CC BY
214
УДК 665.622.43.0666
А. А. Верховых, А. М. Ермеев, А. А. Елпидинский ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТИ ФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Ключевые слова: нефть, подготовка, ультразвук, микроволны, электролиз.
В статье описаны и проиллюстрированы процессы по снижению вязкости нефти физическими методами.
Keywords: oil, preparation, ultrasound, microwave, electrolysis. This article describes and illustrates the processes for reducing the viscosity of oil by physical methods.
Введение
Современное состояние добычи нефти в мире характеризуется увеличением доли вязких и сверхвязких нефтей (СВН) и природных битумов. Запасы высоковязких и тяжёлых нефтей намного больше запасов лёгких и маловязких нефтей и составляют значительную часть предполагаемых к разработке месторождений [1]. Тяжелые нефти, как правило, вязкие. Высокая вязкость и плотность, повышенное содержание высокомолекулярных компонентов (асфальто-смоло-парафинистые)
существенно затрудняют процессы добычи, подготовки на промыслах, транспортировки и переработки такого углеводородного сырья [2].
Парафины (в них входит Сц -С20, выкипающие в интервале от 200 до 350°С, - мягкие, и твердые С20-С35, выкипающие от 350 до 550°С [3]) при снижении температуры перекачиваемого потока образуют в нефти кристаллические решетки. Структура заключает в своих ячейках жидкую фазу и нефть существенно повышает свою вязкость. Поэтому с увеличением содержания парафинов в нефти ее текучесть резко понижается. В среднем, содержание парафинов в нефти составляет от 20-ти до 70-ти %об. [4].
Смолы молекулярно диспергированы в нефтях и не образуют дисперсную фазу, но однако при этом возможно образование смолами ассоциированных комплексов молекул. Следовательно, при большом содержании смол в нефтях и нефтепродуктах за счет ассоциации происходит резкое увеличение вязкости среды.
Меж тем, влияние асфальто-смолистых веществ (АСВ) (количество которых в легкой нефти не более 4 - 5%, в тяжелой - 20% [5]) на низкотемпературные и вязкостные свойства нефтей неоднозначно: с одной стороны, являясь высокомолекулярными веществами и образуя ассоциаты в объеме нефти, эти вещества существенно повышают вязкость и уменьшают текучесть нефтей. С другой стороны, присутствие гетероатомов в структуре асфальто-смолистых веществ сообщает им адсорбционные свойства, таким образом, асфальтены и смолы адсорбируются на кристаллах парафина и обволакивают их, затрудняя, тем самым, образование кристаллической решетки.
Таким образом, можно говорить о различном механизме структурирования нефтей, который обуславливает их вязкость. Наличие значительного содержания парафина при пониженных
температурах приводит к образованию кристаллической фазы, которая связывает жидкие углеводороды нефти, при этом резко происходит увеличение вязкости. Повышенная вязкость нефтей с высоким содержанием АСВ обусловлена их ассоциацией. По этой причине механическая прочность и степень структурирования и нефтяных систем, а также характер изменения этих свойств в значительной степени определяются строением и химическим составом высокомолекулярных компонентов [6 - 8].
В общих чертах можно выделить следующие способы понижения вязкости нефти и нефтяных систем:
1. Тепловые методы;
2. Смешение нефти с растворителями;
3. Добавление в нефть реагентов-депрессаторов и детергентов;
4. Удаление структурообразующих компонентов - смол, асфальтенов, парафинов.
5. Обработка физическими полями.
Первые четыре метода хорошо известны и достаточно широко применяются. Использование же физических полей хоть и имеет давнюю историю, тем не менее, до сих пор сравнительно мало присутствует в нефтяной промышленности.
По большей части, для работ, связанных с физическим воздействием на нефть, не предусмотрено извлечение из нее парафинов, смол или асфальтенов, но рассматривается направленное действие на коллоидное или межмолекулярное взаимодействие структурообразующих
компонентов. Здесь существует бесконечное множество исследований и патентованных разработок, рассматривающих способы применений того или иного излучения или комплекса излучений.
Рассмотрим наиболее характерные работы.
