CC BY
191
УДК 622.692.26
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10301
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТ АСФАЛЬТО-СМОЛИСТЫХ И ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ НЕФТИ
Т. И. БЕЗЫМЯННИКОВ, генеральный директор АО «Транснефть - Урал» E-mail: tnural@ufa.transneft.ru
М.В. ПАВЛОВ, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа
А.Р. ВАЛЕЕВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа
Б.Н. МАСТОБАЕВ, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа
ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия,
450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул. Космонавтов, д. 1).
E-mail: mihail_pavlov@list.ru , E-mail: mastoba@mail.ru , E-mail: anv-v@yandex.ru
Работа посвящена вопросам применения ультразвука для очистки объектов транспорта и хранения нефти от асфальтосмолистых парафиновых отложений (АСПО). Предложена математическая модель разжижения асфальтосмолистых парафиновых отложений на основе теплового и ультразвукового воздействия. Проведены экспериментальные и аналитические исследования по определению скорости разжижения АСПО в зависимости от параметров ультразвукового воздействия.Проведено сравнение ультразвукового воздействия по сравнению с тепловым воздействием той же мощности, доказано, что ультразвук ускоряет процесс очистки в полтора раза. Выполнен расчет количества ультразвуковых излучателей для очистки от асфальтосмолистых парафиновых отложений различных емкостей на объектах транспорта и хранения нефти.
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковая установка, нефть, асфальтосмолистые парафиновые отложения, резервуар.
Введение
При транспорте и хранении нефти одной из проблем, вызывающих осложнения в работе технологического оборудования, емкостей и трубопроводов, являются асфальтосмолистые парафиновые отложения (АСПО). Накопление АСПО в проточной части и емкостях приводит к увеличению гидравлического сопротивления и падению производительности системы. На сегодняшний день существуют и применяются методы борьбы с АСПО нефти, основанные на термических и химических процессах, но их использование связано с высокими затратами и снижением уровня безопасности производимых работ для персонала, эксплуатирующего зачищаемые объекты. Существующие методы чисто механического воздействия не дают высоких результатов, за исключением пропуска скребков на линейной части, где высокие скорости потока позволяют обеспечить необходимые усилия воздействия на плотные слои АСПО, а частота пропусков препятствует образованию отложений большой толщины.
Одним из перспективных способов очистки объектов транспорта и хранения нефти и газа является применение ультразвука.
Вопросами развития ультразвуковых технологий для применения в нефтяной и газовой промышленности занимались А.В. Абрамова, В.О. Абрамов, М.С. Муллакаев [1, 2], Б.Н. Мастобаев [3] и др. Однако в них отсутствуют требования и рекомендации к методам использования ультразвукового
оборудования для удаления АСПО. За рубежом данными вопросами занимались Х. Хофштаттер [3], И. Береснев [4], Ф. Ван дер Бас [5] и др. Следует отметить что преимущественно авторы подходят к вопросам применения ультразвука для стимуляции призабойной зоны скважины, вопросам же его использования с целью зачистки резервуаров и трубопроводов должного внимания не уделялось.
Несмотря на большое количество работ по парафини-зации магистральных нефтепроводов и методов борьбы с АСПО метод ультразвуковой обработки изучен недостаточно полно.
Моделирование ультразвукового воздействия на АСПО
Для оценки применения ультразвука для очистки от АСПО на объектах транспорта и хранения нефти необходимо произвести соответствующее моделирование.
Механизм воздействия ультразвука до сих пор является еще недостаточно изученным, поэтому на данный момент нельзя сказать, как именно происходит плавление АСПО за счет ультразвукового воздействия. Далее будет представлена одна из гипотез соответствующего воздействия.
Экспериментально выявлено, что на АСПО влияют одновременно два эффекта: тепловой и эффект от ультразвукового воздействия.
