Перекачка нефтей, являющихся неньютоновскими жидкостями.
В России и за рубежом имеет место добыча нефтей, имеющих высокую вязкость и температуру застывания. Такие нефти отличаются от обычных, называемых ньютоновскими, и обладают специфическими свойствами, называемыми реологическими.
Под реологическими свойствами жидкостей понимают такие, от которых зависит характер их течения. В трубопроводном транспорте реологические характеристики нефтей оцениваются следующими параметрами: вязкостью (ньютоновской), пластической вязкостью, эффективной вязкостью, начальным (статическим) напряжением сдвига, предельным динамическим напряжением сдвига и температурой застывания.
Характер течения жидкостей определяется видом зависимости напряжения сил трения на поверхности их соприкасающихся слоев или напряжения сдвига от градиента скорости по радиусу трубы (скорости сдвига dw / dr ). Графическое представление этих зависимостей называется кривыми течения жидкостей.
Вода, светлые нефтепродукты, нефти с низким содержанием парафина и смол, парафинистые нефти при высокой температуре — это все так называемые ньютоновские жидкости, которые имеют одинаковый вид зависимости
(21.1)
где - коэффициент пропорциональности (динамический коэффициент вязкости).
Все остальные жидкости, не подчиняющиеся этой зависимости, называются неньютоновскими. Неньютоновские жидкости делятся на несколько классов (рисунок 21.1):
— псевдопластичные;
— пластичные (или бингамовские);
— дилатантные.
Способы перекачки высоковязких и высокозастывающих нефтей
Трубопроводный транспорт высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов затруднен из-за повышенной вязкости, высокой температуры застывания и других реологических особенностей. Высокая величина коэффициента гидравлического сопротивления при температуре окружающей среды вызывает необходимость сооружения большого числа насосных станций, что экономически не всегда целесообразно. Поэтому наряду с обычной изотермической перекачкой применяют и другие методы транспорта таких нефтей:
1) гидроперекачка;
2) перекачка с улучшением реологических свойств:
— барообработка;
— виброобработка;
— перекачка с разбавителями;
— термообработка;
— перекачка с присадками;
3) «горячая» перекачка.
Гидроперекачкой называют совместную перекачку высоковязких нефтей и воды. Известно несколько способов гидроперекачки:
1) перекачка нефти внутри водяного кольца;
2) перекачка водонефтяной смеси в виде эмульсии типа «нефть в воде» (н/в);
3) перекачка нефти и воды без вмешательства в формирование структуры потока.
Барообработка
Обработка неньютоновских нефтей давлением с целью улучшения их реологических свойств.
Процесс барообработки заключается в следующем. Если в герметически закрытом сосуде, заполненном неньютоновской нефтью, создать избыточное давление , последнее со временем медленно падает до некоторого значения . Скорость падения давления и разница между начальным и конечным давлениями зависит от величины и реологических свойств нефтей. Замечено также, что если время выдержки начального избыточного давления составляет 10 ч и более, то при повторном нагружении до начальной величины снова наблюдается снижение давления, но в меньшей степени. При определенном числе циклов нагружения уменьшение давления в замкнутой системе не происходит.
Виброобработка
Сущность данного метода перекачки состоит в том, что высокопарафинистую нефть охлаждают до образования в ней парафинистой структуры, а затем механическим путем разрушают последнюю. Содержащиеся в нефти смолы и асфальтены обволакивают «осколки» парафина, препятствуя их повторному соединению. Обычных скоростей перекачки достаточно, чтобы полученная суспензия (парафин в нефти) сравнительно длительное время сохраняла необходимую подвижность.
Разрушение парафинистой структуры может производиться путем виброобработки с помощью специальных мешалок, диафрагм и т.д.
Однако с течением времени структура парафина в нефти восстанавливается. В зависимости от состава нефти для этого требуется от нескольких часов до нескольких суток. Экспериментально установлено, что высокопарафинистые нефти, не содержащие асфальтенов, практически не изменяют своих свойств после механического разрушения, так как структура парафина после прекращения ее разрушения восстанавливается очень быстро. По мере увеличения содержания асфальтенов в высокопарафинистой нефти продолжительность восстановления структуры увеличивается. Это связано с тем, что молекулы асфальтенов адсорбируются на поверхности кристаллов парафина и препятствуют образованию прочной парафинистой структуры. Вместе с тем превышение некоторого оптимального содержания асфальтенов в нефти настолько загущает ее, что вязкость снова начинает расти.