По патенту [9] на поток нефти воздействуют сверхчастотным электромагнитным полем (рисунок 1). На действующий трубопровод 7 с помощью фланцев (8) присоединяют отдельную трубу 1 из диэлектрического материала (напр., фторопласт) с источником электромагнитного излучения. Генератор 3 вырабатывает сверхчастотную энергию, распространяемую через внутреннюю полость волновода 3. Через специальные щели 5 поверхности 4, соприкасающейся с трубой 1, в поток проникает электромагнитное излучение. Переменное магнитное поле в трубе 1 создается источником тока 6 промышленной частоты, например, понижающим трансформатором.
Рис. 1 - Схема воздействия сверхчастотного электромагнитного поля на поток нефти
По мнению авторов, излучение электромагнитными волнами действует на глобулы эмульгированной воды, разогревая их. Вследствие этого, содержащийся на них парафин расплавляется, переходит в нефть и кристаллизуется в объеме, благодаря действию магнитного поля переменного тока. Изобретение предназначено для увеличения срока непрерывной эксплуатации
нефтепромыслового оборудования при перекачке высокообводненных нефтей.
Описанное изобретение отталкивается от работы [10], где воздействие магнитного поля ограничивается кристаллизацией парафинов из нефти и не затрагиваются парафины, которые входят в состав твердых адсорбционных оболочек на глобулах воды.
В работе Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН [11] с помощью акустического воздействия (ультразвука) на некоторое время, достаточное для транспортировки нефти, разрушали длинные молекулы парафина. Известно, что интенсивное акустическое поле инициирует специфические процессы, которые снижают температуру застывания нефти, однако период восстановления (релаксации) реологических свойств составляет всего 2-4 часа. Профессором Остащенко Б. А. предложено акустически обрабатывать нефть в течение 20-30 минут при добавлении в нее воды в количестве 2-3%. В процессе экспериментов использовалась нефть Харьягинского месторождения, содержащая 24% парафина и застывающая при +340С. По результатам обработки вязкость нефти снижается на 58-60%, а время релаксации увеличивается до 10-20 дней. По мнению автора, значительное увеличение периода восстановления системы обусловлено тем, что активные части разорванных молекул парафина некоторым образом блокируются при помощи водорода и гидроксония воды, что существенно замедляет процесс структурирования парафинов.
В патенте [12] предложена следующая конструкция поточного источника ультразвука (рис. 2). Источник включает в себя электронный генератор 1, соединенный с ультразвуковой колебательной системой 3 при помощи электрокабеля 2. Электроэнергия промышленной частоты с помощью электронного генератора преобразуется в электрические колебания
ультразвуковой частоты. В результате этого системой создается в потоке вокруг себя высокоинтенсивное ультразвуковое поле. Интенсивность колебаний должна быть подобрана такой, чтобы на поверхности поточного устройства 4 создались условия для образования кавитаций. Таким образом, в результате совместного воздействия ультразвуковых колебаний и вызванной ими кавитации достигается существенное снижение вязкости нефти.
Рис. 2 - Поточное устройство ультразвукового воздействия на нефть
Кроме того, при работе установки рабочий инструмент нагревается и нагревает вокруг себя перекачиваемую среду. Нагрев среды идет как при помощи теплопередачи с излучателя, так и за счет сил трения жидкости о излучатель. Всё это, естественно, также снижает вязкость. В результате этого вокруг рабочего инструмента создается область жидкости с пониженной вязкостью 7, легко откачивающаяся с применением традиционных насосных установок. Откачивание обработанной жидкости производится через торцевой 5 и радиальные каналы 6.
Также излучатель препятствует отложению парафина на стенках трубопровода, резервуаров, что снижает сопротивление при движении потока и снижает энергозатраты на перекачивание жидкости.
