Проведено исследование влияния низкочастотных коротковременных ультразвуковых волн на изменение реологических свойств товарной нефти и водонефтяной эмульсии. Установлено оптимальное время контактирования среды. Определены результаты комбинированного влияния реагентно-ультразвукового воздействия на обезвоженную продукцию с вычислением времени релаксации.
В настоящее время наблюдаемая тенденция снижения добычи традиционных нефтей приводит к необходимости совершенствования технологий перекачки и подготовки «тяжелых» углеводородов, обладающих большими объемами высококипящих фракций и характеризующихся специфическими реологическими свойствами, обусловленными повышенной вязкостью и плотностью, а также, в большинстве случаев, высоким содержание смолисто-асфальтеновых веществ и парафинов. Все это существенно усложняет производственные процессы, которые формируют цепочку «добыча – транспорт- хранение- переработка» и требуют поиска новых недорогих методов и средств, позволяющих снизить энергопотребление задействованного в процессах энергоемкого оборудования (в соответствии с требованиями Энергетической стратегии РФ [1]).
Согласно данным [2-6], операционные затраты, связанные с добычей, доставкой и переработкой традиционной легкой нефти в несколько раз ниже затрат, приходящихся на высоковязкую нефть (ВН), что отрицательно отражается на рентабельности предприятий, в том числе и при перекачке продукции на большие расстояния по трубопроводам. При этом последнее, зависит от условий эксплуатации нефтеперекачивающих станций для обеспечения поставок нефти потребителям (согласно установленным контрактным нормам между грузоотправителем и грузополучателем, нарушение которых неприемлемо, вследствие больших штрафных санкций в случае нарушения объемов и сроков поставок).
Все существующие методы, которые позволяют регулировать процессы добычи, подготовки, транспорта и хранения, напрямую определены вязкостными характеристиками и могут быть классифицированы следующим образом: 1) методы, направленные на снижение потерь энергии на трение при перекачке углеводородных сред; 2) методы, которые позволяют регулировать энергопотребление перекачивающих агрегатов в процессе нагнетания; 3) методы, которые изменяют характер образующихся отложений при отстое нефти в емкостях. Таким образом, современный подход к решению указанной проблемы распределен в соответствии с условиями эксплуатации технологического оборудования и трубопроводов с нормируемым объемом энергопотребления и с изменением реологических свойств углеводородной среды. Все это в целом определяет вероятность развития осложняющих процессов при контакте с продукцией. Другими словами, подходы к технологиям реализованы, либо без изменения физико-химических характеристик ВН, либо с воздействием на реологические свойства.
Отметим, что изменение реологических свойств является наиболее перспективным направлением, вследствие охвата всех технологий, сопряженных с нефтегазовым сектором экономики. Для «механического» решения проблемы характерна узконаправленность.
Согласно данным [2], из всего существующего спектра воздействия на реологические свойства ВН, наиболее перспективными являются исследования по применению присадок, по температурному воздействию (нагрев при помощи теплообмена и микроволновым излучением) и ультразвуковая обработка. При этом последний метод актуален как при добыче и подготовке (ультразвуковое воздействие положительно влияет на дисперсные системы и улучшает процессы интенсификации) так и дальнейшей перекачке на дальние расстояния.
Основываясь на проведенном теоретическом обзоре обозначим, что воздействие ультразвуком не затрагивает процессы, обусловленные теплопереносом через стенку трубопроводов и оборудования в окружающую среду, как в случае горячей перекачки. Следовательно такой метод не оказывают влияние на изменение устойчивого положения объектов и является. по мнению [7-10], «экологически чистыми». Также ультразвук может сочетаться с другими методами, что определяет его универсальность. Кроме того, изменение частоты и времени воздействия формирует объем потребляемой энергии и широкую вариабельность методик, вследствие чего, выбор оптимальных граничных условий, актуален.
Цель работы: Улучшение реологических характеристик высоковязкой нефти при помощи низкочастотного ультразвукового воздействия.
Объект исследования: подготовленная до товарных качественных характеристик в соответствии с ГОСТ Р 51858-2002 [11] нефть (образец №1 – Н1) и неподготовленная сырая нефть (образец №2 – Н2), представленная в виде водонефтяной эмульсии с месторождений Томской области.
Исходные образцы были исследованы по параметрам качества согласно требованиям [14-17]. Характеристика объектов приведена в таблице 1.
Исходую пробу нефти перемешивали, термостатировали при 20℃ по OPPTS 830.7100 [19], CIPAC МТ 3 [20] и CIPAC МТ 192 [21] в течение 10 минут. Далее отбирали образец в объеме 5 мл и обрабатывали УЗ генератором частотой 20 кГц (мощностью 4 кВт) в течение заданного времени (шаг интервала обработки составил 2 мин) при постоянной температуре 20 ̊С. Измеряли реологические свойства с помощью вискозиметра Штабингера SVM 3000 (рисунок 1).