Отдельно взятое моделирование распространения тепла является хорошо изученным, и для него используются
готовые уравнения. Отметим, что далее будем рассматривать сферическую модель распространения и тепла, и ультразвуковых волн. Распространение тепла в сферических координатах:
д' '
X
Pcv
1 А! г 2 д!
г2 дг I дг
— - f
дt
X р^
1- _ё_[ г 2 д! -2 дг I дг
г
Произведем представление данной зависимости с помощью регрессионного анализа. Выполним разложение в полином:
где Т - температура АСПО в исследуемой емкости; г - координата в сферических координатах; р - плотность АСПО; X - коэффициент теплопроводности.
Предполагая, что увеличение температуры происходит за счет мощности теплового излучения в ультразвуковом излучателе, правомерно добавить граничное условие
д! - О
дг г-г0 XF '
где О - мощность теплового источника; F- площадь поверхности теплового источника; г0 - условный габаритный размер теплового источника.
Однако механизм воздействия ультразвука на температурные характеристики АСПО еще не ясен. Выдвигается предположение, что данное воздействие находится в зависимости от интенсивности ультразвуковых волн.
Гармоническая симметричная сферическая волна в среде без поглощения задается уравнением
и(г, ') - А-е4»'±кг, г
где А - амплитуда ультразвуковых колебаний.
Затухание ультразвуковых колебаний приводит к появлению в уравнении дополнительного постоянного множителя, приведенного к единичной длине пути. В результате для плоской волны, распространяющейся вдоль оси х, можно записать:
I - е—е-и('-
где а - коэффициент затухания ультразвуковых волн в АСПО.
Таким образом, интенсивность ультразвуковых волн с учетом затухания можно оценить как
_д! д' :
;сг
_х_
РС
1 г 2 д!
-2 дг { дг
+ С2 - х1 е-аг +
+ Сз- х1• е~аг --Х-г РСу
1, г 2 д!
-2 дг I дг
Применяем следующие условия:
1) при отсутствии ультразвука (то есть при х = 0) уравнение должно преобразовываться в уравнение теплопроводности, таким образом, С1 = 1;
2) рассмотрим частный случай: имеется ультразвуковое воздействие, но отсутствует тепловое воздействие. Известно, что сами волны не являются источниками теплового воздействия, таким образом, изменение температуры не должно происходить:
д!
д'
' С2- х1 е
0.
0-0
Следовательно, С2 = 0.
После преобразований, а также замены С^Х = х0 получаем
д! [л 1 -а
— -1 1 + Х0 - - еа д' I Л0 г
(
2 д!
г дг
'дг 2
I--
где А1 - коэффициент, отражающий свойства среды и параметры ультразвуковых волн.
Итак, исходя из предположения, что воздействие от ультразвука зависит от интенсивности колебаний в заданной точке и данная зависимость прямопропорциональна, можно записать следующее уравнение:
дГ 1 -аг
-е ,
д' г
где х - коэффициент, отражающий свойства среды и параметры ультразвуковых волн на тепловое воздействие.
Отмечаем, что в общем виде коэффициент х может быть разным для разных АСПО, а также для разных амплитудно-частотных характеристик излучателя.
Таким образом, изменение температуры в емкости с АСПО в общем виде описывается функциональной зависимостью
Итак, получено уравнение для моделирования ультразвукового воздействия на АСПО.
Оценка ультразвукового воздействия на АСПО
В случае оценки применения ультразвука для очистки от АСПО необходимо понять, во сколько раз ультразвук ускоряет процесс очистки. Для этого был произведен лабораторный эксперимент. Образцы для проведения данного эксперимента были предоставлены с действующего трубопровода МН ТУ-3 197 км ЛПДС «Черкассы».
Схема лабораторной установки представлена на рис. 1. Исследовалось время достижения температуры плавления парафина при различных входных мощностях и постоянной амплитуде. Сонотрод ультразвукового гомогенизатора ЫР20001^Т был помещен в центр затвердевшего образования парафина, как показано на рис. 1.
