Анализ изменения вязкостно-температурной зависимости бинарной нефтяной смеси Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.4.053 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10201

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ВЯЗКОСТНО-ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ БИНАРНОЙ НЕФТЯНОЙ СМЕСИ*

Р.Р. ТАШБУЛАТОВ, старший преподаватель кафедры транспорта и хранения нефти и газа

Р.М. КАРИМОВ, 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

А.Р. ВАЛЕЕВ, к.т.н., доцент кафедры 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: [email protected], E-mail: [email protected], E-mail:[email protected],E-mail:[email protected]

В работе выполнено исследование изменения коэффициента крутизны вискограммы при бинарном смешении подготовленных к транспортировке нефтей на основе проведенных лабораторных измерений коэффициента динамической вязкости при различных температурах. Коэффициент крутизны вискограммы используется в уравнении Рейнольдса-Филонова, которое широко применяется в задачах проектирования и эксплуатации магистрального нефтепроводного транспорта при неизотермической перекачке. Было выявлено проявление линейной аддитивности коэффициента крутизны вискограммы, на основе которого была построена вязкостно-температурная зависимость исследуемой бинарной смеси.

Ключевые слова: коэффициент крутизны вискограммы, динамическая вязкость, уравнение Рейнольдса-Филонова, вязкостно-температурная зависимость, бинарная смесь, смешение нефтей.

Введение

В различные точки сети магистральных трубопроводов поступают нефти с отличными друг от друга свойствами из разных месторождений. На сегодняшний день управление их смесеобразованием в системе магистральных нефтепроводов обычно ведется лишь с целью обеспечения минимально допустимого качества сдаваемой нефти потребителям за счет наличия в сети нефтей с запасом качества. Данный процесс называется компаундированием, где управляемыми показателями качества нефтей является их плотность и содержание серы.

Но на сегодняшний день все большую актуальность приобретают исследования, направленные на повышение энергоэффективности перекачки за счет оптимальной загрузки участков разветвленной системы магистрального нефтепроводного транспорта [1, 2]. В данных исследованиях предлагается при управлении смесеобразованием в трубопроводной системе не только учитывать параметры качества, но и другие параметры, которые влияют на энергозатраты при перекачке по магистральным трубопроводам. Такими параметрами, прежде всего, являются реологические особенности нефтей (вязкость, начальное напряжение сдвига, коэффициент крутизны вискограммы), температура застывания, интенсивность образования асфаль-тосмолопарафинистых отложений и т.д.

Основным параметром, влияющим на энергоэффективность транспорта нефти, безусловно, является вязкость. Изучению характера изменения вязкости бинарных смесей товарных нефтей в трубопроводном транспорте посвящены множество работ, в которых освещаются вопросы транспортирования реологически сложных нефтей в смеси с разбавителем [3-9].

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в

Однако при эксплуатации неизотермических нефтепроводов, весьма важным расчетным параметром для определения вязкости является коэффициент крутизны виско-граммы [10, 11], показывающий влияние изменения вязкости нефти от температуры.

Коэффициент крутизны вискограммы является составной частью уравнения Рейнольдса-Филонова:

ц = ц*ехр(-и(Т - Т*)),

где ц - вязкость жидкости; Т- температура жидкости; и -коэффициент крутизны вискограммы; ц* и Т* - известная пара значений температуры и вязкости.

Коэффициент крутизны вискограммы может определяться минимум исходя их двух измерений вязкости при различных температурах:

1

T2 - Ti

-• In

а

Н-2 '

где ц1 и ц2 вязкости нефти при температурах Т1 и Т2 соответственно.

