CC BY
38
УДК 665.7.035.6
Г. И. Дусметова, А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин,
Е. В. Харитонов, А. Ф. Вильданов
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИСАДКИ С НАНОКОМПОНЕНТОМ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ВЯЗКОЙ НЕФТИ
Ключевые слова: нефть, вязкость, присадки, поверхностное натяжение.
Исследованы реологические свойства разработанной присадки на основе полимера - сэвилена с добавлением наноструктурных частиц оксида алюминия. Выявлены закономерности снижения динамической вязкости при температурном диапазоне от 20 до -10 °С. Снижение вязкости обусловлено изменением энергетического состояния поверхностного слоя, что подтверждается исследованием поверхностных свойств, которые были проведены на модельной жидкости - дизельное топливо в диапазоне температур от 25 до 5°С. Максимальная эффективность по снижению поверхностного натяжения от 23,8 до 22 мН/м достигается при концентрации присадки 6 г/т.
Keywords: oil, viscosity, additives, surface tension.
The rheological properties of the developed additive based on polymer - sevylene with the addition of nanostructure alumina particles were studied. The regularities of the decrease in the dynamic viscosity at the temperature range from 20 to -10 ° C have been revealed. Viscosity decreasing is due to the change in the energy state of the surface layer, which is confirmed by the study of the surface properties that were carried out on the model liquid - diesel fuel in the temperature range from 25 to 5 ° C. The maximum efficiency in reducing surface tension from 23.8 to 22 mN / m is achieved at an additive concentration of 6 g / t.
Введение
Характерной особенностью современного этапа разработки нефтяных месторождений является изменение структуры запасов нефтей в сторону трудно извлекаемых и высоковязких. Трубопроводный транспорт таких нефтей и нефтяных эмульсий с повышенной вязкостью сопряжен с существенными затратами, что связано с их реологическими особенностями.
Существует цел комплекс мер, направленных на решение этих проблем. Наиболее эффективный метод повышения пропускной способности трубопровода при сохранении затрат на перекачку является добавление ПАВ, полимеров и их композиций [1].
В данной работе была исследована композиция (присадка), состоящая из наночастиц (20-30 нм), низкомолекулярного полимера и синтетического ПАВ-Реапон-4В [2-3].
Для проведения исследований была выбрана нефть НГДУ "Азнакаевскнефть" ПАО "Татнефть". Данная нефть относится к тяжелым высоковязким нефтям. В статье [4] приведены характеристика изучаемой нефти, составы присадок, исследования зависимостей динамической вязкости от скорости сдвига в диапазоне от 20 до -10 °С.
В ходе исследований была выявлена закономерность, показывающая, что для нефти при скорости сдвига от 0,028 до 1,4 с-1 происходит резкое снижение вязкости от 1800 до 336 мПас. Для нефти с присадкой вязкость снижалась с 1200 до 300 мПас. Для нефти с присадкой, содержащей нанокомпонент - с 600 до 312 мПа*с.
Экспериментальная часть
В осенне-зимний период перекачка нефти осуществляется при более низких температурах, чем 20°С. Научный и практический интерес представляет влияние концентрации и вида присадок на эффек-
тивное снижение вязкости при пониженных температурах, так как перекачка нефти осуществляется в реальных условиях в непрерывном режиме в течение всего года [4,6].
На следующем этапе работы мы проводили исследования при температуре 0°С, для нефти и нефти с присадками. В ходе исследований выявлена закономерность, показывающая, что при скорости сдвига от 0,028 до 1,4 с-1 резко снижается вязкость от 3000 до 2184 мПас для нефти и от 3600до 1860 мПас для нефти с присадкой. Для нефти с присадкой, содержащей нанокомпонент, составляла 3000 до 1884мПа*с. При скорости сдвига от 1,4 до 5,6 с-1 вязкость снижается от 2184 до 2100 мПас для нефти, от 1860до 1752 мПас для нефти с присадкой и от 1884 до 1848 мПас для нефти с присадкой, содержащая нанокомпонент.
Таким образом, эффективность действия присадки, содержащей нанокомпонент убывает с увеличением скорости сдвига, следовательно, энергетические затраты будут расти с увеличением скорости сдвига.
Далее нами были проведены исследования присадок при температуре -5°С. В ходе исследований выявлена закономерность, что при скорости сдвига от 0,028 до 1,4 с-1 происходит снижение вязкости от 4800 до 4104 мПас для нефти. Для нефти с присадкой снижение происходило с 8400 до 3072 мПас. Для нефти с присадкой, содержащей нанокомпонент - с 4200 до 3384 мПа^с.
Также практический интерес представляют исследования эффективности действия присадок при отрицательных температурах и в частности при минус 10 ° С.
