Исследование реологических свойств нефти

Исследование реологических свойств нефти

 

Методы транспортирования по трубопроводам высоковязких нефтей

 

В обычных условиях нефть является коллоидным раствором в котором асфальтены служат тонкой дисперсной средой, а жидкие углеводороды и смолы дисперсионной средой алканы нефтей при обыкновенной температуре перекачки, могут находится как в газообразном так и в жидком, и твердом состоянии. Но начиная с гексадекана алканы становятся твердыми веществами которые содержатся в нефтях частично в растворенном, а частично в кристаллическом состоянии.

В настоящее время известно и в том или ином объеме применяются следующие способы перекачки:

1) Перекачка с подогревом на головной и промежуточных станциях (горячая перекачка)

2) Перекачка с путевым подогревом трубопровода

3) Перекачка в смеси с маловязкими нефтями, углеводородными растворителями или газом (газовым конденсатом) или СО2

4) Перекачка аномальных нефтей по слою воды (гидроперекачка) - движение нефти по кольцевому слою воды между нефтеным ядром и стенками трубы

5) Перекачка с предварительной термообработкой, снижающей прочность структуры нефти (перекачка после термодеструктивной обработки)

6) Перекачка с использованием депрессорных присадок

 

Горячая перекачка

Несмотря на то, что на сегодняшний день наиболее освоена технология "горячей перекачки", ее применение требует колоссальных затрат, процесс теплообмена между нефтью и окружающей средой приобретает первостепенное значение. В таких условиях особое внимание уделяется тепловой изоляции "горячих нефтепроводов", что приводит к значительному снижению затрат и позволяет снизить энергозатраты до допустимых значений с понижением температуры в нефти.

Гидростатическое сопротивление в трубопроводах, особенно малого диаметра, возрастает, возникает турбулентный режим, запарафинивание и в конечном счете создается аварийная ситуация, и остановка движения жидкости по трубопроводу и остановка подогрева способствуют активации обложения парафина. Существующие способы увеличения пропускной способности действующих трубопроводов предусматривают применения дорогостоящих химических реагентов или требуют повышения энергозатрат для поддержания температуры нефти в заданном пределе по всей трассе трубопровода.

Важной задачей при транспорте высоковязких и парафинистых нефтей становится определение объема парафина который может отложится в нефтепроводе, что находится в прямой зависимости от интенсивности кристаллизации.

 

Путевой подогрев

В настоящее время известны следующие теплоносители для обеспечения путевого подогрева:

- водяной пар

- горячая вода

- электро энергия

На сегодня установлено, что подогрев с помощью горячей воды и пара в качестве теплоносителей экономически выгоден только на трубопроводах небольшой протяженности. При значительной длине нефтепровода для поддержания теплопроводе, достаточного давления и температуры, необходимо установить специальное оборудование, в результате чего такие системы подогрева значительно удорожают.

Перспективным методом попутного подогрева магистрального нефтепровода является электрический (в том числе с использованием скин-эффекта) который осуществляется подачей электроэнергии непосредственно на тело трубопровода или оснащением трубопровода специальными электроизолированными подогревателями.

Данный способ недостаточно освоен на практике.

 

Перекачка в смеси

Для существенного снижения вязкости нефти требуется вовлечение в смесь большого количества разбавителя, который (как правило) является ценным углеводородным сырьем. Экспериментальные исследования показали значительную эффективность данного метода, однако его применение затруднительно из-за отсутствия в местах добычи вязких и парафинистых нефтей, разбавителя в нужном объеме.

Одним из перспективных направлений развития данного метода является использование в качестве разбавителя газового конденсата.

Для определения оптимальной технологии перекачки с разбавителем необходимо принимать во внимание реологические свойства и нефти и разбавителя, особенность эксплуатации трубопроводов и ряда других секторов.

Однако в некоторых случаях применение разбавителя приводит к интенсивному отложению парафина на стенке трубы.