Одной из проблем транспорта смесей нефтей по магистральным трубопроводам является прогнозирование их реологических свойств с целью расчета получаемых технологических режимов перекачки нефтепроводной системы. Вязкость смеси, в отличие от других параметров, таких как плотность, содержание серы, и других, не подается линейной аддитивности, иначе говоря, при смешении двух равных объемов различных нефтей нельзя предсказать какая будет вязкость. Для определения уравнения изменения вязкости смесей используются лабораторные испытания. Однако при дополнительном учете температуры перекачки за счет различных комбинаций смешения нефтей рамках научного проекта № 18-38-00081 мол_а

u

количество опытов может оказаться достаточно большим. Таким образом, все еще остаются актуальными исследования, направленные на уменьшение трудоемкости определения реологических свойств смесей нефтей при изменении температуры для более рационального и эффективного планирования грузопотоков и режимов перекачки нефтепроводной смеси.

Поскольку авторами ведутся работы в области выбора оптимальной загрузки нефтепроводной системы за счет смешения нефтей с различными свойствами, встал актуальный вопрос: по какому математическому закону изменяется коэффициент крутизны вискограммы для смесей нефтей?

Выявление зависимости изменения коэффициента крутизны вискограммы от соотношения смешиваемых нефтей позволит прогнозировать изменение режимов перекачки неизотермических нефтепроводов при перераспределении нефтяных потоков смесей по системе магистральных нефтепроводов.

Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования по изучению изменения коэффициента крутизны вискограммы проводились в соответствии с составленным планом экспериментальных исследований [12, 13].

Для случая исследования нелинейных процессов рекомендуется использовать план эксперимента на основе планов 3(к - р), с использованием матрицы планирования эксперимента. Три уровня факторов необходимы для учета линейных и квадратичных эффектов [12, 13].

Таблица 1

Кодировка уровней факторов

№ опыта Соотношение смешиваемых нефтей, % Температура смеси, °С

-1 0 10

0 50 20

+1 100 30

Таблица 2

Матрица планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях для девяти опытов

№ опыта Фактор 1 Фактор 2 1

1 -1 -1

2 -1 0

3 -1 +1

4 0 -1

5 0 0

6 0 +1

7 +1 -1

8 +1 0

9 +1 +1

Таблица 3

Результаты опытов и расчетных значений коэффициентов крутизны вискограммы

Соотношение смешиваемых нефтей 5°С Коэффициент динамической вязкости, Па-с 10°С 20°С 30°С 40°С 60°С Коэффициент детерминации, % Коэффициент крутизны вискограммы

1:0 (0%) 0,297 0,208 0,065 0,061 0,034 0,012 99,878 0,065

3:1 (25%) 0,945 0,644 0,074 0,145 0,085 0,031 99,918 0,074

1:1 (50%) 1,505 0,965 0,082 0,212 0,115 0,047 99,801 0,082

1:3 (75%) 5,77 3,492 0,092 0,633 0,277 0,088 99,861 0,092

0:1 (100%) 14,92 9,273 0,099 1,119 0,491 0,139 99,963 0,099

Рис. 1. Результаты лабораторных измерений динамической вязкости при смешении высоковязкой нефти с маловязкой в пропорциях 1:0 (0%) при температурах 5 °С, 10 °С, 20 °С, 30 °С, 40 °С и 60 °С

|= 0,35

§ 0,3

§ 0,25

>3

I 0,2

Г

1 0,15

X

? 0,1 X

! 0,05 -&

-& 0

и = 0,065 г2 = 99,9%

5

10 15 20 25 30 35 40

45 50 55 60 Температура, °С

Рис. 2. Результаты лабораторных измерений динамической вязкости при смешении высоковязкой нефти с маловязкой в пропорциях 3:1 (25%) при температурах 5 °С, 10 °С, 20 °С, 30 °С, 40 °С и 60 °С

А 1

Ц- 0,9

I 0,8

СО

£ 0,7

I 0,6

(V

£ 0,5

| 0,4

х 0,3

(V

§- 0,2

и = 0,074 г2 = 99,9%

20 25 30 35

40 45 50 55 60 Температура, °С

0

Рис. 3. Результаты лабораторных измерений динамической вязкости при смешении высоковязкой нефти с маловязкой в пропорциях 1:1 (50%) при температурах 5 °С, 10 °С, 20 °С, 30 °С, 40 °С и 60 °С

