Применение маловязких углеводородных разбавителей

Эффективным способом трубопроводного транспорта высоковязких и застывающих нефтей является перекачка их смесей с другой маловязкой нефтью или конденсатом, выступающими в роли маловязких углеводородных разбавителей.

Разбавители уменьшают вязкость и плотность перекачиваемой нефти, но повышают давление насыщенных паров:

. (1)

Следовательно, при перекачке разбавленной нефти подпорные давления на головной перекачивающей станции и промежуточных станциях должны быть больше, чем при перекачке исходной нефти. Различие вязкостей и плотностей приводит к заметному различию совмещенных характеристик (рис. 1).

Рисунок 1 - Совмещенные (О - Н)-характеристики участка трубопровода и перекачивающей станции: 1 — для исходной нефти; 2 — для разбавленной нефти.

Видно, что гидравлические характеристики трубопровода пересекаются в некоторой точке, которой соответствует расход смеси Q*. Для расходов меньших этого значения на­поры 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.

Можно положить, что при разбавлении кинематическая вязкость смеси изменяется по экспоненциальной зависимости, определяемой формулой Кусакова:

, (2)

где - кинематическая вязкость нефти до разбавления, С – объемная концентрация разбавителя.

Концентрация разбавителя С с учетом гомогенности смеси, определяется как отношение расхода разбавителя к расходу смеси :

, (3)

Эмпирический коэффициент f определяется экспериментально или расчетным путем.

При отсутствии экспериментальных данных о вязкости смеси для ориентировочного расчета вязкости смеси можно использовать формулу:

, (4)

где: - кинематическая вязкость компонент смеси при одинаковой температуре, м²/с; - массовые концентрации компонент в смеси.

Имперический коэффициент f формуле (2) по известным значениям С и :

. (5)

Оценим эффективность применения разбавителя.

Положим, что до смешения с разбавителем расход нефти в трубопроводе составляет , после смешения с разбавителем по трубопроводу будет транспортироваться смесь с расходом равным сумме расходов разбавителя и нового расхода высоковязкой нефти :

. (6)

При разбавлении высоковязкой нефти маловязким разбавителем вязкость полученной смеси, естественно, снижается, за счет чего уменьшаются потери напора на трение. С другой стороны, при добавлении новых порций разбавителя общее количество перекачиваемой по трубопроводу жидкости увеличивается, что приводит к росту потерь напора на трение. Поэтому, после достижения некоторой концентрации разбавителя в смеси возможное для перекачки количество высоковязкой нефти уменьшается.

Смешением нефти с разбавителем необходимо добиться либо увеличения производительности по вязкой нефти (для напора обеспечиваемого тем же насосным оборудованием):

, при . (7)

либо уменьшения требуемого напора (потерь на трение) при том же объеме перекачки высоковязкой нефти:

, при . (8)

Для определения потерь напора на трение воспользуемся формулой Лейбензона, считая что режим течения после разбавления не меняется, тогда справедливы следующие равенства:

(9)

а решая совместно (3) и (6) получим:

(10)

Условие (7) с учетом (3), (9), (10) при равенстве потерь напора в трубопроводе до и после разбавления примет вид:

, при . (11)

Следовательно для увеличения производительности по высоковязкой нефти необходимо выполнение условия:

, или , при . (12)

Условие (8) с учетом (3), (9), (10) при равенстве производительности перекачки по высоковязкой нефти до и после разбавления примет вид:

, при . (13)

А потери напора на трение после разбавления составят:

, при . (14)

Из выражения (13) так же следует условие (12), анализ которого показывает, что наибольший эффект от разбавления нефти достигается при ламинарном режиме прекачки (m=1), а в зоне квадратичного трения полностью отсутствует (т.к. m=0).

Перекачка высоковязких нефтей в смеси с разбавителями распространена достаточно широко. Так, в нашей стране на самарской базе смешения часть высокопарафинистой мангышлакской нефти смешивается с маловязкими нефтями Поволжья и закачивается в нефтепровод “Дружба”.

Разбавление высоковязких нефтей и нефтепродуктов бензинами и керосинами для облегчения перекачки практически не осуществляется, т.к. их доставка на месторождения требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. Для мазутов и гудронов такие разбавители также нецелесообразны поскольку на конечных пунктах нужны установки по разгонке смеси.

Целесообразнее всего в качестве разбавителей использовать маловязкие нефти. Если на месторождении добываются 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.

Рисунок 2 - Изменение эффективной вязкости смеси нефти с нефтепродуктами

(3 % мас., γ=9 с–1, 20 оС)

Рассмотрим влияние различных факторов на эффективность применения разбавителя.

В работе ТРЯСЦИНА РОМАНА АЛЕКСАНДРОВИЧА рассмотрены вопросы повышения эффективности трубопроводного транспорта высоковязких нефтей в смеси с газоконденсатом при пониженных температурах.

В качестве объекта исследования была выбрана смесь высокосмолистой нефти Русского месторождения со стабильным, а также деэтанизированным газоконденсатом Уренгойского месторождения. По величине Русское нефтяное месторождение является крупнейшим месторождением высоковязкой нефти России (геологические запасы - 1,5 млрд. т, извлекаемые - 410 млн. т.).

Рисунок 3- Зависимость вязкости смеси нефти Русского месторождения и конденсата Уренгойского месторождения от концентрации разбавителя и температуры

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что основными факторами, влияющими на вязкость нефтеконденсатной смеси, являются температура и объемная концентрация конденсата. Из рис. 3 видно, что с повышением концентрации конденсата в смеси более 30 % об. скорость уменьшения вязкости замедляется. Депрессорный эффект от добавки к высоковязкой нефти конденсата увеличивается с понижением температуры смеси.

