Ключевые слова: искусственная смесь, перекачка нефти с разбавителем, реологические свойства.

С каждым годом количество традиционных запасов нефти истощается, а их качество ухудшается, что в первую очередь связано с высокой степенью выработанности месторождений и высокой обводненностью добываемой продукции. Данный факт ставит для современной российской промышленности новые задачи по вовлечению в разработку трудноизвлекаемых запасов, добыча которых при существующих технологиях добычи не всегда рентабельна, а транспортировка затруднительна. Присущие высоковязким нефтям (ВВН) свойства – высокая вязкость и содержание тяжелых фракций – затрудняют процесс как эксплуатации месторождений, так и транспортировки продукции до конечного потребителя. Рост количества запасов ВВН побуждает к разработке и внедрению инновационных методов транспортировки, в каковым можно отнести перекачку высоковязких нефтей в смеси с углеводородными разбавителями. Введение в парафинистую нефть углеводородного разбавителя позволяет в некоторых случаях добиться значительного улучшения ее реологических свойств. В качестве разбавителей целесообразнее всего использовать маловязкие нефти. Если в одном районе добываются парафинистые и маловязкие нефти, то целесообразно смешивать их на головных сооружениях нефтепровода и совместно транспортировать.

Также заметим, что определение «искусственная смесь» в указанных далее автором работах называется чаще как «перекачка с разбавителем».

Перекачка высоковязкой и высокозастывающей нефти с разбавителями является одним из эффективных и доступных способов улучшения реологических свойств высоковязких и высокозастывающих нефтей. В качестве углеводородных разбавителей используют газовый конденсат и маловязкие нефти.

При разбавлении вязкой нефти увеличивается объем перекачиваемой жидкости, но вязкость смеси уменьшается. Это обстоятельство позволяет решать различные оптимизационные задачи. В результате использования разбавителя может быть увеличена загрузка нефтепровода, перекачано дополнительное количество вязкой нефти, минимизирован расход электроэнергии и т.д. Смешение высокопарафинистых нефтей с маловязкими позволяет не только удешевить перекачку, но и эффективнее использовать добываемые нефти. Смешивая нефти в разных соотношениях, можно получить нефтяные смеси заранее определенного состава, что позволит стабилизировать работу нефтепровода и установок нефтеперерабатывающих заводов. Кроме того, смешение нефтей позволяет иногда значительно улучшить их качество. Так, например, смешение высокопарафинистых, но малосернистых нефтей с малопарафинистыми, но высокосернистыми нефтями дает возможность получить смесь с умеренным содержанием парафина и серы. Примером этому может служить высокопарафинистая мангышлакская нефть, которая с п-ова Мангышлак перекачивается в подогретом состоянии в район г. Куйбышева, где часть ее перерабатывается, а часть смешивается с маловязкими сернистыми нефтями Поволжья и поступает в систему нефтепровода «Дружба».

В качестве маловязкого разбавителя также используются газовый конденсат, широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), сжиженные газы (при условии, что давление насыщенных паров смеси по Рейду будет ниже 66 000 Па). Так, в Канаде по нефтепроводу Ллойдминстер – Хардисти длиной 116 км и диаметром 200 мм перекачивается высоковязкая нефть с добавлением 22,5 % газового конденсата. В США из 262,8 тыс. м³, перекачиваемых в сутки по Трансаляскинскому нефтепроводу (L = 1287 км, D = 1219 мм), 14,3 тыс. м³ приходится на газовый конденсат с месторождений Прадхо Бей и Купарук. Перекачка смесей разнообразных нефтей со сжиженными газами, газовым бензином и дистиллятами осуществляется в США по трубопроводу длиной 1080 км и диаметром 300 мм.

Механизм действия углеводородного разбавителя можно объяснить следующим образом. Во-первых, при добавлении разбавителя к парафинистой нефти уменьшается концентрация парафина в смеси за счет его растворения легкими фракциями и понижается температура насыщения раствора и появления кристаллов парафина. Следовательно, снижается температура застывания системы. Во-вторых, при использовании в качестве разбавителей маловязких нефтей, содержащих асфальтосмолистые вещества, последние препятствуют образованию парафиновой структурной решетки в нефти за счет адсорбции на поверхности кристаллов парафина, препятствуя образованию прочной структурной решетки и тем самым снижая температуру застывания и эффективную вязкость смеси. Следует иметь в виду, что растворимость парафинов в большой степени зависит от свойств разбавителя. Как правило, чем меньше плотность и вязкость разбавителя, тем эффективнее его действие. Кроме того, чем ниже температура смеси, тем лучше реологические свойства парафинистой нефти при добавлении разбавителя.

