Работа посвящена одной из актуальных проблем нефтегазового комплекса - транспортировке высоковязких нефтей. Проведён оценочный расчёт изменения вязкости нефти после ультразвукового воздействия. Разработаны и испытаны автономная установка промышленного масштаба с гидродинамическим кавитационным модулем, а также различные варианты ультразвуковых модулей для регулирования реологических свойств высоковязких нефтей при их транспортировке. Результаты опытно-промышленных испытаний показали перспективность сонохимической технологии для транспортировки высоковязкой нефти, а также отмечены ее достоинства и недостатки.
Оценивая перспективы добычи нефти в мире, можно констатировать - эпоха дешёвой и легко добываемой нефти закончилась. Ресурсы тяжёлых и вязких нефтей в мире оцениваются в 700 млрд тонн, что сопоставимо с мировыми запасами обычной нефти. В РФ запасы тяжёлых и вязких нефтей составляют 7,2 млрд тонн или 28,6 % от балансовых запасов, которые сосредоточены на 267 месторождениях. Поскольку тяжёлые и вязкие нефти будут основным сырьём на ближайшие 50-70 лет, в настоящее время уделяется большое внимание освоению и вводу в промышленную разработку месторождений высоковязких нефтей [1].
В этой связи возникает необходимость постоянного увеличения пропускной способности трубопроводного транспорта, поскольку при транспортировке тяжелых нефтей возникает много серьёзных проблем, обусловленных высокой вязкостью нефтяных флюидов, образованием асфальтосмолопарафинистых отложений (АСПО).
Среди технологий, уменьшающих вязкость нефти всё более значимое место приобретают физические методы воздействия на нефтяные дисперсные системы (НДС), характерной особенностью которых является то, что все они в качестве «рабочего агента» используют не вещество (тепло, горячую воду, пар, газ, химические реагенты, присадки и т.д.), а физические поля разной природы. Одним из наиболее эффективных оказалось воздействие ультразвуковым (УЗ) полем.
Как известно, надмолекулярные структуры в НДС являются причиной высокой вязкости и температуры застывания, а также образования значительного количества АСПО высоковязких нефтей [2]. В результате акустического воздействия разрушаются надмолекулярные связи и значительно улучшаются реологические свойства НДС. Высокомолекулярные н-алканы (парафины), находящиеся в нефти и нефтепродуктах в дисперсном состоянии, при сонохимическом воздействии диспергируют, что снижает скорость их седиментации на стенках трубопровода, и, соответственно, повышает эффективность перекачивания сырья [3, 4]. Однако после снятия акустической нагрузки буквально в течение нескольких часов наблюдается релаксация вязкостно-температурных параметров. Стабилизация структурно-механических характеристик в обработанной НДС может быть достигнута только при введении в нефть в процессе обработки депрессорных присадок, что требует дополнительных расходов.
В своих работах мы предлагаем комплексный подход для интенсификации процессов транспортировки нефти на основе использования ультразвука. Все это позволяет не только повысить эффективность технологических процессов, но и сделать их экологически безопасными.
Целью данной работы является разработка научных и технических решений, обеспечивающих повышение эффективности транспортировки высоковязких и тяжелых нефтей, на основе использования комбинированных технологий с ультразвуковым (УЗ) воздействием.
В ряде работ исследовано комбинированное воздействие ультразвука и химических реагентов на реологические свойства нефтей различного группового состава. Перспективные результаты получены на пробах нефти Русского, Лузановского, Боровского и Усть-Тегусского месторождений при комбинированной обработке ультразвуком и различными химическими реагентами (нефтяной реагента Р-12, ИХН-100, метанол и др.) при времени ультразвуковой обработки (УЗО) в течение 15 мин, которые достаточны для разрушения ассоциатов в нефти.
Полученные зависимости динамической вязкости и напряжения сдвига от скорости сдвига показали, что после УЗО изменяется ход реологических кривых, а также снижается вязкость исследуемых проб. Динамическая вязкость нефтей после 25 мин УЗО и реагентной обработки снижается примерно на 30-70%, причём совместная обработка более эффективна, чем УЗО и реагентная обработка в отдельности.
