CC BY
53
УДК 553.982
© А.Н. Гульков, В.Д. Лапшин, A.A. Морозов, А.В. Никитина, Е.Г. Автомонов, 2014
А.Н. Гульков, В.Д. Лапшин, А.А. Морозов, A.B. Никитина, Е.Г. Автомонов
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВЫПАДЕНИЯ ПАРАФИНОВ И ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ НА СТЕНКАХ ПРОМЫСЛОВЫХ И МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
В настоящее время утилизация попутного нефтяного газа посредством трубопроводного транспорта газонасышенной нефти на нефтеперерабатывающие заводы существенно затруднена такими проблемами, как выпадение парафинов на стенках трубопроводов из горячей нефти, образование парогазовых пробок и высокими, как капитальными, так и эксплуатационными затратами. В работе представлена технология, позволяющая преодолеть указанные проблемы за счет низкотемпературного транспорта газонасышенной нефти в форме углеводородной гидратсодержашей дисперсной системы.
Ключевые слова: низкотемпературный трубопроводный транспорт газонасышенной нефти, утилизация попутного нефтяного газа, парафиновые отложения, аналогия Чилтона - Колбурна, снижение капитальных и эксплуатационных промысловых затрат
Отложение парафинов на поверхности промысловых и магистральных нефтепроводов является одной из основных проблем современной нефтегазовой отрасли [1,
2, 3, 4].
При снижении температуры пластовой жидкости до температуры начала кристаллизации парафинов (ТНКП) она превращается из гомогенной системы в гетерогенную жидкость -твердый парафин (рис. 1) [4, 5].
Для предотвращения выделения, и соответственно, последующего отложения парафинов на каких либо поверхностях, пластовую нефть обычно подогревают выше ТНКП, либо применяют дорогостоящие и экологически опасные добавки, которые снижают ТНКП в нефти. Очевидно, что оба вышеперечисленных способа имеют существенные недостатки, проявляющиеся в повышении, как капитальных, так и эксплуатационных затрат и негативного влияния на окружающую биосферу. При этом, начиная с начала 70-х годов прошлого столетия
tiил
lí.DW
ида
10.Ю
«ra
"S tm
o.
= ipx
| tt№ | ««
•дао w 2ЯВ 1ДВ
XO О ЯО ФОО «f! IfO 1 /№
T«mp«nturt (F)
Рис. 1. Линии выделения парафинов из нефти в координатах Р-Т [4]
[1, 6, 7], и даже ранее [3, 8] исследованиями многих ученых была выявлена закономерность, что отложения парафинов на каких либо поверхностях наблюдаются лишь в тех случаях, когда температура поверхностей существенно ниже температуры перекачиваемой нефти [9].
Количественно данное явление хорошо аппроксимируется посредством теории аналогии физических моделей теплопередачи и молекулярной диффузии, которая носит название аналогии Чилтона - Колбурна [3]. На рис. 2 показаны температурные и концентрационные профили потока нефти в трубопроводе и направление потока парафинов, растворенных в нефти.
Из рис. 2 очевидно, что концентрационный поток парафинов от центра трубопровода к его периферии обусловлен температурным градиентом. При этом, согласно аналогии физических моделей теплопередачи и молекулярной диффузии Чил-тона-Колбурна температурные и концентрационные градиенты взаимосвязаны [3].
Для предотвращения описанного выше явления предложен способ низкотемпературной транспортировки различных углеводородных парафинсодержащих систем, который кроме устранения проблем, связанных с парафиновыми отложениями на стенках трубопроводов, позволяет связать попутный нефтяной
Линия
выделения
парафинов
\
]
Линия насыщения нефти
Линия
uz3 J 0 гидратообразования
Рис. 2. Температурные и концентрационные профили потока нефти в трубопроводе [9]
газ (ПНГ) и пластовую волу в газогилратную мелкодисперсную фазу [10, 11]. Конверсия пластовой жидкости (ПЖ) в углеводородную гидратсодержашую дисперсную систему (УГДС), в которой дисперсионной средой является пластовая нефть, а дисперсной фазой частицы парафинов и газовых гидратов, позволяет эффективно организовать транспортировку из нефтепромыслов ПНГ и снизить затраты на промысловую подготовку нефти к трубопроводному транспорту. При низкотемпературной конверсии пластовой нефти в УГДС, выделяющиеся из нее парафиновые и газогидратные фрагменты, диспергируются рабочим органом циркуляционного насоса до состояния пудры (рис. 3) и не создают проблем при движении в трубопроводе [12].
