CC BY
0
УДК 622.692.4.053 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-1-2-16-20
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЕЙ
INFLUENCE OF MAGNETIC EFFECT ON CHANGES IN VISCOSITY OF HEAVY OILS
Леонтьев А.Ю., Байкова М.И., Полетаева О.Ю., Байкова Л.Р.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3363-6841, E-mail: aleksandr_leont@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0009-0000-9198-2369, E-mail: baykovami@mail.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9602-0051, E-mail: ol612@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3021-159X, E-mail: hydrolyalya@mail.ru
Резюме: В статье рассматривается проблема транспорта высоковязких тяжелых нефтей. Авторами проведено исследование влияния магнитного воздействия на вязкость чистой товарной тяжелой нефти с целью снижения вязкости. Объектами исследования были выбраны два образца нефти. Для определения зависимостей вязкости нефтей от температуры применялся вискозиметр Брукфилда. Исследование магнитного воздействия проводилось с применением магнитной установки с постоянными сверхсильными точечными магнитами Nd-Fe-B. Авторами на верхнеприводной мешалке была смоделирована кинематика потока по кинематическому подобию. Построены кривые течения после магнитного воздействия. Проведен сравнительный анализ вязкости для образцов нефтей. Выявлено влияние магнитного воздействия на вязкость тяжелой нефти, а также влияние эффективности магнитного воздействия на элементарный состав нефти.
Ключевые слова: тяжелая нефть, вязкость, реологические свойства, кривая течения, магнитное воздействие.
Для цитирования: Леонтьев А.Ю., Байкова М.И., Полетаева О.Ю., Байкова Л.Р. Влияние магнитного воздействия на изменение вязкости тяжелых нефтей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 1-2. С. 16-20.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-1-2-16-20
Leontyev Alexander YU., Baykova Mariya I., Poletaeva Olga YU., Baykova Lyalya R.
Ufa State Petroleum Technical University, 450064, Ufa, Russia ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3363-6841, E-mail: aleksandr_leont@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0009-0000-9198-2369, E-mail: baykovami@mail.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9602-0051, E-mail: ol612@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3021-159X, E-mail: hydrolyalya@mail.ru
Abstract: The article describes the problem of transportation of high -viscosity heavy oils. Authors research the influence of magnetic effect on the viscosity of commercial oil in order to reduce its viscosity. The authors have chosen chose two oil samples as objects of researching. Brookfield viscometer was used to determine the dependence of oil viscosity on temperature. Researching of magnetic effect was carried out by using a magnetic unit with permanent ultra - strong point magnets Nd-Fe-B. The authors modeled the flow kinematics based on kinematic similarity using stirring rod mixer. Flow curves were drawn after magnetic effect. Comparative analysis of viscosity for oil samples was made. As a result of the research work, the influence of magnetic effect on the viscosity of heavy oil was obtained, as well as the influence of the elemental composition of oil.
Keywords: high-viscosity heavy oil, viscosity, rheological properties, flow curve, magnetic effect.
For citation: Leontyev A.YU., Baykova M.I., Poletaeva O.YU., Baykova L.R. INFLUENCE OF MAGNETIC EFFECT ON CHANGES IN VISCOSITY OF HEAVY OILS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 1-2, pp. 16-20.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-1-2-16-20
В настоящее время мировая энергетическая ситуация такова, что производство так называемой традиционной нефти не успевает за спросом в связи с тенденцией снижения запасов легких нефтей. Степень выработанности осваиваемых нефтегазоносных месторождений в России достигла 60%. Кроме того, добыча производится в условиях применения сверхинтенсивных технологий, что в значительной степени увеличивает стоимость добываемых углеводородов [1].
В связи с этим возрастает актуальность обеспечения транспортабельных свойств высоковязких тяжелых нефтей, а именно - снижение вязкости, так как их запасы, по разным оценкам, до пяти раз превышают запасы легких традиционных нефтей. В связи с этим к концу XX века стали активно изучаться методы физического воздействия, одним из которых является электромагнитное воздействие, использующееся для улучшения транспортабельных свойств тяжелой нефти.
Неблагоприятными факторами, усложняющими подготовку тяжелых углеводородов к транспортировке, являются их высокая вязкость и плотность, что обусловлено наличием смол и асфальтенов, в последние из которых
входят металлы, гетероатомы (сера и азот) и функциональная группа -ОН. Также стоит заметить, что преобладающая часть залежей трудноизвлекаемых тяжелых нефтей находится в северных районах страны, которые характеризиру-ются наличием вечномерзлых грунтов, что, в свою очередь, дополнительно усложняют добычу, подготовку и транспортировку углеводородов.