Образец Н2 исследовали дважды: исходный образец (Н2) и предварительно обезвоженный хлористым кальцием (Н2-1).
В отличие от традиционного подхода, в работе использовали низкочастотное воздействие, не требующую больших затрат электроэнергии. В сравнении с методиками [7-10] были отличия по времени и частоте воздействия УЗО (применяли кратковременную обработку). Измерение реологических характеристик проводили по вышеуказанным ГОСТам.
Результаты и обсуждение
Полученные для Н1, Н2 и Н2-1 результаты представлены на рисунках 2-4.
При условии длительности обработки УЗО в 10 минут для образца Н1 было получено максимальное снижение коэффициентов динамической и кинематической вязкостей (рисунок 2 а, б), по сравнению с исходными значениями. Но при этом определено увеличение плотности образца, взаимозависимое от длительности низкочастотного контактирования (рисунок 2, в). Этот эффект можно объяснить на основе методики оценочного изменения значения коэффициента вязкости, согласно которому, [25] молекулы нефти считают ассоциатами (твердыми упругими шариками) определенного радиуса r и массой m, которые движутся со скорость υ. Исходя из этого, коэффициент динамической вязкости (μ, η) будет определяться уравнением:
Отсюда следует, что коэффициент вязкости неньютоновских сред определяется не только плотностью, но и массой, радиусом и скоростью движения. В связи с чем, снижение вязкости не всегда может соотносится со снижением плотности нефти.
Образец эмульсии Н2 при идентичных условиях имел более выраженный эффект снижения динамической и кинематической вязкостей (рисунок 3 а, б). Вероятно, на это повлияла деэмульсация водонефтяной эмульсии под действием ультразвуковых волн. Что касается плотности, то в отличие от Н1 для Н2 фиксировали ее уменьшение до 8 минутного воздействия ультразвуком (рисунок 3, в). Далее наблюдали обратный эффект - увеличение до первоначального значения (без УЗО).
Для Н2-1 вязкостные зависимости повторялись (рисунок 4 а, б), но время «переломного эффекта» плотности фиксировали уже при достижении 6-ти минутного контактирования с ультразвуком (рисунок 4, в).
Таким образом, все приведенные результаты свидетельствовали о положительном влиянии низкочастотной УЗО на протяжении 10 минут на вязкостные свойства исследованных образцов. Дальнейшее увеличение времени снижало эффект достигнутого. В большей степени указанные эффекты проявились для водонефтяной эмульсии.
Комбинация методов воздействия на свойства сырой обезвоженной и товарной нефтей
Так для снижения вязкости нефтей могут применять технологии разбавления растворителями (реагентная обработка), то для образцов обезвоженной сырой и товарной нефтей Н1 и Н2-1 было рационально провести дальнейшее изучение влияния комбинированного реагентного и ультразвукового воздействия. Поэтому, базируясь на ранее проведенных исследованиях [10, 22-25] нами была применена предварительная обработка образцов при помощи толуола с последующей УЗО.
Пробу нефти перемешивали, термостатировали при 20 ℃ в течение 10 минут, отбирали 5 мл образца и добавляли 1 % об. толуола. Затем обрабатывали УЗ генератором при температуре 20 ºС в течение определенного интервала времени с шагом в 2 минуты. Образцы исследовали на вискозиметре, как было указано выше.
Полученные результаты представлены на рисунках 5, 6.
Как следует из приведенных данных, комбинация методов позволила снизить вязкость образцов. Но, в отличие от предыдущих данных, эффект максимального снижения был достигнут в более короткий срок через 4 минуты (10 минут ранее). Дальнейшее увеличение времени привело к обратным эффектам. Что касается плотности, то фиксировали: «снижение вязкости – снижение плотности»; «увеличение вязкости – увеличение плотности», что было следствием реагентного воздействия на исходную среду, и свидетельствовало о возможности регулирования данного свойства нефти.
Кроме полученного, немаловажное значение (ввиду тиксотропных свойств нефти) в процессах перемещения нефти приобретает длительность сохранения указанных эффектов. Поэтому далее, с периодичностью через каждый час, обработанные образцы были исследованы повторно для установления времени начала ухудшения достигнутых результатов. Вследствие чего определено время релаксации для Н2-1 и Н1 более 24 часов (до 3 суток), что указывает на актуальность изучения данной тематики на более широком спектре объектов с целью обеспечения длительной транспортировки по трубопроводам с улучшенными реологическими свойствами.
Заключение
Низкочастотное воздействие ультразвуком относится к менее энергоемкому, по сравнению с высокочастотным. Оно может быть положено в основу более детальных исследований, определяющих физико-химические показатели нефти и условия ее дальнейшей перекачки при обеспечении минимальных потерь напора на трение и условий энергосбережения.
Литература
1. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года. [Электронный ресурс]. – URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (01.09.2020).
