CC BY
164
УДК 532.133, 622.69, 534-8
М.А. Ершов, М.С. Муллакаев, Д.А. Баранов МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО УЛЬТРАЗВУКОВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА ВЯЗКОСТЬ НЕФТИ
Представлены результаты экспериментальных исследований по кавитационной обработке высоковязкой нефти для снижения ее динамической вязкости на разработанной лабораторной установке, регрессионные описания изменения вязкости нефти при ультразвуковом воздействии, результаты их математической обработки.
Кавитационная обработка, ультразвук, высоковязкая нефть, математическая обработка
M.A. Ershov, M.S. Mullakaev, D.A. Baranov MATHEMATICAL PROCESSING OF RESULTS OF EXPERIMENTS ON ULTRASONIC INFLUENCE ON THE VISCOSITY OF THE OIL
Presented the results of experimental research on the cavitation treatment of high-viscosity oil in order to reduce its dynamic viscosity on the laboratory setup and the results of their mathematical processing.
Cavitation treatment, ultrasound, high-viscosity oil, mathematical processing
Введение
Современная нефтедобыча характеризуется увеличением доли трудноизвлекаемых нефтей (вязкость выше 50 мПа-с), запасы которых по оценкам специалистов составляют не менее 1 трлн. т. [1]. В настоящее время для снижения затрат на добычу и транспортировку высоковязкой нефти применяют различные способы, такие как горячая перекачка нефти, введение ПАВ и растворителей, термообработка, механическое воздействие, воздействие физическими полями [2]. По мнению отечественных и зарубежных специалистов наиболее перспективными являются воздействия физическими полями (магнитными, ультразвуковыми (УЗ), вибрационными и др.), которые приводят к разрушению структур нефтяных ассоциа-тов, и тем самым снижают вязкость нефти [3].
В работах, посвященных изучению воздействия различными физическими полями на нефть, содержатся противоречивые данные о поведении нефти после её обработки [4], поэтому требуются дополнительные теоретические и экспериментальные исследования по данной проблеме.
Задачами данной работы является: экспериментальные исследования комбинированного воздействия УЗ и химических реагентов на реологические свойства нефти; математическая обработка результатов эксперимента для оценки значимости вклада, как УЗ обработки, так и химических реагентов на изменение реологических характеристик нефти.
Методика лабораторных экспериментов предусматривала порционную обработку в стальном реакторе 200-300 мл нефти, в том числе с введенными реагентами при температуре 50°С, использование преобразователя МСП 1/24, соединенного с генератором MUG 4/18-27
мощностью 4 кВт. Упругие колебания в жидкофазную нагрузку вводились с помощью стержневого волновода с диаметром рабочего торца 28 мм, амплитуда колебаний излучателя составляла 5-10 мкм при частоте 24 кГц. До начала УЗ обработки и после ее окончания осуществлялось термостатирование указанной пробы в течение 30 мин. при температуре 20 С. Динамическая вязкость определялась на измерителе низкотемпературных показателей нефтепродуктов, являющимся ротационным вискозиметром, в котором измеряется крутящий момент при постоянной скорости сдвига - 250 рад/с. Погрешность измерения температуры пробы составляет - 0,2°С, ошибка определения динамической вязкости - 2%.
В работе проведена статистическая обработка полученных экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа, позволившего показать значимость каждого параметра по Стьюденту и адекватность всей математической модели по Фишеру.
Экспериментальная часть
В ходе предварительных экспериментов были установлены оптимальный режимы УЗ обработки нефти: интенсивность УЗ воздействия 10,5 Вт/см , длительность обработки -1 мин. Измерения вязкости проводили при температуре 20°С в течение 72 часов после проведения экспериментов.
На рис. 1-3 представлены результаты серий экспериментов комбинированного воздействия реагентов и УЗ на вязкость исходной нефти. Для описания результатов экспериментов, показанных на рис. 1, 2 использовано уравнение регрессии, параметры a, b, c которого определялись методом наименьших квадратов (табл. 1, 2), значимость каждого параметра устанавливалась по Стьюденту, адекватность уравнений по Фишеру.
