CC BY
103
- © А.И. Закиров, А.И. Каримов,
В.В. Пшенин, 2015
УДК 622.692.4.053
А.И. Закиров, А.И. Каримов, В.В. Пшенин
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИТУМИНОЗНОЙ НЕФТИ АШАЛЬЧИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Исследованы реологические свойства образца битуминозной нефти Ашальчинско-го месторождения. Экспериментальные исследования проведены в широком диапазоне температур и градиента скорости сдвига. Проведенный теоретический анализ показал, что для описания реологических свойств образца битуминозной нефти Ашальчинского месторождения недостаточно использования наиболее употребительных в практике реологических моделей. В этой связи, было предложено использовать модель Карро в обобщенном алгоритме выбора реологической модели. Полученные с использованием модели Карро результаты показывают, что она с высокой степенью точности описывает реологические свойства образца нефти в исследуемом диапазоне параметров.
Ключевые слова: битуминозная нефть, неньютоновские жидкости, реологические модели, реологическая модель Карро.
Актуальность
В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2030 года» (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р) [1], одной из основных задач нефтяного комплекса является ресурсо- и энергосбережение, сокращение потерь на всех стадиях технологического процесса при транспортировке нефти. При решении этой стратегической задачи необходимо учитывать тенденцию к увеличению доли трудноизвлекаемых запасов (сверхвязкая нефть, природный битум и др.) в структуре минерально-сырьевой базы нефтяного комплекса, а также удорожание добычи и транспортировки углеводородов.
На территории Республики Татарстан «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» дополнена «Стратегией развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан на период до 2030 года» [2], в которой особое место отведено проблемам разработки Ашальчинского мес-
торождения. Трудности разработки Ашальчинского месторождения связаны с осложнениями, возникающими при добыче сверхвязких нефтей (СВН) и природных битумов (ПБ). Прогнозный вариант развития проекта освоения залежей СВН ОАО «Татнефть» на Ашальчинском месторождении показывает, что объемы добычи СВН и ПБ будут неуклонно расти и к 2030 г. достигнут значения 3940 тыс. т. В связи с увеличением объема добычи СВН и ПБ возникает острая потребность обеспечить надежный и энергоэффективный процесс их транспорта по трубопроводной системе. Согласно классификации, представленной в [3], нефти отложений шешминского горизонта пермской системы Ашальчинского месторождения относятся к «битуминозным нефтям» (вязкость при температуре пласта до 30 000 мПа-с, плотность до 990 кг/м3).
Поскольку реологические свойства битуминозной нефти являются основными исходными данными для решения проектных и эксплуатационных за-
дач трубопроводного транспорта, задача изучения реологических свойств битуминозной нефти Ашальчинского месторождения является актуальной.
Экспериментальные исследования
В ходе работы по изучению реологических свойств битуминозной нефти Ашальчинского месторождения проведены исследования образца нефтяного сырья предоставленного ЦДСВН ИГЛУ «Нурлатнефть» (ОАО «Татнефть»).
Экспериментальные исследования проводились в Центре инженерных изысканий (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»), на ротационном реометре «Ктехиэ иКга+». Принцип действия «Юпехиэ иЙга+» заключается в приложении к испытуемому образцу регулируемой деформации сдвига с целью измерения свойств текучести. Поскольку точные измерения и контроль температуры являются основным требованием практически всех реологических измерений, в составе реометра Ктехиэ были использованы сменные кассетные твердотельные термоэлектрические модули Пельтье.
Основными реологическими зависимостями, определяемыми при помощи реометра «Юпехиэ иКга+», являются: зависимости образцов «напряжение
сдвига т, Па - скорость сдвига Y , с-1», при различных температурах и «коэф. динамической вязкости ц, Па-с - температура t, °С». Температура образцов нефти в ходе испытаний изменялась в пределах от 5 до 60 °С. Характеристики течения битуминозной нефти исследованы в условиях дискретного повышения скорости сдвига от 0 до 300 с-1. Диапазоны изменения температуры и скорости сдвига приняты исходя из эксплуатационных условий действующей трубопроводной системы.
В результате экспериментальных исследований построены зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига в интервале температур от 5 до 60 °С (рис. 1).