С уменьшением вязкости нефти вызванной разбавителем молекулы смол и парафинов легче проходят через тонкий пристенный слой на стенку трубы, где кристаллизируются, образуя отложения и уменьшают живое сечение трубы.

Недостатками перекачки высоко парафинестых нефтей с разбавителями являются:

- необходимость в каждом конкретном случае специальных исследований для установления оптимальных температур смешения и нагрева.

- дополнительный объем транспортировки.

- ухудшение сортности нефти.

 

Прекачка с водным раствором ПАВ

В результате такой перекачки создается эмульсия, внешней средой которой является водный раствор ПАВ. В процессе смачивания стенок трубопровода водным раствором ПАВ образуется маловязкий пристенный градиентный слой с меньшим коэффициентом трения чем в системе нефть-поверхность трубы. Что позволяет значительно снизить потери энергии на перекачку.

Чтобы обеспечить в конечном пункте легкое и достаточно полное отделение воды от нефти эмульгатор должен придавать максимальную устойчивость эмульсии при низких температурах и минимальную при повышенных температурах.

Является одним из перспективных методов, но имеет свои недостатки:

- увеличения объема перекачки на 30 - 35%

- необходимость в деэмульгировании нефти

- необходимость в дополнительной разлагаемости ПАВ (при не выполнении этого условия, строительство специальных очистных сооружений).

- ПАВ должны способствовать образованию прямых и устойчивых в динамическом состоянии эмульсии, а также не вызывать коррозию металла.

 

Перекачка с предварительной термообработкой

Процесс термодиструктивной обработки нефти с целью ее транспортировки по магистральному нефтепроводу для парафинистых нефтей непригоден. Тек как при термодиструкции произойдет разрушение твердых парафиновых углеводородов и их полная потеря. Этот процесс применим только для высоковязких нефтей с ньютоновскими свойствами, тяжелых углеводородов нефтено-ароматического ряда и асфальтических веществ.

Нагрев нефти до температуры при которой полностью растворяются содержащиеся в ней твердые парафины (80 - 95О С) и охлаждение с заданным темпом обеспечивающим построение крупнокисталичной несвязанной пространственной сеткой структуры, приводит к понижению температуры застывания парафинистых нефтей и снижению их вязкости в определенном интервале температур.

Температура застывания нефти не зависит от скорости ее охлаждения. Термообработка нефтей относительно богатых смолами приводит и температуру застывания и дает возможность вести перекачку при нормальной температуре.

Недостатки:

- высокие энергетические затраты

- эффект термообработки при повторном нагреве частично или полностью исчезает

 

Перекачка с использованием депрессорных присадок

По механизму действия присадок понижающих вязкость и предельное напряжение сдвига нефти на сегодня не существует единого мнения

Отмечается двоякий характер их действия, во-первых частицы присадки образуют с парафином смешанные кристаллы, в результате этого предотвращается образование сплошной структуры сетки, во-вторых частицы присадки выступают центры вокруг которых в последствии кристаллизуется парафин, не связываясь между собой в структурную сетку.

Необходимо отметить, что смолисто-асфальтеновые вещества содержащиеся в нефти являются типичными природными депрессаторами.

 

Реология – наука, которая изучает механическое поведение твердо- и жидкообразных тел (реос – течение; логос – учение).

Представим, что к противоположным сторонам кубика приложена касательная сила F. Она создает численно равное ей напряжение сдвига t. Под действием напряжения сдвига происходит деформация кубика: смещение его верхней грани по отношению к нижней на величину g. Это смещение численно равно tg g - тангенсу угла отклонения боковой грани, т.е. относительной деформации сдвига g.

Связь между величинами напряжения сдвига t, деформации g и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, которое составляет предмет реологии.

Существуют две распространенные модели жидкости. Первая из них предполагает, что в жидкости при движении нет касательных напряжений. Это модель идеальной жидкости. Вторая модель учитывает появляющиеся при движении касательные напряжения. Это модель вязкой жидкости.

В простейшем случае прямолинейного слоистого (ламинарного) течения связь между касательным напряжением t и производной скорости u по нормали определяется законом вязкого трения Ньютона:

t = m * du/dy, (1)

где m - динамический коэффициент вязкости.

