Экспериментальное исследование реологических свойств высокопарафинистой нефти

Камалеева Г. Х.; Вачагина Е. К.

УДК 622. 692+662.75

Г. Х. Камалеева, Е. К. Вачагина

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ВЫСОКОПАРАФИНИСТОЙ НЕФТИ

Ключевые слова: высокопарафинистая нефть, неньютоновская жидкость, скорость сдвига, динамическая вязкость,

напряжение сдвига.

В данной статье представлены результаты исследования реологического поведения высокопарафинистой нефти, экспериментальные результаты измерения динамической вязкости в заданных пределах изменения температуры.

Кeywords: high(ly)-paraffinaceous oil, non-Newtonian liquid, shearing rate, dynamic viscosity, shear stress.

This article presents the research results of the rheological behavior of high parafinaceous oil, the results of measurement of the dynamic viscosity in the given range of temperature.

Введение

Постоянное увеличение в общем объеме добываемой нефти доли высокопарафинистой нефти, застывающей при положительных температурах, ставит перед нефтяниками ряд сложнейших проблем. Высокопарафинистые нефти при низких температурах проявляют резко выраженные неньютоновские (вязко-пластичные, вязкоупругие, тиксотропные) свойства [1], без учета которых организовать рациональную эксплуатацию скважин, сбор, подготовку и транспорт нефти невозможно. Проблема возникает уже на стадии извлечения нефти из скважины и особенно остро она ощущается в северных регионах по причине более суровых погодных условий. Наиболее остро она стоит при транспортировке нефти от месторождения высокопарафинистой нефти до магистрального трубопровода и зависит от природного состава нефти конкретного месторождения. В магистральном нефтепроводе нефть из различных месторождений усредняется.

При транспорте высокопарафинистой нефти происходит интенсивнаяпарафинизация трубопроводов, снижение их пропускной способности, что значительно усложняет их эксплуатацию и ведет к росту энергетических и материальных затрат. В случае остановки процесса перекачки в нефти образуются парафиновые структуры, прочность которых зависит от содержания парафиновых фракций, времени покоя нефти, условий образования парафиновых структур и других факторов. Возобновление процесса перекачки требует иногда создания таких пусковых давлений, которые по величине значительно превышают рабочие давления трубопроводов, арматуры и оборудования [4].

Трудности, возникающие при транспорте высокопарафинистой нефти, связаны с наличием в ее составе твердых кристаллов парафина при низких температурах. Температура плавления парафина находится в пределах 27 - 700 С. При более высоких температурах кристаллы растворяются в нефти и нефтепродуктах. По мере охлаждения нефти парафин выпадает в виде мелких игольчатых кристаллов, которые перепутываются между собой и поддерживают друг друга. С понижением

температуры количество кристаллов увеличивается настолько, что они образуют пространственную решетку по всему объему нефти, иммобилизующую жидкую фазу. В зависимости от состава нефти и скорости охлаждения количество и размеры кристалликов парафина будут разными [5]. Чем больше в нефти парафина и асфальтосмолистых веществ, тем прочнее пространственная решетка и выше вязкость.

Осаждение АСПО на рабочих поверхностях нефтепромыслового оборудования ведет к снижению пропускного диаметра трубопровода, увеличению давления перекачки в трубопроводе, повышенному износу перекачивающих насосов. Нефтедобывающие компании вынуждены останавливать добычу и проводить профилактические работы по удалению АСПО и внеплановые ремонтные работы, что, в конечном счете, ведет к снижению добычи за время простоя, удорожанию нефти. Для выяснения строения смол и фракций асфальтенов используется ИК спектроскопия [2,3].

Известны различные способы

транспортировки высокозастывающей нефти. Наиболее распростра-ненным и надежным является способ горячей перекачки. Однако, печи путевого подогрева являются источником выброса вредных веществ, что ведет к увеличению платежей за загрязнение природной среды. Также не исключается возможность возникновения аварийных ситуаций, что может привести к экологическим и техническим проблемам. Поэтому исследование реологических свойств высокопарафинистой нефти является актуальной задачей.