2. Рачевский Борис Семенович, Цао Бо Высоковязкая тяжелая нефть - альтернатива традиционной нефти // Транспорт на альтернативном топливе. 2015. №6 (48). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vysokovyazkaya-tyazhelaya-neft-alternativa-traditsionnoy-nefti (дата обращения: 19.09.2020).
3. Структура добычи нефти: прогноз Минэнерго, 2015 –2035 гг. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.ngv.ru/magazines/article/triz-i-nalogi/ (11.10.2020).
4. Газизов Р. Э. Трубопроводный транспорт тяжелой нефти и битумов / Р. Э. Газизов, Н. Л. Солодова, Б. Р. Ваганов // Казань: Вестник технологического университета, 2017. – с. 17-20
5. Сергей Тихонов. Нефти станет легче. Российская газета - Федеральный выпуск № 276(8034) / [Электронный ресурс]. – URL: https://rg.ru/2019/12/05/razrabotku-tehnologij-dlia-trudnyh-zapasov-osvobodiat-ot-nalogov.html (11.10.2020).
6. Бурить нельзя останавливать / Нефтегазовая Вертикаль (11.01.2020).
7. Бокор В. А. Изучение характеристик слоев при разделении эмульсии вода-в-масле под действием ультразвуковых стоячих волн / В. А. Бокор ; науч. рук. С. Н. Харламов // Проблемы геологии и освоения недр : труды XXII Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 155-летию со дня рождения академика В.А. Обручева, 135-летию со дня рождения академика М.А. Усова, основателей Сибирской горно-геологической школы, и 110-летию первого выпуска горных инженеров в Сибири, Томск, 2-7 апреля 2018 г. : в 2 т. — Томск : Изд-во ТПУ, 2018. — Т. 2. — [С. 650-652].
8. Ануфриев Роман Викторович, Волкова Галина Ивановна / Влияние ультразвука на структурно-механические свойства нефтей и процесс осадкообразования // Известия ТПУ. 2016. №10. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-ultrazvuka-na-strukturno-mehanicheskie-svoystva-neftey-i-... (дата обращения: 19.09.2020).
9. Применение ультразвуковой обработки для снижения вязкостно-температурных характеристик нефти [Электронный ресурс]. – URL: https://neftegaz.ru/science/petrochemistry/331693-primenenie-ultrazvukovoy-obrabotki-dlya-snizheniya... (11.08.2020).
10. Прачкин В.Г. / Интенсификация добычи нефти комбинированным методом на основе ультразвукового воздействия / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Уфа – 2018.
11. ГОСТ Р 51858-2002 Нефть. Общие технические условия (с Изменениями N 1, 2).
12. Распоряжение Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации №3-р от 01.02.2016.
13. ГОСТ 33-2016 Нефть и нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической и динамической вязкости (с Поправкой)
14. ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности (с Изменением N 1, с Поправкой).
15. ГОСТ 11851-2018 Нефть. Методы определения парафинов (с Поправкой)
16. ГОСТ 2477-2014 Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды (с Изменением N 1, с Поправками).
17. ГОСТ 11858- 66 Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания асфальтово-смолистых веществ.
18 ГОСТ 21534-76. Нефть. Методы определения содержания хлористых солей (с Изменениями N 1, 2).
19. United States Environmental Protection Agency (EPA) (1996), Product Properties Test Guidelines OPPTS 830.7100 "Viscosity", ЕРА 712-C-96-032.
20. Collaborative International Pesticide Analytical Council, Ltd. (CIPAC) (1995), Handbook F., "МТ 3 Specific Gravity, Density and Weight per Millilitre", CIPAC (http://www.cipac.org), CIPAC Publications available from: Marston Book Services Ltd.: (http://www.marston.co.uk)
21. Collaborative International Pesticide Analytical Council, Ltd. (CIPAC) (2005), Handbook F., "МТ 192 Viscosity of Liquids by Rotational Viscometry", CIPAC (http://www.cipac.org), CIPAC Publications available from: Marston Book Services Ltd.: (http://www.marston.co.uk)
22. Депрессорная присадка для высокозастывающих парафинистых нефтей / К.И. Матиев, А.Д. Ага-заде, М.Э. Алсафарова, Ф.М. Ахмедов / SOCAR Proceedings No.3 (2018) 032-037.
23. Исследование термохимических процессов снижения вязкости нефти Русского месторождения / Е.Н. Архипова, А.А. Севастьянов / Академический журнал Западной Сибири. 2015. Т. 11. № 4 (59). С. 5-7.
24. Фахрутдинов, Р. З. / Механоакустическое и химическое воздействия на тяжелую нефть [Текст] / Р. З. Фахрутдинов, Т. Ф. Ганиева // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2012. - Вып. 4. - С. 10-12 : 2 рис., 1 табл. - Библиогр.: с. 12 (4 назв.)
25. Муллакаев М.С. Ультразвуковая интенсификация технологических процессов добычи и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и грунтов: диc. д-ра техн. наук. Московский государственный университет инженерной экологии. М.: 2011. 391 с.