Между тем, в статье [13] подчеркивается, что специфическое воздействие ультразвука
наблюдается исключительно при небольших мощностях облучения. Более интенсивные активируют тепловые и кавитационные процессы, приводящие к разрыву связей в молекулах углеводородов. Это может быть нежелательным явлением, потому как изменяется химический и фракционный состав нефти. В своей работе исследователи обрабатывали нефть с одной из скважин ООО "Татнефть-Самара", содержащей около 15-16% асфальтенов. Из публикации можно извлечь следующее. Специфические воздействия ультразвукового облучения низкой интенсивности воздействия позволяют снижать вязкость лишь при относительно высоких температурах и больших скоростях сдвига. Этот момент и то, что маломощное воздействие на различных нефтяных системах по-разному проявляет себя, позволяет назвать данный метод высокочувствительным и в связи с этим не позволяет его рекомендовать в промышленных условиях, так как положительный результат будет мало предсказуем и, вероятно, неуловим. Фактически, даже в лабораторных условиях понижение вязкости обработанной слабым ультразвуком нефти нельзя назвать значимым.
В работе [14] также предлагается акустическое воздействие, которое не приводит к химическим изменениям нефтяных компонентов.
Авторы предлагают повышать эффективность перекачивания высоковязких нефтей за счет воздействия акустическим многочастотным сигналом с двумя или более монохроматическими составляющими. Частота и амплитуда указанных составляющих должны удовлетворять условию перекрытия резонансов. Для увеличения расхода жидкости воздействие должно осуществляться в процессе перекачки.
Физический механизм, лежащий в основе предлагаемого способа, заключается в применении флуктуационно-диссипационных соотношений для жидкостей. Акустическое воздействие
многочастотным сигналом, также, как и воздействие широкополосным многочастотным сигналом со сплошным спектром частот, приводит к увеличению потока жидкости за счет уменьшения гидравлического сопротивления потоку жидкости в трубе. И широкополосное, и многочастотное воздействие с параметрами сигнала, удовлетворяющими вышеуказанному условию, приводят к стохастизации поля скорости флюида. Это обеспечивает прямое воздействие возбуждающего сигнала на среднюю скорость потока жидкости в трубопроводе.
Другим способом акустического воздействия является использование роторно-пульсационного акустического аппарата (РПАА). Это вертикальный аппарат, в котором ряды неподвижных лопаток статора чередуются с вращающимися лопатками ротора. При вращении ротора в аппарате происходят акустические колебания и, дополнительно, присутствует механическое воздействие. Работы с данным аппаратом давно ведутся в лабораториях
ФГБОУ ВПО КНИТУ и его многократно испытывали в процессах подготовки нефти, например, при деэмульгировании нефтяных эмульсий и при обессоливании нефтей. В этих работах [15, 16] отмечался достаточно неплохой эффект от аппарата в указанных процессах, но эффект проявлялся лишь на легких нефтях и легко разделяемых эмульсиях.
В статье [17] РПАА применяется для снижения вязкости тяжелой нефти НГДУ "Елховнефть". Показано, что в зависимости от времени обработки нефти в аппарате (1, 3 ,5 минут), вязкость ее снижается в пределах от 18 до 35%. Но, несмотря на заявленный эффект, работа РПАА вызывает достаточно много вопросов. Не связано ли понижение вязкости с разрывом молекул углеводородов и изменением состава нефти? Достаточно ли долго сохраняется пониженная вязкость? Каково время восстановления нефтяной системы? Способен ли сам аппарат находится в режиме непрерывной работы в течении нескольких месяцев?
В работе [18] предлагается снижение вязкости нефти и нефтепродуктов с высоким содержанием смол, асфальтенов и парафинов, путем комплексного воздействия ультразвукового излучения и микроволновой энергии.
Установка (рисунок 3) включает в себя секцию микроволновой обработки, состоящей из круглого волновода 1, который через окна связи 2 связан с магнетронными генераторами, подающими микроволновую энергию. Сами магнетронные генераторы подключены к рупорным излучателям 3, установленным на круглом волноводе с коаксиально расположенной внутри него трубой 4 из радиопрозрачного материала. Также установка содержит модуль ультразвуковой обработки с цилиндрическими магнитострикционными
излучателями 5. Внутрь каждого излучателя запрессован металлический стакан. Стаканы сваркой соединены в трубу 6. Трубы 4 и 6 стыкуются через фланец 7.
Рис. 3 - Схема комплексного воздействия на нефть в трубопроводе
Установка работает в непрерывном режиме. Перекачиваемый поток нефти последовательно протекает через область микроволнового воздействия, а затем через зону ультразвукового воздействия. Впрочем, по мнению авторов это не
является принципиальным моментом и обработка может производиться в обратной
последовательности.