Экспериментальными исследованиями установлено, что для битуминозной нефти изучаемого образца характерно практически полное отсутствие начального напряжения сдвига т0. На рис. 2 представлены результаты определения натурального логарифма эффективной вязкости в зависимости от натурального логарифма скорости сдвига (логарифмическая шкала). Эффективная вязкость (с учетом т0«0) определялась по формуле [4]:
т
М elf = т
Y
100 150
СкОДЗСТЬ сдвига, 1Ч"
Рис. 1. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига в интервале температур от 5 до 60 °С
3,0
2.5
3.0
•a-
£ 1,3
o.s
3
ln(Y)
X St
X io "c X 20 «С 6 \ 30 <t
Рис. 2. Зависимость натурального логарифма эффективной вязкости от натурального логарифма скорости сдвига
На рис. 2 представлены результаты для интервала температур от 5 до 30 °С; графики зависимостей эффективной вязкости от скорости сдвига в логарифмических координатах для температур выше 30 °С представляют собой прямые линии, что соответствует ньютоновской модели течения жидкости. Нелинейные участки зависимостей, соответствуют неньютоновской модели течения жидкости.
Теоретический анализ
В настоящее время существует большое число различных подходов к вопросам выбора реологической модели исследуемой системы. Основным подходом является статистическая обработка экспериментальных данных, основанная на методе наименьших квадратов (least square method), с дальнейшим выбором среди предлагаемых реологических моделей по критерию минимального среднего квадрата отклонений [5]. Однако при решении задачи идентификации реологической модели по экспериментальным данным с ограниченным объемом выборки, остро встает проблема правильного соотнесения сложности идентифицируемой модели
с количеством и уровнем погрешности имеющихся данных [6]. В отечественной практике наибольшее распространение получила методика, предложенная Мир-заджанзаде А.Х., которая была изложена в работе [7]. Данная методика была в дальнейшем использована в исследовательских работах Штукатуро-ва К.Ю., Федорова В.Т. [6, 9], а также вошла в качестве обязательной методики выбора реологической модели в следующие нормативные документы:
• РД 75.180.00-КТН-198-09 «Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов» (ОАО «АК «Транснефть», 2009 г.) [8];
• «Методика определения реологических свойств нефти и выбора модели течения» (ОАО «Северные магистральные трубопроводы», 2005 г).
Исходными данными для данной методики являются результаты реологических экспериментов, представленные в виде выборки у ата, у 2 т2,..., у, т1, где т. - значение касательного напряжение при скорости сдвига У ¡ (] = 1, 2,..., 1), 1 - объем выборки. Предполагается, что зависимость т = т(у) описывается реологической моделью вида
т = f (у, а1,...,ак) , где / - некоторая заданная функция, содержащая неизвестные параметры а. Выбор модели осуществляется по двум критериям: среднему квадрату отклонений и риску.
Средний квадрат отклонений, называемый также функционалом эмпирического риска, рассчитывается по формуле:
1о (а) = 1 £ (у, - Г (X,, а))2
1 ,=1
где а - параметры модели.
Для нахождения риска применяется следующая оценка:
L (a) =
'с ( a)
1 -.
Поскольку выбор модели осуществляется по двум критериям, то окончательное решение о выборе реологической модели в методике предложено принимать исходя из минимума аддитивного критерия:
5 = а • у а) + а^ • 1т (а)
где а-р а2 - коэффициенты; в работах [6, 9] коэффициенты приняты а1 = 0,4 и а2 = 0,6 без объяснения причин.
В нормативном документе РД 75.180.00-КТН-198-09 предложено применять принцип минимума аддитивного критерия, в котором использовано нормированное значение среднего квадрата отклонений (Бп) и нормированное значение риска (Яп):
5 1о( а),
^ = ^--
£ 1о( а),
1=1
^ (1п (1) + 1)- 1пг
где г - вероятность того, что риск будет меньше либо равен полученной его оценки; п - количество параметров модели.
Здесь [г 1 = ■! Z, 2 _ 0
1 ^ [да, г < 0
Если принять слишком большое значение вероятности г (близкое к единице), то тогда выбор будет в пользу простых однопараметрических моделей, если же малое, предпочтение будет отдаваться сложным моделям, что бывает не всегда оправдано. В работе принимается некий средний вариант со значением г = 0,51.
Таблица 1
Некоторые реологические модели течения неньютоновских жидкостей
У I (а).
/ - m v ' i i=1
Y = min( Sni + Rnj)
j ' '
где j - номер модели течения (по списку выбора моделей).
Во всех работах, в которых применялась методика, описанная выше, выбор осуществлялся из 4 наиболее распространенных реологических моделей (табл. 1).
