В статье предложен универсальный алгоритм, позволяющий определить оптимальные параметры транспортировки битуминозной нефти при применении технологии «горячей» перекачки, перекачки с углеводородным разбавителем и их комбинации с учетом минимальных эксплуатационных затрат.
За последнее десятилетие мировое сообщество отмечает повсеместную тенденцию возрастания доли высоковязких битуминозных нефтей (БН) в общих объемах добычи. Этот вопрос актуален и для РФ за счет изменения качества сырья на территориях-донорах [1], являющихся, на сегодняшний момент, ключевыми поставщиками жидких углеводородов в систему магистральных нефтепроводов, на другие виды транспорта и НПЗ.
Указанная динамика способствует стимулированию нефтяных компаний различными государственными программами с поддержкой проектов, связанных с разработкой новых технологий, интенсифицирующих добычу нетрадиционных ресурсов, их подготовку и транспорт на большие расстояния [2], что, в свою очередь, находится в тесной взаимосвязи с энергопотреблением и накладывает определенные дополнительные затраты при решении обозначенных вопросов.
Другой важной составляющей является то, что климатическим районам, на территории которых находятся в эксплуатации месторождения БН и артерии дальнего транспорта, характерны резкопеременные термобарические условия окружающей среды. Это существенно осложняет условия транспортировки высоковязких сред [3, 4] и требует применения специальных технологических решений.
Современные подходы к управлению перекачкой БН, свидетельствуют о важном влиянии процессов теплопереноса, обусловленных градиентом температурного поля, профилем трубопроводов (ТП) и правильным выбором мер, необходимых для поддержания заданной температуры. Все это формирует комплекс мер инженерной защиты ТП БН с привязкой к различным технологическим режимам [5]. Тем не менее, несмотря на многоплановый подход к решению указанной проблемы, актуальность энергосберегающих технологий, остается высокой.
Исходя из вышеуказанного, целью работы является разработка алгоритма, позволяющего осуществлять выбор оптимальной технологии перекачки БН с минимизацией эксплуатационных затрат (ЭЗ) предприятия трубопроводного транспорта.
Для этого обозначим разницу между легкозастывающими и высоковязкими (или БН) нефтями. Согласно [6, 7], отличительной особенностью первых является большое количество в их составе парафиновых соединений (углеводороды от С15 и выше) при относительно невысоком уровне смол и асфальтенов, что, зачастую, позволяет классифицировать их по параметру плотности, как «легкие или средние» нефти. Другими словами, объем парафинов не является определяющим в понимании «тяжести», в отличие от БН, для которых характерно резкое увеличение смолистоасфальтеновых веществ (до 40 %) при пониженной концентрации парафинистых соединений (до 1,5 %) [8, 9]. БН, в соответствии с [10-12], имеют плотность выше 895 кг/м3 и вязкость более 10 Па∙с в пластовых условиях.
Как свидетельствуют данные литературного обзора, при перекачке высоковязких сред широко используют разные технологии, наиболее универсальными и широко применимыми из которых, согласно [13-16], являются перекачка с углеводородным разбавителем (ПУР) и «горячая» перекачка (ГП). Но следует отметить, что применение технологии ПУР может быть не всегда доступно из-за отсутствия рядом расположенных газоконденсатных или иных поставщиков легких углеводородов.
Несмотря на указанные ограничения, данные методы были взяты ПАО «Транснефть» за основу и заложены в математический аппарат, позволяющий рассчитывать потери напора на трение и распределение температуры нефти по длине ТП, что отражено в РД-75.180.00-КТН-198-09 [17]. Но такого решения оказалось недостаточно, вследствие неучтенной в данном НТД неизотермичности течения и изменения характеристик БН при разбавлении, о чем было отмечено в работах [18, 19].
Проведенные авторские исследования [19] свидетельствуют, что при решении задачи о выборе наименее затратной технологии для транспортировки БН возможно учитывать изменения количественных и качественных параметров перекачиваемого продукта (плотность, вязкость, удельная теплоемкость и др.) в зависимости от концентрации применяемого разбавителя. Это позволит с достаточно высокой точностью произвести расчет оптимальных параметров, необходимых для перекачки БН каждым методом.
Все вышеизложенное послужило причиной проведения унификации данных методик для расчета оптимальных параметров транспортировки БН при применении технологии ГП, ПУР и комбинированной перекачки (КП) с учетом минимальных ЭЗ.
Данное решение было реализовано в виде следующего алгоритма (рис. 1).
