CC BY
43
С.В. Чичканов, А.И. Шамсуллин, В.А. Мягченков
Казанский государственный технологический университет, Казань
mjagchenkov@mail.ru
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПРИСАДОК И СКОРОСТИ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ ПРЯМЫХ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ВЕЛИЧИНУ ЭФФЕКТА ТОМСА
Проведена сопоставительная оценка эффективности двух водорастворимых полимерных присадок в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентного потока прямых нефтяных эмульсий. Проанализировано влияние на величину эффекта Томса концентрации полимерной присадки, скорости потока и содержания дисперсной фазы в эмульсии.
Постоянно растущие объёмы добычи и переработки углеводородного сырья (нефти, газа и других полезных ископаемых) требуют повсеместного внедрения новейших наукоёмких технологий. На сегодняшний день в разработку вовлекается всё больше месторождений тяжёлой нефти с осложнёнными геологическими условиями. В связи с этим помимо решения проблем, связанных с добычей такой нефти, остро встают вопросы разработки доступных и дешёвых технологий, позволяющих уменьшить затраты на транспортировку нефти до установок комплексной подготовки нефти. В большинстве случаев добываемые из скважины нефтесодержащие дисперсные системы являются эмульсиями второго рода (вода в нефти) (Тронов, 2000). Это обстоятельство является дополнительным осложняющим фактором, так как вязкость нефтяной эмульсии во много раз превышает вязкость самой нефти (Сюняев и др., 1990). Естественно, что транспортировка таких нефтесодержащих эмульсий сопряжена с огромными трудностями, особенно при пониженных температурах.
В последнее время в связи с постоянным повышением обводнённости добываемой нефти всё чаще встречаются эмульсии первого рода (нефть в воде). Высокоскоростная транспортировка таких эмульсий по трубопроводам также связана с большими энергозатратами из-за наличия высокого гидравлического сопротивления в турбулентном потоке. Один из наиболее перспективных и доступных методов снижения гидравлического сопротивления основан на введении в поток прямой нефтяной эмульсии небольших добавок водорастворимых полимеров высокой молекулярной массы (эффект Томса) (Порайко, 1974; Николаев и др., 1979). Введение полимерной присадки способствует увеличению скорости транспортировки обводнённой нефти или снижению нагрузки на приводы перекачивающих насосов при поддержании того же значения расхода.
В данной работе проведена сопоставительная оценка эффективности двух водорастворимых полимерных присадок в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентного потока прямых нефтяных эмульсий. Нами также проанализировано влияние концентрации полимерной присадки, скорости потока и содержания дисперсной фазы в эмульсии, поскольку в реальных процессах транспортировки нефтесодержащего сырья по внутрипромысловым и межколлекторным трубопроводам соотношение фаз в эмульсии и давление, при котором эмульсия прокачивается, могут изменяться в широких пределах (Брезицкий и др., 2002).
В качестве полимерных присадок в работе использовали анионный сополимер акриламида (А) марки DP9-8177 (Ciba Speciality Chemicals, Великобритания) с молекулярной массой М=8Т06 и содержанием акрилатных групп 7% масс. и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (НКМЦ) с молекулярной массой М = 1,4-105. В экспериментах в качестве «базисной» использовали нефть Новошешминско-го месторождения с кинематической вязкостью 210 сСт и плотностью 910 кг/м3. Для получения более стабильных и высокодисперсных устойчивых прямых эмульсий «базисную» нефть разбавляли керосином (ТУ 3840158-10-90) в объёмном соотношении 3:1, после чего вязкость нефти снижалась до 25,3 сСт, а плотность - до 880 кг/м3.
Для получения стабильных прямых эмульсий нефти расчётные дозировки разбавленной нефти, стабилизатора
- анионного ПАВ марки «Сульфонол (2 % об. от нефти) и дистиллированной воды перемешивали на магнитной мешалке для получения первичной эмульсии. Полученную эмульсию подвергали дополнительной обработке в ультразвуковом поле частотой 22 кГц в течение 15 минут на приборе УЗДН-1. Такой способ приготовления прямых эмульсий гарантировал их высокую агрегативную и седимента-ционную устойчивость. Размеры частиц эмульсии по данным оптической микроскопии не превышали 1,5 - 2 мкм.
