CC BY
6
УДК 622.692.4.053 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-1-2-62-64
АДЕКВАТНОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕСЧЕТА ПЛОТНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЕЙ
ADEQUACY OF THE COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION FOR RECALCULATING THE DENSITY OF HEAVY OILS
Байкова М.И., Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Байкова Л.Р.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0009-0000-9198-2369, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3363-6841, E-mail: [email protected]
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9602-0051, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3021-159X, E-mail: [email protected]
Резюме: В статье рассматриваются реологические свойства тяжелых нефтей, актуальность существующего метода расчета плотностей тяжелых нефтей в соответствии с межгосударственным стандартом. Авторами проведены эксперименты над семью образцами тяжелых нефтей по изучению их плотностей и вязкостей, изменению реологических свойств при увеличении температур нагрева нефтей для повышения эффективности трубопроводного транспорта тяжелых нефтей. Вязкость тяжелых нефтей измерялась при помощи ротационного вискозиметра Брукфилда. Плотность измерялась плотномером Anton Paar, работающим с помощью осциллирующего U-образного сенсора в любом диапазоне вязкости. По экспериментальным данным проведены расчеты коэффициентов объемного расширения. Авторами выявлено отклонение стандартных коэффициентов объемного расширения от полученных в результате эксперимента.
Ключевые слова: тяжелая нефть, вязкость, реологические свойства, плотность, коэффициент объемного расширения.
Для цитирования: Байкова М.И., Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Байкова Л.Р. Адекватность коэффициента объемного расширения для пересчета плотности тяжелых нефтей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 1-2. С. 62-64.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-1-2-62-64
Baykova Mariya I., Leontyev Alexander YU., Poletaeva Olga YU., Baykova Lyalya R.
Ufa State Petroleum Technical University, 450064, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0009-0000-9198-2369, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3363-6841, E-mail: [email protected]
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9602-0051, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3021-159X, E-mail: [email protected]
Abstract: The article describes rheological properties of heavy oils, relevance of the existing method for calculating the densities of heavy oils in accordance with the Interstate standard. The authors conducted experiments on seven samples of heavy oils to study their densities and viscosities, changes in rheological properties with growing heating temperatures of oils to increase the efficiency of pipeline transport of heavy oils. The viscosity of heavy oils was measured using a Brookfield rotational viscometer. Density was measured with an Anton Paar density meter, which measures density using an oscillating U-shaped sensor over any viscosity range. Based on experimental data, the coefficients of thermal expansion were calculated. The authors revealed a deviation of the standard the coefficients of thermal expansion from those obtained as a result of the experiment.
Keywords: high - viscosity heavy oil, viscosity, rheological properties, density,coefficient of thermal expansion.
For citation: Baykova M.I., Leontyev A.YU., Poletaeva O.YU., Baykova L.R. ADEQUACY OF THE COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION FOR RECALCULATING THE DENSITY OF HEAVY OILS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 1-2, pp. 62-64.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-1-2-62-64
В соответствии с тенденциями последних лет в магистральный трубопроводный транспорт будет поступать все больше тяжелых нефтей, поэтому актуальным становится изучение их реологических свойств для выбора режимов оптимальной и эффективной транспортировки.
По нормам проектирования и в соответствии с нормативной документацией ведущих транспортных компаний при расчете трубопроводной системы необходимо знать значения вязкости и плотности при расчетных температурах [1].
В соответствии с межгосударственными стандартами, рекомендациями по метрологии [2, 3] плотность нефти для различных температур можно рассчитать по следующей формуле:
1 1 + Ьт (Т-293)'
где рт - коэффициент объемного расширения при темпера-
туре, °С-1; р293 - плотность при температуре 20 °С и избыточном давлении, равном нулю, кг/м3
В приложенных таблицах к рекомендациям и стандартам коэффициент объемного расширения скорее относится к легким и маловязким нефтям. Тогда как в мировой добыче и магистральном транспорте наблюдается увеличение доли тяжелых нефтей. Высоковязкие нефти России в среднем являются тяжелыми и сернистыми, высокосмолистыми и высокоасфальтеновыми (табл. 1) [4].
Для проверки табличных значений коэффициентов объемного расширения были рассчитаны коэффициенты объемного расширения по результатам экспериментов над семью образцами тяжелых нефтей.
Объектом наших исследований являются высоковязкие псевдопластичные тяжелые нефти с плотностью от 890 до 950 кг/м3.
Вязкость образцов тяжелых нефтей измерялась при помощи ротационного вискозиметра Брукфилда, получены вискограммы и кривые течения для образцов нефтей [5].