Оценочный расчёт изменения вязкости нефти после ультразвукового воздействия
В работе [11, 12] проведён оценочный расчёт изменения вязкости нефти после УЗ воздействия, основанный на формуле Журкова в виде:
, (1)
где: р — время разрыва межмолекулярных связей, с; 0 — постоянная, определяемая свойствами материала (период колебаний 10-11-10-13), с; E0 – энергия активации (разрыва) связей, кДж/моль; с — статическое напряжение в выбранном направлении, МПа; u — напряжение, создаваемое УЗ воздействием в том же направлении, МПа; — структурный параметр, характеризующий степень передачи среднего напряжения на одну связь, кДж/(моль МПа); k — постоянная Больцмана, кДж/К; T - абсолютная температура, К.
Опираясь на представления молекулярной физики для случая свободного движения жидкости с некоторой скоростью v, считая ассоциаты твёрдыми упругими шариками радиуса r и массой m, значение коэффициента вязкости μ после УЗ обработки можно определить из выражения
(2)
где ƞ0 и r0 значения коэффициента вязкости и радиус ассоциатов до УЗО.
Получено также выражение для расчёта минимального необходимого времени комбинированной обработки УЗ для разрушения ассоциатов в нефти:
(3)
где ED - энергия химической связи, кДж/моль; М - молекулярный вес, mр - масса протона, кг; NA — число Авогадро, 1/моль; ρ - плотность нефти, кг/м3; q — плотность потока акустической энергии, Вт/м2; с - скорость звука, м/с; - частота, кГц.
Для смолисто-асфальтеновой нефти Лузановского месторождения, как показали расчёты, это время приблизительно равно 2-3 мин.
Проведены эксперименты по оценке размеров ассоциатов Лузановской нефти до и после УЗО на лазерном фотонном корреляционном спектрометре при разбавлении н-гексаном (1:100) и УЗО в течении 2 мин при интенсивности 13 Вт/см2. Разбавление нефти н-гексаном приводит к снижению средних радиусов ассоциатов в 1,5 раза, а дополнительная УЗО - в 2 раза. Отношение вязкости до и после УЗО ƞ0/μ приблизительно равно отношению радиусов ассоциатов r0/r, что согласуется с расчётным выражением.
Для решения поставленных задач были разработаны УЗ комплексы технологического назначения, способные обеспечить введение в нагрузку требуемую акустическую мощность.
Пилотная установка с гидродинамическим кавитационным модулем
Сонохимическая технология изменения реологических характеристик нефти в промышленных масштабах предусматривает УЗ активацию сырья в проточном режиме.
В этом случае гидродинамические излучатели имеют очевидные преимущества перед другими источниками энергии, так как при их использовании весь сырьевой поток, являющийся одновременно источником звука и объектом обработки, проходит через кавитационную область. Эти излучатели надёжны в эксплуатации ввиду отсутствия электронных частей и имеет низкую стоимость акустической энергии.
На основании расчётов, выполненных в работе [14, 15], была разработана автономная промышленная установка с гидродинамическим квитанционным модулем (ГКМ) производительностью 1,8 м3/ч для изменения реологических характеристик нефти. Аппаратурно-технологическая схема установки представлена на рис. 1, а общий вид - на рис. 2.
РИС. 1. Аппаратурно-технологическая схема гидродинамический проточной установки:
1 – насос, 2- манометр, 3 – мановакууметр, 4 – гидродинамический кавитационной модуль, 5 – блок предварительной УЗ - активации реагента.
Давление жидкости до реактора регулируется вентилем В1 и составляет 8,0÷12,0 МПа, в вакуум-камере регулируется мановакуумметром 3 и составляет 0,09 0,05 МПа. Давление после реактора регулируется вентилем В4, а обратный клапан ОбК служит для защиты мановакуумметра. Нефть из исходной ёмкости, температура которой поддерживается встроенным в нее автоматическим электронагревателем, с помощью насоса 1 под давлением 8,0÷12,0 МПа подаётся в кавитационный модуль 4, где происходит разгон потока нефти.