Параметры эксперимента следующие:
- объем парафиновых АСПО V = 1,5 л;
- начальная температура !1 = 20 °С;
- конечная температура 12 = 45 °С;
- плотность АСПО р = 920 кг/м3;
- теплоемкость АСПО с = 2000 Вт/К-м3;
- ультразвуковая установка и1Р20001^Т, мощность потребления 2 кВт, коэффициент полезного действия ультразвукового излучателя п = 0,85;
- удельная теплота плавления АСПО Хп = 160 кДж/кг.
Экспериментально полученное время достижения заданной температуры 45 °С в зависимости от мощности генератора представлено в табл. 1 и на рис. 2 (линия 2).
Рис. 1. Ультразвуковой гомогенизатор UIP2000hdT с усилителем и сонотродом
1 - преобразователь; 2 - стенд ST2; 3 - усилитель (опционально); 4 - сонотрод; 5 - расширение проточной ячейки; 6 - проточная ячейка; 7 - вилка с кабелем к генератору; 8 - генератор
Таблица 1
Эффективность применения ультразвука (во сколько раз уменьшается время достижения заданной температуры) по данным экспериментальных исследований
Мощность излучателя, Вт Время достижения заданной температуры только при тепловом воздействии, мин. Время достижения заданной температуры при тепловом и ультразвуковом воздействии, мин. Эффективность применения ультразвука (во сколько раз уменьшается время достижения заданной температуры)
200 28,4 18,5 1,54
400 14,2 8,1 1,75
600 9,5 4,6 2,06
800 7,1 3,8 1,87
1000 5,7 3,5 1,62
1200 4,7 3,5 1,37
1400 4,1 3,2 1,27
1600 3,6 2,8 1,27
1800 3,2 2,4 1,32
2000 2,8 2,2 1,29
Среднее значение эффективности
1,54
Произведем оценку времени очистки при отсутствии ультразвуковых колебаний.
Пренебрегая эффектом конвекции и диффузии, получаем время на повышение температуры со значения Т1 до
Т
t
рУ [ - Т1) + ХП] Л© '
Расчет количества ультразвуковых излучателей для различных емкостей при очистке от АСПО
Проведем анализ влияния геометрических параметров емкости, где расположены АСПО, на эффект от применения ультразвука.
Определим усредненное значение выражения х07• е~аг для диапазона значений от г0 до г7. г
Результаты расчета сведены в табл. 1. Таким образом, установлено, применение ультразвукового воздействия позволило ускорить процесс очистки на 54%.
'ср
ГТ
Г1 " Г0 -"о Г
• г • dг =
Хо •
1
Г1 " Го
а
Поскольку размеры излучатели во много раз меньше емкости, то есть г1 >> г0, то получаем формулу оценки эффективности ультразвукового воздействия:
Рис. 2. Сравнение применения ультразвука и только теплового воздействия по данным экспериментальных исследований: 1 - при воздействии только теплового источника (расчетные значения); 2 - при воздействии только ультразвукового излучения (экспериментальные значения)
fcp = Хо'
1 e о - e i
30
25
ri - го Хо'e~
О £ 20
аг1
Используя исходные данные, что габаритный размер излучателя составляет 0,02 м, коэффициент поглощения акустических колебаний в АСПО равен 79,3 м-1, условная емкость для АСПО в опыте равна 0,115 м, эффективность применения ультразвукового воздействия равна 0,54, получаем, что коэффициент х0 равен:
® I-
о о а:
ф о. m
15
10
•
1
г у
\ < >
2 ^^ -i i • i i-i-
—ч ---1 '-1_1 t=l-1
f
ср
: Хо'
1
0 20 40 60 80 100
Входная мощность генератора, % от максимума (2000 Вт)
Таблица 2
Оценка использования ультразвукового воздействия для очистки от АСПО в разных емкостях (для одного излучателя)
1 - r0
.Хо 'e
ñ'U
Произведем оценку использования ультразвукового воздействия одного излучателя для очистки от АСПО в разных емкостях. Расчет производится для таких же АСПО, что и в экспериментальном исследовании, а также для ультразвуковой установки ШР20001^Т мощностью 2 кВт (с коэффициентом полезного действия 85%). Результаты расчета приведены в табл. 2.