Подобный выбор моделей объясняется тем, что он позволяет корректно
Название модели Уравнение Примечание
Ньютона х = цу Модель ньютоновской жидкости, сложность модели п=1
Шведова-Бингама т = тс + W Сложность модели п = 2
Оствальда-да Ваале т = K Yn Степенная модель, сложность модели п = 2
Гершеля-Бакли т = тс + K Yn Сложность модели п = 3
Таблица 2
Параметры сравнения реологических моделей
Реологическая модель Средний квадрат отклонений Риск Нормированный средний квадрат отклонений Нормированный риск Аддитивный критерий
Модель ньютоновской жидкости 67,7895 133,705 0,9913 0,9858 1,9771
Модель Оствальда-де Ваале 0,5836 1,7755 0,0085 0,0131 0,0216
Модель Карро 0,0106 0,1525 0,0002 0,0011 0,0013
выбрать реологическую модель для большинства распространенных нефтяных смесей. Однако модели Бинга-ма-Шведова и Гершеля-Балкли предполагают наличие у системы начального напряжения сдвига т0, а при его отсутствии модель Бингама-Шведо-ва сводится к модели ньютоновской жидкости, а модель Гершеля-Балкли к модели Оствальда-де Ваале. Поскольку в исследуемом в данной работе образце начальные напряжения сдвига т0 пренебрежимо малы, то в предложенном в работах [6, 8, 9] списке из 4 моделей остается всего две модели: модель ньютоновской жидкости и модель Оствальда-де Ваале. Из 2 моделей только модель Оствальда-де Ваале является нелинейной, что по сути лишает алгоритм возможности разнообразного выбора в случае неньютоновской жидкости.
Также отдельное внимание стоит уделить тому факту, что модель Остваль-да-де Ваале не является «реологическим законом» в полном смысле этого слова, а является лишь удобной формой регрессионной обработки экспериментальных данных [10]. В доказательство этому приводят обычно два положения: 1) размерности коэффициентов лишены физического смысла; 2) при градиенте скорости сдвига, стремящемся к 0, эффективная вязкость должна стремиться к бесконечности, чего в действительности в реальных жидкостях никогда не наблюдается и вяз-
кость стремится к некоторой величине ц0 (в случае градиента скорости сдвига, стремящегося к бесконечности, эффективная вязкость должна стремиться к 0, в реальных жидкостях она стремится к некоторому значению ц.п(). Таким образом, модель Оствальда-де Ваале, в свете вышеупомянутых фактов, следует использовать с большой осторожностью и в узком диапазоне параметров.
В этой связи предлагается дополнить стандартный перечень реологических моделей (Таблица 1) моделью Карро (Carreau model) [11]:
с-1
Veff (Y) = + (Ц<) - ^Ы )(1 + (b) ) 2
где ц0, ц.п(, b и n являются коэффициентами модели: ц0 - коэффициент динамической вязкости при градиенте скорости сдвига стремящемся к нулю (Па-с); цп( - коэффициент динамической вязкости при градиенте скорости сдвига стремящемся к бесконечности (Па-с); b - время релаксации (с); с - показатель степени.
Модель Карро является обобщенной реологической моделью для неньютоновских жидкостей и применяется для описания сложных нелинейных моделей. Модель Карро лишена недостатков степенной модели Оствальда-де Ваале, и нашла широкое применение для описания течения полимерных жидкостей, нефтяных смесей, эмульсий и т.п. [11].
О 50 100 150 200 250 ЗОН 350
Градиент скорости сдвига (1/с)
Рис. 3. Реологические кривые моделей Карро (сплошная линия) и Оствальда-де Ваале (пунктирная линия) в осях «Градиент скорости сдвига - Коэффициент динамической вязкости» при температуре битуминозной нефти 5 °С, сопоставленные с экспериментальными данными (точки)
Результаты
С использованием алгоритма выбора реологической модели были проанализированы экспериментальные данные. В результате анализа получены параметры сравнения, представленные в табл. 2.
Исходя из результатов, представленных в табл. 2, можно сделать вывод, что модель Карро описывает реологическое поведение битуминозной нефти на порядок точнее (по значению аддитивного критерия), чем степенная модель Оствальда-де Ваале. На рис. 3 представлены графики зависимостей коэффициента динамической вязкости от скорости сдвига согласно полученным моделям Карро и Оствальда-де Ваале. Полученные по предложенным неньютоновским моделям результаты сопоставлены с экспериментальными данными.