РИС. 2. Автономная промышленная установка:
С возрастанием скоростного напора, сопровождающегося падением статического напора ниже давления упругих паров до значений 0,09÷0,05 МПа, начинается обильное выделение пузырьков газа. После увеличения сечения потока в камере скорость истечения уменьшается, статическое давление возрастает до значений 3.0÷8.0 МПа, пузырьки газа схлопываются, что сопровождается многочисленными хаотическими микровзрывами по всему объёму. Для повышения эффективности процесса химический реагент из ёмкости 5 с помощью насоса подаётся в зону разряжения диффузора.
Опытно-промышленная испытания (ОПИ) сонохимической технологии на пилотной установке ГКМ проводились на нефти Лузановского месторождения в ОАО «ВНИИ НП» (г. Москва). Результаты испытаний представлены в табл. 1. Сонохимическая обработка на пилотной установке с разбавлением нефти газоконденсатом в количестве 2, 4 и 6 % мас. позволило дополнительно уменьшить вязкость на 26, 31 и 51 % соответственно (табл.1). Ещё больший депрессорный эффект наблюдался при использовании гексана: при внесении реагента 2, 4 и 6 % мас. вязкость понизилась на 28, 47 и 66 % соответственно. Но с экономической точки зрения представляется целесообразным использование нефтяного растворителя Р-12, при внесении реагента 4 % мас. вязкость нефти снижается на 50 %.
ТАБЛИЦА 1. Эффективная вязкость нефти Лузановского месторождения после сонохимической обработки
Исходное значение – 1121 мПа с;
После обработки на пилотной установке – 939 мПа с;
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что после УЗО нефти на установке с ГКМ с реагентами значение вязкости в течение 4 суток возрастает не более, чем на 5 %.
Результаты экспериментов, представленные на рис. 3 показывают, что обработка нефти на установке ГКМ с применением реагентов позволяет также значительно снизить температуру застывания обработанной нефти: при использовании газоконденсата на 6 °С, растворителя Р-12 – на 7 °С и гексана – на 8 °С.
РИС. 3. Влияние концентрации реагентов на температуру застывания нефти Лузановского месторождения, подвергнутой сонохимической обработке.
Результаты экспериментов по обработке исходной нефти в ГКМ без применения реагентов свидетельствуют о том, что полученное значение динамической вязкости (769 мПа∙с) в течение суток возвращается до значения 940 мПа∙с. При обработке нефти в ГКМ с применением реагентов значение динамической вязкости в течение 4 суток меняются незначительно – не более, чем на 5 %.
РИС. 4. Зависимость динамической вязкости от времени хранения пробы:
1) после УЗО 2) после сонохимической обработки нефти (4 % мас реагента Р-12)
Механизм сонохимического воздействия на НДС заключается в том, что ультразвук за счёт нелинейных акустических эффектов (акустические течения, кавитация) способен разрушить как первичные (слоисто-пачечные ассоциаты), так и вторичные надмолекулярные образования (мицеллы).
Но, как показали эксперименты, вязкость в течение суток после УЗО восстанавливается до прежнего значения в связи с агрегацией разрушенных в процессе обработки образований. Комплексное воздействие ультразвука и реагентов позволяет за счёт акустических течений доставлять реагенты в области разрушения ассоциатов и мицелл и образуют такое распределение последних, что они не дают возможности обратного построения надмолекулярных образований с участием молекул н-парафинов и асфальтенов.
Комплексное воздействие ультразвука и реагентов позволяет за счёт акустических течений доставлять реагенты в области разрушения ассоциатов и мицелл, создавать бронирующую оболочку, предотвращающую агрегацию разрушенных образований.
Достоинства технологии:
· способна обеспечивать необычайно высокую производительность при небольших затратах энергии, малой материалоёмкости и габаритных размерах;
· аппараты легко встраиваются в существующие технологические линии, устанавливаться на объекте без специальных фундаментов;
· экономический эффект при внедрении данной разработки будет обусловлен возможностью транспорта при пониженных температурах нефтей с высокой температурой застывания и снижением при этом энергетических затрат;
Недостатки технологии:
· невозможность регулирования ультразвуковых характеристик, в частности интенсивности кавитации;
· интенсивный кавитационный износ рабочих поверхностей.
