости реакций не только в водных, но и в органических средах, повышается их селективность (пиролиз углеводородов, окисление альдегидов и спиртов, реакции алкилгалогенидов, алкилирование и т.д.) [1, 4, 5]. В работе [6] на примере декана установлено, что ультразвуковое воздействие приводит к разрыву молекулярных связей с последующей рекомбинацией разнообразных радикалов. Хроматографический анализ показал наличие в газовой фазе новых продуктов, причем водород представлен максимально.
Акустические воздействия на дисперсные системы приводят к структурным превращениям компонентов дисперсной фазы, изменению размеров ассоциатов, степени дисперсности и широко используются для подготовки нефтей к транспортировке и переработке [7]. Ультразвуковая обработка (УЗО) нефтей и нефтяных фракций позволяет эффективно влиять на их реологические свойства и фракционный состав [8–15].
В настоящее время проводятся многочисленные исследования, направленные на изучение влияния ультразвукового воздействия на вязкостно-температурные свойства нефтей. Результаты этих воздействий неоднозначны и не всегда объяснимы в связи со сложностью объекта.
Цель данной работы – исследование влияния УЗО на структурно-механические свойства нефтей различного компонентного состава.
УЗО нефтяных систем проводили на установке ULTRASONIC в течение 1–20 мин при температуре 25–30 оС. УЗ блок установки включает в себя УЗ генератор PS-4/25 мощностью 4 кВт, магнитострикционный преобразователь MST-2/22 с резонансной частотой 22 кГц и стержневой волновод с диаметром рабочего торца инструмента 12 мм [13, 16]. Реологические свойства анализировались на ротационном вискозиметре Brookfield DV-III ULTRA. Температура застывания (Тз) образцов фиксировалась с помощью прибора «ИНПН» (Кристалл).
При обработке малопарафинистой высокосмолистой нефти (МПВСН) с высоким содержанием асфальтенов в течение 2 мин происходит снижение вязкости в 1,4 раза и температуры застывания на 5 оС (табл. 1). В группе парафинистых высокосмолистых нефтей (ПВСН) с содержанием смолисто-асфальтеновых компонентов (САК) 19-29 % мас. наблюдается изменение вязкостно-температурных характеристик при рациональном времени обработки: вязкость снижается в 1,3–3,2 раза, температура застывания – на 3–33 оС. Максимальная депрессия вязкости и температуры застывания отмечается для нефтей с соотношением н-алканы:САК = 0,13–0,25. Эффективность ультразвукового воздействия снижается при отклонении от значений этого показателя.
На рис. 1 приведены зависимости вязкости от времени УЗО парафинистой высокосмолистой нефти ПВСН-1. При ее обработке в течение 10 мин наблюдается снижение вязкости при 10 оС в 2 раза. Дальнейшее увеличение времени УЗО приводит к дополнительному уменьшению вязкости (практически в 8 раз), достигающей постоянного значения после 15 мин обработки. УЗО нефти способствует также снижению температуры застывания: воздействие в течение 5 минут приводит к снижению температуры
Переход возбужденной нефтяной системы после снятия ультразвуковой нагрузки в равновесное состояние осуществляется во времени. Вязкость нефти и величина депрессии температуры застывания через сутки после УЗО остаются практически неизменными (рис. 3). В дальнейшем вязкость и температура застывания релаксирующей нефти возрастают, что обусловлено, вероятно, образованием новых или восстановлением прежних межмолекулярных связей. Однако даже через 7 суток вязкостно-температурные характеристики нефти не достигают первоначальных значений.
Иное поведение наблюдали для высокопарафинистых нефтей, обработанных ультразвуком. Обработка этих нефтей приводит к росту вязкости и температуры застывания независимо от времени воздействия (табл. 1). Как видно из рис. 4 и табл. 2, вязкость ВПН-1 после 15 мин обработки увеличивается в 6 раз, предельное напряжение сдвига – в 4 раза, температура застывания при этом возрастает на 10 оС (с 7 до 17 оС). Вязкостно-температурные кривые, полученные при скорости сдвига 1,0 с-1, показывают, что УЗО ВПН-1 приводит к формированию дисперсной фазы при более высоких температурах (рис. 5). С увеличением времени воздействия повышаются температуры фазовых переходов: Т1 – начало кристаллизации, Т2 – спонтанная кристаллизация. Отмеченные изменения вязкостно-температурных параметров обусловлены влиянием УЗО на процессы зарождения и роста кристаллических агрегатов, формирующих при понижении температуры прочные структурные 3-D сетки.
Повышение температур фазовых переходов в обработанной нефти интенсифицирует образование парафиновых отложений при одних и тех же температурных режимах. Количество осадка возрастает более чем в 2 раза (табл. 2).