Экспериментальная часть

Исследовалась высокопарафинистая нефть Мамуринского месторождения скважины № 7, плотность нефти при 200 С р20 = 0,8790 г / см 3 и кинетическая вязкость ^20 = 16,39сст..

Было проведено исследование зависимости динамической вязкости от у -скорости сдвига при различных фиксированных значениях температуры. Динамическая вязкость измерялась на вискозиметре

при температуре от 16,5 С, соответствующей

комнатной, до 47,50С .

Зависимость динамической вязкости от температуры и исследование реологического

поведения нефти были проведены с помощью ротационного вискозиметра RM 100 (фирма Rheology, Франция). Прибор осуществляет решение всего спектра задач, связанных с контролем реологического поведения жидкости, построения реологических кривых и проведение их анализа. Является наиболее универсальным вариантом вискозиметра,

работающего в соот-ветствии с требованиями стандартов ASTM/ISO 2555 (ГОСТ 25271), DIN/ISO 3219, ГОСТ 29226, ГОСТ 52249 (GMP). Оснащен встроенным термодатчиком, таймером, данные выводятся на ЖК- дисплей.

Результаты и их обсуждение

После обработки экспериментальных данных были получены зависимости динамической вязкости от скорости сдвига при различных значениях

температуры. Неньютоновский характер поведения нефти обуславливается наличием в ней

распределенных частиц парафина. Для описания реологического поведения нефти использовалось степенное уравнение.

На рис. 1 представлены результаты

экспериментальных измерений напряжения сдвига в зависимости от скорости сдвига.

Как видно из расположения кривых,

при t > 31,6 0 поведение исследуемой жидкости

становится близким к ньютоновскому, а разность между восходящими и нисходящими ветвями для t < 31,60 свидетельствует о тиксотропных свойствах жидкости.

Рис. 1 - Экспериментальные графики

зависимостей напряжения сдвига от скорости сдвига для различных температур: кривые 1 и 2-при температуре 23,20 С восходящие и нисходящие кривые, соответственно; 3 и 4 - при температуре 25,30 С; 5 и 6 - при температуре 28,20 С ; 7 и 8 - при темпе-ратуре 31,60 С ; 9 и 10 -при температуре 390 С

Обработка результатов вискозиметрических экспериментов для высокопарафинистой нефти

Будем считать, что зависимость вязкости у от скорости сдвига у и температуры Т может быть представлена в виде В

и = korn exp

RT

где к0, п - реологические константы В - энергия активации вязкого течения; Я = 8314 Дж/(моль-К) -универсальная газовая постоянная.Полагаем

k = k0 ex

B

RT0

тогда получим

и = krn exp

bT - T)

v RTT0 .

(1)

Т 0 -некоторая температура (в нашем случае

выберем Т0 = 293К ).

Коэффициент к определяет консистенцию при температуре Т 0.

Прологарифмируем выражение (1)

1п и = 1п к + п !пу+ В-—0—— (2)

3ТТ0

и введем следующие обозначения г = !п у; А = !пк; х = !пу; у = —0 Т) .(3)

К1'0

Тогда (3) можно записать как г = А + пх + Ву (4)

В результате эксперимента были получены ряд значений вязкости /щ при различных

значениях у и Ту, где / = 1,2,...N, у = 1,2,... М . По этим данным определим соответствующие

величины г у = !п щ у, х, = у , у1 = — ^.

N1/10

Для определения неизвестных

коэффициентов А, п,В применим метод наименьших квадратов и составим функцию F (А, пВ).

