В настоящее время вопрос повышения эффективности вязких и высоковязких нефтей поднимается в работах многих ученых.
Для эффективной перекачки вязкой нефти используют несколько основных методов:
-
подогрев нефти;
-
применение углеводородных разбавителей;
-
гидротранспорт;
-
сооружение лупингов, вставок;
-
увеличение количества насосных станций (НС) на трубопроводе;
-
увеличение производительности НС;
-
добавление присадок.
Самый распространенный метод трубопроводного транспорта вязкой нефти — перекачка предварительно нагретой нефти. При этом методе предварительно нагретая нефть поступает в магистральный нефтепровод, затем через определенное расстояние на трассе устанавливаются тепловые станции, где нефть подогревается.
Исходными данными служит трубопровод, трасса которого проходит в условиях сильно обводненной, болотистой местности и линзовой вечной мерзлоты по территории Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов Тюменской области. Помимо арктического климата район строительства характеризуется уникальными геологическими и гидрологическими условиями. Увеличивать пропускную способность только с помощью подогрева не рационально, во избежание влияния на окружающую среду [1]. В связи с этим авторами было предложено использование присадок. Был выполнен анализ использования различных присадок как в отечественной, так и в зарубежной практике.
Применяемые присадки по типу товарной формы делятся на две группы: дисперсионные и гелевые [2].
Добавки первого вида представляют собой суспензию полимера в различных жидкостях, не вступающих с ним в химическую реакцию. В качестве таких жидкостей обычно выступают спирты, гликоли и их эфиры. Содержание активного полимера в данных присадках достигает 25%. К таким противотурбулентным присадкам относятся Necadd 447, Liquid Power, FLO XL, FLO MXА, M-FLOWTREAT, Альфакаучук-С, Колтек ПТН 3170, ТурбулентМастер 8010.
Гелевые присадки (CDR 102, FLO, Necadd 547, Виол, X-PAND, HIPR) выполнены в виде раствора полимера в какой-либо углеводородной жидкости (бензин, керосин и др.). Активного полимера в таких присадках содержится около 10%.
Применение гелевых присадок особо выгодно для трубопроводов, где важны процессы быстроты их растворения. Это могут быть короткие трубопроводы шельфовых месторождений, погрузочных и отгрузочных терминалов.
В последнее время ведется работа над разработкой и внедрением суспензионно-эмульсионных присадок, рассчитанных на применение в условиях добычи нефти и газа на промысловых трубопроводах.
В связи с разнообразием физико-химических свойств перекачиваемой нефти и нефтепродуктов по трубопроводным системам в каждом случае использование химических реагентов является индивидуальной особенностью трубопровода.
Реологические свойства нефти являются основными исходными данными для решения проектных и эксплуатационных задач при разработке месторождения и дальнейшего трубопроводного транспорта.
С учетом параметров исследуемого трубопровода была выбрана противотурбулентная присадка, которая снижает коэффициент гидравлического сопротивления и увеличивает пропускную способность трубопровода.
Одной из основных задач реологических исследований является определение взаимосвязи между силами, действующими на исследуемую среду, и вызванными этими силами деформациями.
Жидкости, называемые ньютоновскими, описываются следующим уравнением:
Гипотеза линейной взаимосвязи касательных напряжений и градиента скорости, предложенная Ньютоном, справедлива не для всех жидкостей. Жидкости, реологическое поведение которых отличается от уравнения, носят название неньютоновских. Неньютоновские жидкости принято разделять на три группы [3]:
1. нелинейно-вязкие жидкости (касательное напряжение является нелинейной функцией скорости сдвига);
2. жидкости с нестационарными реологическими характеристиками (функциональная зависимость между касательным напряжением и скоростью сдвига зависит от времени или предыстории процесса);
3. вязкоупругие жидкости (проявляют упругое восстановление формы после снятия напряжений).
Исследуемый образец нефти можно отнести к нелинейно-вязким жидкостям.
Обзорная классификация реологических моделей нелинейно-вязких сред, предложенных различными исследователями, была приведена в работе [3], некоторые из них приведены в таблице 1.
Таблица 1. Реологические модели нелинейно-вязких сред
Рис. 1. Кривые течения нелинейно-вязких жидкостей:
1 – ньютоновская жидкость, 2 – вязкопластичная жидкость,
3 – псевдопластичная жидкость, 4 – дилатантная жидкость.
Экспериментальные исследования проводились в Центре инженерных изысканий (Горный университет), на ротационном реометре «Kinexus ultra +». Принцип действия ротационного реометра «Kinexus ultra +» заключается в приложении к испытуемому образцу регулируемой деформации сдвига с целью измерения свойств текучести.
В результате экспериментальных исследований были получены основные реологические зависимости, которые показывают наличие неньютоновских свойств у нефти, транспортируемой без присадки (рис. 2) и у образцов нефти, транспортируемых с присадкой 10 г/т (рис. 3), 20 г/т (рис. 4) и 30 г/т (рис. 5) в диапазоне температур 10-30 ℃.
Рис. 2. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига без применения присадки
При обработке полученных результатов эксперимента мы получим следующие зависимости для образца нефти, транспортируемой без применения противотурбулентной присадки:
По результатам полученных зависимостей (2-6) и согласно данным таблицы 1, нефть соответствует модели Оствальда – де Вааля. При перекачке нефти без применения присадки, образец нефти относится к нелинейно-вязким жидкостям и показывает наличие неньютоновских свойств при нагреве до 30 ℃.
Рис. 3. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига при концентрации присадки 10 г/т
При обработке полученных результатов эксперимента мы получим следующие зависимости для образца нефти, транспортируемой с противотурбулентной присадкой с концентрацией 10 г/т
По результатам полученных зависимостей 7 и 8 и согласно данным таблицы 1, нефть соответствует модели Оствальда – де Вааля. По результатам полученных зависимостей 9-11 нефть соответствует модели Шведова-Бингама.