Вязкость исходной нефти при температуре -10°С и скорости сдвига 0,028 с-1 равна 9000 мПас. При этой же скорости сдвига и температуре вязкость нефти с присадкой составляет 11400 мПас. Вяз-
кость нефти с присадкой, включающей нанокомпо-нент - 6000 мПас. В ходе исследования выявлена закономерность, что при скорости сдвига от 0,028 до 0,28 с-1 снижение вязкости для нефти происходит с 9000 до 7980 мПас. Для нефти с присадкой - от 11400 до 6180 мПас.
При этих условиях присадка в нефти эффективна при скорости сдвига 0,14 с-1. (эффективность составляет 19,72%) и достигает максимального значе-ния-22,565%. Затем происходит снижение эффективности до 21,56 %.
Присадка с нанокомпонентом эффективна при скорости сдвига 0,028 с-1. Максимальная эффективность равняется 33,3%, далее эффективность снижается и достигает 17,32% при скорости сдвига 1,4 с-1.
Снижение вязкости обусловлено снижением энергии связи межмолекулярного взаимодействия. Характеристикой энергетического состояния нефтяной системы является поверхностная энергия. Наиболее распространённой формой оценки поверхностных сил является поверхностное натяжение.
Измерение поверхностного натяжения проводились на тензиометре KrussK9 методом отрыва кольца в диапозоне температур от 25 до 5°С с использованием модельной жидкости - дизельного топлива (ДТ).
Как видно из рис. 1 в целом наибольший эффект по снижению поверхностного натяжения для присадки на основе сэвилена без нанокомпонента наблюдается при концентрации от 0 до 20 г/т. Дальнейшее увеличение концентрации присадки в дизельном топливе приводит к увеличению поверхностного натяжения.
Рис. 1 - Зависимость изменения поверхностного натяжения ДТ от концентрации присадки без нанокомпонента при температуре от 25°С до 5°С
При 5°С так же наблюдается снижение поверхностного натяжения с 24 до 22,5 мН/м при концентрациях от 0 до 6 г/т, после чего снижение поверхностного натяжения становится менее явным и доходит до 22,3 мН/м при концентрации 20 г/т.
При 10°С снижение поверхностного натяжения составляет от 23,9 до 22,2 мН/м при концентрациях от 0 до 6 г/т, после чего эффективность снижения поверхностного натяжения медленно уменьшается и достигает 22 мН/м при концентрации 20 г/т.
При температуре 20°С снижение поверхностного натяжение аналогично как и при 10 °С, за исключе-
нием того, что при концентрациях до 4 г/т при температуре 20°С поверхностное натяжение ниже чем, при 10°С.
При температуре 25°С резкое снижение поверхностного натяжения наблюдается при концентрациях 0 до 10 г/т с 23,7 до 21,9 мН/м.
.5 23,2
25
24,8
£ Й 24,6
£ с 24,4
24,2
г н 24
о _ 23,9
23,6
С 23,4
23,2
...........
— "" ' 5
I N 4 V. II
V
— ■ ~~
' — .
5С 10[ 201 -25 С
3 10
К 'Н цен р.щи д
Рис. 2 - Зависимость изменения поверхностного натяжения ДТ от концентрации присадки с нанокомпонентом при температуре от 25°С до 5°С
Для присадки с нанокомпонентом наблюдается несколько иная зависимость.
При температуре 5°С наблюдается пологое снижение поверхностного натяжения с 25,02 до 24,84 мН/м при концентрациях от 0,01 до 6 г/т. При концентрациях от 6 до 10 г/т наблюдается более эффективное снижение поверхностного натяжения с 24,84 до 24,2 мН/м и при концентрациях от 10 до 20 г/т снижение поверхностного натяжения происходит до 23,68 мН/м.
При 10°С пологое снижение поверхностного натяжения с 24,92 до 24,7 мН/м при концентрациях от 0 до 6 г/т, после чего эффективность снижения поверхностного натяжения увеличивается с 24,7 до 24,04 мН/м при концентрациях от 6 до 10 г/т и затем вновь пологое снижение поверхностного натяжения до 23,58 и концентрации 20 г/т.
При температуре 20-25°С снижение поверхностного натяжение почти такое же как и при 5-10 °С, за исключением того что при температуре 20-25 °С, поверхностное натяжение ниже чем, при 5-10 °С. Поскольку наночастицы имеют положительно заряженную поверхность, за счет электростатического притяжения происходит взаимодействие отрицательно заряженных частиц ПАВ с положительной поверхностью наночастиц. Происходит частичная адсорбция ПАВ на поверхности наночастиц. Мы предполагаем, что ПАВ, частично связываясь с нанокомпонентом, остается в растворе, а не создает «прочный» поверхностный слой. Это предположение подтверждается начальным участком графика (пологий участок, рис. 2 участок I). Идет адсорбция ПАВ на наночастицах.