Осуществление перекачки исследованной высоковязкой нефти в чистом виде, а также при концентрации разбавителя менее 20 % при помощи стандартного оборудования невозможно, т.к. в соответствии с нормативной документацией насосы марки НМ предназначены для перекачки жидкостей с вязкостью не более 3∙10^-4 м²/с.

При перекачке высоковязких нефтей в смеси с газоконденсатом температура транспортируемого продукта зависит от температуры грунта. Эмпирические трехфакторные экспоненциальные зависимости вязкости смеси, учитывающие влияние фактора температуры. Для смеси нефти со стабильным конденсатом:

, (1)

где μ_СМ – динамическая вязкость нефтеконденсатной смеси, мПа∙с;
С – концентрация конденсата в смеси, % об.; t – температура смеси, ^оС.

Для смеси нефти с деэтанизированным конденсатом:

. (2)

Выражения (1), (2) позволяют определить вязкость смеси в зависимости от концентрации разбавителя в рабочем диапазоне температур перекачки смеси, а именно в интервале (+5÷-10) ⁰С.

Существует такая концентрация конденсата в смеси, которая соответствует максимуму производительности трубопровода по высоковязкой нефти.

Эта задача была решена для случая, когда прочностные характеристики трубопровода используются полностью. Поэтому напор, развиваемый насосами при транспорте чистой высоковязкой нефти равен напору при перекачке нефтеконденсатной смеси. При этом были сделаны допущения, что гидравлический режим движения при разбавлении не меняется, а плотность смеси является аддитивной величиной.

В результате получено соотношение производительностей трубопровода по вязкой нефти с разбавителем Q*_Н и без такового Q_Н:

. (3)

где μ_Н – динамическая вязкость нефти, мПа∙с; т – коэффициент Лейбензона, зависящий от гидравлического режима перекачки;
ρ_Н, ρ_Р – плотность соответственно нефти и разбавителя, кг/м³.

Используя уравнение (3), эмпирические зависимости динамической вязкости нефтеконденсатной смеси от концентрации разбавителя и температуры, общеизвестные зависимости плотности нефти от температуры, а также зависимость вязкости чистой нефти от температуры при помощи программного пакета MatCAD была решена задача по определению концентрации разбавителя, соответствующей максимуму производительности по высоковязкой нефти для исследованных нефтеконденсатных смесей. Графическая интерпретация выполненных расчетов представлена на рис. 3.

Рисунок 4 - Зависимость соотношения Q*_Н/Q_Н от температуры и концентрации разбавителя для смеси нефти Русского месторождения и стабильного конденсата Уренгойского месторождения

Из рис. 4 видно, что, например, при температуре -10⁰С возможно увеличение расхода вязкой нефти на 30 %, за счет введения 48 % об. конденсата. В то же время при температуре +5⁰С максимальное увеличение производительности по нефти составляет около 10 % и соответствует концентрации разбавителя 35 % об. Это означает, что при увеличении температуры эффективность применения разбавителя снижается.

Одним из показателей, характеризующих эффективность трубопроводного транспорта, является потребный напор. В общем случае введение разбавителя двояко влияет на потери напора, и, следовательно, на напор необходимый для перекачки. С одной стороны, потери напора снижаются за счет уменьшения вязкости смеси, с другой – возрастают при нарастании общих объемов перекачиваемого продукта. Таким образом, существует такая концентрация разбавителя, при которой необходимый для перекачки напор будет минимальным.

В работе было получено уравнение для нахождения минимума потерь напора на трение при перекачке заданного количества вязкой нефти по трубопроводу определенного диаметра и длины:

, (4)

где D – диаметр трубопровода, м; L – длина трубопровода, м;
β_СМ - коэффициент, зависящий от гидравлического режима перекачки.

Зависимость потерь напора на трение от температуры и концентрации разбавителя для трубопровода диаметром 800 мм, длиной 50 км и производительностью по нефти 1 м³/с представлена на рис. 3.

Рисунок 5 - Зависимость потерь напорана трение по длине от температуры и концентрации разбавителя для смеси нефти Русского месторождения и стабильного конденсата Уренгойского месторождения

Далее представлены полученные зависимости (6), (7), (8), (9), (10) позволяющие оценить влияние концентрации и вязкости маловязкого компонента на коэффициент гидравлического сопротивления и производительность трубопровода, учитывающие влияние температуры, а также, гидравлический режим течения.

Так, если чистая нефть и смесь движутся по трубопроводу ламинарно, то определить величину снижения коэффициента гидравлического сопротивления можно по формуле:

. (6)

При турбулентном течении чистой нефти и смеси в области гидравлически гладких труб:

. (7)

При эксплуатации трубопровода режим движения при разбавлении может меняться, например, с ламинарного для чистой нефти на турбулентный для смеси. Для данного случая было получено соотношение:

. (8)

При введении конденсата в высоковязкую нефть производительность трубопровода будет увеличиваться по причинам уменьшения вязкости и увеличения количества транспортируемой жидкости. Если зона режима течения при разбавлении не меняется, то определять прирост производительности трубопровода, предлагается по формуле:

. (9)

При изменении режима течения с ламинарного (для чистой нефти) на турбулентный в области гидравлически гладких труб (для смеси) прирост производительности может быть рассчитан по зависимости:

. (10)

В результате расчетов был сделан вывод, что при любом из режимов течения (6), (7), (8), (9), (10) соотношение Q_CM /Q_Н тем больше (а соотношение λ_CM /λ_Н соответственно меньше) чем выше концентрация маловязкого компонента в смеси, и чем ниже температура перекачки. Это объясняется увеличением разницы между значениями вязкости разбавителя и нефти при понижении температуры. Это означает, что применение разбавителя более эффективно при низких температурах.