Турбулентное течение прямых эмульсий нефти в присутствии полимерных присадок изучали на модифицированном нами турбулентном реометре с диаметром капилляра 1,83-10 - 3 м и длиной 0,6 м, схема которого представлена на рис. 1. В стальной толстостенный резервуар 6 ёмкостью 350 см3 заливали 300 см3 исследуемой жидкости. Посредством газового баллона 1 с помощью редуктора 3 в
ресиверах 5 создавали избыточное давление, контролируемое манометром 4. В заданный момент времени включался электропривод 8, который в свою очередь открывал клапан 7. Жидкость через капилляр 9 под давлением перетекала из резервуара 6 в приёмник 10. Через опреде-
^__________________________ лённое время (2с) клапан
Рис. 1. Схема установки по изуче- автоматически закры-
нию эффекта Томса. вался. Количество вытек-
3 (22) 2007
научно-техническим журнал
Г еоресурсы
Рис. 2. Зависимость эффекта Томса от концентрации полимеров А иНКМЦ в 10 % прямых эмульсиях нефти при различные давлениях Р. 1-3 - сополимер А, 46 - полимер НКМЦ. Р, атм: 5 (1, 4); 10 (2, 5); 15 (3, 6).
шей из резервуара 6 жидкости фиксировали с помощью одноплечных электронных весов Л&Б (Япония).
Величину эффекта Томса подсчитывали по формуле (Мягченков и др., 2002; Mjagchenkov е1 а1., 2002):
т _ Ш-Шд
ш0 ,
где т0 и т - массовые расходы эмульсий, соответственно, без добавки и с добавкой полимера.
Для получения наглядной информации о реологических характеристиках эмульсий в присутствии полимерных присадок в таблице 1 представлены обобщённые данные для одной из них - 10 % прямой эмульсии нефти.
На рис. 2 на примере 10 % эмульсии представлены концентрационные зависимости эффекта Томса для гибкоцепного сополимера А и жёсткоцепного полимера НКМЦ при различных давлениях в реометре. Из рис. 2 можно сделать вывод о высокой эффективности сополимера А в качестве «гасителя» турбулентности потока (Т ~ 0,3 - 0,5), которая на порядок выше по сравнению с другим полимером - НКМЦ. Ранее нами уже проводился анализ влияния химической природы водорастворимых (со)полимеров на величину эффекта Томса как в водных средах, так и в прямых эмульсиях нефти (Мягченков и др., 2002; 2004). Поэтому более подробно остановимся на рассмотрении вида кривых Т = 1(С) для гибкоцепного сополимера А. На этой зависимости наблюдается отчётливая тенденция «запреде-ливания» величины эффекта Томса, а при давлении 5 атм даже небольшое снижение значений Т в области концентраций выше 0,04 - 0,05 кг/м3. Наиболее вероятная причина наблюдаемого в эксперименте характера зависимости Т = 1(С) для нефтяных эмульсий (аналогичная зависимость имеет место и в водных средах (Mjagchenkov е1 а1., 2002; Мягченков и др., 2003а)) связана с появлением вблизи внутренней поверхности капилляра особой, пристеночной зоны потока, в которой концентрация полимера, достигнув определённого значения С , остаётся постоянной. Дальнейшее увеличение валовой концентрации полимерной присадки в системе не приводит к росту концентрации в этой зоне, а сопровождается лишь увеличением динамической вязкости дисперсионной среды (см. табл. 1), что, в конечном итоге, приводит к стабилизации величины параметра Т и даже к его уменьшению.
Помимо концентрации полимерной присадки и давления в резервуаре реометра (отметим, что сдвиговое напряжение пропорционально давлению) для прямых эмульсий нефти интересно проследить также влияние содержания дисперсной фазы (нефти) на величину параметра Т. По данным рис. 3 можно отметить слабую зависимость эффекта Томса от содержания нефти в эмульсии. Некоторое падение величины параметра Т наблюдается лишь при относительно высоком содержании нефти в эмульсии (15 % об.).
Наблюдаемое в эксперименте снижение величины эффекта Томса с увеличением Р можно было попытаться связать с частичной механодеструкцией макромолекул полимерной присадки в процессе турбулентного течения потока по капилляру (Николаев и др., 1979). Однако, по данным вискозиметрии в серии специально поставленных экспериментов на примере водных растворов сополимера А различных концентраций было установлено, что при течении этих растворов под давлением 5, 10 и 15 атм в них не наблюдалось заметных уменьшений чисел вязкости и молекулярной массы у макромолекул полимерной присадки. Ввиду того, что характер зависимости Т от Р для чисто водных сред и для эмульсий с различным содержанием нефти практически идентичен (Рис. 3), можно заключить, что установленная в ходе экспериментов зависимость Т = 1(Р) напрямую не связана с гетерофазностью системы.