Рис. 4. Результаты лабораторных измерений динамической вязкости при смешении высоковязкой нефти с маловязкой в пропорциях 1:3 (75%) при температурах 5 °С, 10 °С, 20 °С, 30 °С, 40 °С и 60 °С

£ 1,6 С

I 1,4

0

1 1,2

0 1

^ 1

0 (V

! 0,8

1 0,6

I 0,4 ^

41 0,2

1 и = 0,082 г2 = 99,8%

\

\

< \

\

---

10 15 20 25 30 35

-а -а

40 45 50 55 60 Температура, °С

и = 0,092 г2 = 99,9%

\

\

N

10 15 20 25 30 35 40

45 50 55 60 Температура, °С

7

6

5

4

3

2

0

0

5

5

Рис. 5. Результаты лабораторных измерений динамической вязкости при смешении высоковязкой нефти с маловязкой в пропорциях 0:1 (100%) при температурах 5 °С, 10 °С, 20 °С, 30 °С, 40 °С и 60 °С

и = 0,099 г2 = 99,9%

5

Рис. 6. Результаты расчетов коэффициентов крутизны вискограммы при смешении высоковязкой нефти с маловязкой в пропорциях 1:0 (0%), 3:1 (25%), 1:1 (50%), 1:3 (75%), 0:1 (100%)

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Температура, °С

Факторами назначены: процентное соотношение смешиваемых нефтей, температура смеси нефтей.

Было принято три уровня факторов: «низкий», «средний», «высокий». Соответствующая кодировка уровней факторов представлена в табл. 1.

В соответствии с табл. 1 была составлена матрица планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях для девяти опытов. Матрица планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях для девяти опытов представлена в табл. 2. В соответствии с рекомендациями [8, 12, 14, 15] в матрицу планирования эксперимента были внесены соответствующие дополнения. Соотношение смешиваемых нефтей в экспериментальных исследованиях принимало значения: 0%, 25%, 50%, 75%, 100%; температура смеси в экспериментальных исследованиях принимала значения: 5 °С, 10 °С, 20 °С, 30 °С, 40 °С, 60 °С.

Коэффициент динамической вязкости измерялся на ротационном вискозиметре фирмы BROOKFIEL DDVII+.

Коэффициент крутизны вискограммы определялся методом наименьших квадратов.

Результаты лабораторных измерений коэффициентов динамической вязкости смесей при различных температурах и результаты расчетных значений коэффициентов крутизны вискограммы представлены в табл. 3 и на рис. 1-5.

0,1

ы м 0,095

ар

0,09

в 0,085

ны 0,08

утр

0,075

нт

0,07

Ъ

ф 0,065

СП

0,06

г2 = СТ = 99,8% ,0006

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Соотношение смешиваемых нефтей, %

|Рис. 7. Результаты моделирования изменения коэффициента динамической вязкости смеси исследуемых нефтей в зависимости от температуры

Результаты расчетов показали достаточно точно, что коэффициент крутизны вискограммы повышается для более вязкой нефти по линейному закону (рис. 6).

Также на основании проведенных лабораторных исследований была построена вязкостно-температурная зависимость исследуемой бинарной смеси на основе модифицированного уравнения Вальтера[16] (рис. 7).

Выводы

Таким образом, на основе проведенных экспериментальных исследований вязкостно-температурных свойств смесей нефтей с различными пропорциями смешения была получена зависимость изменения коэффициента динамической вязкости смеси от температуры и концентрации

смешения. Анализ полученных данных показал, что коэффициент крутизны вискограммы изменяется в линейной зависимости от соотношения смешиваемых нефтей.

Можно заключить, что, несмотря на то, что вязкость смесей нефтей при их смешении не поддается линейному закону смешения и зачастую ведет себя аномально, коэффициент крутизны вискограммы поддается линейной аддитивности.

Этот факт позволяет сократить большое количество лабораторных опытов при исследовании реологических свойств нефтей и их смесей, для более эффективного и рационального планирования их перекачки по магистральной нефтепроводной системе с учетом влияния температуры эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Велиев М.М. Некоторые задачи оптимизации распределения грузопотоков но сети магистральных нефтепроводов: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19 / Велиев Мубариз Мустафа оглы. - Уфа, 2001. 166 с.