Сонохимический модуль перекачки высоковязкой нефти
В дальнейшем было разработано оборудования и сонохимическая технология подготовки и транспортировки высокопарафинистых и смолистых нефтей. Для этой цели использовали акустическое воздействие колебаниями низкой и высокой частоты, приводящее к разрушению надмолекулярной структуры НДС. Разработанное оборудование и технология обработки высоковязкой нефти направлена на снижение ее эффективной вязкости и статического напряжения сдвига.
На первом этапе в лабораторных экспериментах были изучены реологические свойства, кинетика релаксационных процессов в НДС после акустического воздействия, кинетическая и агрегативная устойчивость НДС, измерены температура застывания, температуры начальной и спонтанной кристаллизации, скорость осадкообразования, и рассчитаны энергетические параметры вязкого течения. В результате проведённых исследований выявлены рациональные условия обработки нефтей различного группового состава, приводящей к снижению вязкости, температуры застывания и скорости образования АСПО, подобраны химические реагенты, улучшающие вязкостно-температурные характеристики нефтей, проведена комплексная обработка исследуемых нефтей, включающая высокочастотную акустическую и химическую обработку, показан синергизм комплексного воздействия [8–17].
Эксперименты показали, что в результате акустического воздействия улучшаются реологические свойства НДС, в первую очередь динамическая вязкость и температура застывания. Однако после его окончания наблюдается релаксация реологических свойств, а стабилизация структурно-механических характеристик достигается введением в нефть в процессе обработки депрессорных присадок (рис. 4) Совместно с ИХН СО РАН (г. Томск) предложена методика подбора присадок бинарного действия с учетом группового состава нефти (содержания твердых парафинов, асфальтенов и смол). Определена зависимость вязкостно-температурных свойств от соотношения содержания в нефти смолисто-асфальтеновых веществ к парафиновым углеводородам и режимов акустического воздействия.
Для осуществления сонохимического воздействия на НДС сконструирован ряд высокоэффективных проточных промышленных реакторов, которые обеспечивают возможность введения присадок непосредственно в процессе обработки. На рис. 5 приведены схемы компоновки двух сонохимических модулей, позволяющая понизить температуру застывания нефти на 10–25 0С.
Проведены опытно–промышленные испытания созданных прототипов проточных реакторов, определены режимные и технологические параметры обработки, выбор оптимальной конструкции оборудования, а также уточнены состав и свойства присадок.
Заключение
1. Разработаны, экспериментально проверены и прошли апробацию в промышленных условиях научно-технические решения, обеспечивающие повышение эффективности транспортировки высоковязкой и тяжёлой нефти с использованием УЗ воздействия;
2. Установлена эффективность воздействия УЗ колебаний на реологические свойства тяжелых нефтей при совместном применении с химическими реагентами:
· для нефтей с низким содержанием парафиновых углеводородов, повышенным содержанием смолистых компонентов комбинированное воздействие реагента (толуол, Р-12, и др.) и ультразвука позволяет снизить вязкость нефти в 22,5 раза.
· для нефтей с повышенным содержанием парафинонафтеновых углеводородов комбинированное воздействие УЗО и химических реагентов приводит к неоднозначным результатам.
· реологические параметры нефти сохраняются более 4 суток.
3. Созданы и испытаны:
· автономная установка промышленного масштаба с гидродинамическим излучателем для снижения вязкости и температуры застывания нефтей;
· опытно-промышленные УЗ модули в двух вариантах регулирования реологических свойств высоковязких нефтей при их транспортировке.
4. Достоинства сонохимической технологии:
· УЗО данной нефти снижает ее вязкость примерно на 35–40 %;
· сонохимическое воздействие позволит повысить эффективность реагента за счёт синергетических эффектов, а также снизить их расход в 1,5–2 раза (в зависимости от реагента).
· парафины после УЗО эмульгируют в нефть, что уменьшает их выпадение в трубе на 20%; предотвращает их налипание на стенки трубопровода [18];
· учитывая способность обработанной нефти сохранять низкую эффективную вязкость в течение не менее 30 ч, можно утверждать, что использование предлагаемой технологии позволяет сократить количество тепловых станций,
· снизить мощность промежуточных насосных станций магистральных трубопроводов за счёт уменьшения статической энергии сдвига на 74 % [18];
· экономический эффект при внедрении данной разработки обусловлен возможностью транспорта при пониженных температурах нефтей, имеющих высокую температуру застывания, и снижением при этом энергетических затрат [4].