Одна из возможных причин снижения величины эффекта Томса с увеличением Р могла быть связана с изменением характеристик самой эмульсии нефти в процессе турбулентного течения в капилляре реометра. В связи с вышесказанным нами были проведены вискозиметричес-кие исследования эмульсий в присутствии полимерной присадки до и после прокачки через капилляр под различными давлениями и подсчитаны значения кинематических вязкостей эмульсий с добавками полимера до (у0) и после (V ) прокачки через капилляр.
На рис. 4 на примере 10 % эмульсии при различных Р показана концентрационная зависимость относительного безразмерного параметра vx/v0 для полимера А. Сравнительно небольшое уменьшение кинематической вязкости в процессе течения жидкостей обусловлено, скорее всего, изменениями формы и размеров макромолекул полимерной присадки, а также перестройкой структурных элементов частиц дисперсной фазы ввиду появления больших по величине градиентов скорости в турбулентных потоках прямых эмульсий нефти.
Не исключено, что в относительно концентрированных эмульсиях нефти определённую роль играют процессы, связанные с адсорбцией макромолекул полимера на частицах дисперсной фазы (Мягченков и др., 2003б). Для подтверждения этого нами проведены эксперименты по оценке величины адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы а, которая оценивалась по разнице концентраций полимера в водной фазе эмульсии до и после контакта полимера с частицами дисперсной фазы аналогично (Мягченков и др., 2004). По данным экспериментов а ~ 0,08 мг/г нефти, что в 3 - 4 раза выше по сравнению с величинами адсорбции для анионных (со)полимеров ак-
Рис. 3. Зависимость эффекта Томса от содержания нефти в эмульсии (концентрация полимерной присадки в эмульсии 0,004 %).
Рис. 4. Зависимость параметра у/ч0 от концентрации полимерной присадки А в 10 % эмульсии после прокачки при различных давлениях.
1 Р=5 атм
П Л р=1( атм
’=15 атм
0 Со; А ержа С ниє I £ іефтр 1 в эм 4°. р 2 1 ни,0/ 4 16 об.
1,1' 1 (1- 1
0 8
0, 00 0, 02 0, 04 0, с, 06 0, кг/м3 08 0, 10 0,1 20,14
■— научно-технический журнал
Ш2 ГеОреСУР СЫ 3 (22) 2007
Л.М. Петрова, Т.Р. Фосс, H.A. Аббакумова, Г.В. Романов
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, Казань
Petrova@iopc.knc.ru
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ОСТАТОЧНЫХ НЕФТЕЙ
Для изучения закономерностей формирования состава остаточных нефтей под действием различных техногенных процессов являются информативными данные массового распределения фракций легких и тяжелых н-алканов С13-С15 и С25-С27, соответственно. Если основные изменения в составе нефти связаны с адсорбционнохроматографическим процессом, то в составе алканов сохраняется обратно пропорциональная зависимость распределения фракций легких и тяжелых гомологов. При биохимическом окислении и отложении в пласте твердых парафинов закономерность их распределения нарушается.
При изучении физико-химических процессов извлечения нефти из пласта исходят из того, что нефть рассматривают как некое физическое тело с усредненными параметрами, взаимодействующее с породой, и именно характеристики породы определяют коэффициент нефтеотдачи пласта (проницаемость, пористость, неоднородность капилляров, удельная поверхность, смачиваемость и т.д.). В начальный период разработки залежи, когда нефть представляет собой молекулярный раствор, это является оправданным.
риламида с более высоким содержанием ионогенных групп (Чичканов и др., 2003) хотя и намного ниже значений а для аналогичных по составу сополимеров акрила-мида при адсорбции их на модельных твёрдых адсорбентах типа охры и каолина (Мягченков и др., 1998).