2. Каримов Р.М., Ташбулатов Р.Р., Мастобаев Б.Н. Повышение энергоэффективности перекачки за счет перераспределения грузопотоков и оптимального смешения реологически сложных нефтей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2017. № 3. С. 13-18.

3. Исхаков Р.Г., Тугунов П.И., Абрамзон Л.С., Ахатов Ш.Н. Увеличение пропускной способности нефтепроводов с помощью разбавителей. - М.: ВНИИОЭНГ, 1976. 72 с

4. Shu, W.R. A Viscosity Correlation for Mixtures of Heavy Oil, Bitu-men, and Petroleum Fractions / W.R. Shu // Society of Petroleum Engineers of Journal. - 1984. - No. 6. 277 - 282 p.

5. Mehrotra, A. Viscosity of Cold Lake Bitumen and Its Fractions / Anil K.Mehrotra, Robert R. Eastick and Wlliam Y.Svrcek // The Canadian Journal of Chemical Engineering. - 1989. - vol. 67. - No. 6. 1004 - 1009 p.

6. Frauenfeld, T.W.J. PVT and viscosity measurements for Lloydminster Aberfeldy and Cold Lake blended oil systems / T.W.J. Frauenfeld, G. Kissel, S. Zhou. SPE International Thermal Operations and Heavy Oil Symposium and International Horizontal Well Technology Conference. Calgary, AB, Canada. - 2002. 13 p.

7. Касим С.Д. Исследование «горячей» перекачки высоковязких нефтей с применением углеводородных разбавителей: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19 / Касим Саад Джаббар. - Москва, 2005. 174 с.

8. Закиров А.И. Обоснование режимов трубопроводного транспорта битуминозной нефти: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19 / Закиров Айдар Ильдусович. - СПб, 2016. 170 с.

9. Родин А.А. Оптимизация транспорта высоковязких нефтей с по-догревом и применением углеводородных разбавителей: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19 / Родин Артем Александрович. - М., 2009. 125 с.

10. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учеб. пособ. для вузов. - Уфа, 2002. 658 с.

11. А.А. Коршак, А.М. Нечваль Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. Учеб. для вузов. - СПб.: Недра, 2008. 488 с.

12. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. 279 с.

13. Протодъяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов. - М.: Наука, 1970. 204 с.

14. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. - Киев: Техника, 1975. 168 с.

15. Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии / Пер. с англ. И.А. Лавыгина; Под. ред. В.Г. Куличихина. -М.: КолосС, 2003. 312 с.

16. Ташбулатов Р.Р., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н., Валеев А.Р. Асимптотическая модель для описания реологической кривой неньютоновского течения нефтяных смесей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2017. № 5. С. 14-23.

ANALYSIS OF CHANGING VISCOSITY-TEMPERATURE DEPENDENCE IN BINARY MIXTURE OF OILS

TASHBULATOV R.R., Senior lecturer of Department of Transport and Storage of Oil and Gas KARIMOV R.M., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. 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 VALEEV A.V., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. 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: [email protected], E-mail: [email protected], E-mail:[email protected], E-mail:[email protected]

ABSTRACT

Viscogram slope coefficient at binary mixing of oils is studied on the basis of laboratory measurements of dynamic viscosity at various temperatures. Viscogram slope coefficient is used in the Reynolds-Filonov equation, which is widely used at design and operation of main oil pipeline transport in non-isothermal regime. The linear additivity of viscogram slope coefficient was investigated, then viscosity-temperature dependence of the binary mixture was studied. Keywords: viscogram slope coefficient, dynamic viscosity, Reynolds-Filonov equation, viscosity-temperature dependence, binary mixture, oil blending.