Как видно из рис. 3, модель Карро не только количественно точнее описывает процесс изменения коэффициента динамической вязкости от гради-
ента скорости сдвига, но, что важнее, качественно более полно передает характер изменения реологических свойств образца битуминозной нефти.
Выводы
В работе исследованы реологические свойства образца битуминозной нефти Ашальчинского месторождения в диапазоне температур от 5 до 60 °С. Показано, что битуминозная нефть начинает проявлять неньютоновские свойства при температуре меньше 30 °С.
На основе анализа экспериментальных данных было установлено, что реология образца битуминозной нефти Ашальчинского месторождения в неньютоновской области течения с высокой степенью точности описывается уравнением Карро. Показано, что широко используемая в практике модель Оствальда-де Ваале в случае битуминозной нефти Ашальчинского месторождения пригодна лишь для узкого диапазона значений и не мо-
жет применяться во всем диапазоне значений градиента скорости сдвига. Модель Карро предложено использовать в обобщенном алгоритме выбора реологической модели.
В дальнейших работах предполагается исследовать влияние концентрации маловязкого разбавителя и температуры на реологические характеристики битуминозной нефти.
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года.
2. Стратегия развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан на период до 2030 года.
3. Хисамов Р.С., Мусин М.М., Мусин К.М., Файзуллин И.Н., Зарипов А. Т. Обобщение результатов лабораторных и опытно-промышленных работ по извлечению сверхвязкой нефти из пласта. - Казань: «Фэн» Академии наук РТ, 2013. - 213 с.
4. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен / Пер. с англ. З.П. Шульмана; Под. ред. А.В. Лыкова. - М.: Мир, 1964. - 216 с.
5. Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии / Пер. с англ. И.А. Ла-выгина; Под. ред. В.Г. Куличихина. - М.: КолосС, 2003. - 312 с.
6. Штукатуров К.Ю. Экономико-математическое моделирование выбора технологических режимов трубопровода: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 05.13.18. - Уфа, 2004. -154 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Мирзаджанзаде А.Х., Хасанов М.М., Бахтизин Р.Н. Этюды о моделировании сложных систем нефтедобычи. Нелинейность, неравновесность, неоднородность. -Уфа: Гилем, 1999. - 464 с.
8. РД 75.180.00-КТН-198-09 Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепро-дуктопроводов. - М.: Гипротрубопровод, 2009. - 207 с.
9. Федоров В.Т. Повышение функциональной надежности неизотермического нефтепровода на основе управления тепло-гидравлическими параметрами: дис. канд. техн. наук: 25.00.19. - Уфа, 2006. - 156 с.
10. Фройштетер Г.Б., Данилевич С.Ю., Радионова Н.В. Течение и теплообмен неньютоновских жидкостей в трубах. - Киев: Наукова думка, 1990. - 216 с.
11. Applied polymer rheology: polymeric fluids with industrial applications / edited by Marianna Kontopoulou. - Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2012. - p. 357. EШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Закиров Айдар Ильдусович - аспирант, e-mail: zakirov-live@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
Каримов Айрат Идрисович - заместитель начальника ЦКППН (Цех комплексной подготовки и перекачки нефти), e-mail: karimov_ai@tatneft.ru, НГДУ «Нурлатнефть» ОАО «Татнефть», Пшенин Владимир Викторович - кандидат технических наук, ведущий инженер, e-mail: vladimirspmi@mail.ru, ЗАО «КТПИ «Газпроект».
UDC 622.692.4.053
INVESTIGATION OF BITUMEN OIL FLOW CHARACTERISTICS OF ASHALCHINSKOYE OILFIELD
Zakirov A.I., Graduate Student, e-mail: zakirov-live@mail.ru,
National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia, Karimov A.I., Deputy Head, Complex Oil Processing and Delivery Plant, e-mail: karimov_ai@tatneft.ru, Nurlatneft NGDU, TATNEFT, 423040, Republic of Tatarstan, Nurlat, Russia,
Pshenin V.V., Candidate of Technical Sciences, Leading Engineer, e-mail: vladimirspmi@mail.ru, Gazproject Company, 195274, Saint-Petersburg, Russia.
The rheological properties of the sample bitumen oiI of Ashalchinskoye oilfield were investigated. Experiments were carried out over a wide range of temperature and shear rate. The theoretical analysis shows that to describe the rheological properties of the sample Ashalchinskoye bitumen oilfields is not enough to use the most common rheological models. In this regard, it was proposed to use the Carreau model in the generalized algorithm of rheology model selection. Obtained results show that Carreau model accurately describes the rheological properties of the oil sample in the wide range of parameters.