Для высокопарафинистых высокосмолистых нефтей (ВПВСН-1, ВПВСН-2) ухудшение реологических свойств после УЗО менее выражено, чем для высокопарафинистых.
Таким образом, исследовано влияние УЗО на вязкостно-температурные свойства нефтей различного компонентного состава. Обработка парафинистых высокосмолистых нефтей при соотношении н-алканы : САК=0,13–0,25 способствует снижению вязкости в 1,9–3,2 раза, температуры застывания на 16-33 оС. В высоковязкой нефти (МПВСН) наблюдается диссипация энергии ультразвукового поля, поэтому эффект невысокий. УЗО высокопарафинистых нефтей с низким содержанием САК отрицательно влияет на их структурно-механические свойства: существенно возрастают реологические параметры, температура застывания, дисперсная фаза формируется при более высоких температурах, чем в исходном образце. Несмотря на отрицательное влияние УЗО на структурно-механические параметры высокопарафинистой нефти следует отметить, что в ультразвуковом поле нефть значительно разогревается и поэтому может быть транспортирована до момента начала кристаллизации н-алканов c меньшими энергетическими затратами.
Немаловажным отличием ультразвуковых обработок от многих других является их абсолютная экологическая безопасность, как для недр, так и для окружающей среды.
Литература
1. msalimov.narod.ru/Ultra.html. Ультразвуковое воздействие на призабойную зону пласта.
2. www.vestnikrf.ru/journal/post/333. Локомотив развития, катализатор процессов обновления.
3. Горбачев Ю.И., Иванова Н.И., Колесников Т.В., Никитин А.А., Орентлихерман Э.И. Акустические методы повышения нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти //Нефтяное хозяйство. – 2002. – № 5. – 87–91.
4. Никитин В.С., Ягодов Г.Н., Ненартович Т.Л., Кузнецов Н.П., Музипов Х.Н. Технология повышения нефтеотдачи сверхмощным ультразвуковым воздействием // Нефтепромысл. дело: НТЖ / ВНИИОЭНГ. – 2010. – № 8. – С. 14–17.
5. Пат. 2136859 РФ. Способ разработки нефтяных месторождений / Позднышев Г. Н., Манырин В.Н., Досов А.Н., Манырин В.Н., Савельев А.Г. – №98116834/03; опуб. 10.09.1999.
6. Пат. № 2346206 РФ. Способ перекачивания вязких жидкостей/ Хмелев В.Н., Абраменко Д.С., Хмелев С.С., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Шалунов А. В., Хмелев М.В. – № 2007136704; опуб. 02/2009. – С.6.
7. www.akin.ru/news/r_news_lab2_p.htm, Эффект снижения вязкости органических жидкостей под действием акустического поля высокой интенсивности.
8. Доломатов М.Ю., Гордеев В.Н, Афанасьев А. Г., Браславский М.И. Влияние ультразвука на коллоидную структуру судовых топлив // Химия и технология топлив и масел. – 1994. – № 5. – С. 8 – 12.
9. Промтов М.А., Авсеев А.С. Импульсные технологии переработки нефти и нефтепродуктов// Нефтепереработка и нефтехимия. – 2007. – № 6. – С. 22–24.
10. Плисс А.А., Золотов В.П., Якимов А.В. Влияние ультразвука на физико-химические свойства нефти// Интервал. – 2007. – № 3. – С. 36.
11. Клокова Т. П., Володин Ю. А., Глаголева О. Ф. Клокова Т. П., Володин Ю. А., Глаголева О. Ф. //Химия и технология топлив и масел. 2006. - № 1. С. З2-34.
12. Mousavi S.M.,Ramazani A., NajafiI., Davachi S.M. Effect of ultrasonic irradi-ation on rheological properties of asphaltenic crude oils //Petroleum Science. – 2012. – V. 9. – № 1. – P. 82.
13. Муллакаев М.С, Абрамов В.О., Волкова Г.И., Прозорова И.В., Юдина Н.В. Исследование влияния ультразвукового воздействия и химических реагентов на реологические свойства вязких нефтей // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2010. – №5. – С. 31–34.
14. Тухватуллина А. З. Состав, физико-химические и структурно-реологические свойства нефтей из карбонатных коллекторов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Казань. 2013.
15. Волкова Г. И., Прозорова И. В., Ануфриев Р. В., Юдина Н. В., Муллакаев М. С., Абрамов В. О. Ультразвуковая обработка нефтей для улучшения вязкостно-температурных характеристик // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2012. – №2. – С. 3–6.
16. Абрамов O. В., Абрамов В. О., Артемьев В. В., Муллакаев M. С. Анализ эффективности передачи ультразвуковых колебаний в нагрузку //Акустический журнал. – 2009. – Т. 55. – № 3. – С. 1–17.
