CC BY
72
Литература
1. Комплексный экологический аудит территории лицензионного участка Пограничного нефтегазоконденсатного месторождения. Т. 1. / ОАО «Сибнефть - Ноябрьскнефтегаз». - Томск, 2003. -320 с.
2. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафто. - М.: Изд-во МГУ, 1998. -376 с.
3. ГОСТ 17.4.4.02 -84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.- Введ. 1984-01-01. - М.: Госстандарт, 1984. - 12 с.
4. ГОСТ 17.4.3.01 - 83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. - Введ. 198301-01. - М.: Госстандарт, 1983. - 8 с.
5. ПНД Ф 16.1:2.2.22 - 98 Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК - спектрометрии: утв. упр. экол. контроля и анализа М-ва охр. окр. среды и прир. ресурсов РФ 03.04.98. - М., 1998. - 35 с.
© К. А. Захарова - асп. каф. химической кибернетики КГТУ; М. В. Шулаев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ.
УДК 532.529.5:678.745.842
С. В. Чичканов, А. И. Шамсуллин, В. А. Мягченков ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ПРИСАДКИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ В ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ ПРЯМЫХ ЭМУЛЬСИЙ НЕФТИ
Отмечены особенности использования в водонефтяных средах (на примере прямых нефтяных эмульсий) водорастворимых полимерных присадок для снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков. Проведена оценка влияния на величину эффекта Томса химической природы, концентрации и молекулярной массы (со)полимера, а также физико-химических показателей дисперсионной среды и дисперсной фазы. Впервые проанализировано влияние полимерной присадки на снижение энергозатрат при циркуляции жидкостей в закрытом контуре.
Для многих отраслей промышленности весьма актуальными остаются проблемы оптимизации процессов скоростной транспортировки жидкостей по трубопроводам.. Один из наиболее перспективных и оригинальных подходов к решению этих проблем связан с введением в систему сравнительно небольших добавок высокомолекулярных соединений с функцией присадок, способствующих снижению гидравлического сопротивления турбулентных пото-
ков, что приводит к увеличению расхода жидкости при поддержании постоянного давления (эффект Томса). Эффект Томса (ЭТ) проявляется как в водных, так и в органических средах и поэтому он нашёл широкое применение в самых разных областях промышленности, в частности, при быстрой транспортировке по трубопроводам нефти, нефтепродуктов, водных эмульсий и суспензий, для увеличения скорости быстродвижущихся надводных и подводных объектов, в сельском хозяйстве и в медицине, при тушении сильных пожаров [1] и др.
Несмотря на активное использование ЭТ в промышленности число работ, посвящённых систематическому изучению этого явления на количественном уровне явно недостаточно для глубокого понимания его механизма и отыскания дополнительных «рычагов» управления процессами турбулентного течения жидкостей. Подавляющее большинство теоретических и экспериментальных работ, посвящённых изучению ЭТ, проведено в водных средах, гораздо менее исследованы системы, в которых дисперсионной средой являлись эмульсии, суспензии, органические растворители [2]. Между тем на практике (особенно в нефтепромысловом деле) всё чаще приходится иметь дело с гораздо более сложными многофазными и многокомпонентными системами типа прямых и обратных нефтяных эмульсий. Сложный характер дисперсной фазы и дисперсионной среды в этих системах вносит дополнительно осложняющие факторы, учёт которых необходим для успешного внедрения и эксплуатации технологий, связанных с оптимизацией процессов скоростной транспортировки жидкостей (в том числе и с целевыми продуктами в виде эмульсий и суспензий) в присутствии полимерных присадок.
В качестве важного в практическом плане уточнения отметим, что нефтяные эмульсии имеют существенно более высокую вязкость по сравнению с водой и обезвоженной нефтью. Это вызывает дополнительные осложнения (в частности, резкое увеличение энергозатрат) при высокоскоростной транспортировке эмульсий до места их сбора и разделения, поскольку расстояния, на которые транспортируются эмульсии, могут достигать нескольких десятков километров. В связи с этим нами была проведена серия экспериментов по оценке потенциальной возможности применения водорастворимых полимерных присадок для снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков прямых эмульсий нефти. При этом анализировалось влияние химической природы, концентрации, молекулярной массы полимерной присадки, а также вязкости, размеров и концентрации дисперсной фазы (ДФ) на величину ЭТ в прямых эмульсиях нефти.
