CC BY
32
УДК 622.692
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-6-05-09
ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ОТ ОТЛОЖЕНИЙ НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ НЕФТИ
CURRENT STATE AND PROSPECTIVE DIRECTIONS OF RESEARCH IN THE FIELD OF ULTRASONIC CLEANING OF DEPOSITS AT OIL TRANSPORT AND STORAGE
Р.А. Хурамшина, А.Р. Валеев
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9767-9627, E-mail: Khuramshina.regina@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru
Резюме: Статья посвящена вопросам применения ультразвука на объектах транспорта и хранения нефти для удаления ас-фальтосмолистых и парафиновых отложений. Сформулирована классификация методов удаления асфальтосмолистых и парафиновых отложений в скважинах, трубопроводе и резервуаре. Представлен обзор научных работ по применению ультразвука и ультразвуковых установок для изменения основных физико-химических характеристик нефти и очистки резервуаров. На основе проведенного анализа сформулирован перечень экспериментальных исследований, которые необходимо выполнить для дальнейшего формирования научно-технической базы по применению ультразвукового воздействия для удаления отложений.
Ключевые слова: ультразвук, асфальтосмолистые и парафиновые отложения, нефть, резервуар, нефтепровод.
Для цитирования: Хурамшина Р.А., Валеев А.Р. Текущее состояние и перспективные направления исследований в области ультразвуковой очистки от отложений на объектах транспорта и хранения нефти // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 5-6. С. 5-9.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-6-05-09
Regina A. Khuramshina, Anvar R. Valeev
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9767-9627, E-mail: Khuramshina.regina@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru
Abstract: The article is devoted to the use of ultrasound in oil transportation and storage facilities for removing asphalt-tar and paraffin deposits. A classification of methods for removing asphalt-tar and paraffin deposits in wells, pipelines, and tanks is formulated. The review of scientific works on the use of ultrasound and ultrasonic installations for changing the main physical and chemical characteristics of oil and tank cleaning is presented. Based on the analysis, a list of experimental studies that need to be performed for the further formation of the scientific and technical base for the use of ultrasound exposure to remove deposits is formulated.
Keywords: asphalt-resinous paraffin deposits, oil, ultrasound, tank, oil pipeline.
For citation: Khuramshina R.A., Valeev A.R. CURRENT STATE AND PROSPECTIVE DIRECTIONS OF RESEARCH IN THE FIELD OF ULTRASONIC CLEANING OF DEPOSITS AT OIL TRANSPORT AND STORAGE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 5-6, pp. 5-9.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-6-05-09
В силу истощения запасов относительно легкой нефти постоянно увеличивается объем добываемой и транспортируемой высоковязкой и высокозастывающей нефти. Значительная ее часть отличается большим количеством асфальтосмолистых и парафиновых соединений (АСПО), которые формируют отложения на объектах транспорта и хранения нефти. АСПО вызывает уменьшение проходного сечения трубопровода и полезного объема резервуаров, снижая их эффективное использование.
Так, на данный момент на определенных нефтепроводах уже является обязательным применение очистных снарядов не реже одного раза в три месяца, а на некоторых особо подверженных нефтепроводах эту частоту приходится увеличить до одного раза в две недели. Аналогичная ситуация и с резервуарами: АСПО формируют твердый остаток, который уменьшает полезный объем, заставляя выводить их из эксплуатации для очистки. При этом основной проблемой, связанной с АСПО, является их высокая механическая прочность и стойкость к химическим методам очистки.
Стоит констатировать, что сейчас на объектах трубопроводного транспорта нефти отсутствуют одновременно
высокоэффективные, доступные и безопасные методы удаления АСПО.
В настоящее время как в России, так и за рубежом для контроля АСПО и последствий их нахождения в трубопроводе существуют и активно применяются несколько наиболее известных методов, которые позволяют с определенной эффективностью предупредить или устранить данную проблему (рис. 1). Но ужесточающиеся требования по безопасности, экологичности и экономичности требуют новых решений. Это заставило многих ученых искать более альтернативные методы разрушения АСПО при транспорте и хранении нефти [1].
Выбор рациональных и оптимальных способов борьбы с АСПО и оценка эффективности различных методов зависит от многих факторов, в частности от фракционного состава твердых углеводородов в нефти, ее физических и реологических свойств, температуры, продолжительности парафи-низации, конструктивных особенностей трубопровода (особенно морских месторождений) и др. При выборе метода удаления отложений нужно обязательно учитывать его технические характеристики и характеристики трубопровода.