REFERENCES

1. Veliyev M.M. Nekotoryye zadachi optimizatsii raspredeleniya gruzopotokov no seti magistral'nykh nefteprovodov. Diss. kand. tekhn. nauk [Some problems of optimization of the distribution of cargo flows through the network of oil trunk pipelines. Cand. tech. sci. diss.]. Ufa, 2001. 166 p.

2. Karimov R.M., Tashbulatov R.R., Mastobayev B.N. Increase of energy efficiency of pumping due to redistribution of cargo flows and optimal mixing of rheologically complex oils. Transport ikhraneniye nefteproduktoviuglevodorodnogo syr'ya, 2017, no. 3, pp. 13-18 (In Russian).

3. Iskhakov R.G., Tugunov P.I., Abramzon L.S., Akhatov SH.N. Uvelicheniye propusknoy sposobnosti nefteprovodov s pomoshch'yu razbaviteley [The increase in throughput of pipelines by using diluents]. Moscow, VNIIOENG Publ., 1976. 72 p.

4. Shu, W.R. A Viscosity correlation for mixtures of heavy oil, bitu-men, and petroleum fractions. Society of Petroleum Engineers of Journal, 1984, no. 6, pp. 277 - 282.

5. Mehrotra A.K., Eastick R.R., Svrcek W.Y.Viscosity of cold lake bitumen and its fractions. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1989, vol. 67, no. 6, pp. 1004 - 1009.

6. Frauenfeld, T.W.J. Kissel G., Zhou S. PVT and viscosity measurements for Lloydminster Aberfeldy and Cold Lake blended oil systems. Proc. of SPE International thermal operations and heavy oil symposium and international horizontal well technology conference. Calgary, 2002, 13 p.

7. Kasim S.D. Issledovaniye «goryachey» perekachki vysokovyazkikh neftey s primeneniyem uglevodorodnykh razbaviteley. Diss. kand. tekhn. nauk [The study of «hot» transfer of high-viscosity oils with the use of hydrocarbon diluents. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2005. 174 p.

8. Zakirov A.I. Obosnovaniye rezhimov truboprovodnogo transporta bituminoznoy nefti. Diss. kand. tekhn. nauk [Substantiation of the modes of pipeline transport of bituminous oil. Cand. tech. sci. diss.]. St. Petersburg, 2016. 170 p.

9. Rodin A.A. Optimizatsiya transporta vysokovyazkikh neftey s po-dogrevom i primeneniyem uglevodorodnykh razbaviteley. Diss. kand. tekhn. nauk [Optimization of transport of high-viscosity oils with preheat and the use of hydrocarbon diluents. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2009. 125 p.

10. Tugunov P.I., Novoselov V.F., Korshak A.A., Shammazov A.M. Tipovyye raschety priproyektirovanii i ekspluatatsii neftebaz inefteprovodov [Typical calculations for the design and operation of oil depots and oil pipelines]. Ufa, 2002. 658 p.

11. Korshak A.A., Nechval' A.M. Proyektirovaniye iekspluatatsiya gazonefteprovodov [Design and operation of gas and oil pipelines]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2008. 488 p.

12. Adler YU.P., Markova Ye.V., Granovskiy YU.V. Planirovaniye eksperimentapripoiske optimal'nykh usloviy [Planning an experiment when searching for optimal conditions]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 279 p.

13. Protod»yakonov M.M., Teder R.I. Metodika ratsional'nogo planirovaniya eksperimentov [The method of rational experiment planning]. Moscow, Nauka Publ., 1970. 204 p.

14. Vinarskiy M.S., Lur'ye M.V. Planirovaniye eksperimenta vtekhnologicheskikh issledovaniyakh [Planning an experiment in technological research]. Kiev, Tekhnika Publ., 1975. 168 p.

15. Shramm G. Osnovy prakticheskoy reologii i reometrii [Fundamentals of practical rheology and rheometry]. Moscow, KolosS Publ., 2003. 312 p.

16. Tashbulatov R.R., Karimov R.M., Mastobayev B.N., Valeyev A.R. Asymptotic model for describing the rheological curve of the non-Newtonian flow of oil mixtures. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2017, no. 5, pp. 14-23 (In Russian).