CC BY
400
УДК 621.65.05
Р. Э. Газизов, Н. Л. Солодова, Б. Р. Ваганов
ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ И БИТУМОВ
Ключевые слова: тяжелая нефть, битум, транспортировка, трубопровод.
Рассмотрены основные проблемы, возникающие при транспорте тяжелой нефти и битумов. Приведены основные методы транспортировки тяжелой нефти при помощи трубопроводов, отражены их достоинства и недостатки. Отмечено, что дальнейшее развитие методов транспорта тяжелой нефти основано на снижении ее вязкости, потерь на трение и поддержании давления в трубопроводе.
Keywords: heavyoil, bitumen, transportation, pipeline.
The main problems encountered in the transport of heavy oil and bitumenare examined. The main methods of transportation of heavy oil through pipelines are reflected. It is noted that further development of heavy oil transportation methods are based on reducing its viscosity, friction losses and maintaining the pressure in the pipeline.
Введение
По прогнозам межправительственной организации ОПЕК спрос на энергоносители будет увеличиваться из года в год. Мировой спрос на сырую нефть за последние десятилетия увеличился с 86 миллионов до 94 миллионов баррелей в сутки. Тяжелые и сверхтяжелые нефти в условиях истощения традиционных запасов энергоносителей приобретают все большее значение в мировой экономике. Их запасы более чем в два раза превышают объемы мировых запасов легкой нефти. Такие нефти характеризуются высокой плотностью и вязкостью. В связи с этим процесс их транспортировки по трубопроводам весьма энергозатратен [1].
С каждым годом в России запасы легкой нефти истощаются, а открытие новых месторождений ограничено. Запасы тяжелой нефти в России оцениваются в 7-8 миллиардов тонн, из них 71,5 % находятся в Волго-Уральском и в ЗападноСибирском регионе. Тяжелая нефть найдена в Татарстане, Башкирии, Удмуртии, Пермской и Самарской области. Огромные запасы находятся в Татарстане, которые составляют до 6 миллиардов тонн [2].
В прошлом, добыча тяжелой сырой нефти и битума считалась нерентабельной, так как стоимость добычи, транспортировки и переработки высока, а рыночная стоимость продуктов не окупала средств, затраченных на переработку. Несмотря на это, снижение количества ресурсов легкой сырой нефти, а так же постоянно растущий мировой спрос на нефтепродукты приводит к необходимости эксплуатации этих ресурсов. Включение тяжелой нефти в технологическую цепь НПЗ преподносит много проблем, требующих значительной технологической разработки. Одной из основных проблем является транспортировка тяжелой и сверхтяжелой нефти, которая связана со многими операционными трудностями.
Переработка тяжелой нефти и битума требует в среднем в 2 раза больше затрат, чем переработка легкой нефти. Это происходит из-за чрезвычайно высокой вязкости наряду с наличием нежелательных компонентов, таких какасфальтены, тяжелые металлы и сера. Хорошо известно, что
трубопроводы являются наиболее удобным средством транспортировки сырой нефти с установок подготовки нефти (УПН) на нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ). Однако перемещение тяжелой сырой нефти и битума является чрезвычайно сложной задачей из-за ее неспособности течь свободно, и без предварительного снижения вязкости тут не обойтись. Это связано с большими затратами энергии, необходимой для преодоления падения давления в трубопроводе, вызванной высокой вязкостью нефти. Чтобы уменьшить падение давления в трубопроводе и стоимость транспортировкитяжелой нефти существуют разные способы улучшения ее реологических свойств.
Тем не менее трубопроводы являются наиболее удобным средством для непрерывного транспорта сырой нефти. Тяжелая сырая нефть и битумы содержат большую долю высокомолекулярных компонентов, таких как смолы, ароматические соединения и асфальтены. Асфальтены- это соединения, которые могут осаждаться на поверхности трубопровода, в результате чего уменьшается площадь поперечного сечения потока нефти, за счет увеличения сопротивленияснижается давление в трубопроводе, ухудшается прокачиваемость вплоть до полной остановки [3]. Для предотвращения подобных проблем и улучшения перекачки тяжелой нефти и битума используют методы их предварительного нагрева наряду с нагревом трубопровода, смешения или разбавления легкими углеводородными
разбавителями, применяют различные присадки. Каждый из этих методов направлен на снижение вязкости, а также энергии, необходимой для повышения текучести нефти по трубопроводам.