Первые в нашей стране опыты по перекачке нефтей с разбавителями были проведены А.Н. Сахановым и А.А. Кащеевым в 1926 г. В этих опытах высокозастывающую нефть смешивали с керосиновым дистиллятом и перекачивали по трубопроводу. Полученные результаты были настолько хороши, что использовались при проектировании нефтепровода Грозный – Черное море. В дальнейшем исследованием вопросов перекачки высоковязких нефтей с разбавителями занимались Л.С. Абрамзон, Э.М. Блейхер, В.Е. Губин, Р.Г. Исхаков, В.А. Куликов, Л.С. Маслов, Ю.А. Сковородников, Ю.В. Скрипников, В.Н. Степанюгин, П.И. Тугунов, В.А. Юфин и др.

Транспортировка искусственной смеси появилась еще в прошлом столетии, и за это время появилось достаточно информации о взаимодействии разбавителя с ВВН. Наиболее полно одним из первых документов, в которых консолидированы знания данной области, является «Методика выбора оптимальной технологии перекачки вязких и застывающих нефтей и нефтепродуктов с разбавителем» РД 39-30-996-84. Методика разработана коллективом авторов Всесоюзного научно-исследовательского института по сбору, подготовке и транспорту нефти и нефтепродуктов (Р.Г. Исхаков) и Уфимского нефтяного института (Л.С. Абрамзон, П.И. Тугунов) [6].

С момента выпуска прошло уже достаточно времени, было написано множество трудов по теме транспортировки искусственных смесей, поэтому РД 39-30-996-84 в данной работе освещается не в полной мере, так как она послужила основой разработанных современных методик расчета, о которых пойдет речь далее.

Важным вопросом является разработка математической модели, которая будет описывать влияние разбавителя в первую очередь на физические характеристики смеси, что будет непосредственно отражаться на гидравлическом расчете нефтепровода. Добавление маловязкого углеводородного разбавителя изменяет следующие параметры высоковязкой нефти [3]:

· Плотность p;

· Кинематическую вязкость v;

· Давление насыщенных паров

Объемная концентрация разбавителя – отношение объема разбавителя к общему объему смеси [3–5]:

где – объем маловязкого углеводородного разбавителя (м³);

– объем высоковязкой нефти (м³).

Если разбавитель вводится непосредственно в нефтепровод:

где – объемный расход маловязкого углеводородного разбавителя (м³/с);

– объемный расход высоковязкой нефти (м³/с).

Введем понятие относительной концентрации разбавителя по расходу

Тогда объемная концентрация разбавителя равна:

Согласно источнику [4], для определения вязкости смеси нефти с разбавителями весьма удобна формула М.М. Кусакова:

где а – коэффициент, определяемый в результате лабораторных исследований свойств смесей нефти с разбавителем;

к – его концентрация.

Иначе вышеуказанную формулу можно переписать в виде согласно [5]:

Также в источнике [3] указана другая форма записи уравнения для вязкости разбавленной нефти связана с вязкостями компонентов формулой Кусакова:

где – кинематическая вязкость высоковязкой нефти (м²/с или Ст);

– кинематическая вязкость маловязкого углеводородного разбавителя (м²/с или Ст).

Если кинематической вязкости разбавленной нефти не только зависит от концентрации маловязкого углеводородного разбавителя, но и от температуры, то можно использовать формулу [3]:

где – известное значение кинематической вязкости разбавленной нефти (м²/с или Ст) при некоторой температуре ;

– коэффициент термовязкограммы разбавленной нефти (1/Кили 1/°С) [3]:

– известная температура (К или °С), при которой определяется кинематическая вязкость разбавленной нефти

Плотность разбавленной нефти определяется по следующей формуле [3]:

где – плотность высоковязкой нефти ;

– плотность маловязкого углеводородного разбавителя .

Давление насыщенных паров разбавленной нефти (Па) определяется через соответствующие параметры высоковязкой нефти и маловязкого углеводородного разбавителя [3]:

где – давление насыщенных паров высоковязкой нефти (Па);

– давление насыщенных паров разбавителя (Па).