Влияние физического воздействия, а также времени релаксации было исследовано авторами в статьях [2-4]. Есть работы по изучению воздействия на промысловые среды магнитного поля, где установлено влияние диаметра сверхсильных постоянных магнитов на эффективность очистки [5]. Также ранее был проведен ряд исследований по влиянию СВЧ-воздействия на вязкость тяжелых нефтей [6], где высока вероятность образования новой нефтяной дисперсной системы (НДС) за счет разрыва химических связей. В работе Ю.В. Лоскутова, Н.В. Юдина [7] было исследовано влияние знакопеременного магнитного поля на структурно-реологические свойства нефтей с различным содержанием смол. Так, было установлено, что при магнитном воздействии в НДС протекают рекомбинационные процессы, связанные с диссоциацией и ассоциатообразованием, с
Таблица 1
Состав и свойства исследуемых образцов нефти
Образец №1 Образец № 2
Плотность при 20°С, кг/м3 950 930
Вязкость при 20°С, мПас 7258 290
Содержание серы, % 7,57 4,26
Содержание азота, % 0,40 0,24
Содержание смол, % 19,80 10,80
Содержание асфальтенов, % 7,50 4,80
I Рис. 1. Кривая течения образца № 1 ^ = 20 °0
Рис. 2. Кривая течения образца №2 ^ = 20 °С) 120
2400 2200 2000 V 1800 * 1600 1400 Ё 1200 I 1000 I 800
I 600
I 400 ^ 200 0
8 12 16 20 24 28 32 36 Скорость сдвига, сек -1
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
Скорость сдвига, сек
-1
|Рис. 3. Зависимость вязкости нефти от температуры (образец № 1)
10000 9000 8000 га 7000 Е 6000 <¡5000 £4000 3000 2000 1000
01*0 15 20 25 30 35 40
Температура, °С
|Рис. 5. Кривые течения образца № 1 после магнитного воздействия в течение 1 мин
|Рис. 4. Зависимость вязкости нефти от температуры (образец № 2)
I
30 40
Температура, °С
Рис. 6. Кривые течения образца № 1 после магнитного воздействия в течение 3 мин
10 15 20 25 Скорость сдвига, с-1
30
35
40
15 20 25 Скорость сдвига, с-1
0
4
0
5
I
Рис. 7. Кривые течения образца № 1 после магнитного воздействия в течение 5 мин
15 20 25 Скорость сдвига, с-1
I
Рис. 8. Кривые течения образца №2 после магнитного воздействия в течение 1 мин
40
18
16
Ь 14
Ё 12
| 10 ви
Э 8 I 6
* 4
сс 4 р
I 2 0
46 Скорость сдвига, с-1
10
I
Рис. 9. Кривые течения образца № 2 после магнитного воздействия в течение 3 мин
20 18 Ь 16 £ 14
СО ^ 12
ей ^
« 10
ф
г
ф 8 £
I 6
СО
4 2 0
4 5 6 Скорость сдвига, с-1
I
Рис. 10. Кривые течения образца № 2 после магнитного воздействия в течение 5 мин
10
18 16 - 14
СО
е" 12
1 10
с
ф
I 8
Ф
* с
Б. 6
с
а
4 2 0
4 5 6 7 Скорость сдвига, с-1
8 9
10
| Рис. 11. Сравнительный анализ вязкости образца № 1 8000
7000 6000 « 5000 £ 4000
О §
3000 2000 1000 0
2013
1 мин
^ После воздействия магнитным полем
ь После хранения 48 часов
16171933
17 г
1577
1755
11 II Ш
3 мин
5 мин
До обработки
| Рис. 12. Сравнительный анализ вязкости образца № 2
350
300 250
0
СО
1 200 _0
I 150 з я
со
100
50
150
120
ш
1 мин
После воздействия магнитным полем
* После хранения 48 часов
150150
150150
290
3 мин
5 мин
До обработки
0
2
8
0
2
3
0
2
3
8
9
7
0
0
участием высокомолекулярных фрагментов слабополярных и полярных смолистых нефтяных компонентов. Высокая активность полярных кислых смол приводит к образованию в магнитном поле дополнительных ассоциативных центров меньшего размера и, как следствие, к снижению реологических параметров нефти, а частичная поляризация неполярных нейтральных смолистых компонентов ведет к взаимодействию ассоциатов с образованием новых более крупных структур и увеличению вязкости.