В заключении можно отметить, что проведённый нами анализ влияния природы и концентрации (со)полимеров, соотношения фаз в прямой эмульсии нефти, а также скорости турбулентного потока со всей очевидностью показал необходимость учёта этих параметров при разработке наиболее рациональных и доступных режимов скоростной транспортировки этих эмульсий по трубопроводам в
Анали- зируемая система Динамическая вязкость, •103 Па с Р, атм Расход жидкости, •105 м3/с Скорость потока, м/с Re*10'3 Т
Вода 1,006 5 1,63 7,51 12,39 —
10 2,84 13,13 21,65 —
15 3,63 16,78 27,67 —
Эмульсия 1,228 5 1,61 7,42 9,87 —
10 2,75 12,73 16,93 —
15 3,61 16,68 22,18 —
Эмульсия +0,0004% сополимера 1,247 5 1,97 9,09 11,91 0,225
10 3,12 14,42 18,90 0,133
15 3,9 18,02 23,60 0,080
Эмульсия +0,0008% сополимера 1,253 5 2,01 9,30 12,13 0,253
10 3,21 14,85 19,35 0,166
15 3,99 18,46 24,07 0,107
Эмульсия +0,002% сополимера 1,289 5 2,25 10,40 13,19 0,402
10 3,59 16,61 21,08 0,306
15 4,49 20,77 26,35 0,246
Эмульсия +0,004% сополимера 1,357 5 2,36 10,89 13,11 0,468
10 3,86 17,86 21,51 0,404
15 4,84 22,39 26,96 0,344
Эмульсия +0,008% сополимера 1,418 5 2,33 10,77 12,42 0,453
10 4,07 18,81 21,71 0,480
15 5,23 24,16 27,88 0,451
Эмульсия +0,012% сополимера 1,475 5 2,27 10,48 11,63 0,415
10 4,09 18,92 21,00 0,489
15 5,27 24,36 27,03 0,463
Табл. 1. Некоторые гидродинамические показатели 10 % прямой эмульсии нефти в присутствии различные концентраций сополимера А.* - Яе - число Рейнольдса.
Некоторое ухудшение состава и свойств нефтей может происходить в результате:
- снижения пластового давления и выделения газа;
- хроматографического разделения нефти при ее продвижении по пласту;
- биодеградации под действием пластовой микрофлоры;
- растворения компонентов в омытающей нефть воде и окисления кислородом, внесенным в пласт с закачиваемой водой.
присутствии полимерных присадок и необходимость дальнейшего более углубленного изучения влияния каждого из этих факторов на результирующий макроскопический эффект снижения гидравлического сопротивления турбулентный водно-нефтяных потоков.
Литература
Брезицкий С.В. и др. Обеспечение надёжности промысловых трубопроводов на месторождениях ТНК. Нефтяное хозяйство, 12. 2002. 106-110.
Мягченков В.А., Барань Ш. (Баран A.A.), Бектуров Е.А., Були-дорова Г.В. Полиакриламидные флокулянты. Казань: КГТУ, 1998.
Мягченков В.А., Крупин С.В., Чичканов С.В. Влияние природы и концентрации водорастворимых сополимеров и их смесей на величину эффекта Томса. Нефтяное хозяйство, 12, 2002. 118-119.
Мягченков В.А., Чичканов С.В. Зависимость эффекта Томса от концентрации ионогенных сополимеров акриламида, ионной силы и природы электролита. Журнал прикладной химии. Т. 76. Вып. 5. 2003a. 842-846.
Мягченков В.А., Чичканов С.В. Влияние концентрации и молекулярных параметров сополимеров акриламида с акрилатом натрия на величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти. Журнал прикладной химии. Т. 76. Вып. 11. 2003б. 1901-1905.
Мягченков В.А., Чичканов С.В. Влияние концентрации водорастворимых полимеров и ионной силы на величину эффекта Томса в прямых нефтяных эмульсиях. Нефт. хозяйство, №1, 2004. 93-95.
Николаев А.Ф., Охрименко Г.И. Водорастворимые полимеры. Л.: Химия, 1979.
Порайко И.Н. Применение полиакриламида в технологических процессах, связанных с добычей нефти. Темат. науч.-техн. обзор. М.: ВНИИОЭНГ, 1974.
Сюняев З.И., Сюняев Р.З., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия, 1990.
Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. Казань, 2000.
Чичканов С.В., Мягченков В.А. Некоторые аспекты проблемы снижения гидравлического сопротивления в турбулентных потоках прямых эмульсий нефти. Вестник Казанского технологического университета, 1-2. Казань: КГТУ. 2003. 322-334.
Mjagchenkov V.A., Chichkanov S.V., Proskurina V.E., Krupin S.V. Synergism and antagonism of acrylamide copolymers and surfactants in drag reduction of turbulent aqueous flows. Georesources, 6, 2002. 19-23.
^научно-технический журнал
з (22) 2007 ГеоресурсЫ ЕЯ