Асфальтены в нефти находятся в коллоидном состоянии. Полярные компоненты смол, адсорбируясь на поверхности частиц асфальтенов, образуют сольватные оболочки, способствующие объединению асфальтеновых частиц в крупные агрегаты. В микроволновом поле дипольные молекулы смол совершают колебательные движения, что приводит к появлению термоупругих напряжений в сольватной оболочке, которые вызывают понижение ее прочности и разрушение. В результате этого процесса вероятность слипания асфальтеновых ядер в крупные агрегаты уменьшается и, как следствие, уменьшается вязкость.
Здесь, как и было описано выше, при акустическом воздействии возникают
кавитационные эффекты, роль которых заключается в препятствии образования крупных ассоциатов и диспегировании уже существующих до более мелких образований. Совместная обработка нефти микроволновым полем и ультразвуком, по мнению авторов позволяет существенно снижать ее вязкость, и низкое ее значение будет сохраняться в течение значительного промежутка времени - в течении нескольких суток.
По данным авторов, вязкость нефти снижается от 20 до 30%.
Касаясь возможности микроволнового воздействия, важно отметить работу [19]. В ней авторы осуществляли воздействие непосредственно на выделенные из нефти парафины: а) микроволновым методом; б) автоклавным.
При микроволновом воздействии один цикл заключался в микроволновом облучении парафинов при 1 атм. мощностью 1100 Вт в течение 20-ти минут. Температура облучаемой среды поднималась до 1200С.
При автоклавном воздействии парафины выдерживались в автоклаве под давлением 7,4-7,6 кг/см2 и температуре 170-1750С в среднем 10 минут. Далее горячая смесь фильтровалась и осушалась при температуре 120-1300С. Это один цикл автоклавной обработки.
По итогам проделанных опытов видно, что микроволны не дают существенного для промышленности результата по снижению вязкости, а автоклавная обработка по своей реализации, аппаратурному оформлению и экономической составляющей столь близка к термокрекингу, что вряд ли может быть применена на промыслах.
Еще одним вариантом физической обработки является электролиз.
Использование электролиза для понижения вязкости рассматривается в работе [20]. При электролизе под действием переменного тока при соблюдении условий низкочастотного
электрохимического резонанса наблюдается разрушение тяжелых компонентов нефти. При этом, как свидетельствуют авторы работы, вязкость нефти снижается не менее, чем в три раза.
Работа электролизера следующая. Исходная нефть (рисунок 4) подается в буферную емкость 1, из которой поступает в рабочую электролизную камеру 9, ограниченную защитными ионитовыми мембранами 4 и 5, исключающими попадание продуктов деструкции электродов 3 и 6 в обрабатываемую нефть, образующиеся газообразные продукты удаляются из зоны реакции в газгольдер 2. После обработки нефть сливается в буферную емкость 10. Питание асимметричным, переменным током осуществляется блоком питания 11.
Рис. 4 - Устройство электролизной установки Заключение
Физические методы воздействия на нефтяные системы вызывают давний интерес у исследователей. Заманчивость и идея данных методов заключается в том, что при однократном монтаже некоего излучателя на аппарате или трубопроводе, далее потребуется лишь обеспечивать его электричеством и проводить периодическое техническое обслуживание. В действительности же, из всего широкого спектра методов на нефтепромыслах широкое применение нашло лишь электрическое поле в установках-электродегидраторах. Как показывает опыт, остальные воздействия - магнитные, акустические, микроволновые - крайне чувствительны к составу нефти и оптимальный режим работы излучателя, подобранный для конкретной нефти, может существенной потерять в эффективности при изменении любого из факторов - обводненности нефти, содержания АСВ, парафинов, металлоорганических соединений. Кроме того, вызывает опасения стабильность работы довольно энергоемких излучателей на потоке.
Литература
1. Сверхвязкая нефть // Интернет-ресурс: М1р://%г№мг.Ъеп2о1.га/пе%г8/?1(1=219015
2. Судыкин А.Н. Исследование и разработка технологий разделения устойчивых водонефтяных эмульсий с применением физических методов. - Б., 2013г.
3. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд-е 2-е, М.: Химия, 1975
4. Проскуряков, В.А. Химия нефти и газа: учебное пособие для вузов / В.А. Проскуряков, А.Е. Драбкин. -Л.: Химия, 1981. - 359 с.
5. Глаголева, О.Ф. Технология переработки нефти: в 2 частях. Ч.1 / О.Ф. Глаголева, В.М. Капустин. - М.: Химия, 2006. - 400 с.
6. Сюняев З. И. Нефтяные дисперсные системы / Сюняев З. И., Сафиева Р. З., Сюняев Р. З.-М. : Химия, 1990.- 226 с.;
7. Поконова Ю. В. Химия высокомолекулярных соединений нефти. -Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980.172 с.
8. Сафиева Р. З. Физикохимия нефти. Физико-химические основы технологии переработки нефти. -М.: Химия, 1998.- 448 с.
9. Хакимов В.С., Саяхов Ф.Л., Арутюнов А.И. и др. Пат. РФ, 857443. Способ депарафинизации нефти, 1981.
10. Губанов Б.Ф. и др. Исследование влияния электромагнитных полей на интенсивность отложений парафина в нефтесборных коммуникациях. -"Нефтепромысловое дело", 1978, №1, М., ВНИИОЭНГ, с .23-35.
11. Остащенко Б.А. Изменение реологических свойств нефти \\ Вестник КТУ, №4, апрель 2007. -С. 2-3.
12. Цыганок С.Н., Шалунов А.В., Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Барсуков Р.В., Хмелев М.В., Абраменко Д.С.Пат. РФ, 2346206. Способ перекачивания вязких жидкостей.
13. И.Н.Евдокимов,Н.Ю.Елисеев, А.А.Фесан. Изменение реологических свойств высоковязкой
структурированной нефти при ультразвуковой обработке // Ученые записки физического факультета, 2014, №6.
14. Коротеев Д.А., Журавлев О.Н., Попов К.И. Пат. РФ, 2350830. Способ транспортировки по трубопроводу вязких нефтей и нефтепродуктов.
15. Садриев, А.Р. Изучение влияния механико-акустического воздействия на процесс обезвоживания нефти / А.Р. Садриев, А.А. Гречухина, Р.Ф. Хамидуллин // Технология нефти и газа. - 2008. - №3. - С. 42-46
16. Фаррахова, Л.И. Изучение возможности использования роторно-пульсационного акустического и микроволнового аппаратов в схемах подготовки нефти / Л.И. Фаррахова, А.А. Гречухина, А.А. Елпидинский // В материалах конкурса IX Республиканской школы студентов и аспирантов «Жить в XXI веке». - Казань: Изд-во КГТУ. - 2010. -С. 117-118.
17. Ганиева Т.Ф., Фахрутдинов Р.З, Механо-акустическое воздействие на высоковязкую нефть // Вестник КТУ, 2015г., №1 - С .211
18. Ильин С. Н., Захаров А. П., Бекишов Н. П., Белоконева Н.В., Сироткин О. Л. Пат. РФ, 2382933. Устройство для снижения вязкости нефти и нефтепродуктов при помощи комплексного воздействия микроволновой энергии и ультразвукового излучения.
19. Fabio J.B. Brum, Sandro C. Amico, Ivo Vedana, Jaime A. Spim Jr. Microwave dewaxing applied to the investment casting process, Elsevier B.V., Journal of materials processing technology 2 0 9 (2009) 3166-3171.
20. Образцов С.В., Орлов А. А.Пат. РФ, 2436835. Способ снижения вязкости сырой нефти в потоке и устройство для его реализации.
© А. А. Верховых - студент каф.химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, stasechka-best@mail.ru; А. М. Ермеев - аспирант той же кафедры, arthur.ermeev@mail.ru; А. А. Елпидинский - доцент той же кафедры, sinant@yandex.ru.
© A. A. Verhovyh - a student of Department of Chemical Technology of Oil and Gas Processing KNRTU, stasechka-best@mail.ru; А. М. Ermeev - graduate student of department of chemical engineering oil and gas refining KNRTU, arthur.ermeev@mail.ru; А. А. Elpidinskiy - Ph.D., associate professor of department of chemical engineering oil and gas refining KNRTU, sinant@yandex.ru.