Нами были проведены исследования магнитного воздействия на вязкость чистой товарной тяжелой нефти с целью снижения вязкости.
Для проведения испытаний были выбраны два образца тяжелой высоковязкой нефти, состав и свойства которых приведены в табл. 1. Определение вязкости каждого образца нефти производилось на программируемом ротационном вискозиметре Брукфилда. На первом этапе проведения эксперимента образцы нефти выдерживались в
криотермостате до достижения температуры, равной 20 °С, после чего для каждого образца определялись кривые течения.
В результате анализа полученных кривых течений было установлено, что у образца № 1 на малых скоростях сдвига отношение напряжения сдвига к скорости сдвига резко уменьшается, а при больших скоростях становится практически постоянным (рис. 1). Таким образом, образец № 1 проявляет псевдопластичность и является неньютоновской жидкостью. Тиксотропных свойств у данного образца выявлено не было, так как образование петель гистерезиса на кривой течения объясняется небольшими температурными колебаниями (до 0,5 °С), находящимися в пределах погрешности измерений прибора (до 3%). Образец № 2 (рис. 2) является ньютоновской жидкостью, так как имеет линейный характер зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига, а также проявляет тиксотропные свойства. Вязкости образцов при температуре 20 °С соответственно равны: образец № 1 - 7258 мПа-с, образец № 2 -290 мПа-с. Плотность образцов превышает 905 кг/м3, нефть обоих образцов является высокосернистой (количественное содержание серы в образцах № 1 и № 2 - 7,57 и 4,26% соответственно).
Также были сняты кривые течения образцов нефти при различных температурах, чтобы установить влияние температуры нефти на ее вязкость (рис. 3, 4).
Для исследований магнитного воздействия использовалась магнитная установка с постоянными сверхсильными точечными магнитами Nd-Fe-B. Так как при добыче, транспорте и подготовке нефти обрабатывается поток, авторами на верхнеприводной мешалке была смоделирована кинематика потока по кинематическому подобию (числу Рейнольдса). Каждый образец нефти подвергался воздействию магнитного поля в течение 1, 3 и 5 мин.
Анализ образца № 1 показал, что его вязкость снижается до 1135 мПа-с при воздействии магнитным полем в течение 1 мин, до 1617 мПа-с - при обработке в течение 3 мин, до 1577 мПа-с - при обработке в течение 5 мин. Под
воздействием магнитного поля образец нефти № 1 теряет свои псевдопластичные свойства и проявляет себя как ньютоновская жидкость вне зависимости от времени воздействия. Кроме того, нефть проявляет тиксотропные свойства при малом времени воздействия магнитного поля. Кривые течения образца нефти № 1 после магнитного воздействия приведены на рис. 5- 7.
Анализ образца № 2 показал, что его вязкость также снижается до 120 мПа-с при воздействии магнитным полем в течение 1 мин, до 150 мПа-с - при обработке в течение 3 мин и 5 мин. Образец независимо от времени воздействия остается ньютоновской жидкостью, но его тиксотропные свойства уменьшаются. Кривые течения образца нефти № 2 после магнитного воздействия приведены на рис. 8-10.
Кроме того, с целью выявить изменение вязкости нефти при хранении пробы в течение 48 ч после магнитного воздействия каждую пробу помещали в криотермостат и выдерживали до достижения температуры, равной 20 °С. Затем снимались кривые течения и определялась вязкость. Анализ образцов показал, что после хранения вязкость нефти у образцов № 1 и № 2 существенно не изменилась либо вообще не изменилась. Так, у образца № 1 спустя 48 ч вязкость приняла следующие значения: проба после 1 мин магнитного воздействия - 2013 мПа-с, проба после 3 минут магнитного воздействия - 1933 мПа-с, проба после 5 мин магнитного воздействия - 1755 мПа-с (рис. 11). Вязкость образца № 2 после хранения в течение 48 ч не изменилась и осталось равной 150 мПа-с (рис. 12). Также было выявлено, что и кинематика потока не оказывает влияния на вязкость обрабатываемых нефтей.
Таким образом, магнитное воздействие оказывает положительное влияние на снижение вязкости тяжелой нефти, однако эффективность данного способа индивидуальна для той или иной нефти, что объясняется разным компонентным составом нефти и ее реологическими свойствами. Установлено, что на эффективность магнитного воздействия влияет элементный состав нефти.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бикмухаметова Г.К., Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А. и др. Природ-ные битумы. Перспективы использования // Вестник технолог. ун-та. 2016. Т. 19. № 18. С. 31-36.