Обстоятельство и различие вязкостей приводит к заметному различию совмещенных характеристик (рис. 1). Видно, что гидравлические характеристики трубопровода пересекаются в некоторой точке, которой соответствует расход смеси Q*. Для расходов меньше значения Q*, напор при перекачке разбавленной нефти будут больше, чем при перекачке исходной нефти из-за большего подпора, необходимого при перекачке смеси. Для Q > Q* наоборот – напор при перекачке разбавленной нефти всегда будет меньше напора при перекачке исходной нефти.

Потери напора H_н при перекачке вязкой нефти равны [4]:

где Q_н – расход вязкой нефти (м³/c);

β – числовой коэффициент, величина которого определяется в зависимости от режима течения высоковязкой нефти в трубопроводе (с²/м);

ν_н – кинематическая вязкость высоковязкой нефти (м²/с);

L − длина участка нефтепровода (м);

D – внутренний диаметр нефтепровода (м);

m – показатель режима течения высоковязкой нефти, определяемый с помощью числа Рейнольдса (безразмерная величина).

Аналогично для разбавленной нефти:

Если наложить условие, что Н_см = Н_н, то в трубопроводе устанавливается расход [4]:

то есть в раз больше.

Расход смеси Q_см складывается из нового расхода высоковязкой нефти Q_н и расхода разбавителя Q_р, т.е.:

Поделив обе половины данного уравнения на Q_см и принимая во внимание, что по определению Q_р/Q_см = К, получим:

Решая совместно (6) и (5), находим новый расход нефти в трубопроводе после ее разбавления:

т.е. расход нефти изменяется в раз [4].

Чтобы разбавлением добиться увеличения производительности трубопровода по нефти должно выполняться условие:

При ламинарном режиме перекачки увеличение производительности составит , а при турбулентном . То есть при ламинарном режиме перекачки эффект увеличения производительности (если он есть) выше в число раз:

Если необходимости в увеличении производительности трубопровода по нефти нет , то с помощью разбавления можно уменьшить потери напора на трение.

Подставляя в формулу Лейбензона параметры смеси, будем иметь [4]:

Таким образом, при разбавлении высоковязкой нефти потери напора на трение уменьшаются в раз. Максимальный эффект будет иметь место при ламинарном режиме перекачки. Чем более развит турбулентный режим, тем снижение потерь напора меньше.

Теоретически возможен случай, когда m = 0 и положительный эффект от разбавления отсутствует. Однако высоковязкие нефти в зоне квадратичного трения турбулентного режима не перекачиваются.

Процесс перекачки высоковязкой нефти с разбавителем достаточно полно описан в работах авторов [3, 5]. Потери напора на трение при перекачке высоковязкой нефти в смеси с маловязким углеводородным разбавителем можно определить с помощью формулы Лейбензона [5]:

где ν_н – кинематическая вязкость высоковязкой нефти (м²/с или Ст);

ν_р – кинематическая вязкость маловязкого углеводородного разбавителя (м2 /с или Ст);

– потери напора на трение, определяемые через параметры высоковязкой нефти (м):

или

где m – показатель режима течения высоковязкой нефти с разбавителем, определяемый с помощью числа Рейнольдса (безразмерная величина).

При добавлении разбавителя вязкость и плотность разбавленной нефти уменьшаются. Это приводит к эффективной перекачке высоковязкой нефти.

Основная задача, решаемая при гидравлическом расчете перекачки ВВН в смеси с МУР, – определение необходимой относительной концентрации разбавителя Х, обеспечивающей перекачку заданного объема ВВН Q_н.

Уравнение для гидравлической характеристики трубопровода при перекачке разбавленной нефти имеет вид [5]:

где Δz = z_к – z_н – разность геодезических высот конца и начала участка нефтепровода

z_к – геодезическая высота конца участка нефтепровода;

z_н − геодезическая высота начала участка нефтепровода), м;

– полный напор в конце трубопровода, определяемый

где – давление в трубопроводе в конце участка (Па).

Для начала участка напор будет находиться как:

где – давление в трубопроводе в начале участка (Па).

Гидравлическая характеристика насосных агрегатов будет выглядеть [5]:

где a, b – аппроксимационные коэффициенты (Q–H), характеристики насоса (соответственно в м и в ч²/м⁵);

Q_н – расход вязкой нефти (м³/c).

Если задан расход нефти, то уравнение баланса напоров служит для определения значения X и, следовательно, количества разбавителя [5]:

где h_а/кав – антикавитационный запас магистральных насосов (м), определяемый как:

Определив значение X, суммарный расход Q нефти и разбавителя можно найти по формуле:

После этого с помощью уравнения для гидравлической характеристики перекачивающей станции (выражение слева в
(28)) можно найти напор в начале трубопровода, который не должен превышать предельно допустимого значения [5].