ц, мПас
600 500 400 300 200 100
t, час
10 20 30 40 50 60 70 80
т Ї Ї
м 1 4. \ \ , 1 11 І—— — - і і
Ї * - - і
♦ 2 а 3
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости нефти от времени хранения пробы после УЗ обработки нефти и разбавления толуолом: 1 - нефть+2% об. толуола; 2 - нефть+ 2% об. толуола + УЗ;
3 - нефть+4 % об толуола; 4 - 4 % об толуола + УЗ
Таблица 1
Параметры регрессии для 1-й серии экспериментов
№ a b c Fэксп Fтабл
1 577,5 130,8 - 0,011 411,4 6,94
2 504,75 150,2 - 0,025 1074,1 6,94
3 419,36 70,08 - 0,013 1809,1 6,94
4 376,92 128,71 - 0,026 1985,9 6,94
Рис. 2. Зависимость динамической вязкости нефти от времени хранения пробы после УЗ обработки нефти и разбавления ксилолом: 1 - нефть+2% об. ксилола; 2 - нефть + 2% об. ксилола + УЗ; 3 - нефть+4% об ксилола; 4 - 4% об ксилола + УЗ
О 10 20 40 50 60 70 80
Рис. 3. Зависимость динамической вязкости нефти от времени хранения пробы после УЗ обработки нефти и разбавления бутилацетатом: 1 - нефть+2% об. бутилацетата; 2 - нефть+
2% об. бутилацетата + УЗ; 3 - нефть+4% об. бутилацетата; 4 - 4% об. бутилацетата + УЗ
Таблица 2
Параметры регрессии для 2-й серии экспериментов
№ а Ь С 1~эксп Fтабл
1 494,48 74,53 - 0,00998 801,87 6,94
2 444,97 132,98 - 0,075 757,37 6,94
3 392,87 18,47 - 0,029 117,45 6,94
4 401,74 111,06 - 0,026 1097,1 6,94
Таблица 3
Параметры регрессии для 3-й серии экспериментов
№ а Ь с 1~эксп 1~табл
1 484,25 39,57 - 0,040 259,28 6,94
2 443,97 93,64 - 0,081 614,69 6,94
3 412,53 29,22 - 0,029 7038,5 6,94
4 386,19 120,98 - 0,059 709,7 6,94
Возможным объяснением роста вязкости нефти после УЗ обработки является воздействие УЗ на нефтяные системы, которое способно за счет нелинейных акустических эффектов (акустические течения, кавитация) разрушить как первичные (слоисто-пачечные ассоци-аты), так вторичные надмолекулярные образования (мицеллы). Но, как показали эксперименты, в течение 72 часов значение вязкости после УЗ обработки восстанавливает прежнее значение (рис. 1), что объясняется обратным построением надмолекулярных образований. Вместе с тем, совместное применение реагентов и УЗ воздействия более эффективно, когда за счет УЗ воздействия химические реагенты доставляются равномерно по всему объему нефти и препятствуют обратному построению надмолекулярных образований.
Выводы
В результате статистической обработки результатов экспериментов получены регрессионные уравнения, которые описывают изменение вязкости нефти от времени. Данные исследований показывают, что для исходной нефти характерен экспоненциальный рост вязкости после воздействия на неё реагентом и УЗ. Наибольшее снижение вязкости удалось достичь при комбинированном воздействии УЗ и реагента.
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антониади Д.Г., Валуйский А. А., Гарушев А.Р. Состояние добычи нефти методами повышения нефтеизвлечения в общем объеме мировой добычи // Нефтяное хозяйство. 1999. N° 1. С.16-23.
2. Закожурников Ю.А. Транспортировка нефти, нефтепродуктов и газа. Волгоград: Ин-Фолио. 2010. 432 с.
3. Промтов М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов // Вестник ТГТУ. 2008. Т.14. № 4. С.861-869.
4. Лесин В.И. Особенности релаксации вязкости неньютоновской нефти после воздействия градиентами скорости и магнитными полями // Нефтепромысловое дело. 2008. № 1. С.43-46.
5. Фестер Э., Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа. М: Финансы и статистика. 1983. 303 с.
Ершов Максим Анатольевич -
аспирант Московского государственного университета инженерной экологии Муллакаев Марат Салаватович -
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Баранов Дмитрий Анатольевич -
доктор технических наук, профессор, ректор Московского государственного университет инженерной экологии
Статья поступила в редакцию 3.02.12, принята к опубликованию 12.03.12