РИС. 1. Алгоритм расчета оптимальных параметров при различных способах перекачки БН с учетом минимальных ЭЗ
Такой алгоритм позволяет свести затраты на перекачку, подогрев и разбавление БН, зависящие от температуры подогрева и концентрации разбавителя, до минимальных значений.
Суть расчета по указанному алгоритму состоит в определении температуры подогрева БН при ГП или определении концентрации разбавителя при выборе технологии ПУР, либо определение обоих параметров при комбинации методов.
Сложность при таких расчетах вызывает определение потерь напора с учетом неизотермичности течения, так как эти потери, вычисленные по обычным формулам гидравлики для изотермических нефтепроводов, могут заметно отличаться от реальных значений, что обусловлено свойством подогретой нефти постепенно остывать при ее перемещении по ТП. Одновременное падение температуры по длине и по радиусу ТП приводит к увеличению вязкости транспортируемой среды и деформации профиля скоростей по сечению трубы [20]. Все это обуславливает рост потерь на трение, которые в соответствии с [18] могут быть представлены как:
Тогда поправка на неизотермичность потока в осевом (продольном) направлении при ламинарном и турбулентном режиме составит:
Заметим, что параметры для перекачки БН в смеси с разбавителем без предварительного подогрева рассчитываем по формулам для изотермического режима течения, согласно рекомендациям [19]. При этом, потери напора вычисляем без учета поправок на неизотермичность течения (расчет оптимального количества разбавителя без учета подогрева указан красным цветом на рис. 1).
Проверка предложенного алгоритма была проведена на основе качественных показателей Ашальчинского месторождения [8]. В роли разбавителя принимали маловязкую карбоновую нефть в соответствии с характеристиками [21].
Исходные данные, принятые для расчетов, приведены в таблице 1.
Результаты расчетов
Полученные расчеты были сведены в две таблицы, в которых указаны все ЭЗ (в таблице 2 представлена часть полученных значений в зависимости от начальной температуры подогрева и концентрации разбавителя) и оптимальные параметры условий транспортировки для всех технологий перекачки БН с минимальными ЭЗ (таблица 3).
Таблица 2. Зависимость ЭЗ от начальной температуры подогрева и концентрации разбавителя
Красные ячейки свидетельствуют о всех ЭЗ, при которых не выполняется условие «конечная температура в конце участка нефтепровода выше температуры застывания БН». Следовательно, такие температурные параметры для подогрева нефти и такая концентрация разбавителя для обеспечения транспортировки неэффективны. Желтыми ячейками выделены минимальные ЭЗ для метода ГП и КП, для которых вышеуказанное условие выполнимо.
В качестве сравнения ЭЗ, полученных методом ПУР по отношению к другим технологиям, мы пренебрегаем вышеуказанным условием и запишем значения параметров при перекачке БН с помощью разбавления в таблицу 3.
Таблица 3. Результаты расчета оптимальных параметров при различных способах перекачки битуминозной нефти
Полученные данные свидетельствуют, что общий объем затрат при применении технологий ГП, ПУР и комбинации методов, рассчитанный по предложенному алгоритму, может быть снижен по отношению к традиционной технологии транспорта без дополнительной обработки БН на 86,4 %, 82,9 % и 86,7 % соответственно.
Наиболее оптимальной технологией для перекачки БН указанного состава по ТП согласно таблице 3 является КП со следующими параметрами: начальная температура подогрева – 29 оС и концентрация разбавителя – 30 %. Применение данной технологии позволит существенно сократить ЭЗ, тем самым повысить ресурсоэффективность предприятия трубопроводного транспорта.
Результаты таблицы 2 далее были заложены в основу понимания динамики изменения ЭЗ в зависимости от исходной концентрации разбавителя и начальной температуры подогрева. В результате получена графическая зависимость (рис. 2).
РИС. 2. Зависимость ЭЗ при перекачке БН от концентрации разбавителя и начальной температуры подогрева
На графике (рисунок 2) определена область резкого понижения ЭЗ (область «А»), связанная с уменьшением потерь напора в результате улучшения реологических характеристик перекачиваемой среды (понижение вязкости БН вследствие применения технологий ГП, ПУР или комбинации указанных методов). В области «Б» наблюдается скачкообразное возрастание ЭЗ, обусловленное увеличением потерь напора в связи с переходом перекачиваемой жидкости из ламинарного режима течения в турбулентный (развитие турбулентной диффузии).
Заключение
Составлен алгоритм, позволяющий рассчитать оптимальные параметры при использовании технологии «горячей» перекачки (температура подогрева), перекачки с углеводородным разбавителем (концентрация разбавителя) и комбинированном способе (температура подогрева и концентрация разбавителя). Предложенный алгоритм является универсальным и может быть использован для выбора оптимальных условий перекачки БН с минимальными эксплуатационными затратами.