Транспортные технологии для тяжелой нефти и битума
Для оптимизации энергозатрат при транспортировке тяжелой нефти необходимо снизить давление в трубопроводе.В связи с этим, для тяжелых нефтей и битумов обычный способ транспортировки без снижения вязкости не подходит [4]. Для решения данной проблемы существует несколько методов транспортировки нефти. Рассмотрим основные из них.
Разбавление
Смешение или разбавление нефти - один из способов улучшения транспортировки и наиболее часто используемыйв нефтяной промышленности. Как правило, чем ниже вязкость разбавителя, тем ниже вязкость смеси тяжелой нефти и битума. В качестве разбавителя используют газовый конденсат, керосин, лигроин и легкие нефти. Это эффективный вариант для снижения вязкости нефти и облегчения ее мобильности в трубопроводе. Кроме того, разбавление сырой нефти может облегчить некоторые операции, такие как обезвоживание и обессоливание. Такая технология является наиболее широко используемой, но требует значительных инвестиций, так как приходится отделять растворитель, а затем возвращать его в производственный участок. Вариант разбавления имеет и другие проблемы. Так, любое изменение состава нефти может повлиять на требуемое соотношение нефть/растворитель. К тому же, важно заранее определить соотношение растворителя и тяжелой нефти, так как простые правила смешивания для подобных систем не подходят. Для каждой тяжелой нефти должен быть проведен ряд лабораторных анализов по изучению изменения вязкости и совместимости компонентов. Особое внимание следует уделить фазовой стабильности смеси, так как конденсат или более легкая нефть может вызвать выпадение осадка, что приводит к засорению трубопровода [5].
С каждым годом спектр применяемых разбавителей увеличивается. С экономической точки зрения необходимо стремиться к уменьшению количества растворителя. Это и является основным направлением проводимых научных исследований, а именно, подбор и разработка наиболее эффективных растворителей. Иностранными компаниями было предложено использование диметилового эфира (ДМЭ) в качестве растворителя для регулирования вязкости и уменьшения падения давления в трубопроводе. Кроме того, извлечение ДМЭ на нефтеперерабатывающем заводе, в отличие от других растворителей, намного проще. Другими альтернативными растворителями являются спирты, которые вдвараза эффективнеепо сравнению с керосином. Это связано с возникновением водородных связей с гидроксильными группами спиртов. Только полярные растворители с небольшим количеством образующихся водородных связей дают значительное снижение вязкости сырой тяжелой нефти [6]. В качестве растворителя, также, используется нафта, которая является возможной альтернативой использования газовых конденсатов.
Однако, использование растворителей имеет ряд недостатков. Среди которых стоит отметить фазовую неустойчивость смеси и выпадение асфальтенов, кристаллизацию парафинов и их осаждение, что приводит к закупорке трубопроводов.
Помимо высокой эффективности, важным критерием выбора растворителя является его цена и доступность. В связи с этим использование легких
нефтей в условиях сокращения их запасов ограничивается.
Обогрев трубопровода Данный метод основан на нагреве (т.е. повышения температуры) трубопровода, что приводит к быстрому снижению вязкости нефти и сопротивлению потоку. Перед тем как подать нефть в трубопровод, её предварительно нагревают. Последующий нагрев трубопровода на всем его протяжении улучшает течение нефти (рис.1). Однако, нагревание трубопровода требует значительного количества электроэнергии. Кроме того, возникают проблемы с внутренней коррозией труб, вызванной повышением температуры. Вдобавок, нагревание может вызвать изменение реологических свойств сырой нефти, что может привести к её нестабильности. Внезапные расширение и сжатие труб могут также вызвать серьезные проблемы. В большинстве случаев трубопроводы приходится изолировать для поддержания температуры и снижения потерь тепла [7].
Термоизоляция
Нагревательный ^
Алюминиевая Нагревательный кабель
Рис. 1 - Трубопровод с электрообогревом
Первым случаем использования нагрева трубопровода считают мазутопровод, построенный в конце 19 века в Баку по проекту русского инженера-конструктора Владимира Григорьевича Шухова [8].