Рис. 1. Методы удаления АСПО
Тепловые
Горячая нефть
Горячая вода
Острый пар
Индукционный нагрев
Реагенты, при взаимодействии с которыми протекают экзотермические реакции
Механические методы очистки магистральных нефтепроводов от отложений предусматривают применение очистных устройств. Но существующий метод очистки не дает высоких результатов, за исключением пропуска скребков на линейной части магистральных нефтепроводов, где высокие скорости потока позволяют обеспечить необходимые усилия воздействия на плотные слои АСПО, а частота пропусков препятствует образованию отложений большой толщины [2].
При непрохождении скребков для удаления АСПО применяют альтернативные методы - тепловые либо химические. Но при химическом способе очистки нефтепроводов используются дорогостоящие реагенты, способные понизить температуру застывания и вязкости парафиновых отложений. Химические методы могут быть связаны с высокими рисками из-за их горючести, высокой стоимости, необходимости закачки больших объемов реагентов. Кроме того, данный способ удаления АСПО загрязняет окружающую среду и несет с собой огромный объем нефтеотходов, что создает в дальнейшем проблемы, связанные с их транспортировкой и захоронением. Еще одним недостатком метода является образование большого количества нефтешлаков, подлежащих утилизации [3, 4].
Тепловые методы основаны на способности парафина плавиться при температурах выше 50°С и стекать с нагретой поверхности. Осаждение парафина сильно зависит от температуры, поэтому термические методы могут быть очень эффективны как для предотвращения, так и для устранения АСПО [5, 6]. В настоящее время используются технологии применения горячей воды или нефти в качестве теплоносителя, острого пара и электропечей. Но тепловые методы могут быть небезопасными, а зачастую и экономически нецелесообразными для борьбы с АСПО.
Упомянутые выше методы включают ряд недостатков: значительные материальные затраты, имеют низкую эффективность и приносят большой вред окружающей среде. В связи этим в настоящее время разрабатывается новый, более эффективный метод удаления отложений из нефтепроводов и резервуаров с применением ультразвукового воздействия, который поможет по-иному подойти к данной проблеме и альтернативно ее решить. Применение ультразвуковой кавитации позволит разрушать АСПО в объектах транспорта и хранения нефти, восстанавливая их проектные параметры, при этом без негативного влияния на экологию или прочность конструкции. Таким образом, экономический эффект от использования данного метода будет исчисляться миллиардами рублей.
Методы удаления АСПО
в скважине
Тепловые Механические Химические Другие
Колонные электронагреватели Скребки с лебедкой Промывка горячей нефтью с добавлением ПАВ Ультразвук
Электронный способ Разбуривающие устройства Растворители и ингибиторы Магнитная обработка
в трубопроводе
Механические
Химические
Очистные устройства
Закачка растворителей и ингибиторов
в резервуаре
Тепловые Механические Химические Другие
Горячая вода Механическая Растворители Биотехнологии
Острый пар зачистка Ультразвуковые
Комбинированные
Химико-механические
Химико-гидравлические
Химико-тепловые
В настоящее время исследования по удалению АСПО с помощью ультразвука выполняются, как правило, в зарубежных странах вследствие доступности передовых технологий. Но общее число работ, направленных на ультразвуковое удаление отложений из нефтепроводов и резервуаров, относительно невелико, и большая часть исследований направлена на улучшение реологических свойств нефти. Их обзор представлен ниже.
Авторами работы [7] рассмотрено использование ультразвукового оборудования для повышения нефтеотдачи пластов. Оборудование, разработанное для реализации модифицированной акустической технологии, состоит из наземного и забойного оборудования. Наземное оборудование включает модернизированный ультразвуковой генератор TS10W мощностью 10 кВт. Скважинное оборудование включает сонотрод PSMS-42 и регистратор геофизических данных (температура, давление, расход). Оборудование было успешно испытано в двух регионах в Самарской области и Западной Сибири - с разными климатическими условиями.
Влияние ультразвукового воздействия на вязкость и температуру застывания нефтей различного компонентного
состава исследовано в работе [8]. Показано, что эффективность обработки возрастает при снижении содержания парафиновых компонентов нефти и зависит от времени облучения. Так, к примеру, вязкость парафинистой аль-метьевской нефти, которую обрабатывали в течение 15 мин, снижается при 10 °С в шесть раз, а градиент температуры застывания составляет 16 °С.
