CC BY
294Высоковязкая тяжелая нефть -альтернатива традиционной нефти
I
Б.С.Рачевский, профессор РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, д.т.н., ЦаоБо, аспирантРГУ нефти и газа имени И.М.Губкина (Китай)
В статье показана актуальность проблемы истощения запасов традиционной нефти и целесообразность ее замены на альтернативную высоковязкую тяжелую нефть. Рассмотрены способы подготовки высоковязкой нефти к транспортировке по трубопроводам. Особое внимание уделено способам снижения вязкости тяжелой нефти, в том числе микроволновым излучением.
__Ключевые слова:
традиционная нефть, высоковязкая нефть, подготовка к транспортировке, снижение вязкости.
беспеченность топливными ресурсами определяет национальную энергобезопасность и развитие экономики любого государства. Современное экономическое развитие стран мира в течение трех последних десятилетий привело к многократному увеличению потребления энергетических ресурсов, в первую очередь нефти как сырья для производства нефтепродуктов. В свою очередь нефтепродукты являются основным энергоресурсом для двигателей внутреннего сгорания, основная доля которых приходится на автотранспорт, количество которого растет в последние годы высокими темпами.
В настоящее время мировой парк автомобилей составляет около 1 млрд ед. и состоит на 30 % из грузовых и на 70 % из легковых автомобилей. Каждый год в мире производятся примерно 45 млн автомобилей, причем 25 миллионов заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 миллионов составляют ежегодный прирост мирового автопарка.
Подсчитано, что в среднем в год один
автомобиль потребляет 2,2 т бензина или дизельного топлива, а весь мировой автопарк - порядка 2,2 млрд т моторного нефтяного топлива, на производство которого потребуется как минимум 4 млрд т нефти.
С другой стороны, доказанные мировые запасы традиционной нефти составляют около 162 млрд т. Если тратить нефть только на производство нефтяных моторных топлив, то ее хватит в среднем по миру не более чем на 40 лет (162 млрд / 4 млрд = 40 лет). При этом с учетом имеющихся геологических запасов и нынешнего уровня добычи по странам традиционной нефти в Саудовской Аравии хватит на 80 лет, в Иране - на 70 лет, в Венесуэле - на 58 лет, в Ливии - на 56 лет, в Мексике -на 43 года, в России - на 22 года, в Китае -на 21 год, в Норвегии - на 19 лет, в США - на 10 лет, в Великобритании - на 5 лет.
Поскольку запасы традиционной нефти, основного в настоящее время энергоносителя на нашей планете, заметно истощаются, одной из важных проблем топливно-энергетического комплекса
является применение альтернативных углеводородных топлив. Мировая практика уже успешно использует некоторые виды такого топлива. Это природный газ в компримированном и сжиженном виде [1-3]. Однако растущее энергопотребление и большие запасы нетрадиционной труднодоступной нефти заставляют вовлекать в разработку и эти месторождения, наиболее перспективными из которых можно считать залежи тяжелой высоковязкой нефти (ВВН).
Важнейшей составляющей сырьевой базы нефтяной отрасли нефтедобывающих стран мира, в том числе и России, являются запасы высоковязкой тяжелой нефти. По оценкам, ее запасы составляют от 790 млрд до 1 трлн т, что в 5-6 раз больше остаточных извлекаемых запасов нефти малой и средней вязкости, составляющих примерно 160 млрд т.
Геологические запасы высоковязкой нефти в России составляют до 75 млрд т, однако их применение требует использования специальных дорогостоящих технологий, так как такая нефть сложна в переработке, из-за высокой вязкости ее сложно перекачивать, она плохо протекает по скважине, и даже при больших запасах трудно отбирать большие дебиты.
К сожалению, пока добыча высоковязкой нефти достаточно часто нерентабельна. Как и всякое новое перспективное производство, освоение ресурсов, транспортировка и организация переработки высоковязкой нефти требуют перспективных методов воздействия на тяжелую нефть с целью снижения ее вязкости.
Высоковязкая нефть - это нефть, в состав которой входит большое количество тяжелых углеводородов. Вязкость ВВН быстро увеличивается при снижении температуры, и застывает такая нефть при сравнительно низких температурах.
В состав ВВН входит большое количество парафинов. При высоких температурах ВВН является маловязкой жидкостью, однако при снижении температуры ниже начала кристаллизации
в ней начинают выделяться кристаллы парафина, количество которых увеличивается по мере снижения температуры нефти.
Обычным способом перекачка такой нефти нерациональна, так как велико гидравлическое сопротивление течению.
Вязкость в пластовых условиях для месторождений тяжелой ВВН варьируется от относительно небольших значений 20 МПа-с до величин, близких к значениям природного битума (9000 МПа-с). При этом большинство месторождений имеют вязкость в пределах 1000 МПа-с.
Залежи ВВН встречаются в диапазоне глубин от 300 до 1500 м и выше. Наиболее значимые залежи находятся на глубине 1000...1500 м.