Литература:
1. Ежеквартальные отчеты ПАО «Татнефть» имени В.Д. Шашина [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.tatneft.ru/aktsioneram-i-investoram/raskritie-informatsii/ezhekvartalnie-otcheti?lang=ru (дата обращения 25.07.2020).
2. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 09.06.2020 № 1523-р «Энергетическая стратегия России на период до 2035 года» // Собрание законодательства РФ. – 2020.
3. Etherington, J.R. Is bitumen a petroleum reserve? / J. R. Etherington, I.R. McDonald // SPE paper 90242. – 2004.
4. Иншаков, Р. С. Специфика разработки месторождений битуминозной нефти / Р. С. Иншаков, А. В. Балабуха // Теория и практика актуальных исследований. – 2016. – № 12. – С. 140 – 145.
5. Чехлов, А. Н. Защита нефтепроводов в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов / А.Н. Чехлов, Н.В. Чухарева // Деловой журнал Neftegaz.RU. – 2017. – №. 12. – C. 34 - 37.
6. Карамышев, В. Г. Подготовка высокопарафинистой нефти к трубопроводному транспорту / В. Г. Карамышев, Ф. А. Мамонов, Г. Х. Садуева // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2004. – №63. – С. 72 – 74.
7. Вишняков, В.А. Изменение свойств парафиносодержащих застывающих нефтей при низких температурах/ В. А. Вишняков, Г. М. Орлова // Ашировские чтения. – 2019. – № 1(11). – С. 313 – 314.
8. Комплексные исследования состава и свойств битуминозной нефти Ашальчинского месторождения / Р. С. Хисамов [и др.] // Нефтяное хозяйство. – 2018. – № 10. – С. 68 – 71.
9. Компонентный и углеводородный состав битуминозной нефти Ашальчинского месторождения / И.И. Гусамов [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – № 10. – С. 207 – 211.
10. ГОСТ Р. 51858-2002. Нефть. Общие технические условия // М.: Госстандарт России. – 2002.
11. Распоряжение Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 01.02.2016 № 3-р «Об утверждении методических рекомендаций по применению классификации запасов и ресурсов нефти и горючих газов» // Минприроды России. – 2016.
12. Мусин, К.М. Методические подходы по определению параметров сверхвязких тяжёлых нефтей / К. М. Мусин, А. А. Гибадуллин, И.И. Амерханов // Сборник научных трудов ТатНИПИнефть. – 2012. – № 80. – С. 56 – 65.
13. Зарипова, Н. А. Исследование реологических свойств битуминозной нефти с целью повышения эффективности ее транспортировки / Н. А. Зарипова // Наука и инновации в технических университетах: материалы Одиннадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, 25 – 27 октября 2017. – 2017. – С. 15 – 17.
14. Рачевский, Б.С. Высоковязкая тяжелая нефть – альтернатива традиционной нефти / Б.С. Рачевский, Ц Бо // Транспорт на альтернативном топливе. – 2015. – №6. – С. 40 – 45.
15. Хамидоллаев, Д.Т. Методы перекачки высоковязких нефтей / Д. Т. Хамидоллаев, Д. Б. Садакбаева // International scientific review. – 2015. – № 2(3). – С. 30 – 32.
16. Ююкин, Д. Ю. Способы перекачки высоковязкой нефти / Д. Ю. Ююкин, С. В. Григорьев // Гидравлические машины и системы транспортировки нефти и газа. – 2019. – №1. – С. 124 – 128.
17. РД-75.180.00-КТН-198-09 Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов: утв. ОАО «АК «Транснефть». – Введ. 2009-09-10. М.: Транснефть, 2009. – С. 203.
18. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов: Справочное пособие / Б.Н. Мастобаев, А.М. Нечваль, М.М. Гареев [и др.]. – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2017. – Т. 1. – 494 с.
19. Родин, А. А. Оптимизация транспорта высоковязких нефтей в смеси с углеводородными разбавителями с заданной характеристикой насосной станции / А. А. Родин // Нефть, газ и бизнес. – 2009. – № 6. – С. 69 – 71.
20. Николаев, А.К. Тепловые режимы перекачки нефти: монография / А. К. Николаев. – СПб.: Издательство «Лань», 2018. – 84 с.
21. Закиров, А. И. Исследование реологических свойств битуминозной нефти Ашальчинского месторождения / А. И. Закиров, А. И. Каримов, В. В. Пшенин // ГИАБ. –2015. – № 11. – С. 382 – 389.