В работах [9, 10] исследовано влияние ультразвуковой и термической обработки на вязкостно-температурные характеристики нефти Усть-Тегусского месторождения. Выявлено, что после ультразвуковой обработки пластическая вязкость обработанной нефти снизилась в 1,7 раза, а температура застывания - на 32°С.
В работе [11] исследован факт изменения реологических характеристик образцов сырой нефти после ультразвуковой обработки при различных эксплуатационных и технологических параметрах для различных скоростей сдвига.
Авторами [12] было получено, что применение источника мощного ультразвука в рассмотренной скважине позволяет увеличить добычу в полтора раза, а при комбинировании с химической обработкой может быть достигнуто среднее увеличение производительности почти в три раза.
Следует отметить, что сам по себе ультразвук, хоть и является наиболее распространенным методом снижения вязкости и температуры застывания тяжелых нефтей, не всегда бывает достаточно эффективен, поэтому на практике его воздействие комбинируют с разбавлением нефти бензином, растворителями, газоконденсатом и т.д. В работе [13] приведены критерии подбора растворителя для нефти. Для снижения вязкости тяжелой нефти самым эффективным растворителем из числа нефтяных фракций оказался прямогонный бензин, который позволил снизить вязкость примерно в 5-6 раз при введении его в количестве 10%. Использование же других фракций для этих целей было менее эффективно.
В работе [14] исследовано и изучено влияние ультразвука на нефтепродукты и нефтеносные пески. Установлен функциональный вид зависимостей эффективности разделения от среднего размера твердых частиц и температуры рабочей среды. На основании полученных результатов создана и испытана универсальная пилотная установка для ультразвукового извлечения нефти из нефтеносных песков, а также очистки почв, загрязненных нефтепродуктами.
В работах А.Ф. Хужагулова [15] экспериментально установлено, что ультразвуковое воздействие позволяет интенсифицировать процесс контактной очистки от парафинов.
О.К. Рахманов [16] при помощи ультразвуковой магни-тострикционной установки на базе генератора УЗГ-10М показал, что ультразвуковое воздействие позволяет повысить эффективность процесса очистки парафинов, и определил оптимальную частоту излучения 21-24 кГц.
Авторами работы [17] было рассмотрено растворение парафиновых масс под воздействием ультразвука на основе ультразвукового оборудования UIP2000hd и Telsonic. Получено разжижение большей части барреля с застывшей нефтью.
На основании вышесказанного можно заключить, что на данный момент отсутствует значимая научно-техническая база по применению ультразвука на объектах транспорта и хранения нефти. Существуют только исследования одиночных воздействий ультразвуковых кавитаций на отложения, к
примеру только на один тип нефти или только на конкретной скважине, работающей в конкретных условиях. Поэтому на данный момент отсутствует как экспериментальная база, описывающая ультразвуковую очистку, так и математические модели, качественно отражающие и прогнозирующие его. Необходимо создание комплексной научной базы по экспериментальному исследованию влияния ультразвуковой кавитации на асфальтосмолистые и парафиновые отложения различных типов нефти, в различных термобарических условиях и при различных параметрах воздействия. Соответственно необходимо проведение ряда исследований для устранения данной проблемы.
Первая группа исследований, которые подлежат выполнению, это экспериментальные исследования кавитиру-ющего и теплового эффектов ультразвуковой обработки на образцах отложений различных типов в лабораторных условиях. Здесь следует использовать как образцы нефти и АСПО, взятые с нефтепроводов, так и модельные составы. В частности, необходимо:
- определение скорости разжижения твердых образцов АСПО в зависимости от параметров ультразвукового воздействия, типа отложений,термобарических условий.
- определение скорости повторного образования отложений после разжижения твердых образцов АСПО;
- исследование распространения ультразвука в нефти с различным содержанием АСПО;
- исследование распространения ультразвука в АСПО;
- оценка энергетических показателей затрачиваемой и полезной энергии ультразвукового поля;
Вторая группа исследований направлена на определение свойств нефти и отложений до и после воздействия ультразвуковой кавитации. В том числе:
- анализ состава и свойств нефти до и после воздействия ультразвуковой кавитации;
- анализ состава и свойств отложений до и после воздействия ультразвуковой кавитации;
- измерение механических свойств слоя отложений нефти до и после воздействия ультразвуковой кавитации.