Анализ экспериментальных данных начнём с обсуждения концентрационных зависимостей величины ЭТ в прямых эмульсиях нефти для различных полимерных присадок (рис. 1). По данным этого рисунка отметим три важных позиции:
1) в таких сложных многокомпонентных, гетерофазных системах, как прямые эмульсии нефти, ЭТ также имеет место и он достаточно большой по величине;
2) концентрационные зависимости ЭТ отчётливо проявляются для всех изученных образцов (со)полимеров;
3) характер концентрационных зависимостей для прямых эмульсий нефти подобен по виду водным средам - при увеличении концентрации полимера величина ЭТ сначала увеличивается, проходит через максимум и снижается при больших концентрациях полимерной присадки.
При анализе данных рис. 1 необходимо отметить, что величина ЭТ для фиксированных концентраций полимерных присадок для прямых эмульсий нефти несколько ниже по сравнению с аналогичными показателями в водных средах. Отмеченные различия в значениях параметра Т в воде и в прямых эмульсиях нефти связаны с процессами адсорбции полимера на частицах нефти [3], поскольку при этом часть макромолекул полимера
переходит из водной дисперсионной среды в поверхностный слой частиц дисперсной фазы и становится менее активной в отношении ЭТ.
0.5-
0.4-
0.3-
0.2-
0.1-
^ . 2
к2 ,1
■"5
■'б
/ и к / и
0.( 32 0.( )4 0.( )6 0.( )8 0. .0 0. .2 0.
С, кг/м3
б
Рис. 1 - Концентрационные зависимости величины ЭТ в 10 % прямой эмульсии нефти для (со)полимеров: а) А1 (1, 2, 3) и ПОЭ (4, 5, 6); б) А2 (1, 2, 3) и НКМЦ (4, 5, 6).
Р, атм: 5 (1, 4), 10 (2, 5), 15 (3, 6).
По данным рис. 1 прослеживается и влияние химической природы полимерных присадок на величину ЭТ - для гибкоцепных полимеров А\ и А2 значения параметра Т значительно выше, чем для умеренно гибкоцепного ПОЭ и особенно - для жёсткоцепного НКМЦ.
а
К важнейшим параметрам полимерной присадки, оказывающим существенное влияние на её эффективность в ЭТ, относится величина молекулярной массы (со)полимеров М [2]. Для количественной оценки влияния М мы использовали образцы (со)полимеров с различными значениями молекулярных масс, полученные методом ультразвуковой деструкции исходного образца анионного сополимера А1.
Зафиксированный на рис. 2 для прямых эмульсий рост величины приведённого ЭТ Y с увеличением М (характерный и для водных сред) объясняется достаточно просто, поскольку при увеличении молекулярной массы полимера растут среднеквадратичные размеры макромолекул, а, следовательно, и эффективность полимерной добавки в качестве агента, снижающего гидравлическое сопротивление турбулентных потоков жидкостей [4].
у, м3/кг
10
8
6
4
2
0 12 3 4
__________________________________м- ю3_________________________________
Рис. 2 — Зависимость величины приведённого ЭТ Y от молекулярной массы анионных сополимеров (на базе А1) для концентраций полимера С, кг/м3 : 1 - 0.02; 2 - 0.04; 3 -0.08; 4 - 0.12. Р=10 атм.
В ходе экспериментов было установлено, что при увеличении скорости турбулентного потока прямых эмульсий нефти величина ЭТ снижается. Специальной серией экспериментов нами было показано, что наиболее вероятная причина этого заключается в изменении характеристик самой эмульсии в процессе её течения. Поэтому логическим продолжением этих исследований стало проведение серии специальных экспериментов по оценке влияния вязкости и размеров частиц ДФ на величину ЭТ. Необходимо учитывать, что в реальных процессах добычи и транспортировки водонефтяных потоков вязкость и размеры частиц ДФ могут варьироваться в самых широких пределах.