Затем с помощью уравнения для гидравлической характеристики рассматриваемого участка трубопровода (24) следует найти напор в конце участка и убедиться, что выполняется условие (29). Если указанные ограничения выполняются, то объем разбавителя выбран правильно и заданный расход нефти можно перекачать по рассматриваемому участку нефтепровода.

Определение количества насосных станций при проектировании участка нефтепровода, осуществляющего перекачку ВВН с разбавителем должно находиться по формуле [4]:

где – напор станции при перекачке смеси (с учетом пересчета характеристик насосов).

Выбор типа насосов при заданной концентрации разбавителя производится в соответствии с неравенством [4]:

где К_Q – коэффициент пересчета подачи насоса при перекачке нефти с разбавителем.

При перекачке высоковязкой нефти с разбавителем на головной насосной станции должны быть резервуары для его хранения. Если объем резервуарного парка для высоковязкой нефти на головной НС равен (2…3) Vсут, то дополнительный объем резервуаров для хранения разбавителя:

Мощность, потребляемая при перекачке смеси, составляет:

где – к.п.д. насосных агрегатов при их работе на смеси.

Заключение

Перекачка искусственных смесей (иначе – перекачка с разбавителем) подразумевает под собой транспортировку высоковязких нефтей в смеси с разбавителем. Под разбавителем понимается любой агент (маловязкая жидкость, депрессатор и д.р.), введение которого в перекачиваемую нефть (нефтепродукт) приводит к уменьшению ее вязкости.

Перекачка с разбавителем является одним из способов перекачки вязких и застывающих нефтей и нефтепродуктов, повышающих надежность и эффективность транспортировки их по магистральным трубопроводам. Как правило, перекачка с разбавителем преимущественно может быть использована в следующих условиях:

- при наличии эффективного и дешевого разбавителя;

- при невозможности или затрудненности использования других способов перекачки вязких и застывающих нефтей или нефтепродуктов (например, в районах с вечномерзлыми и болотистыми грунтами нецелесообразна перекачка с подогревом);

- при подаче вязких и застывающих нефтей в трубопроводные системы с ограничениями на реологические свойства перекачиваемых нефтей и нефтепродуктов;

- при наличии разветвленной сети магистральных нефте- и продуктопроводов, позволяющей рационализировать общую схему грузопотоков.

Перекачка с разбавителем может применяться в комбинации с другими способами улучшения транспортабельных свойств вязких и застывающих нефтей и нефтепродуктов.

В зависимости от условий эксплуатации каждого конкретного трубопровода с помощью разбавителя могут быть достигнуты следующие цеди:

- доведение вязкости смеси до необходимой по условиям эксплуатации величины;

- минимизация давления, потребного для перекачки заданного количества вязкой нефти или нефтепродукта;

- максимизация количества перекачиваемой по трубопроводу вязкой нефти (нефтепродукта) при заданном допустимом давлении;

- минимизация затрат мощности на перекачку заданного количества вязкой нефти или нефтепродукта.

Математический аппарат, позволяющий с высокой точностью описать поведение смеси, а также определить необходимую концентрацию разбавителя, за последние годы активно развился благодаря опыту эксплуатации трубопроводов, осуществляющих перекачку искусственных смесей. Необходимые уравнения (например, баланса напоров) записаны в корректном виде, учитывающем все изменения гидравлических параметров при добавлении разбавителя.

1. Развитие мировой системы нефтепроводного транспорта / Бахтизин Р.Н. [и др.] – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2018. – 604 с.

2. Трубопроводный транспорт нефти и газа / Алиев Р.А., Белоусов В.Д., Немудров А.Г., Юфин В.А, Яковлев Е.И. - М.: Недра, 1988. – 368 с.

3. Васильковский, В.В. Специальные методы перекачки углеводородов: Учебно-методическое пособие / В.В. Васильковский. – Москва: Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина, 2014. – 55 с.

4. Коршак, А.А. Специальные методы перекачки: Конспект лекций / А.А. Коршак. – Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. – 208 с.

5. Трубопроводный транспорт нефти: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 650700 «Нефтегазовое дело». Учебник для вузов: В 2 томах / Г.Г. Васильев, Г.Е. Коробков, А.А. Коршак [и др.]. Том 1. – Москва: ООО «Недра-Бизнес-центр», 2002. – 407 с.

6. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. / Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002 – 658 с.