2. Бойцова А.А., Кондрашева Н.К. Изменение свойств тяжелой ярегской нефти под действием магнитных полей и СВЧ // Химическая технология. 2016. № 1. С. 14-18.
3. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю. Современные методы снижения вязкости высоковязких тяжелых нефтей: Тез. докл. XII Междунар. учеб.-науч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2017». Уфа: Изд-во УГНТУ. С. 429-430.
4. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Мовсумзаде Э.М. Влияние физико-химического воздействия на вязкость тяжелых высоковязких нефтей // Нефтепереработка и нефтехимия. 2017. № 6. С. 10-12.
5. Патент РФ № 71976 7МПК С 02 F 1/48 Устройство для удаления ферро-магнитных частиц из потока жидкости или газа / Шайдаков В.В., Мусаев М.В., Шайдаков Е.В., Полетаева О.Ю., Чернова К.В., Канзафаров Ф.Я., Гамолин О.Е., Педорич В.Н., Рудой В.В. Опубл.: 27.03.2008. Бюл. № 9.
6. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Бабаев Э.Р., Мамедова П.Ш. Влияние СВЧ-воздействия на изменение вязкости высоковязких тяжелых нефтей // НефтеГазоХимия. 2018. № 2. С. 25-27.
7. Лоскутова Ю.В., Юдина Н.В. Влияние магнитного поля на структурно-реологические свойства нефтей // Известия ТПУ. 2006. Т. 309. № 4. С. 104-109.
REFERENCES
1. Bikmukhametova G.K., Abdullin A.I., Yemel'yanycheva YE.A. Natural bitumens. Prospects for use. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta, 2016, vol. 19, no. 18, pp. 31-36 (In Russian).
2. Boytsova A.A., Kondrasheva N.K. Changes in the properties of heavy Yarega oil under the influence of magnetic fields and microwaves. Khimicheskaya tekhnologiya, 2016, no. 1, pp. 14-18 (In Russian).
Leont'yev A.YU., Poletayeva O.YU. Sovremennyye metody snizheniya vyazkosti vysokovyazkikh tyazhelykh neftey [Modern methods for reducing the viscosity of highviscosity heavy oils]. Trudy XII Mezhd. ucheb.-nauch.-prakt. konf. Truboprovodnyy transport 2017 [Proc. of XII Int. educa-tional-scientific-practical conf. Pipeline transport 2017]. Ufa, 2017, pp. 429-430.
Leont'yev A.YU., Poletayeva O.YU., Movsumzade E.M. Influence of phys-ical and chemical impact on the viscosity of heavy, high-viscosity oils. Neftepererabotka i neftekhimiya, 2017, no. 6, pp. 10-12 (In Russian). Shaydakov V.V., Musayev M.V., Shaydakov YE.V., Poletayeva O.YU., Chernova K.V., Kanzafarov F.YA., Gamolin O.YE., Pedorich V.N., Rudoy V.V. Ustroystvo dlya udaleniya ferromagnitnykh chastits iz potoka zhidkosti ili gaza [Device for removing ferromagnetic particles from a flow of liquid or gas]. Patent RF, no. 71976, 2008.
Leont'yev A.YU., Poletayeva O.YU., Babayev E.R., Mamedova P.SH. Influence of microwave exposure on changes in the viscosity of high-viscosity heavy oils. NefteGazoKhimiya, 2018, no. 2, pp. 25-27 (In Russian). Loskutova YU.V., Yudina N.V. The influence of the magnetic field on the structural and rheological properties of oils. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2006, vol. 309, no. 4, pp. 104-109 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Леонтьев Александр Юрьевич, инженер, кафедра гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Байкова Мария Игоревна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Полетаева Ольга Юрьевна, д.т.н., проф. кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Байкова Ляля Ридовна, к.т.н., доцент кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Alexander YU. Leontyev, Engineer of the Department of Fluid Dynamics of Pipeline Network and Fluid Machinery, Ufa State Petroleum Technological University.
Mariya I. Baykova, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Olga YU. Poletaeva, Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Department of Fluid Dynamics of Pipeline Network and Fluid Machinery, Ufa State Petroleum Technological University.
Lyalya R. Baykova, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Fluid Dynamics of Pipeline Network and Fluid Machinery, Ufa State Petroleum Technological University.