По данным рис. 3 видна отчётливо выраженная тенденция снижения величины ЭТ с увеличением вязкости дисперсной фазы. Уменьшение величины ЭТ с увеличением кинематической вязкости Vн дисперсной фазы логично связать с тем, что в процессе течения эмульсии в турбулентном режиме частицы нефти претерпевают деформационные изменения, а при высоких напряжениях сдвига нельзя исключать и разрыв частиц. Очевидно, что частицы с меньшей вязкостью более склонны к изменению формы и размеров и это явля-
ется одной из возможных причин более высоких показателей по Т у эмульсий нефти с менее вязкой дисперсной фазой.
т
0.5 0.4 0.3
0.2
0.1
0 10 20 30 40 50 60
ун-106, м2/с
Рис. 3 - Зависимость величины параметра Т от кинематической вязкости дисперсной фазы vн для 10% прямых эмульсий нефти. Р, атм: 5 (1), 10 (2), 15 (3). С=0.02 кг/м
Не стоит исключать и возможное увеличение степени адсорбции макромолекул полимера при увеличении вязкости частиц ДФ, поскольку последнее сопровождается увеличением содержания полярных соединений в нефти.
При транспортировке эмульсий нефти в турбулентном режиме нельзя не учитывать и влияние размеров частиц дисперсной фазы К на реологические характеристики эмульсий. Реальные нефтяные эмульсии (как обратные, так и прямые) характеризуются весьма сильным различием в средних размерах частиц дисперсной фазы К , которые определяются скоростью транспортировки жидкости, температурой, наличия насосов и местных сопротивлений (запорной арматуры) в сети трубопроводов, природы и состава перекачиваемой жидкости и др. В ходе проведения этой поисковой серии экспериментов нами было показано, что величина ЭТ слабо зависит от размеров частиц дисперсной фазы.
При попытке внедрения технологии снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков жидкости в присутствии полимеров на реальных объектах трубопроводного транспорта необходимо учитывать ряд технологических нюансов. Известно, что при введении полимерной присадки в турбулентный поток жидкости в реальных трубопроводных системах позитивное проявление этого эффекта возможно по следующим направлениям [5, 6]:
1) увеличение расхода жидкости при условии поддержания постоянного давления в трубопроводе и нагрузки на приводы перекачивающих агрегатов;
2) снижение давления в трубопроводе при условии постоянства расхода жидкости;
3) снижение нагрузки на приводы перекачивающих агрегатов.
Учитывая тот факт, что в подавляющем большинстве случаев расход жидкости и давление перекачки являются величинами постоянными (в частности, расчёт материальнотеплового баланса большинства технологических процессов ведётся исходя из заданного
расхода жидкости) положительный эффект введения полимерной присадки может проявляться и в снижении энергопотребления приводов перекачивающих агрегатов. Снижение энергозатрат при скоростной транспортировке жидкостей по трубопроводам становится в последнее время всё более актуальным из-за постоянного увеличения стоимости электроэнергии и её дефицита в целом ряде регионов страны. Если же учесть, что насосные станции работают в круглосуточном режиме, потребляя при этом огромное количество энергии в масштабах нефтяных промышленных регионов и страны в целом, то даже небольшое снижение количества потребляемой электроэнергии (порядка нескольких процентов) может оказаться весьма существенным фактором в снижении энергозатрат и стоимости перекачиваемых по трубопроводам жидких сред с включением целевых продуктов.
В связи с отмеченной проблемой нами была проведена серия экспериментов по сопоставительной оценке количества потребляемой электроэнергии на специально созданной для этой цели модельной установке.
В табл. 1 приведены сопоставительные экспериментальные данные по энергозатратам для водопроводной воды, сточной воды НГДУ «Заинскнефть» и 10% прямой эмульсии нефти при введении в турбулентные потоки различных доз полимерной присадки А1.
