В рамках данной статьи проведен анализ современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Также был произведен подробный анализ реологических моделей неньютоновских жидкостей, в ходе которого был установлен ряд допущений применяемого на настоящий момент алгоритма выбора реологической модели. В статье представлены результаты проведенных авторами комплексных экспериментальных исследований реологических моделей смеси битуминозной нефти Ашальчинского месторождения и маловязкого разбавителя. Целью экспериментальных исследований являлось нахождение зависимостей параметров реологических моделей от определяющих факторов: концентрации разбавителя и температуры смеси. На основе материала проведенных экспериментальных исследований получены и теоретически обоснованы формулы для прогнозирования реологических свойств нефтяной смеси. Для рассматриваемой нефтяной системы была установлена последовательность изменения реологических моделей: от простейшей однопараметрической модели Ньютона до модели Карро, включающей в себя 4 независимых параметра. Предложенные модели с высокой степенью точности и качественно верно описывают реологические свойства нефтяной смеси. С увеличением температуры и концентрации разбавителя реологические модели смеси битуминозной нефти и разбавителя изменяются в следующей последовательности: «модель Карро» – «модель Эллиса» – «модель Оствальда-де Вааля» – «модель ньютоновской жидкости». С учетом полученных формул был составлен обобщенный алгоритм определения рациональных параметров транспортирования битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Разработанный алгоритм был применен к участку трубопроводной системы НГДУ «Нурлатнефть» между станциями ДНС-5 «Чумачка» – МЦПС. На основе сравнительного технико-экономического анализа было установлено, что выбор рациональных параметров транспорта обеспечивает повышение эффективности транспорта битуминозной нефти.
В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2030 года» [17], одной из основных задач нефтяного комплекса является ресурсо- и энергосбережение, сокращение потерь на всех стадиях технологического процесса при транспортировке нефти. При решении этой стратегической задачи необходимо учитывать тенденцию к увеличению доли трудноизвлекаемых запасов (сверхвязкая нефть, природный битум и др.) в структуре минерально-сырьевой базы нефтяного комплекса, а также удорожание добычи и транспортировки углеводородов.
В Российской Федерации ресурсы сверхвязких нефтей (СВН) и природных битумов (ПБ) составляют по оценкам, приведенным в работе [14], 30 – 75 млрд тонн. В Российской Федерации месторождения тяжелой нефти наиболее активно разрабатываются на территории Республики Татарстан, на которую приходится 71% СВН и ПБ в общих запасах. Примерно 80% всей добываемой на территории Республики Татарстан нефти приходится на долю ОАО «Татнефть» (26,2 млн тонн нефти) [10]. ОАО «Татнефть» накоплен большой исследовательский опыт в вопросах добычи и транспортировки тяжелых нефтей. Особое место среди разрабатываемых ОАО «Татнефть» месторождений занимает Ашальчинское нефтяное месторождение.
Трудности разработки Ашальчинского месторождения связаны с осложнениями, возникающими при добыче и транспортировке СВН и ПБ. В связи с увеличением объема добычи СВН и ПБ возникает острая потребность обеспечить надежный и энергоэффективный процесс их транспорта по трубопроводной системе.
Одной из перспективных технологий трубопроводного транспорта битуминозной нефти Ашальчинского месторождения, является технология перекачки с разбавителем. Исследование и совершенствование технологии трубопроводного транспорта битуминозной нефти Ашальчинского месторождения в смеси с разбавителем представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Методика исследований
При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали в себя научный анализ и обобщение современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей с применением разбавителя, математическое моделирование трубопроводной системы с учетом сложных реологических параметров перекачиваемого продукта. Экспериментальные исследования включали проведение опытов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований, обработку полученных результатов методами математической статистики в современных программных комплексах.
Повышение эффективности трубопроводного транспорта битуминозной нефти неразрывно связано с решением задач в области теплового и гидравлического расчета трубопроводной системы. Рассмотрены и проанализированы основные методики теплового и гидравлического расчета трубопроводов, транспортирующих нефти, обладающие повышенной вязкостью [5]. Установлено, что существующие на сегодняшний день методики нуждаются в уточнении.