Электрообогрев подводных трубопроводов
Тяжелые и сверхтяжелые нефти, как правило, становятся густыми и вязкими при температуре подводной среды. В связи с этим подводный транспорт тяжелой нефти характеризуется высокими энергозатратами. В таких случаях, решением для малых расстояний (менее 2 километров) может быть использование изолированных трубопроводов и, для минимизации потерь тепла, перемещение жидкости при высоких скоростях. Однако, с увеличением длины трубопровода пассивная изоляция становится неэффективной, а для поддержания высокого давления по всей длине трубопровода требуются высокие затраты на энергию и использование дорогостоящих бустерных насосов. Поэтому для транспортировки нефти на большие расстояния используют электрический подогрев подводного трубопровода «труба в трубе», где нефть течет по внутренней трубе, изолированной от электричества. Нагрев осуществляется за счет сочетания электрического сопротивления и магнитно-
вихревого эффекта, возникающего при воздействии переменного тока на трубопровод. Применение переменного тока имеет ряд преимуществ перед постоянным, к примеру, меньшие потери электроэнергии, простота обслуживания и улучшенные весогабаритные показатели
оборудования. Требования к мощности и напряжению для прямого электрического нагревания трубопровода и передачи электроэнергии находятся в обычных пределах (50 герц) [9]. Однако применение данного метода весьма дорогостояще. Это обусловлено сложностью конструкции, развертывания и эксплуатации трубопровода, а также необходимостью его нагрева на всем его протяжении. Гидротранспорт
Одной из новейших технологий является перекачка нефти с применением воды. Технология заключается в транспортировке тяжелой нефти в виде эмульсии «нефть в воде», с размером капель нефти в диапазоне нескольких микрон. В некоторых случаях, углеводородные разбавители или легкие нефти могут быть недоступны или их применение ограничено, в то время как пресная вода, морская вода или даже пластовая вода могут быть доступны для эмульгирования. Образование водонефтяной эмульсии является альтернативным методом повышения текучести тяжелой нефти и битума по трубопроводам. Эта технология основана на образовании эмульсии, стабилизированной при помощи поверхностно-активных веществ. Для создания эмульсии с мелкими каплями нефти в воде используют следующее технологическое оборудование: диспергирующие машины, роторные смесители, излучатели ультра-звуковых волн и др. [10].
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) находятся на границе раздела фаз нефть-вода ( рис.2). Концентрируясь на границе фаз, ПАВ предотвращает рост и выпадение глобул тяжелой нефти во время транспортировки, т.е. поддерживает глобулы во взвешенном состоянии.
ЧИИНЁ^.
Рис. 2 - Иллюстрация границы раздела фаз
Гидрофильной частью смеси будет - вода, агидрофобной - нефть, как показано на рис.3. Распределение размера капель зависит от типа ПАВ, энергии смешивания и давления. Обычно используют неионогенные ПАВ. Преимуществами данного типа ПАВ являются: независимость от содержания солей; они дешевле ионогенных и цвиттерионных; не образуют нежелательные органические осадки, влияющие на свойства нефти. Основной проблемой гидротранспорта является подбор ПАВ, способного поддерживать стабильность эмульсии на всем протяжении
трубопровода и выделяемого из сырой нефти в конечном пункте назначения без особых затрат.
Плотность тяжелой нефти близка к плотности воды, следовательно, реологические свойства и стабильность эмульсии зависят от многих факторов, таких, как распределение и размер капель нефти, температура, содержание солей и рН воды [11]. Кроме того, наличие природных гидрофильных соединений в сырой нефти (глина и диоксид кремния) может привести к нестабильности эмульсии. Это явление сопровождается оседанием или расслоением эмульсии из-за разности плотностей и слияния капель.
Рис. 3 - Иллюстрация эмульсии «нефть в воде»
Иногда эмульсионная система может содержать твердые частицы и газ, которыеусложняют процесс транспортировки. Таким образом, для транспортировки тяжелой нефти методом гидротранспорта необходимо подобрать ПАВ, способный стабилизировать эмульсию «нефть в воде» на всем протяжении трубопровода [12]. Использование депрессорных присадок Другим направлением решения проблем транспортировки тяжелых нефтей, связанных с их текучестью, является использование депрессорных присадок. Их также называют модификаторами. Модификации подвергаются кристаллы парафина. Это помогает снизить температуру застывания, вязкость и предел текучести, что облегчает транспортировку парафинистой нефти.