Таблица 1 - Сопоставительные данные по количеству потреблённой электроэнергии при циркуляции по рабочему контуру водопроводной и сточной (минерализованной) вод, а также 10% прямой эмульсии нефти в присутствии различных доз полимерной присадки А1
Концентрация А1, % £ Снижение потребляемой электроэнергии, %
Водоп роводная вода
0 1.000 -
0.002 0.908 9.2
0.006 0.913 8.6
0.012 0.846 15.4
Сточная (минерализованная), сернистая вода
0 1.000 -
0.002 0.983 1.7
0.006 0.921 7.8
0.012 0.914 8.5
10% прямая эмульсия нефти
0 1.000 -
0.0037 1.000 0
0.006 0.981 1.8
0.012 0.952 4.8
Из анализа данных таблицы 1 можно сделать вывод, что во всех случаях при добавлении полимера в поток перекачиваемой жидкости наблюдалась тенденция снижения количества потребляемой электроэнергии, которая в ряде случаев достигала 5-10 %. Помимо этого, следует отметить и вторую тенденцию, а именно - одновременно со снижением количества потребляемой приводом насоса электроэнергии наблюдалось антибатное увеличение расхода жидкостей, включая такие сложные объекты, как нефтяные эмульсии. Главным же позитивным моментом при введении полимеров в турбулентные потоки жидкостей (рис. 4) является то, что отмеченные тенденции не «работают» в антагонистическом режиме - увеличение расхода жидкостей не сопровождается увеличением энергозатрат на транспортировку, и наоборот, снижение энергозатрат не приводит к уменьшению расхода жидкостей.
Рис. 4 - Сопоставительные данные по расходам жидкостей и количеству потреблённой электроэнергии при различных концентрациях полимера А2 в водопроводной воде
Экспериментальная часть
Эксперименты по оценке величины эффекта Томса проводились на модифицированном турбулентном реометре, схема которого представлена в [7]. Количественными характеристиками величины ЭТ служили безразмерный параметр Т (у = т -то , где т0 и т - массы прямых эмульсий
то
нефти, прошедших через трубку реометра за определённое (фиксированное) время без добавки и с добавкой полимера соответственно) и приведённый эффект Томса Y=T/C (С - концентрация полимерной присадки) [2].
В экспериментах использовали различные по природе (со)полимеры, характеристики которых приведены в табл. 2.
Для приготовления прямых эмульсий использовали нефть Макаровского месторождения (НГДУ «Заинскнефть», Татарстан). С целью получения эмульсий с различной вязкостью частиц дисперсной фазы нефть разбавляли керосином в определённых соотношениях. В качестве стабили-
затора прямых эмульсий нефти использовали неионогенное ПАВ - Неонол АФ9-10 (в количестве 2% по объёму от количества нефти). Для получения устойчивых прямых нефтяных эмульсий со стабильными характеристиками по размерам частиц дисперсной фазы использовали установку циркуляционного типа, включающую в себя набор металлических сеток, в которых происходило дробление частиц нефтяной эмульсии до нужных размеров. Такой способ приготовления прямых нефтяных эмульсий гарантировал их высокую агрегативную и седиментационную устойчивость.
Таблица 2 - Основные характеристики использованных водорастворимых (со)полимеров
Название Химическая формула Обозна- чение Содержание ионогенных звеньев, % мол. М-10'6
Анионные статистические сополимеры акрила-мида с акрилатом натрия Аі 7.0 8.0
А2 21.5 10.8
Полиоксиэтилен -{СН-СН-ОІ ПОЭ 0 2.0
Натриевая соль карбоксиметил-целлюлозы Н2С-0-СН2-С00Ма _ он он _ п НКМЦ 100 0.14
Ультразвуковую деструкцию сополимера проводили в водных растворах на установке УЗДН-1 с рабочей частотой 22 кГц при варьировании мощности и времени облучения. Выбранный режим ультразвуковой обработки исключал протекание побочных химических процессов и обеспечивал идентичность всех полученных образцов сополимеров по составу и полидисперсности по составу.
Эмульсии нефти, различающиеся по средним размерам частиц дисперсной фазы (при соблюдении условия постоянства состава эмульсий, а также других условий эксперимента), получали методом ультразвуковой обработки при варьировании времени и мощности ультразвукового излучения [8].