Также произведем оценку использования ультразвуковой установки Те^опю ES-20-75 (полезная мощность 1 кВт, длина излучателя 1 м, диаметр излучателя 7,5 см). Произведем пересчет на основе предположения о прямой зависимости эффективности ультразвуковой установки от площади излучателя и мощности. В этом случае для указанной установки значения параметра г0 уменьшится в 45,53 раза
Таким образом, видно, что применение одиночного ультразвукового воздействия крайне эффективно для очистки от АСПО в емкостях малого объема. Применение ультразвуковой установки ЫР20001^ эффективно для очистки объемом получено до 100-200 л. Ультразвуковую установку Те^опю ES-20-75 имеет смысл применять для объемов до 2-3 м3.
При очистке более крупных емкостей, таких как вагон-цистерна для перевозки нефти и нефтепродуктов, резервуаров для хранения нефти, рекомендуется использовать набор ультразвуковых излучателей, расположенных друг от друга на расстоянии 0,5-1 м (исходя из условия
Емкость сосуда Повышение эффективности очистки за счет использования ультразвуковых колебаний,% Примечание
с АСПО V, м3 ультразвуковая установка UIP2000hd ультразвуковая установка Telsonic ES-20-75
0,001521 54 254,7 Условие эксперимента
0,01 28,8 136,0 -
0,1 13,4 63,1 -
0,2 10,6 50,1 Стандартная бочка для нефти
0,621 10,0 47,1 -
1 6,21 29,3 -
3,420 2,12 10,0 -
85 1,41 6,66 Вагон-цистерна для перевозки нефти
1000 0,621 2,929 РВС-1000
5000 0,363 1,713 РВС-5000
10 000 0,288 1,360 РВС-10000
20 000 0,229 1,079 РВС-20000
дополнительной эффективности применения ультразвука
не менее 10%).
Проведем анализ по определению количества точек установки ультразвуковых излучателей для очистки днищ различных резервуаров. При большом количестве точек установки ультразвуковые излучатели можно перемещать.
Анализ табл. 2 показывает, что радиус эффективной работы ультразвуковой установки ШР20001^ составляет 0,62 м, а для ультразвуковой установки Те^опю ES-20-75 -3,42 м. Исходя из этого можно произвести расчет количества точек установки ультразвуковых излучателей при очистке днищ различных резервуаров от АСПО. Результаты расчета приведены в табл. 3.
a
ar0
5
0
a
ar
Таблица 3
Оценка использования ультразвукового воздействия для очистки от АСПО в разных емкостях (для одного излучателя)
Тип емкости Объем емкости, м3 Площадь очищаемой поверхности, м2 Необходимое колич ультразвуков ультразвуковая установка UIP2000hd ество точек установки ых излучателей ультразвуковая установка Telsonic ES-20-75
Вагон-цистерна типа 15- 62,8 33,3 50 5
144
РВС-1000 1000 85,4 128 6
РВС-5000 5000 408,1 613 20
РВС-10000 10000 918,2 1379 45
РВС-20000 20000 1249,7 1877 62
Бочка для нефти 0,2 0,371
1
1
Выводы
В проведенном исследовании была предложена математическая модель разжижения АСПО на основе теплового и ультразвукового воздействия. Проведены лабораторные исследования по определению скорости разжижения АСПО в зависимости от мощности ультразвукового излучения. Доказано, что ультразвуковое воздействие ускоряет процесс очистки по сравнению с тепловой обработкой той
же мощности на 54% (для условий эксперимента). Также рассчитано количество ультразвуковых излучателей для очистки от АСПО различных емкостей на объектах транспорта и хранения нефти. Установлено, что применение одиночного ультразвукового воздействия крайне эффективно для очистки от АСПО в емкостях малого объема. Очистка больших емкостей должна производиться группой излучателей, перемещаемой по площадке отложений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Abramov V.O., Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for its implemention / Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. // Ultrasonics Sonochemistry. 2013. Т. 20. № 5. С. 1289-1295.