Плотность нефтей при различных температурах определялась при помощи плотномера Anton Paar, работающего
Таблица 1
Содержание смол и асфальтенов и свойства образцов тяжелых нефтей
Нефть образца Асфальтены, % Смолы, % Вязкость при 20°С мПас Плотность при 20°С кг/м3
1 4,6 26,1 1055 947
2 5,7 17,3 1169 907
3 7,6 20,6 5368 946
4 4,7 16,8 209 892
5 4,2 16,2 184 896
6 4,8 15,6 269 910
7 6,6 21,4 328 921
Таблица 2 Результаты расчетов экспериментальных данных
Образец № 1
I °С 20 30 40 50
р, кг/м3 946,85 938,15 935,80 926,06
РСТ-103,°С-1 0,691 0,698 0,706
Р^103,°С-1 0,927 0,590 0,748
Ар, % 34,14 15,49 5,94
Образец № 2
I °С 20 30 40 50 60
р, кг/м3 907,7667 926,9 920,45 914 907,76
РСТ-103,°С-1
0,711
0,719
0,727
0,735
Р^103,°С-1 0,701 0,703 0,707 0,705
Ар, % 1,44 2,21 2,70 3,95
Образец № 3
^ °С
20
30
40
50
60
р, кг/м3 946 939,4 933 926,5 920,26
РСТ-103,°С-1 0,684 0,682 0,68 0,677
Р^103,°С-1 0,702 0,696 0,701 0,699
Ар, % 2,71 2,15 3,17 3,26
Образец № 4
I °С 20 30 40 50
р, кг/м3 892,225 879,025 865,25 846,025
РСТ-103,°С-1 0,779 0,788 0,798
Р^103,°С-1 1,501 1,558 1,820
Ар, % 92,66 97,61 128,05
Образец № 5
I °С 20 25 30 35 40 45
р, кг/м3 895,5 891,29 886,06 884,86 876,75 870,075
РСТ-103,°С-1 0,769 0,773 0,778 0,782 0,778
Р^103,°С-1 0,958 1,065 0,801 1,069 1,168
Ар, % 24,59 37,70 2,99 36,57 48,42
Образец 6
I °С 20 25 30 35 40 45
р , кг/м3 909,85 906,5 903,1 899,7 896,3 892,9
РСТ-103,°С-1 0,744 0,749 0,753 0,757 0,762
Р^103,°С-1 0,739 0,747 0,752 0,755 0,759
АР, % 0,77 0,23 0,19 0,26 0,38
Образец 7
I °С 20 30 40 50 60
р, кг/м3 921,0333 912,05 903,4333 893,5 882,675
РСТ-103,°С-1 0,730 0,739 0,747 0,755
Р^103,°С-1 0,984 0,974 1,027 1,086
АР, % 34,74 31,76 37,41 43,75
1-2 • 2024
с помощью осциллирующего ^образного сенсора в любом диапазоне вязкости. В прибор встроены два платиновых термометра, которые обеспечивают достаточно точное тер-мостатирование образца. Образцы помещались в ^образную трубку, в которой возбуждаются колебания с характеристической высотой, изменяющейся в зависимости от температуры и плотности введенного образца. После достижения стабильных колебаний возбуждение прекращается и колебание ячейки стабильно затухает.
Образец № 1 нагревался до температуры 60°С. В процессе нагрева при температуре 49°С было замечено небольшое нарушение сплошности и образование газовой фазы. При этом со снижением температуры эта полость исчезла. Значения плотности для данного образца нефти были сняты при температурах: 20, 30, 40 и 50°С.
Далее были рассчитаны коэффициенты объемного расширения и найдены погрешности относительно принятых коэффициентов объемного расширения. Погрешности составили соответственно: 34,14, 15,49 и 5,9%.
Образец № 2 нагревался до температуры 75°С, но даже на этой температуре нарушений сплошности нефти не наблюдалось. Значения плотностей были сняты для температур: 20, 30, 40, 50, 60°С. По результатам сравнения рассчитанных коэффициентов объемного расширения с принятыми погрешности составили соответственно: 1,44, 2,21, 2,70 и 3,95%.
Образец № 3 нагревался до 75°С, нарушений сплошности не было. Значения плотностей были сняты для температур: 20, 30, 40, 50, 60°С. По результатам сравнения рассчитанных коэффициентов объемного расширения с принятыми погрешности составили соответственно: 2,71, 2,15, 3,17 и 3,26%.
Образец № 4 нагревался в первый раз до 65°С, но уже на 60°С образовались газы, сплошность была нарушена, поэтому был выполнен повторный эксперимент с установкой на 50°С. Данный образец обладает резким запахом. При последующем эксперименте при 50°С возникло незначительное нарушение сплошности. Замеры плотности были при 20, 30, 40 и 50°С. Отклонение коэффициента объемного расширения от приведенных в
63
[2, 3] значений в данном случае составило: 92,66, 97,61 и 128,05%.
Образец № 5 более текучий, чем предыдущие, при нагреве его до 60°С в большом количестве образовывались газы, поэтому эксперимент проводился до нахождения оптимальной температуры, при которой не происходило нарушения сплошности. Замеры плотности осуществились при температурах: 20-45°С с шагом в 5°С. Погрешность для коэффициентов объемного расширения: 24,59, 37,70, 2,99, 36,57 и 48,42%.