Эксперименты по влиянию полимерных присадок на энергозатраты насоса при прокачке жидкостей проводили на установке, упрощённая схема которой представлена на рис. 5. Для сопоставительной оценки количества потреблённой электроэнергии использовали относительный параметр:
£=Е/Ео,
где Е и Ео - количество электроэнергии (кВт-ч), потреблённое насосом при прокачке жидкости соответственно с добавкой полимера и без него.
Рис. 5 - Упрощённая схема экспериментальной установки для оценки энергозатрат при транспортировке жидкостей: 1 - ёмкость; 2 - насос; 3 - вентиль регулирования расхода жидкости; 4 - байпасная линия; 5 - нагнетательная линия; 6 - рабочий контур (участок металлополимерной трубки длиной 15 м и диаметром 16 мм); 7 - счётчик электроэнергии
Жидкость из ёмкости 1, прокачивалась с помощью насоса 2 через контрольный участок трубопровода 6 и возвращалась обратно в ёмкость 1. Конструкция установки позволяла периодически оценивать расход жидкости по времени заполнения измерительной ёмкости (на рис. 5 не представлена). В ходе экспериментов параллельно с измерением расхода жидкости контролировалось и количество потреблённой насосом электроэнергии (с помощью счётчика электроэнергии 7).
Выводы
1. Проведённый нами анализ показал, что для интенсификации процессов скоростной транспортировки водонефтяных сред необходимо, прежде всего, учитывать химическую природу, концентрацию, значения молекулярных масс полимерных присадок, а также большое число параметров, характеризующих физико-химические показатели дисперсионной среды и частиц дисперсионной фазы.
2. Показано, что при скоростной транспортировке прямых нефтяных эмульсий (а также сточных вод) в присутствии водорастворимых полимерных присадок количество потреблённой электроэнергии при благоприятных условиях может быть снижено на 5-10 %. Это обстоятельство может оказаться весьма существенным (с экономической точки зрения) на стадии внедрения прогрессивных технологий скоростной транспортировки водонефтяных сред на реальных объектах нефтедобычи.
Литература
1. Escudier M. P., Presti F., Smith S. Drag reduction in turbulent pipe flow of polymers// J. Non-Newton Fluid Mech. Vol. 81. N.3. 1999. P. 197-213.
2. Мягченков В. А., Чичканов С. В. Эффект Томса в модельных и реальных системах (обзор)// Ж. прикл. хим. 2005. Т. 78. Вып. 4. С. 529-544.
3. 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. 2003. Т. 76. Вып. 11. С. 1901-1905.
4. Мягченков В. А., Чичканов С. В. Влияние молекулярных параметров полиакриламида на процесс капиллярного массопереноса турбулентных водных потоков// Инж.-физ. ж. 2005. Т. 78. № 3. С. 96-103.
5. Иваненков В. В., Пименов О. В. Опыт использования противотурбулентных присадок на магистральных нефтепродуктопроводах// Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2006. № 2. С. 3-7.
6. Ахмадуллин К. Р., Хажнев Р. Х., Матчин В. К., Галлеев И. М. Использование противотурбулент-ной присадки при транспортировке дизельного топлива по МНПП «Уфа-Западное направление»// Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2006. № 4. С. 3-7.
7. Чичканов С. В., Шамсуллин А. И., Крупин С. В., Мягченков В. А. Влияние геометрических параметров стеклянных капилляров и природы полимерной присадки на величину эффекта Томса в водных средах// Вестник Каз. технол. ун-та. 2004. № 1-2. С. 221-229.
8. Чичканов С. В., Шамсуллин А. И., Мягченков В. А. Влияние размеров частиц дисперсной фазы прямых эмульсий нефти на величину эффекта Томса // Вестник Каз. технол. ун-та. 2005. № 1.С. 296-303.
© С. В. Чичканов - асс. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; А. И. Шамсуллин - асп. той же кафедры; В. А. Мягченков - д-р хим. наук, проф. той же кафедры.