Key words: bitumen oil, non-newtonian fluids, rheology models, Carreau rheology model.
REFERENCES
1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda (Energy strategy of Russia for the period up to 2030).
2. Strategiya razvitiya toplivno-energeticheskogo kompleksa Respubliki Tatarstan na period do 2030 goda (Development strategy for fuel and energy industry of the Republic of Tatarstan for the period up to 2030).
3. Khisamov R.S., Musin M.M., Musin K.M., Fayzullin I.N., Zaripov A.T. Obobshchenie rezul'tatov labo-ratornykh i opytno-promyshlennykh rabot po izvleshcheniyu sverkhvyazkoy nefti iz plasta (Integrated results of laboratory and pilot tests on super viscous oil recovery), Kazan, «Fen» Akademii nauk RT, 2013, 213 p.
4. Uilkinson U.L. Nen'yutonovskie zhidkosti. Gidromekhanika, peremeshivanie i teploobmen. Per. s angl. Z.P. Shul'mana. Pod. red. A.V. Lykova (Non-Newtonian fluids. Hydromechanics, mixing and heat transfer. English-Russian translation Shul'man Z.P., Lykov A.V. (Ed.)), Moscow, Mir, 1964, 216 p.
5. Shramm G. Osnovy prakticheskoy reologii i reometrii. Per. s angl. I.A. Lavygina. Pod. red. V.G. Kulichikhina (Fundamentals of practical rheology and rheometry. English-Russian translation Lavygin I.A., Kulichikhin V.G. (Ed.)), Moscow, KolosS, 2003, 312 p.
6. Shtukaturov K.Yu. Ekonomiko-matematicheskoe modelirovanie vybora tekhnologicheskikh rezhimov truboprovoda (Economical-mathematical modeling of selecting pipeline operating schedules), Candidate's thesis, Ufa, 2004, 154 p.
7. Mirzadzhanzade A.Kh., Khasanov M.M., Bakhtizin R.N. Etyudy o modelirovanii slozhnykh sistem neft-edobychi. Nelineynost', neravnovesnost', neodnorodnost' (Essays on modeling complex oil recovery systems. Nonlinearity, nonequilibrium, nonuniformity), Ufa, Gilem, 1999, 464 p.
8. Unifitsirovannye tekhnologicheskie raschety ob"ektov magistral'nykh nefteprovodov i nefteprodukto-provodov. RD 75.180.00-KTN-198-09 (Unified process designs of facilities of main oil and oil products lines. RD 75.180.00-KTN-198.09), Moscow, Giprotruboprovod, 2009, 207 p.
9. Fedorov V.T. Povyshenie funktsional'noy nadezhnosti neizotermicheskogo nefteprovoda na osnove upravleniya teplogidravlicheskimi parametrami (Improvement of functional reliability of non-isothermal oil pipeline based on heat-hydraulic parameters control), Candidate's thesis, Ufa, 2006, 156 p.
10. Froyshteter G.B., Danilevich S.Yu., Radionova N.V. Techenie i teploobmen nen'yutonovskikh zhid-kostey v trubakh (Non-Newtonian fluid flow and heat transfer in pipes), Kiev, Naukova dumka, 1990, 216 p.
11. Applied polymer rheology: polymeric fluids with industrial applications. Edited by Marianna Konto-poulou. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2012. p. 357.
Научно-техническому издателю важно, чтобы ему дали возможность без помех воплотить в жизнь свои представления о специальной книге.
Обычно университетские издательства имеют одного учредителя, который является также единственным акционером. Или вообще лишены самостоятельности. Это объясняется небольшой финансово- и фондовооруженностью издательства. Действительно, затраты на оборудование столь малы, что выпускать акции под него не имеет смысла. Основные же активы издательства - квалификация сотрудников, авторитет среди специалистов, выпущенные ранее книги - по существующим методикам оценки материальной ценности не представляют.
УМНАЯ КНИГА - ПРЕДМЕТ ПЕРВОЙ НЕОБХОДИМОСТИ_
РОЛЬ АКЦИОНИРОВАНИЯ В УСПЕШНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УНИВЕРСИТЕТСКОГО ИЗДАТЕЛЬСТВА
(Продолжение на с. 417)