Рис. 3. Дезинтеграция парафиновых и газогидратных фрагментов до состояния пудры [12]
Предложенная технология может быть реализована посредством представленной ниже установки, которая позволяет обеспечить низкотемпературную конверсию в УГДС пластовой жидкости (ПЖ), за счет охлаждения последней в теплообменниках испарителей (ИП). Охлаждение ПЖ в ИП
достигается за счет холодильной установки, которая состоит из компрессора (КМ), конденсатора (КД) и непосредственно ИП, в которых проходит процесс конверсии ПЖ в УГДС (рис. 4).
Очевидно, что в отличие от защищенного от парафиновых отложений трубопровода, в котором, как было сказано
выше, предварительно Рис. 5. Процесс «старения» парафино- „
охлажденная пластовая
вык отложении, проходяшии за счет
диффузионного механизма изменения нефть не может создать его компонентного состава [9] температурного гради-
ента со стенкой трубопровода, теплообменная поверхность испарителя холодильной машины в реакторе будет находиться под фактором воздействия температурного градиента, который неизбежно запустит механизм образования парафиновых отложений. По этой причине теплообменная поверхность испарителя должна периодически очишаться, причем как можно чаше, т.к. парафиновые отложения со временем, в результате, так называемого явления «старения», меняют свой компонентный состав. Парафины с большим числом атомов углерода в молекулах замешают парафины с меньшим числом атомов (рис. 5), что влечет повышение плотности, прочности парафиновых отложений и снижение теплопроводности [9].
Таким образом, представленная выше технология позволяет снизить затраты на промысловую переработку пластовой нефти, которая в настояшее время отвлекает до 50 % всех капитальных затрат отрасли [13, 14].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Barry G. 1971. Pumping non-Newtonian waxy crude oils. J. Inst. Pet. 57 (554), pp. 76-85;
2. Bott, T. R.; Gudmundsson, 1977, Deposition of Paraffin Wax from Kerosene in Cooled Heat Exchanger Tubes J. S. Can. J. Chem. Eng., 55, 381.
3. Chilton T.H., A.P. Colburn «Mass Transfer Coefficients Prediction from Data on Heat Transfer and Fluid Friction» Ind. Eng. Chem. 1934.
4. Evaluation of Wax Deposition and Its Control During Production of Alaskan North Slope Oils. DOE. USA. Final Report. 2008.
5. Кривоносое И.В., Балакирев Ю.А. Освоение, исследование и эксплуатация многопластовых скважин. М. Недра. 1975.
6. Bott, T. R.; Gudmundsson, 1977, Deposition of Paraffin Wax from Kerosene in Cooled Heat Exchanger Tubes J. S. Can. J. Chem. Eng., 55, 381.
7. Patton, C. C., Casad, B. M., 1970, Paraffin Deposition From Refined Wax- Solvent System Soc. Pet. Eng. J., 10 (1), 17.
8. Wilke C. R. and Chang P. Correlation of Diffusion Coefficients in Dilute Solutions. 1955.
9. Singh P., Venkatesan R., Fogler S. Formation and Aging of Incipient Thin Film Wax-Oil Gels. Dept. of Chemical Engineering, University of Michigan. 2000.
10. Лапшин В.Д., Гульков А.Н. Сохранение попутного нефтяного газа за счет рациональной технологии промысловой переработки пластовой нефти.// Горный информационно-аналитический бюллетень. Выпуск 3/ (научно-технический журнал) — 2013. С. 40-49.
11. Гульков А.Н., Лапшин В.Д., Лебедев А.Н., Никитина А.В., Васяно-вич Ю.А. Низкотемпературный трубопроводный транспорт попутного газа совместно с нефтью.// Горный информационно-аналитический бюллетень. Выпуск 3/ (научно-технический журнал) — 2013. С. 34-45.
12.Larsen R. Hydrates in petroleum production, 2002.