Перекачка с разбавителями
Одним из эффективных и доступных способов улучшения реологических свойств высоковязких нефтей и нефтепродуктов является применение углеводородных разбавителей: газового конденсата и маловязких нефтей.
Использование разбавителей позволяет довольно существенно снизить вязкость и температуру застывания нефти. Во-первых, понижается концентрация парафина в смеси, так как часть его растворяется легкими фракциями разбавителя. Во-вторых, если в маловязкой жидкости, используемой в качестве разбавителя, содержатся асфальтосмолистые вещества, последние, адсорбируясь на поверхности кристаллов парафина, препятствуют образованию прочной структурной решетки.
Целесообразнее всего в качестве разбавителей использовать маловязкие нефти. Если на месторождении добывают, либо на головную станцию нефтепровода поступают нефти разных свойств — высоковязкие, высокопарафинистые и маловязкие, то, разбавляя вязкие нефти маловязкими, можно добиться резкого снижения вязкости и температуры застывания смеси и таким образом облегчить их перекачку.
Термообработка
При транспортировке высоковязких высокопарафинистых нефтей и нефтепродуктов было замечено, что при нагревании нефти до одной температуры и последующем охлаждении эффективная вязкость и температура застывания резко повышались, а при нагревании до другой температуры и последующем охлаждении эти параметры резко снижались. Впервые это было замечено А.Н. Сахановым и А.А. Кащеевым. Впоследствии тепловая обработка с целью изменения реологических свойств была названа термообработкой нефтей и нефтепродуктов.
Термообработка — один из способов повышения эффективности трубопроводного транспорта вязких нефтей и нефтепродуктов. Она заключается в следующем. Нефть и нефтепродукт нагревают до некоторой температуры, а затем охлаждают с заданной скоростью. Оптимальные температура нагрева и скорость охлаждения подбираются лабораторным путем для каждого нефтепродукта. В результате этого резко снижаются эффективная вязкость и температура застывания термообработанной нефти. Если эти параметры сохраняются низкими значительное время, то нефть можно перекачивать по нефтепроводу при изотермическом режиме, как обычную маловязкую жидкость.
Перекачка с присадками
Применение депрессорных присадок (депрессаторов) — веществ, уменьшающих температуру застывания, вязкость и предельное напряжение сдвига высокозастывающих парафинистых нефтей — один из перспективных способов их транспорта.
Депрессорные присадки уже давно применяются для снижения температуры застывания масел. Однако для нефтей эти присадки оказались малоэффективны.
Типичным природным депрессатором являются асфальтосмолистые вещества, содержащиеся в нефти. Поэтому одним из способов улучшения реологических свойств высокопарафинистых нефтей является добавка к ним продуктов, богатых асфальтосмолистыми веществами — гудрона, битума и др.
«Горячая» перекачка
Наиболее распространенным способом трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей в настоящее время является их перекачка с подогревом.
Существует несколько вариантов перекачки высокозастывающих нефтей с подогревом. Для коротких (чаще нефтебазовых) трубопроводов используют методы электроподогрева.
Для магистральных трубопроводов наибольшее распространение получил способ «горячей» перекачки, предусматривающий нагрев нефти перед ее закачкой в трубопровод и периодический подогрев нефти по мере ее остывания в процессе ее движения.
По мере движения в магистральном трубопроводе нефть за счет теплообмена с окружающей средой остывает. Поэтому по трассе трубопровода через каждые 25–100 км устанавливают пункты подогрева 7. Далее нефть попадает на промежуточную насосно-тепловую станцию НТС, где также установлены подогреватели и все повторяется снова. В конце концов нефть закачивается в резервуары 9 конечного пункта, также оборудованные системой подогрева.
В настоящее время в мире эксплуатируется более 50 «горячих» магистральных трубопроводов. Крупнейшим из них является нефтепровод «Узень–Гурьев–Куйбышев».
Способ «горячей» перекачки высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов получил наибольшее распространение как в России, так и за рубежом.