Этот коэффициент определяется свойствами жидкости и зависит от давления и температуры.

Существует много сред, которые хорошо описываются моделью (1) вязкой (ньютоновской) жидкости. В то же время имеются и другие жидкие среды, для описания которых модель вязкой жидкости не подходит. Эти жидкости называются неньютоновскими.

Если нефть не содержит сложной структурной единицы (ССЕ), то она представляет собой молекулярный раствор различных низко- и высокомолекулярных соединений и подчиняется закону вязкого трения Ньютона (1). При движении вязкой ньютоновской жидкости по круглой трубе касательное напряжение t пропорционально градиенту скорости u:

t = m * du/dr, (2)

где r – радиус;

du/dr – скорость сдвига.

Это простейшее реологическое уравнение жидкости. Оно содержит единственный реологический параметр – динамическую вязкость.

Зависимость касательного напряжения от скорости сдвига называется кривой течения или реологической кривой.

В координатах t-du/dr поведение нефти указанного выше типа будет описываться прямой 1, выходящей из начала координат (рис.1).

Рис.1. Кривые течения

1 – ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная; 3 – дилатантная; 4 – вязкопластичная жидкости

Тангенс угла наклона прямой 1 к оси ординат характеризует вязкость жидкости (нефти) и при постоянной температуре есть величина постоянная:

 tg a = m = const (3)

Физико-химические и механические свойства нефтяных дисперсных системах (НДС) зависят от степени структурирования высокомолекулярных соединений (ВМС) и от соотношения дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Если нефть представляет собой свободнодисперсную систему, то ее течение качественно совпадает с течением гомогенных жидкостей, т.е. при ламинарном режиме течения сохраняется пропорциональность между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Количественно отличие выражается в том, что вязкость системы оказывается выше вязкости чистой (гомогенной) жидкости, т.к. дисперсные частицы оказывают дополнительное сопротивление перемещению слоев жидкости.

Наличие структуры в жидкости изменяет характер кривых течения.

Широкий спектр размеров частиц в НДС и их взаимодействие между собой обусловливает большое разнообразие реологических свойств нефтей.

Нефти, представляющие собой связнодисперсную систему, уравнению Ньютона не подчиняются, т.к. при их течении утрачивается пропорциональность между приложенной нагрузкой (напряжением сдвига) и вызываемой ею деформацией (скоростью сдвига), кривая 2, рис.1. Жидкость продолжает сохранять способность к течению при сколь угодно малых напряжениях сдвига, но по мере увеличения скорости сдвига в жидкости происходит разрушение еще слабых связей между ассоциатами, упорядочение взаимного положения и ориентация частиц относительно направления потока. Все это приводит к относительному уменьшению прилагаемого к жидкости напряжения сдвига t и кривая течения 2 становится обращенной выпуклостью к оси t. Такие жидкости называются псевдопластичными.

Течение псевдопластичной жидкости подчиняется степенному закону:

t = k*(du/dr)n, (4)

где k - консистентность системы;

n – индекс течения.

Индекс течения характеризует отклонение системы от состояния ньютоновской жидкости:

n=1 – ньютоновская жидкость;

n<1 – псевдопластичная жидкость;

n>1 – дилатантная жидкость, кривая 3, рис.1.

Кривые течения степенных жидкостей проходят через начало координат.

Системы, в которых жидкая фаза пронизана сплошной структурной сеткой, приобретают способность к течению только после разрушения той сетки. Примером такой системы является нефть, содержащая сетку из кристаллов парафина или частиц асфальтенов. Идеальное вязкопластичное течение описывается прямой 4, тангенс угла наклона которой к оси скорости сдвига численно равен пластической вязкости m*. Течение таких жидкостей (нефтей, водонефтяных эмульсий) начинается только после того, как напряжение сдвига превысит некоторый предел t0. При этом структура полностью разрушается и жидкость течет затем как ньютоновская.