Поскольку решающую роль в процессе транспорта битуминозных нефтей играют их сложные реологические свойства, произведен подробный анализ реологических моделей неньютоновских жидкостей [6, 7]. В ходе анализа было установлено, что применяемый на данный момент алгоритм выбора реологической модели содержит ряд допущений (ограниченное количество реологических моделей, вариативность в назначении коэффициентов модели и т.д.). Предложены пути их устранения.
В этой связи предлагается дополнить стандартный перечень реологических моделей моделью Карро (Carreau model) [19]
Кроме того, алгоритм выбора реологической модели был дополнен моделью Эллиса (Ellis fluid model) [17, 20]
Экспериментальные исследования
В ходе работы проведены исследования образцов битуминозной и маловязкой нефти Ашальчинского месторождения.
Экспериментальные исследования проводились в Центре инженерных изысканий (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»), 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. Поскольку точные измерения и контроль температуры являются основным требованием практически всех реологических измерений, в составе реометра Kinexus были использованы сменные кассетные твердотельные термоэлектрические модули Пельтье [15].
Экспериментальные данные подверглись статистической обработке в программном комплексе Statistica 10. Выбор реологической модели производился по алгоритму, приведенному в работах [2, 3, 4, 13]. Определение параметров выбранной модели производилось по методу Хука-Дживиса. При каждой итерации метод сначала определяет схему расположения параметров, оптимизируя текущую функцию потерь перемещением каждого параметра по отдельности. При этом вся комбинация параметров сдвигается на новое место. Это новое положение в m-мерном пространстве параметров определяется экстраполяцией вдоль линии, соединяющей текущую базовую точку с новой точкой. Размер шага этого процесса постоянно меняется для попадания в оптимальную точку. Этот метод обычно очень эффективен и его следует использовать, если квазиньютоновский и симплекс-метод не дали удовлетворительных оценок.
Полученные результаты собраны и представлены в таблице 1.
В ходе проведенных исследований была установлена иерархия реологических моделей для рассматриваемой нефтяной системы: от простейшей однопараметрической модели Ньютона до модели Карро, включающей в себя 4 независимых параметра. Предложенные модели с высокой степенью точности и качественно верно описывают реологические свойства нефтяной смеси. С увеличением температуры и концентрации разбавителя реологические модели смеси битуминозной нефти и разбавителя изменяются в следующей последовательности: «модель Карро» – «модель Эллиса» – «модель Оствальда-де Вааля» – «модель ньютоновской жидкости». Были выявлены общие закономерности изменения параметров реологических моделей. На рисунке 1 представлено двумерное поле реологических моделей исследуемых нефтяных смесей в координатах «температура смеси» – «концентрация разбавителя».
С целью получения уравнения, позволяющего определять реологические свойства бинарной нефтяной смеси в зависимости от температуры смеси и концентрация разбавителя, были отдельно рассмотрены результаты экспериментов в области ньютоновских моделей. Распределение полученных для ньютоновских моделей значений коэффициента динамической вязкостей в пространстве «коэффициент динамической вязкости» – «температура смеси» – «концентрация разбавителя» представлено на рисунке 2.
Коэффициент динамической вязкости нефтяной смеси битуминозной нефти с разбавителем, в зависимости от температуры смеси и концентрация разбавителя, предложено определять по модифицированному уравнению Аррениуса
На рисунке 3 приведены значения коэффициента динамической вязкости и поверхность, построенная по модифицированному уравнению Аррениуса (3) с учетом коэффициентов регрессии, полученных в работе.
Качество полученных зависимостей было проверено методами математической статистики. Результаты сравнения с известными зависимостями для определения коэффициента динамической вязкости показывают, что полученное решение обладает достаточной высокой точностью. Доказано, что вязкость бинарных нефтяных смесей в области ньютоновской жидкости следует определять по модифицированному уравнению Аррениуса.
На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований разработан обобщенный алгоритм расчета режимов трубопроводной системы, по которой транспортируется битуминозная нефть в смеси с разбавителем. В разработанном алгоритме учтена возможность проявления неньютоновских свойств нефтяной смеси при пониженной температуре транспортирования или низкой концентрации разбавителя, посредством использования специальных формул для определения коэффициента гидравлического сопротивления при течении неньютоновских жидкостей (формула Мецнера-Рида и формула Ирвина), а также с применением программных комплексов по вычислительной гидродинамике (COMSOL Multiphysics 5.2). В области ньютоновского течения использовано модифицированное уравнение Аррениуса, полученное авторами работы. Другой отличительной особенностью алгоритма является расчет режимных параметров при различных расходах транспортируемого продукта. Большинство оптимизационных алгоритмов, получивших широкое распространение на сегодняшний день, предполагают, что массовый расход «горячей» перекачки с применением разбавителя является фиксированной величиной, в то время как при перекачке нефти центробежными насосами расход перекачки есть переменная величина и уместнее пользоваться понятием «динамической характеристики», предложенным и обоснованным П.И. Тугуновым и Н.А. Гаррис [4, 16, 9, 11].