Третья группа исследований включает определение параметров процесса разжижения АСПО с учетом совместного действия ультразвукового и теплового полей. Сюда входят:
- анализ взаимного влияния и суммарного воздействия кавитирующего и теплового полей на скорость разрушения АСПО;
- определение оптимального соотношения кавитирую-щего и теплового полей на скорость разрушения АСПО.
Заключительная часть - это обработка результатов экспериментальных данных, что приведет:
- к формированию научно-технической базы по применению ультразвукового воздействия на АСПО;
- определению оптимального количества резонаторов, точек приложения, требуемой продолжительности и энергозатрат при работе излучателей в резервуаре;
- определению технологических параметров при ультразвуковой обработке АСПО в трубопроводе.
Выводы
На основе выполненного анализа имеющихся результатов в области исследований влияния ультразвука на асфальтосмолистые и парафиновые отложения сформулирован перечень экспериментальных исследований,
которые необходимо выполнить для дальнейшего формирования научно-технической базы по применению ультразвукового воздействия на АСПО. Это позволит определить оптимальные параметры воздействия, выполнить
разработку математических моделей по прогнозированию требуемого эффекта и предложить технологические решения по реализации ультразвуковой кавитации в нефтепроводах и резервуарах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлов М.В. Применение ультразвука для очистки от асфальтосмолистых и парафиновых отложений на объектах транспорта и хранения нефти: дис. канд. техн. наук: 25.00.19. М., 2019. 133 с.
2. Hamida, T. Effects of Ultrasonic Waves on Immiscible and Miscible Displacement in Porous Media / T. Hamida, T. Babadagli // 2005 SPE Technical Conference and Exhibition. - Dallas, Texas, 2005.
3. Moritz, Edwin C. Wattenberg Field Unconventional Reservoir Case Study / Edwin C. Moritz, Natalie Barron // SPE Middle East Unconventional Gas Conference. Abu Dhabi, 2012.
4. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. М.: Наука, 1974. 106 с.
5. Злобин А.А., Юшков И.Р. К вопросу о механизме действия ингибиторов для защиты от асфальтосмолопара-финовых отложений (АСПО) // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2011. С. 78-83.
6. Abramov V.O., Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for itsimplemention / Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. // Ultrasonics Sonochemistry. 2013. Т. 20. № 5. С. 1289-1295.
7. Abramovа А., Ultrasonic Technology for Enhanced Oil Recovery / AbramovаА., Abramov V.O., Bayazitov V., Gerasin A., Pashin D. // Engineering. 2014, № 6. С. 177-184
8. Volkova, G. I. Ultrasonic treatment of oils to improve the viscosity-temperature characteristics / G. I. Volkova, I. V. Prozorova, R. V. Anufriev, N. V. Yudina, M. S. Mullakaev, V. O. Abramov // Oil refining and petrochemistry. 2012. № 2. С. 3-6.
9. Муллакаев М.С., Абрамов В.О., Салтыков Ю.А. и др. Влияние условий ультразвуковой обработки на свойства парафинистой нефти // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2012. № 6. С. 18-21.
10. Mullakaev M.S., Influence of Ultrasound and Heat Treatment on the Rheological Properties of Ust-Tegusskoe Oil / Mullakaev M.S., Asylbaev D.F., Prachkin V.G., Volkova G.I. // Chemical and Petroleum Engineering. 2014. Vol. 47. Issue 9-10. P. 584-587.
11. Mousavi S.M., Effect of ultrasonic irradiation on rheological properties of asphaltenic crude oils / Mousavi S.M., Ramazani A., Davachi S. // Petroleum Science. 2012. Vol. 9. № 1.С. 82.
12. Abramov V.O., Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for itsimplemention / Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. // Ultrasonics Sonochemistry. 2013. Т. 20. №. 5. С. 1289-1295.
13. Батыжев Э.А. Выбор растворителей асфальтеновых комплексов при термодеструкции нефтяных остатков // Технология нефти и газа. 2005. № 4. С. 29 - 32.
14. Abramov O.V. Ultrasonic Technologies for Extracting Oil Products from Oil-Bearing Sands and Contaminated Soils / Abramov O.V., Abramov V.O., Myasnikov S.K., Mullakaev M.S. // Theoretical Foundations Of Chemical Engineering. 2009. Vol. 43. № 4. С. 504-410.
15. Хужакулов А.Ф. Контактная очистка парафина адсорбентами в сочетании с ультразвуковым воздействием // Молодой ученый. 2012. № 12 (47). С. 114-115.
