CC BY
65
УДК 622.692.4
А. В. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, Г. И. Дусметова
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ
И НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Ключевые слова: энергосбережение, турбулентное течение, полимерные присадки, диссипация.
Изучено влияние полимерных присадок на турбулентное течение Приведены.результаты экспериментальных и теоретических исследований воздействия полимерных присадок (добавок) на турбулентные течения жидкости, данные об использовании полимерных присадок на действующих нефтепроводах.
Keywords: energy saving, turbulent motion, polymeric addition, dissipation.
The influence of polymer additives on the turbulent flow are presented. The results of experimental and theoretical studies on the effects of polymer additives to turbulent fluid flow, data on the use of polymer addition on existing pipelines.
На сегодняшний день на длительно работающих скважинах наблюдается постоянное ухудшение качества добываемой нефти, при этом, вместо нефти из скважины все чаще добывается эмульсия нефти с пластовой водой, обладающая высокой седиментационной и агрегативной устойчивостью. В связи с этим остро стоят вопросы транспортировки нефтяных эмульсий, поскольку вязкость их очень велика, а расстояния, на которые их необходимо транспортировать, может достигать нескольких десятков километров. Поэтому актуальны и потенциально востребованным оказываются работы по изучению условий наиболее рационального использования эффекта Томса в обратных и прямых эмульсиях нефти. В [1,2] исследовались реологические аспекты
турбулентного течения прямых нефтяных эмульсий с добавками водорастворимых полимеров. Отмечено, что характер влияния наиболее важных параметров как полимерной присадки(молекулярная масса, концентрация, полидисперсность по молекулярной массе и по составу), так и дисперсионной среды(ионная сила, наличие активных компонентов, типа ПАВ) для неконцентрированных прямых эмульсий нефти(10-25%) по ряду показателей аналогичен водным средам. Однако из-за присутствия в водной среде частиц дисперсной фазы-нефти появляется и ряд особенностей. Самым важным является то, что с увеличением концентрации дисперсной фазы величина эффекта Томса снижалась, [3] что объяснено авторами наличием адсорбционных процессов на поверхности частиц дисперсной фазы, приводящих к некоторому снижению концентрации полимера дисперсной среде.
Некоторые вопросы изучения
трубопроводного течения высоковязких нефтей изложены в ряде работ, большинство из которых опубликовано в малодоступных изданиях. В связи с этим представляет интерес подготовка и публикация обзорной научной статьи по изучению влияния полимерных присадок к высоковязким нефтям и нефтяным эмульсиям, что и являлось целью данной работы [4].
Из данных измерений [5] следует, что полимерные добавки эффективны главным образом в пристеночной части турбулентного пограничного слоя, демпфируя влияние вихрей малого масштаба, прямо или косвенно участвующих в механизме генерации турбулентности и диссипирующих энергию турбулентного потока. Полученная в экспериментах информация о профилях скорости, о потерях энергии потока на трение, о флуктуациях скорости в турбулентных пристеночных течениях с полимерными присадками позволилалучше объяснить уменьшение сопротивления трения и потерь напора потока [6].
Пристеночный турбулентный
пограничный слой состоит из нескольких зон: 1) тонкого вязкого подслоя на стенке; 2) буферной (промежуточной) области; 3) турбулентного ядра с развитой турбулентностью; 4) надслоя с эффектом перемежаемости [6]. Турбулентное пристеночное течение состоит из вихрей разных масштабов. Крупные вихри, черпающие энергию из осредненного течения, содержатся в верхней части пограничного слоя, а мелкие вихри находятся вбилизи стенки, обтекаемой потоком турбулентной среды.