Депрессорные присадки - это вещества, способные изменить рост и поверхностные характеристики кристаллов, снижая тенденцию образования крупных кристаллов, а также их отложение на металлических поверхностях, например, на стенках трубопровода. Основным достоинством этих присадок является то, что они на всем протяжениитрубопровода не влияют на стабильность смеси [13].
Антифрикционные (противотурбулент-ные) добавки
Силу, необходимую для прокачки жидкости по трубопроводу, называют силой сопротивления. Транспортировка нефти по трубопроводам в основном протекает в турбулентном режиме. Ввиду высокой вязкости нефти значительная часть энергии, приложенной для ее транспортировки, тратится на компенсацию потерь при трении. Высокое сопротивление в турбулентном потоке вызывается радиальным переносом импульса потока завихрений. Ролью турбулентных добавок является
подавление роста турбулентных вихрей, которые поглощают энергию потока. Антифрикционные добавки могут быть разделены на три основные группы: поверхностно-активные вещества, волокна и полимеры. ПАВ могут снижать поверхностное натяжение жидкости, в то время как волокна и полимеры ориентируютсявдоль основного направления потока, ограничивая возникновение завихрений, что приводит к уменьшению сопротивления [14]. Исследование [15] предполагает формирование полимерных пленок внутри сырой нефти, так называемой матрицы, которая имеет смазывающий эффект, что и позволяет эффективно транспортировать нефть. Таким образом, сохранение эффективной энергиии снижение сопротивления при транспортировке имеет важное значение для тяжелых и сверхтяжелых нефтей. Эти добавки помогают уменьшить трение вблизи стенок трубопровода и в турбулентном ядре потока жидкости во время транспортировки, что приводит к высокой скорости потока при постоянном давлении. Помимо снижения сопротивления, добавки должны сохранять свои свойства при высоких температурах. Кольцевой режим потока
Еще одно решение для транспортировки высоковязких продуктов по трубопроводам основано на создании базового кольцевого потока,направленного на уменьшение падения давления в трубопроводе, вызванного трением. Метод основан на том, что вода или водный раствор может тонкой пленкойконцентрироваться в непосредственной близости от внутренней стенки трубы, тем самым снижая продольный градиент давления и общееснижение давления, как при перемещении воды (рис.4) [16]. Для повышения эффективности применения данной технологии зарубежные инженеры предложили систему трубопроводов с инъекцией воды в нескольких точках по окружности трубы [17]. Кроме того, при проведении испытаний было отмечено, что при добавлении химической добавки, к примеру, гексаметафосфата натрия, вода интенсивнее вытесняет нефтяную пленку от поверхности трубопровода без образования эмульсии.
И все же применение кольцевого потока для транспорта тяжелой нефти предполагает некоторые трудности, такие как: поддержание стабильности потока на дальние расстояния, коррозия стенок трубопровода, трудности перезапуска потока в случае возникновения внепланового простоя.
Рис. 4 - Иллюстрация кольцевого режима потока
Простои могут возникать в результате перебоев электроэнергии, из-за механической поломки, разгерметизации трубопровода или проблем, связанных с климатом. Когда кольцевой поток используется для транспортировки тяжелой нефти по трубопроводу, перерывы в работе, даже в течение относительно короткого периода времени, могут привести к расслоению потока на две фазы. При попытке восстановить кольцевой поток путем откачки многофазной системы с различной вязкостью возникают пики давления в линии нагнетания насосов или вдоль трубопровода. Эти пики давления могут вызвать серьезные сбои в работе трубопровода, так как превышают предельно допустимое давление [18-20].
Заключение
Таким образом в статье были представлены и проанализированы различныетехнологии и методы, используемые для транспортировки тяжелых и сверхтяжелых нефтей. Были отмечены их основные достоинства и недостатки. Применяемые технологии, а также разрабатываемые новые способы для транспортировки таких нефтей, в основном, основываются на снижении вязкости, силы трения и падения давления. Такие технологические улучшения направлены на удобство работы, надежности, снижения стоимости, ремонтопригодности оборудования, возможности использования инфраструктуры и ресурсов. С ростом добычи тяжелых и сверхтяжелых нефтей, целесообразна дальнейшая работа над созданием технологических инноваций, научных исследований и разработок, направленных на оптимизацию транспортировки тяжелых нефтей.