При теплогидравлических расчетах учитываются технологические ограничения (по температуре начального подогрева нефтяной смеси, по расходу смеси, по концентрации разбавителя), а также учитывается влияние изменения основных параметров перекачки на режим работы основного технологического оборудования. Пересчет характеристик центробежных насосов с воды на высоковязкую нефть [1, 8, 12] осуществляется при помощи следующих коэффициентов:
С учетом приведенных выше отличительных особенностей, с использованием алгоритма расчета режимных параметров трубопроводного транспорта, найдена совокупность рабочих состояний системы, так называемая «линия рабочих режимов». На рисунке 4 приведено изображение поверхности характеристики нефтеперекачивающей станции, пересекающей поверхность характеристики трубопроводной сети по линии рабочих режимов (красная линия). Синей пунктирной линией отмечена граница области, при переходе через которую требуется выполнять пересчет характеристик центробежных насосов с воды на высоковязкую нефть.
Каждой точке на линии рабочих режимов соответствует совокупность параметров, характеризующих процесс перекачки. Минимизацию целевой функции относительно выбранного критерия оптимальности следует производить по линии рабочих режимов. В качестве целевых функций предлагается использовать: функцию суммарных эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев (для случая Q = const) и функцию в виде разницы прибыли от перекачки заданного объема нефти и суммарных эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев (для случая Q ≠ const).
Произведено технико-экономическое обоснование предложенного алгоритма выбора рациональных параметров транспортирования битуминозной нефти в смеси с разбавителем на примере участка действующей трубопроводной системы НГДУ «Нурлатнефть» между ДНС-5 «Чумачка» и Миннибаевским центральным пунктом сбора (МЦПС). На дожимную насосную станцию «Чумачка» поступает нефть из различных групп месторождений, имеющих разнообразные реологические свойства. В общем потоке происходит смешение маловязких компонентов (θр ≈ 67,7 %) с битуминозной нефтью. На участке применяется технология предварительного подогрева (Тн = 35 °С).
В результате проведенных технико-экономических расчетов был получен график зависимости общих эксплуатационных затрат от температуры начального подогрева, который представлен на рисунке 5.
Для установившегося в трубопроводной системе расхода перекачки 579 м3/ч найдено оптимальное значение температуры начального подогрева Тн = 35 °С. Это значение на 6 °С меньше, чем при действующем режиме эксплуатации. Разница между общими эксплуатационными затратами при оптимальном режиме и действующем режиме эксплуатации составляет 0,145 руб./с. В случае реализации оптимального режима эксплуатации это позволит обеспечить экономию средств в размере 4,57 млн руб./год.
Выводы
В работе был проведен анализ современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Представлены результаты проведенных авторами комплексных экспериментальных исследований реологических моделей смеси битуминозной нефти Ашальчинского месторождения и маловязкого разбавителя. На основе экспериментального материала получены и теоретически обоснованы формулы для прогнозирования реологических свойств нефтяной смеси. С учетом полученных формул был составлен обобщенный алгоритм определения рациональных параметров транспортирования битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Разработанный алгоритм был применен к участку трубопроводной системы НГДУ «Нурлатнефть» между станциями ДНС-5 «Чумачка» – МЦПС. На основе сравнительного технико-экономического анализа было установлено, что в случае выбора рациональных параметров транспорта обеспечивается повышение эффективности транспорта битуминозной нефти.
ЛИТЕРАТУРА
1. Айзенштейн, М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности / М.Д. Айзенштейн. - М.: Гостоптехиздат, 1957. – 363 с.
2. Гаррис Н.А. Построение динамической характеристики магистрального трубопровода (модель вязкопластичной жидкости) / Н.А. Гаррис, Ю.О. Гаррис, А.А. Глушков // Нефтегазовое дело. – 2004. – № 1.