Для образца № 6 опыт также проводился несколько раз, в первый раз при установке на 75°С образовывались газы, поэтому определялась оптимальная температура нагрева, при которой не образовывались газы. Таким образом, значения плотности были определены при температурах 20-45°С с шагом в 5°С. Погрешности коэффициентов объемного расширения: 0,77, 0,2%, 0,19, 0,26 и 0,38%.
В эксперименте для образца № 7 первоначально нагрев осуществлялся до 75°С, но образовались нарушения
сплошности образца. Дальнейший нагрев был до 60°С. Замеры плотности были проведены для температур 20-60°С с шагом 10°С. Погрешность для коэффициентов объемного расширения: 34,74, 31,76, 37,41 и 43,75%.
Полученные значения плотностей при определенных температурах, стандартные значения коэффициентов объемного расширения, экспериментальные значения коэффициентов объемного расширения при соответствующих температурах и погрешности приведены в табл. 2.
Таким образом, можно судить о высокой погрешности стандартных коэффициентов объемного расширения для тяжелых нефтей, погрешность возрастает по мере возрастания температуры нагрева образцов нефтей. Также важно отметить изменение сплошности образцов при определенных температурах ее нагрева, что, безусловно, является важным фактором при трубопроводном транспорте тяжелых нефтей [6], поскольку, зная оптимальные температуры нагрева для определенных плотностей и вязкостей можно избежать процесса образования газов в магистральном трубопроводе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю. Современные методы снижения вязкости высоковязких тяжелых нефтей: Тез. докл. XII междунар. учеб.-науч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2017». Уфа: УГНТУ, 2017. С. 429-430.
ГОСТ 3900-2022 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности.
Р 50.2.076-2010 ГСИ Плотность нефти и нефтепродуктов. Методы расчета. Программы и таблицы приведения. Полищук Ю.М., Янщенко И.Г. Физико-химические свойства нефтей: статистический анализ пространственных и временных изменений. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. 109 с. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Мовсумзаде Э.М. Влияние физико-химического воздействия на вязкость тяжелых высоковязких нефтей // Нефтепереработка и нефтехимия. 2017. № 6. С. 10-12. Гаррис Н.А., Полетаева О.Ю., Латыпов Р.Ю. Проблемы транспортирования тяжелых нефтей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2013. № 3. С.3-5.
REFERENCES
1. Leont'yev A.YU., Poletayeva O.YU. Sovremennyye metody snizheniya vyazkosti vysokovyazkikh tyazhelykh neftey [Modern methods for reducing the viscosity of high-viscosity heavy oils]. TrudyXIIMezhd. ucheb.-nauch.-prakt. konf. Truboprovodnyy transport 2017 [Proc. of XII Int. educational-scientific-practical conf. Pipeline transport 2017]. Ufa, 2017, pp. 429-430.
2. GOST3900-2022 Neft i nefteprodukty. Metody opredeleniya plotnosti [State Standard 3900-2022. Petroleum and petroleum products. Methods for determination of density].
3. R 50.2.076-2010 GSI Plotnosf nefti i nefteproduktov. Metodyrascheta. Programmy i tablitsy privedeniya [State Standard R 50.2.076-2010. Density of petroleum and petroleum products. Methods of calculation. Programmes and tables of calculation].
4. Polishchuk YU.M., Yanshchenko I.G. Fiziko-khimicheskiye svoystva neftey: statisticheskiy analiz prostranstvennykh i vremennykh izmeneniy [Physico-chemical properties of oils: statistical analysis of spatial and temporal changes]. Novosibirsk, SO RAN, filial «Geo» Publ., 2004. 109 p.
5. Leont'yev A.YU., Poletayeva O.YU., Movsumzade E.M. Influence of physical and chemical effect on the viscosity of heavy, high-viscosity oils. Neftepererabotka i neftekhimiya, 2017, no. 6, pp. 10-12 (In Russian).
6. Garris N.A., Poletayeva O.YU., Latypov R.YU. Problems of transporting heavy oils. Transport i khraneniye nefteproduktov iuglevodorodnogo syr'ya, 2013, no. 3, pp. 3-5 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Байкова Мария Игоревна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Леонтьев Александр Юрьевич, инженер, кафедра гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Полетаева Ольга Юрьевна, д.т.н., проф. кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Байкова Ляля Ридовна, к.т.н., доцент кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Mariya I. Baykova, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Alexander YU. Leontyev, Engineer of the Department of Fluid Dynamics of Pipeline Network and Fluid Machinery, Ufa State Petroleum Technological University.
Olga YU. Poletaeva, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Fluid Dynamics of Pipeline Network and Fluid Machinery, Ufa State Petroleum Technological University.
Lyalya R. Baykova, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Departmentof Fluid Dynamics of Pipeline Network and Fluid Machinery, Ufa State Petroleum Technological University.