По всей видимости, дальнейшее увеличение концентрации ПАВ приводит к снижению поверхностного натяжения, вероятно поверхность наноча-стиц полностью заполнена ПАВ (рис. 2 участок II).
Выдвинутую версию подтверждают данные, представленные на микрофотографиях, снятых на просвечивающем электронном микроскопе НТ 7700
х150к2оот рис. 3, из которых видно, что полученная присадка представляет собой полидисперсную систему, состоящую из ядра наночастиц и адсорбированных на поверхности молекул ПАВ. На рис. 3 представлена частица адсорбированных компонентов выстроенных в цепь, связанных между собой ассоциативными связями и ее структурная единица.
Рис. 3 - Микрофотография присадки с наноком-понентом
Проведенный анализ полученных данных позволил нам предположить механизм действия разработанной присадки, который схематично представлен на рис. 4. Нефть как сложная система состоит из сложных структурных единиц (ССЕ) связанных между собой прочными связями природных эмульгаторов. Присадка, обладая большей адсорбционной активностью, встраивается между молекулами ССЕ, тем самым снижая энергию, удерживающую молекулы ССЕ. Образовавшаяся структура неустойчива и связи между ССЕ разрушаются. Этим и обусловлено снижение вязкости системы.
Рис. 4 - Предполагаемая схема механизма действия присадки
Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- присадка, включающая в свой состав нанораз-мерные частицы А1203 обладает эффективностью по снижению динамической вязкости в температурном диапазоне от 20°С до -10°С при малых скоростях сдвига, с увеличением скорости сдвига эффективность действия присадки уменьшается в данном температурном диапазоне;
- исследования поверхностных свойств показали, что присадка обладает поверхностной активностью;
- сделано предположение, что в присадке с нано-компонентом в процессе ее нахождения в углеводородной среде (дизельной фракции) идет частичная адсорбция молекул ПАВ на поверхности наноча-стиц, что несколько нивелирует эффект.
Благодарность
Исследования проведены на оборудовании лаборатории «Спектроскопии, микроскопии и термического анализа» ЦКП КНИТУ», на просвечивающем электронном микроскопе НТ 7700, проведенные к.х.н., зав. лаб. "СМТА" Р. А.Сафиуллиным
Литература
1. Д.А. Халикова, С.М. Петров, Н.Ю. Башкирцева, Обзор перспективных технологий переработки тяжелых высоковязких нефтей и природных битумов // Электронный научный журнал «Вестник Казанского технологического университета» №2, С.217-221 2013
2.Фахрутдинов Р.З. Низкотемпературные характеристики нефтяных топлив и масел. Методы определения и способы их улучшения. Депрессорные присадки к топливам и маслам: учебное пособие // Р.З. Фахрутдинов, Т.Ф. Гание-ва. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. - 83 с.
3. Башкирцева Н.Ю., Сладовская О.Ю., Куряшов Д.А., Насыйрова А.М. Комплексные технологии повышения нефтеотдачи, подготовки и транспортирования высоковязких нефтей // Журнал «Нефть. Газ. Новации.» №9(164), С. 42-47, 2012г.
4. Дусметова Г.И., Шарифуллин А.В., Харитонов Е.В., Насыппов Д.Р. Разработка вязкостной присадки на основе сэвилена с добавлением нанокомпонента // Вестник Казанского технологического университета. № 22. С. 47-49, 2016 г.
5. Руководство по эксплуатации программируемого вискозиметра Брукфильда DV-П+PRO. -М., 2011. -89 с.
6. Шарифуллин А.В., Байбекова Л.Р., Шарифуллин В.Н., Дусметова Г.И. (2015). Разработка и испытание вязкостной присадки к нефти// Электронный научный журнал «Нефтяная провинция», №3, С. 115-126// [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.vkro-raen.com
© Г.И. Дусметова - аспирант кафедры ХТПНГ, КНИТУ, gusal.dusmetova@mail.ru; А. В. Шарифуллин - профессор кафедры ХТПНГ, КНИТУ, sharifullin67@mail.ru; В. Н. Шарифуллин - профессор кафедры ИК, КГЭУ, sharifullin67@mail.ru; Е. В. Харитонов - студент 4-го курса кафедры ХТПНГ, КНИТУ, kharitonov.eve@list.ru, А. Ф. Вильданов - профессор, заместитель генерального директора АО "ВНИУС", vniius.4lab@mail.ru .
© G. I. Dusmetova - Ph.D student of CTPGP, KNRTU, gusal.dusmetova@mail.ru A. V. Sharifullin - full professor of CTPGP, KNRTU, sharifullin67@mail.ru; V. N. Sharifullin - full professor of EC, KSPEU, sharifullin67@mail.ru, E.V. Kharitonov - student of CTPGP, KNRTU, kharitonov.eve@list.ru, A. F. Vildanov - full professor, Deputy General Director of VNIUS, vniius.4lab@mail.ru.