Литература
1. РБК экономика. [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.rbc.ru/economics/10/08/2016/57ab23329a79473 f8cf74fa4 - свободный.
2. Все о нефти. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://vseonefti.ru/neft/tyazhelye-nefti-Rossii.html -свободный.
3. Р.Х. Муслимов, Г.В. Романов, Г.П. Каюкова Комплексное освоение тяжелых нефтей и природных битумов пермской системы Республики Татарстан; Казань: Фэн, 2012.
4. Д.А. Халикова, С.М. Петров, Н.Ю. Башкирцева, Обзор перспективных технологий переработки тяжелых нефтей и природных битумов. Вестник КНИТУ. - 2013. - № 3. - С. 135-139.
5. D.K. Olsen and E.B. Ramzel. 'Heavy Oil Refining and Transportation: Effect on the Feasibility of Increasing Domestic Heavy Oil Production', US Department of Energy Report in review, 1992
6. И.Н. Дияров, Н.Ю. Башкирцева, Композиционные неионогенные ПАВ для комплексной интен-сификации процессов добычи, подготовки и транспортировки высоковязких нефтей. Вестник КНИТУ - 2010. - № 4. -С. 119-130.
7. А. с. 868231 СССР, МКИ F17 D 1/16. Способ подготовки высокопарафинистыхнефтей к трубопроводному транспорту.
S. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.bstu.ru/about/
meeting/shukhov - свободный.
9. Патент РФ 2415517, M№ F17 D 1/16. Установка индукционного нагрева трубопровода.
10. ЮЖ. Полищук, И.Г. Ященко. Хизико-химичекиесвойства нефти: статистический анализ пространственных и временных изменений. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. -109с Вайшток, QM.
11. АМ. Шаммазов. Исследование влияния оптималь-ных концентраций асфальто-смолистых веществ и парафина на реологические характеристики высоковязких нефтей при транспорте по магистральным трубопроводам // Инженерно-физич. журн. -19S4, -Т.46, №6.
12. А. с. 465501 СССР, MКИF17 D 1/16. Способ трубопроводного транспорта высокопарафи-нистой нефти.
13. Abou El-Naga, H.H., Abou El-Azim, W.M., Ahmed, M.M., 19S5. Polymeric additives for pour point depression of residual fuel oils. J. Chem. Technol. Biotechnol. A. 35, 241-247.
14. M.S. Rana, V.M. Samano, J.A. Ancheyta, J.A. Diaz, 2007. A review of recent advances on process technologies for upgrading of heavy oils and residua. Fuel 86, 1216-1231.
15. И.И. Ерошкина, Влияние малых полимерных доба-вок на частоту пристенных турбулентных вы-бросов при течении жидкостей в трубопроводе / И.И. Ерошкина, В.И. Марон, А.Д. Прохоров, С.Н. Челинцев // Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2000. - № 4. - С. 29-30.
16. В.В. Новоселов, А.Д. Прохоров. Трубопроводный транспорт нефти; под общ.ред. С.М.Вайшток - Недра-Бизнецентр, 2008. - 621с.
17. Rafael Martinez-Palou, Maria de Lourdes Mosqueira. Transportation of heavy and extra-heavy crude oil by pipeline. 1979.
18. Р.А. Алиев. Трубопроводный транспорт нефти и газа: учеб. для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров, В.А. Юфин, Е.И. Яковлев. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1988. - 368 с.
19. А.А. Коршак. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов / А.А. Коршак, А.М. Нечваль. -СПб.:Недра, 2008. - 488 с.
20. Патент РФ 2105923, МКИ F17 D 1/16. Способ трубопроводного транспорта высоковязких нефтей.
© Р. Э. Газизов - магистр каф. «Химическая технология переработки нефти и газа» ФГБОУ ВО «КНИТУ», rustgaz93.ru@rambler.ru; Н. Л. Солодова - к.т.н., доц. той же кафедры; Б. Р. Ваганов - ассистент той же кафедры, boulat88@gmail.com.
© R. E. Gazizov, master-student of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU, rustgaz93.ru@rambler.ru; N. L. Solodova, PhD, Associate Professor of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU; B. R. Vagapov, assistant of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU, boulat88@gmail.com.