В соответствии с каскадным механизмом Колмогорова-Ричардсона [6] энергия от крупных энергосодержащих вихрей, черпающих ее из осредненного течения, передается вихрям все меньших масштабов по высоте турбулентного пристеночного слоя и вблизи стенки кинетическая энергия турбулентности диссипирует в тепло в вихрях малых масштабов. Турбулентность в зоне тонкого вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя в окрестности стенки резко затухает. Наряду с диссипацией кинетической энергии турбулентности, в окрестности обтекаемой стенки происходит генерация турбулентности, связанная с взаимодействием выбросов массы (коллективов молекул) жидкости от стенки и проникающей к стенке массы жидкости из основного потока. Поведение турбулентности вблизи стенки особенно важно для понимания механизма воз-
действия полимерных присадок на снижение сопротивления поверхностного трения в нефтепроводах и нефтепродуктопроводах.
В растворах полимеров происходит сильное подавление турбулентных вихрей малых масштабов и рост вихрей больших размеров. Большие вихри, являющиеся энергосодержащими, более устойчивы. В растворах с полимерными присадками число вихрей больших масштабов значительно возрастает, следовательно, кинетической энергии турбулентности
диссипирует в тепло меньше. Возрастает толщина буферной (промежуточной) области
пристеночного турбулентного пограничного слоя.
В целом уменьшение сопротивления трения в турбулентных пристеночных потоках жидкостей под влиянием полимерных присадок связано, во- первых, с изменением динамики турбулентности, во-вторых, с изменением в процессе обмена энергией вблизи обтекаемой поверхности, в частности, в буферной области турбулентного пограничного слоя [7].
Имеющиеся результат
экспериментальных и теоретических
исследований воздействия полимерных присадок (добавок) на турбулентные течения жидкости, несмотря на существующие не до конца решенные вопросы, что обусловлено большой сложностью турбулентности, позволили приступить к решению практических задач по снижению сопротивления трения и увеличению пропускной способности (производительности) магистральных нефтепроводов и
нефтепродуктопроводов.
Энергоемкость магистральных
нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, большие энергозатраты на транспортировку нефти и нефтепродуктов и высокая стоимость насосных станций для перекачки нефти и нефтепродуктов потребовали решения проблемы оптимизации магистрального трубопроводного транспорта по снижению потерь напора в нем и увеличению его производительности (пропускной способности), связанной со снижением потерь напора. Эту сложную научно-техническую проблему, относящуюся к энергосбережению, необходимо решать наукоемкими технологиями и экспериментальными методами. Импульс к развитию одной из наукоемких технологий дал открытый Томсом эффект снижения сопротивления трения при введении в турбулентный поток жидкости полимерных присадок.
В настоящей работе поставлена задача проанализировать результаты натурных испытаний по исследованию влияния полимерных присадок на турбулентные течения в магистральных нефтепроводах и
нефтепродуктопроводах и определить
перспективы этого наукоемкого направления по реализации энергосберегающей технологии для снижения сопротивления поверхностного трения в трубопроводах, следовательно, снижения потерь
напора и увеличения пропускной способности (производительности) нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.
Основные результаты реализации энергосберегающей наукоемкой технологии в натурных условиях транспортировки нефти и нефтепродуктов.
С конца 70-х годов ХХ века началось проведение лабораторных и натурных испытаний влияния полимерных добавок на снижение сопротивления поверхностного трения при перекачке нефти в трубах. В [8] предложен новый способ использования полимеров высокой молекулярной массы для увеличения производительности нефтепроводов любой конструкции. При этом высокополимеры растворимы в воде, не переходят в нефть, отделяются от нее обычным отстоем. В [8] изложены также принципы использования технических водорастворимых полимеров российского производства для улучшения режима и стабильной эксплуатации магистральных нефтепроводов.
В работе [9] исследованы характеристики полимерных присадок для снижения сопротивления трения при течении нефти. По опытным данным [9] снижение сопротивления трения в развитом турбулентном потоке нефти за счет полимерных присадок может достигать 75-85%.