3. Гаррис, Н.А. Определение оптимальных режимов работы недогруженных неизотермических трубопроводов / Н.А. Гаррис, А.Н. Филатова // Проблемы ресурсосбережения в народном хозяйстве: Сборник науч. статей, вып. 1: Башкирская энциклопедия. – 2000. – с. 156 – 158.
4. Гаррис, Н.А. Расчет эксплуатационных режимов магистральных неизотермических нефтепродуктопроводов с применением динамических характеристик / Н.А. Гаррис, Ю.О. Гаррис // Нефтегазовое дело. – 2003. – № 2.
5. Закиров А.И. Тепловой режим трубопроводного транспорта битуминозной нефти в смеси с маловязким разбавителем / В.В. Пшенин, А.И. Закиров, В.И. Климко, А.К. Николаев // Деловой журнал Neftegaz.RU. – М.: Изд-во: «Общество с ограниченной ответственностью Информационное агентство Нефтегаз.РУ интернэшнл», 2016. – № 1 - 2. – с. 56-58.
6. Закиров, А.И. Исследование реологических моделей смеси битуминозной и маловязкой нефтей Ашальчинского месторождения / А.К. Николаев, А.И. Закиров, В.В. Пшенин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: Изд-во «Горная книга», 2015. – №11. – с. 353 – 360.
7. Закиров, А.И. Исследование реологических свойств битуминозной нефти Ашальчинского месторождения / А.И. Закиров, А.И. Каримов, В.В. Пшенин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: Изд-во «Горная книга», 2015. – № 10. – с. 382 – 390.
8. Мирзаджанзаде, А.Х. Этюды о моделировании сложных систем нефтедобычи. Нелинейность, неравновесность, неоднородность / А.Х. Мирзаджанзаде, М.М. Хасанов, Р.Н. Бахтизин. – Уфа: Гилем, 1999. – 464 с.
9. РД 75.180.00-КТН-198-09 Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. – Гипротрубопровод, 2009. – 207 с.
10. Стратегия развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан на период до 2030 года.
11. Тугунов, П.И. Применение динамических характеристик для расчетов эксплуатационных режимов неизотермических трубопроводов / П.И. Тугунов, Н.А. Гаррис // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. – 1985. – 60 с.
12. Уилкинсон, У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен / Пер. с англ. З.П. Шульмана; Под. ред. А.В. Лыкова. – М.: «МИР», 1964. – 216 с.
13. Хисамов, Р.С. Изменение свойств и состава сверхвязких нефтей при реализации технологии парогравитационного воздействия в процессе разработки Ашальчинского месторождения / Р.С. Хисамов, М.И. Амерханов, Ю.В. Ханипова // Нефтяное хозяйство. 2015. – № 9. – с. 78 – 81.
14. Хисамов, Р.С. Обобщение результатов лабораторных и опытно-промышленных работ по извлечению сверхвязкой нефти из пласта / Р.С. Хисамов, М.М. Мусин, К.М. Мусин, И.Н. Файзуллин, А.Т. Зарипов. – Казань: «Фэн» Академии наук РТ, 2013. – 213 с.
15. Шрамм, Г. Основы практической реологии и реометрии / Пер. с англ. И.А. Лавыгина; Под. ред. В.Г. Куличихина. – М.: КолосС, 2003. – 312 с.
16. Штукатуров, К.Ю. Экономико-математическое моделирование выбора технологических режимов трубопровода: дис. канд. физ.-мат. наук: 05.13.18 / Штукатуров Константин Юрьевич. – Уфа, 2004. – 154.
17. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года
18. Mehrotra, A. Viscosity of Cold Lake Bitumen and Its Fractions / Anil K.Mehrotra, Robert R. Eastick and Wlliam Y.Svrcek // The Canadian Journal of Chemical Engineering. – 1989. – vol. 67. – No. 6. 1004 – 1009 p.
19. Miadonye A. A Correlation for viscosity and solvent mass fraction of Bitumen-diluent mixtures / A. Miadonye, N. Latour and V.R. Puttagunta // Petroleum Science and Technology. – 2000. – vol. 18. – No. 1&2. - p. 1 – 14.
20. Shu, W.R. A Viscosity Correlation for Mixtures of Heavy Oil, Bitumen, and Petroleum Fractions / W.R. Shu // Society of Petroleum Engineers of Journal. – 1984. – No. 6. 277 – 282 p.