5. Разработанную сонохимическую технологию и оборудование целесообразно использовать при транспортировке высоковязких нефтей по локальным трубопроводам от узлов добычи нефти до магистральных нефтепроводов.
Литература:
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2018 году». М.: Минприроды России; НПП «Кадастр», 2019. 844 с.
2. Syunyaev, R.Z., Safieva, R.Z., Safin, R.R, 2000. The influence of the internal structure and dispersity to structural-mechanical properties of oil systems // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2000. Vol. 26. P. 3139.
3. Муллакаев М.С. Современное состояние проблемы извлечения нефти // Современная научная мысль. 2013. № 4. С. 185191.
4. Муллакаев М.С., Муллакаев Р.М., Волкова Г.И. Технико-экономическое обоснование сонохимической технологии транспортировки высоковязких нефтей // Современная научная мысль. 2019. № 3. С. 222231.
5. Муллакаев М.С. Ультразвуковая интенсификация добычи и переработки нефти. - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 2014. 168 с.
6. Mullakaev M.S. Ultrasonic intensification of the processes of enhanced oil recovery, processing of crude oil and oil sludge, purification of oil-contaminated water. М.: HELRI, 2018. 376 p.
7. Муллакаев М.С. Ультразвуковая интенсификация процессов добычи и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и переработки нефтешламов. М.: НИИ ИЭП, 2019. - 412 с.
8. 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.
9. Волкова Г.И., Ануфриев Р.В., Юдина Н.В., Муллакаев М.С. Применение ультразвуковой обработки для снижения вязкостно-температурных характеристик нефти. Neftegaz.RU. –2015. – № 3. – С. 20–23.
10. 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. 3134.
11. Муллакаев М.С., Абрамов В.О., Градов О.М., Новоторцев В.М., Еременко И.Л. Исследование воздействия ультразвуковой обработки и химических реагентов на реологические свойства нефти Лузановского месторождения // Нефтепереработка и нефтехимия. 2011. № 11. С. 2328.
12. Mullakaev M.S., Volkova G.I., Gradov O.M. Effect of ultrasound on the viscosity-temperature properties of crude oils of various compositions // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2015. Vol. 49. No. 3. P. 287 – 296.
13. Mullakaev, M.S., Asylbaev D.F., Prachkin V.G. Volkova G.I. Influence of Ultrasound and Heat Treatment on the Rheological Properties of Ust-Tegusskoe Oil // Chemical and Petroleum Engineering. 2014. Vol. 49. Issue 910. P. 584587.
14. Volkova G.I., Anufriev R.V., Yudina N.V. Effect of ultrasonic treatment on the composition and properties of waxy high-resin oil. Petroleum Chemistry. 2016. Т. 56. № 8. С. 683-689.
15. Anufriev R.V., Volkova G.I. Structural and mechanical properties of highly paraffinic crude oil processed in high-frequency acoustic field // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 670. P. 55–61.
16. Муллакаев, М.С. Изучение воздействия кавитации на реологические свойства тяжёлой нефти / М.С. Муллакаев, В.О. Абрамов, В.М Баязитов, Д.А. Баранов, В.М., Новоторцев, И.Л. Еременко // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2011. № 5. С. 2427.
17. Ершов М.А., Муллакаев М.С., Баранов Д.А. Снижение вязкости нефти с применением ультразвуковой обработки и химических реагентов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2011. № 4. С. 2226.
18. URL: http://zvekprogress.com/ru/hydroacoustic-equipmentand-technologies.html (дата обращения: 22.12.2018).
Факты
700 млрд тонн
Ресурсы тяжёлых и вязкой нефти в мире
На 30-70%
Снижается динамическая вязкость нефти после 25 мин УЗО и реагентной обработки
на 5 %
возрастает значение вязкости в течение 4 суток после УЗО нефти на установке с ГКМ с реагентами
Акустическое воздействие
Улучшает реологические свойства НДС – динамическую вязкость и температуру застывания
в 1,5–2 раза
снижается расход реагента, а также повышается его эффективность за счёт синергетических эффектов в результате применения сонохимического воздействия