2. Abramov O.V., Extraction of bitumen, crude oil and its products from tar sand and contaminated sandy soil under effect of ultrasound / Abramov O.V., Abramov V.O., Myasnikov S.K., Mullakaev M.S. // Ultrasonics Sonochemistry. 2009. Т. 16. № 3. С. 408-416.
3. Хофштаттер Г., Павлов М.В., Мастобаев Б.Н. Применение ультразвука для разрушения асфальтосмолопара-финовых отложений в трубопроводе при транспортировке нефти // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. № 3. С. 6-9.
4. Х eresnev I.A., JohnsonP.A. "Elastic-wave stimulation of oil production: A review of methods and results // Geophysics, vol. 59, no. 6, pp. 1000-1017, 1994.
5. F. Van der Bas et. al. Radial Near Wellbore Stimulation by Acoustic Waves // SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control. Lafayette, 2004.
MODELING OF APPLICATION OF ULTRASOUND FOR CLEANING FROM ASPHALT-SMOLISTIC AND PARAFFIN DEPOSITS ON THE OBJECTS OF TRANSPORT AND STORAGE OF OIL
BEZYMYANNIKOV T.I., General Director of Transneft-Ural JSC (10 Krupskoy Str., Ufa, Republic of Bashkortostan, Russian Federation, 450077) E-mail: tnural@ufa.transneft.ru
PAVLOV M.V., Graduate Student of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
VALEEV A.R., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
MASTOBAEV B.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan,
Russia).
E-mail: mihail_pavlov@list.ru, E-mail: mastoba@mail.ru , E-mail: anv-v@yandex.ru ABSTRACT
The work is devoted to the application of ultrasound for cleaning objects of transport and storage of oil from asphalt-resinous paraffin deposits. A mathematical model of cleaning of asphalt-resinous paraffin deposits on the basis of thermal and ultrasonic effects is proposed. Experimental and analytical studies were done to determine the rate of dissolution of asphalt-resinous paraffin deposits as a function of the parameters of ultrasound exposure. The ultrasonic effect compared to the thermal action of the same power is compared; cleaning is accelerated by a factor of 1.5. The calculation of the number of ultrasonic emitters for cleaning from asphalt-resinous paraffin deposits of various oil reservoirs has been done. Keywords: ultrasound, ultrasound unit, oil, asphalt-resinous paraffin deposits, reservoir. REFERENCES
1. Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for its implementation. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, vol. 20, no. 5, pp. 1289-1295.
2. Xbramov O.V, Abramov V.O., Myasnikov S.K., Mullakaev M.S. Extraction of bitumen, crude oil and its products from tar sand and contaminated sandy soil under effect of ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, 2009, vol. 16, no. 3, pp. 408-416.
3. Xhofshtatter G., Pavlov M.V., Mastobayev B.N. Application of ultrasound for the destruction of asphalt-resinous paraffin deposits in the pipeline during oil transportation. Transport ikhraneniye nefteproduktoviuglevodorodnogosyr'ya, 2014, no. 3, pp. 6-9 (In Russian).
4. X eresnev I. A., Johnson P. A. Elastic-wave stimulation of oil production: A review of methods and results. Geophysics, 1994, vol. 59, no. 6, pp. 1000-1017.
5. F. Van der Bas. Radial near wellbore stimulation by acoustic waves. Proc. of SPE International symposium and exhibition on formation damage control. Lafayette, 2004.