В [10] выполнен большой объем экспериментальных исследований эффективности 40 полимерных присадок. Изучено влияние их структуры, молекулярной массы на снижение сопротивления трения при турбулентном течении нефти и устойчивость полимеров к деструкции. Выделены группы полимеров, наиболее эффективно снижающие сопротивление трения. Определены оптимальные интервалы
молекулярных масс и полидисперсности полимерных присадок. Эффективность присадок изменялась на 10% в интервале температур от 0оС до 50оС и в основном не зависела от состава нефти. В некоторых случаях
противотурбулентные присадки проявляли депрессорные свойства, однако эффект снижения сопротивления все равно усиливался. Было установлено, что полимерные добавки более эффективны для маловязких сортов нефти. При одинаковой скорости поток более легкой нефти отличался большей турбулентностью по сравнению с течением вязких нефтей и воздействие присадок было более заметным при перекачке нефтей с высокой вязкостью до 20 МПас.[11]
Проведенный выше анализ натурных испытаний влияния полимерных присадок на снижение сопротивления трения позволяет сделать ряд практических выводов: проведенные эксперименты подтверждают принципиальную возможность использования полимеров для ускорения процесса массопереноса турбулентных потоков обратных эмульсий нефти.[12]
Расширение фронта экспериментальных и теоритических работ в этом направлении позволит провести более углубленную оценку влияния внешних условий, технологических факторов, геометрии и скорости потока, также свойств дисперсионной среды и полимерной присадки на величину эффекта Томса в прямых и обратных эмульсиях нефти.
Литература
1. Мягченков В.А, Чичканов С.В.//Журнал прикладной химии. 2003Т.76. Вып.11. С 1901-1905.
2. Чичканов С.В., Мягченков В.А.//Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С. 322-334.
3. Чичканов С.В., Мягченков В.А.//Химия, технология и использование полимеров. Эффект Томса-перспективные области применения. С 314-329
4. Полищук Ю.М., Ященко И.Г. Высоковязкие нефти: анализ пространственных и временных изменений физико-химических свойств //Нефтегазовое дело. 2005. http://www.ogbus.ru
5. Берне К. Уменьшение сопротивления и структура турбулентности в разбавленных растворах полимеров //
Снижение вязкостного трения. М.: Машиностроение. 1984. С.302-311.
6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. Наука. 1969. 742 с.
7. Лэндал М.Т. Влияние добавок на динамику турбулентных выбросов// Снижение вязкостного трения. М.: Машиностроение. 1984. С.312-325
8. Порайко И.Н. О стабилизации производительности нефтепроводов с помощью полимеров / Н.Н. Порайко // Нефтяное хозяйство. 1992. № 9. С. 37.
9. Сухова И.И. Новые присадки для снижения сопротивления течения нефти / И.И. Сухова, Ю.П. Белоусов // Физико-химические свойства растворов и дисперсий. Н-ск: Наука. 1992. С.108-110.
10.Белоусов Ю.П. Полимерные присадки для снижения гидродинамического сопротивления нефти / Ю. П. Белоусов, И.И. Сухова, Л.Б. Коваль и др. // Нефтяное хозяйство. 1992. № 9. С.37.
11. Шарифуллин А.В., Шарифуллин В.Н., Хуснулин Р.Р., Байбекова Л.Р. Вестник КНИТУ. 2013.Т16.№21. С272-276.
12. Шарифуллин А.В., Хуснулин Р.Р.,Шарифуллин В.Н.,Байбекова Л.Р. Поведение нефтяных эмульсий в процессе их перекачки. 2014. Т.17 №8. С. 289-292.
© А. В. Шарифуллин, профессор кафедры ХТПНГ КНИТУ sharifullin67@mail.ru; Л. Р. Байбекова, доцент кафедры ХТПНГ КНИТУ, L_baibekova@mail.ru; Г. И. Дусметова, аспирант кафедры ХТПНГ КНИТУ, gusal.dusmetova@mail.ru.
© A. V. Sharifullin, full professor HTPNG KNRTU, sharifullin67@mail.ru; L. R. Baibekova, assistant professor of HTPNG KNRTU, L_baibekova@mail.ru; G. LDusmetova, a post gradient student HTPNG KNRTU, gusal.dusmetova@mail.ru.