13.Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. - М.: Недра, 1977. - 192 с.
14. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. Монография / Казань: Фэн, 2000. — 416 с. ГГ7ТЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гульков Александр Нефедович — доктор технических наук, профессор, alexdvgtu@mail.ru,
Лапшин Виктор Дорофеевич — cryolab@mail.ru, Морозов Алексей Андреевич — ассистент,
Никитина Анна Владимировна — кандидат географических наук, доцент, Автомонов Евгений Геннадьевич — заведующий лабораторией, Дальневосточный федеральный университет, Инженерная школа.
PREVENTING LOSS OF PARAFFIN AND GAS HYDRATES ON THE WALLS OF COMMERCIAL AND PIPELINES
GolikovA.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, alexdvgtu@mail.ru, Lapshin V.D., cryolab@mail.ru, MorozovA.A., Assistant,
Nikitina A.V., Candidate of Geographical Science, Professor,
Avtomonov E. G., Head of the laboratory,
Far Eastern Federal University, School of Engineering.
Currently, utilization of associated petroleum gas by pipeline transport of gas-saturated oil to refineries greatly impeded problems such as wax deposition on the walls of piping hot oil, steam and gas formation and high congestion, both capital and operating costs. This paper presents a technology that allows to overcome these problems at the expense of low-temperature gas-saturated oil transport in the form of hydrocarbon hydrate disperse system.
Keywords: low-temperature gas-saturated oil pipeline transportation, utilization of associated petroleum gas, paraffin deposits, analogy Chilton — Colburn, reducing capital and operating costs of oil pro-duction.
REFERENCES
1. Barry G. 1971. Pumping non-Newtonian waxy crude oils. J. Inst. Pet. 57 (554). Pp. 76-85.
2. Bott, T. R.; Gudmundsson, 1977, Deposition of Paraffin Wax from Kerosene in Cooled Heat Exchanger Tubes J. S. Can. J. Chem. Eng., 55, 381.
3. Chilton T.H., A.P. Colburn «Mass Transfer Coefficients Prediction from Data on Heat Transfer and Fluid Friction» Ind. Eng. Chem. 1934.
4. Evaluation of Wax Deposition and Its Control During Production of Alas-kan North Slope Oils. DOE. USA. Final Report. 2008.
5. Krivonosov I.V., Balakirov Ju.A. Osvoenie, issledovanie i jeks-pluatacija mnogoplastovyh skvazhin (Exploration, research and exploitation multilayer wells). Moscow, Nedra. 1975.
6. Bott, T. R.; Gudmundsson, 1977, Deposition of Paraffin Wax from Kerosene in Cooled Heat Exchanger Tubes J. S. Can. J. Chem. Eng., 55, 381.
7. Patton, C. C., Casad, B. M., 1970, Paraffin Deposition From Refined Wax- Solvent System Soc. Pet. Eng. J., 10 (1), 17.
8. Wilke C. R. and Chang P. Correlation of Diffusion Coefficients in Dilute Solutions. 1955.
9. Singh P., Venkatesan R., Fogler S. Formation and Aging of Incipient Thin Film Wax-Oil Gels. Dept. of Chemical Engineering, University of Michigan. 2000.
10. Lapshin V.D., Gul'kov A.N. Sohranenie poputnogo neftjanogo gaza za schet ra-cional'noj tehnologii promyslovoj pererabotki plastovoj nef-ti.// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. Vypusk 3/ (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2013, pp. 40-49.
11. Gul'kov A.N., Lapshin V.D., Lebedev A.N., Nikitina A.V., Vasjano-vich Ju.A. Niz-kotemperaturnyj truboprovodnyj transport poputnogo gaza sovmestno s neft'ju.// Gornyj in-formacionno-analiticheskij bjulleten'. Vypusk 3/ (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2013, pp.
12. Larsen R. Hydrates in petroleum production, 2002.
13. Lutoshkin G.S. Sbor i podgotovka nefti, gaza i vody (Collection and preparation of oil, gas and water). Moscow, Nedra, 1977, 192 p.
14. Tronov V.P. Promyslovaja podgotovka nefti (Commercial oil preparation). Mono-grafija / Kazan', Fjen, 2000, 416 p.
34-45.