16. Рахмонов О. К. Действие ультразвукового озвучивания на интенсификацию процесса адсорбционной очистки парафина // Universum: технические науки. 2020. № 6-2 (75).
17. Pavlov, MV Application of ultrasound to remove asphalt-resinous paraffin deposits in oil storage tanks / MV Pavlov, BN Mastobaev, H. Hofshtatter // Transport and storage of oil products and hydrocarbon raw materials. 2017. No. 6. P. 58-62.
REFERENCES
1. Pavlov M.V. Primeneniye ul'trazvuka dlya ochistkiotasfal'tosmolistykh iparafinovykh otlozheniyna ob'yektakh transporta ikhraneniya nefti. Diss. kand. tekhn. nauk [Application of ultrasound for cleaning from asphalt-tar and paraffin deposits at oil transport and storage facilities. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2019. 133 p.
2. Hamida T., Babadagli T. Effects of ultrasonic waves on immiscible and miscible displacement in porous media. Proc. of SPE Technical Conference and Exhibition. Dallas, Texas, 2005.
3. Moritz E. C., Barron N. Wattenberg field unconventional reservoir case study. Proc. of SPE Middle East Unconventional Gas Conference. Abu Dhabi, 2012.
4. Zaydel' A. N. Oshibki izmereniy fizicheskikh velichin [Measurement errors of physical quantities]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 106 p.
5. Zlobin A.A., Yushkov I.R. On the question of the mechanism of action of inhibitors for protection from asphalt-resin-paraffin deposits. Vestnik PNIPU. Geologiya. Neftegazovoye i gornoye delo, 2011, pp. 78-83 (In Russian).
6. Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for itsimplemention. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, vol. 20, no. 5, pp. 1289-1295.
7. Abramova A., Abramov V.O., Bayazitov V., Gerasin A., Pashin D. Ultrasonic technology for enhanced oil recovery. Engineering, 2014, no. 6, pp. 177-184.
8. Volkova G. I., Prozorova I. V., Anufriev R. V., Yudina N. V., Mullakaev M. S., Abramov V. O. Ultrasonic treatment of oils to improve the viscosity-temperature characteristics. Oil refining and petrochemistry, 2012, no. 2, pp. 3-6.
9. Mullakayev M.S., Abramov V.O., Saltykov YU.A. Influence of ultrasonic treatment on the properties of paraffin oil. Oborudovaniye i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa, 2012, no. 6, pp. 18-21 (In Russian).
10. Mullakaev M. S., Asylbaev D. F., Prachkin V. G., Volkova G. I. Influence of ultrasound and heat treatment on the rheological properties of ust-tegusskoe oil. Chemical and Petroleum Engineering, 2014, vol. 47, no. 9-10, pp. 584-587.
11. Mousavi S.M., Ramazani A., Davachi S. Effect of ultrasonic irradiation on rheological properties of asphaltenic crude oils. Petroleum Science, 2012, vol. 9, no. 1, pp. 82
12. Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for itsimplemention. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, vol. 20, no. 5, pp. 1289-1295.
13. Batyzhev E. A. Asphaltenic complexes solvents selection by thermal decomposition of oil residues. Tekhnologiya nefti igaza, 2005, no. 4, pp. 29 - 32 (In Russian).
14. Abramov O.V., Abramov V.O., Myasnikov S.K., Mullakaev M.S. Ultrasonic technologies for extracting oil products from oil-bearing sands and contaminated soils. Theoretical Foundations Of Chemical Engineering, 2009, vol. 43, no. 4, pp. 504 - 410.
15. Khuzhakulov A.F Contact treatment of paraffin by adsorbents in combination with ultrasonic action. Molodoyuchenyy, 2012, no. 12 (47), pp. 114-115 (In Russian).
16. Rakhmonov O. K. Effect of ultrasonic sound on the intensification of the process of adsorption cleaning of paraffin. Universum: tekhnicheskiye nauki, 2020, no. 6-2 (75) (In Russian).
17. Pavlov M.V., Mastobaev B.N., Hofshtatter H. Application of ultrasound to remove asphalt-resinous paraffin deposits in oil storage tanks. Transport and storage of oil products and hydrocarbon raw materials, 2017, no. 6, pp. 58-62.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Хурамшина Регина Азатовна, аспирант, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Валеев Анвар Рашитович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Regina A. Khuramshina, Postgraduate Student, Assistan of Department of Transport and Storage of Oil and Gas ,Ufa State Petroleum Technological University.
Anvar R. Valeev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