Операционные затраты по добыче и транспортировке тяжелой нефти в 3-4 раза превосходят эти затраты для легкой нефти, что связано с высокой плотностью и вязкостью тяжелой нефти. Переработка тяжелой ВВН более затруднительна, энергоемка и, как следствие, во многих случаях низкорентабельна и даже убыточна. Поэтому добыча и транспортировка высоковязкой нефти требуют применения специальных технологий, позволяющих уменьшить гидравлическое сопротивление ВВН при ее движении в трубопроводе или снизить вязкость тяжелой нефти.
Потери энергии на трение при транспортировке высоковязкой нефти оказываются настолько большими, что ее перекачка оказывается нецелесообразной. Для того, чтобы получить возможность транспортировать высоковязкую нефть, необходимо улучшить ее текучесть.
Существуют различные способы разработки тяжелой нефти, которые различаются технологическими характеристиками, позволяющими улучшить текучесть этого продукта. Так, разработаны способы, улучшающие текучесть высоковязкой нефти при транспортировке ее по трубопроводам. Их можно
42
разделить на две группы: способы, при которых реологические свойства перекачиваемой нефти не меняются, и способы, основанные на изменении этих свойств [4].
К первой группе относятся:
• создание с помощью механических устройств (насадки, спирали и т.д.) пристенного внутреннего слоя из маловязкой жидкости (нефть, нефтепродукты, вода с добавлением поверхностно-активных веществ и без них);
• уменьшение шероховатости внутренней стенки трубопровода или изменение его геометрии (трубы с внутренним покрытием, телескопические трубопроводы);
• уменьшение эквивалентной длины трубопровода (последовательная перекачка партий нефти и воды).
Способы перекачки высоковязкой нефти, основанные на изменении реологических характеристик транспортируемой жидкости, относятся ко второй группе, и их можно разделить на физические и физико-химические.
К физическим способам относятся следующие:
• повышение температуры потока нефти в печах или теплообменниках, расположенных в отдельных пунктах трассы трубопровода, с использованием для этого различных видов топлива (перекачиваемый продукт, утилизация тепла промышленных производств и т.д.);
• повышение температуры потока нефти за счет внешнего или внутреннего электрообогрева трубопровода с тепловой изоляцией или без нее (гибкие ленты, кабели, разогрев за счет скин-эффекта и т.д.); при этом возможен разогрев всего объема жидкости или только пристенного слоя.
Физико-химические способы можно разделить на пять типов:
• перекачка в виде эмульсий нефти в воде с использованием стабилизирующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) и без них;
• разбавление перекачиваемой нефти маловязкой нефтью и другими углеводородными разбавителями (нефтепродукты, газовый конденсат и т.д.);
• термообработка путем нагрева нефти до определенной температуры с последующим ее охлаждением в заданном режиме до температуры перекачки;
• обработка депрессорной присадкой всего объема нефти или только пристенного слоя потока;
• обработка высоковязкой нефти микроволновым облучением.
В историческом аспекте первоначально был разработан способ транспортировки нефти в нагретом состоянии, а в 40-50-х гг. XX века предложены такие технологии как гидротранспорт высоковязкой нефти, применение углеводородных разбавителей и маловязкой нефти, а также термообработка. Позднее появились предложения по использованию при перекачке химических соединений, повышающих текучесть па-рафинистых видов нефти и депрессоров (стимуляторы потока).
В мировой и отечественной практике накоплен значительный опыт эксплуатации трубопроводов, перекачивающих высоковязкую нефть. На большинстве из них для снижения вязкости нефти используют подогрев [5, 6]. Одним из самых крупных «горячих» трубопроводов является «Узень - Самара». Несмотря на распространенность этого метода перекачки ему присущи серьезные недостатки, так как он ведется при температурах около 60...80 °С. Это приводит к большим затратам тепла, причем сжигается огромное количество перекачиваемого сырья, что отрицательно влияет на окружающую среду. Так как температура перекачиваемых продуктов значительно выше температуры окружающего пространства, неизбежно активное влияние «горячих» трубопроводов на сложные природные условия, например, на зоны вечномерз-лых грунтов.
Эффективным способом трубопроводного транспорта высоковязкой нефти является ее перекачка в смеси с маловязкой нефтью и нефтепродуктами. Вязкость таких смесей снижается, что обусловливает уменьшение энергозатрат. Обычно концентрация маловязкого углеводородного разбавителя в смеси составляет 30 % (об.) [5]. Препятствием к широкому внедрению этого способа является, как правило, отсутствие необходимого количества разбавителя в местах добычи высоковязкой нефти, а доставка его туда часто бывает экономически нецелесообразной.