N М 2

F (дn, В)=ЕЕ —- А - пх/- ВУу) (5)

/=1 1=1

Найдем неизвестные А, п,В из условия минимума функции F (А, пВ). Для этого найдем частные производные функции F (А, пВ)

дF(А, п, В) ЛМ ( Л В ) (6)

\А = -2Е Е —- А - пх/- ВУу); (6)

/=1 у=1

дF (А, п, В) ( Л В )

дп 7 = -2Е Е (- А - пх/- ВУу К; (7)

/=1 у=1

ЩВт1 = -2ЕЕ(-а-пх/ - Ву,),; (8)

/=1 у=1

Точку локального минимума функции F (А, пВ )найдем из условий равенства нулю частных производных функции F(А, пВ), получим

N M

ZZ7 -A -nXi - Byi )=0

i=1 j=1

N M

ZZ7 -A - nxi - Byi Ь =0

(9)

i=1 J=1 NM

ZZz ■A ■nx' -Byi Ь =0

i=1 j=1

Преобразуем (9) к виду

N M NM NM NM

ZZz>> - AZZ1 - nZZx< - BZZy> =0

i=1 j=1 i=1 j=1 i=1 j=1 i=1 j=1 (10)

N M N M N M N M

Z Z zäx-- AZZ xi- nZZх )2 - BZZ уіх> =0 i=1 j=1 i=1 j=1 i=1 j=1 i=1 j=1 N M N M N M N M

Z Z z-yj- AZZ yj- nZZ xy- BZZ y)2 =0

i=1 j=1

i=1 j=1 i=1 J=1

i=1 j=1

Будем рассматривать (10) как систему трех уравнений с тремя неизвестными, решаемую методом Крамера.

В результате получим следующие значения параметров модели для прямой последовательности испытаний

1) к = 35.339 ; п = -0.35; В = 1.817 • 108;

для обратной последовательности испытаний

2)к = 32.23; п = -0.413;; В = 1.734 • 108;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

среднеквадратичная погрешность составляет

8 = 0.109

На графике рис.2. представлены экспериментальные точки и аппроксимирующая зависимость для восходящей и нисходящей зависимостей и(у,Т). ¡и(Па • с)

У-/ с)

Рис. 2 - Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига при Т = 230С

Экспериментальные точки: х - восходящая

зависимость; о - нисходящая зависимость;

теоретические результаты: сплошная линия -

восходящая зависимость; пунктирная линия -нисходящая зависимость.

М = 35,3397^0,35 exp

1,817 • 108 (Т0 - Т)

RTJ,

0

JU = 32,237-°,413 exp

1,734 • 108 70 - Т)

RTT0

Заключение

Исследована зависимость динамической вязкости образца высокопарафинистой нефти от у-скорости сдвига и температуры. Получена реологическая модель ее поведения с использованием степенного закона. Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании и расчетах транспортировки нефти.

Работа выполнена при финансовой поддержке

РФФИ и Академии наук РТ (грант № 12-08-97034-

р Поволжье а).

Литература

1. Мухаметзянов И.З. Структурнаяорга-низация макромолекулярных ассоциатов в нефтяных сферах / Мухамезянов. И.З. М.:Наука, 2003. 156 с.

2 . Егоров А.В., Николаев В.Ф., Султанова Р.Б. Упрощенный метод «холодного стержня» для оценки ингибирующего действия реагентов, применяемых при профилактике и удалении парафиноотложений с металлических поверхностей при добыче и транспорте нефти / Вестник КГТУ.-2012.-№8. 295-299 с.

3. Петрова Л.М. Устойчивость нефтей к выпадению асфальтенов.Салимова Л.И. и др. // Вестник КГТУ.-2010.-№9. 579-583 с.

4. Тетельмин В.В., Язев В.А.

Магистральныенефтегазопроводы. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А.. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. 352 с.

5. Геллер Б.Э., Геллер А.А., Чиртулов В.Г. Практическое руководство по физикохимии волокнообразующих полимеров. Учебное пособие / Геллер Б.Э., Геллер А.А., Чиртулов В.Г. М.: Химия, 1996. 432 с.

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Камалеева Г. Х., Вачагина Е. К.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Камалеева Г. Х., Вачагина Е. К.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование реологических свойств высокопарафинистой нефти»