При гидротранспорте нефти в виде эмульсии «нефть в воде» с применением стабилизирующих ПАВ эффект снижения вязкости достигается за счет отсутствия контакта частиц нефти друг с другом и с внутренней поверхностью трубопровода, так как она смачивается водой. Недостатками этого метода улучшения текучести высоковязкой нефти являются энергетические затраты на перекачку воды, которая обычно составляет 25. 30 % общего количества транспортируемой нефти, а также необходимость очистки воды от ПАВ на конечном пункте нефтепровода перед ее дальнейшим использованием [5].
Гидротранспорт требует высокой степени надежности насосного оборудования и электроснабжения, так как даже кратковременные остановки перекачки в холодный период года могут привести к замораживанию трубопровода на участках значительной длины. Кроме того, при гидротранспорте изменение соотношения воды и нефти может привести к обращению фаз, то есть к образованию стойких обратных водонефтяных эмульсий, более вязких, чем сама нефть. При такой технологии в условиях отрицательных температур должна применяться теплоизоляция трубопроводов.
Практика эксплуатации «горячих» трубопроводов показала, что можно уменьшить прочность кристаллической
структуры и снизить вязкость высо-копарафинистой нефти путем ее термообработки, которая подразумевает нагрев нефти до определенной температуры (около 90 °С) с последующим охлаждением в динамическом и статическом режимах с заданной скоростью (10.20 град/ч). При нагреве нефти в процессе термообработки твердые парафиновые углеводороды растворяются, и снимается вся ее тепловая и механическая предыстория. При ее охлаждении начинают образовываться кристаллы парафинов, которые вступают в контакт с асфальто-смолистыми веществами, подавляющими способность парафинов образовывать гель и тем самым смещающими начало процесса структурообразо-вания в область более низких температур [7]. Основным недостатком этого метода является то, что повторный нагрев тер-мообработанной нефти в значительной степени снижает эффект термообработки и ухудшает ее реологические характеристики при хранении. Восстановление исходных реологических характеристик некоторых видов нефти после термообработки наступает через 3.4 суток из-за теплового движения частиц, которое способствует образованию сплошной структурной сетки из парафинов [5, 7].
Перспективным способом перекачки по трубопроводам высокопарафинистой нефти является ее обработка депрес-сорными присадками, улучшающими текучесть и снижающими температуру застывания этой нефти. В течение последних 20-30 лет как за рубежом, так и в России проводились широкие лабораторные и промышленные исследования по разработке нефтяных депрессоров и определению области их применения [8-10]. Действие указанных присадок различно: одни снижают температуру застывания нефти, другие уменьшают напряжение сдвига и вязкость. Наилучшие образцы объединяют вышеперечисленные качества, и высокопарафинистая нефть, обработанная ими, приобретает
44
ньютоновский характер течения в диапазоне температур, при которых обычно она представляет собой неподвижную массу. Неньютоновское поведение высо-копарафинистой нефти при ее перекачке по трубопроводам обусловлено появлением и развитием в ней кристаллической структуры парафиновых углеводородов. Введение в нефть депрессорной присадки приводит к изменению формы и размеров кристаллов парафина, но не снижает его количество в растворе.
Механизм действия присадок объясняется созданием на поверхности кристаллов защитного барьера в период их выделения из раствора, который препятствует построению кристаллической структуры, охватывающей всю жидкую фазу нефти. В результате понижается температура образования геля, и сформировавшаяся кристаллическая структура имеет более низкую механическую прочность, чем без депрессора. Способы ввода депрессора могут быть различны. Основным требованием к ним является обеспечение высокой степени его смешения с нагретой до 50.60 °С нефтью. Недостаток этого способа - высокая стоимость присадок.
Представляет значительный интерес обработка высоковязкой нефти микроволновым облучением, которая проводится с целью снижения вязкости нефти. Микроволновой (или сверхчастотный) диапазон - это диапазон электромагнитных волн, частоты которых лежат в интервале от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует диапазону длин волн от 1 мм до 100 см.
Нагревание диэлектрических материалов микроволновым излучением обусловлено диэлектрическими потерями. Микроволновой нагрев является объемным, когда поглощение энергии происходит распределенными центрами, в состав которых входят компоненты с большой величиной мнимой части диэлектрической проницаемости (фактор диэлектрических потерь) - молекулы смол
и асфальтенов. Рост температуры идет быстрее по сравнению с обычным нагревом, когда тепло поступает через поверхность, ограничивающую облучаемый объем. При обычном нагреве путем теплопроводности, конвекции или рационального переноса тепловой энергии передача тепла от внешних участков к внутренним обусловлена температурным градиентом. Микроволновой нагрев более быстрый, эффективный и экологически чистый. Кроме того, важную роль играет «нетепловой эффект», заключающийся в селективном воздействии на определенные химические группы и связи.
Исследование механизмов воздействия микроволнового излучения на тяжелую вязкую нефть все еще находится в начальной стадии.
Нами проведены экспериментальные и теоретические исследования воздействия микроволнового облучения на вязкость тяжелой нефти, которые показали эффективное снижение ее вязкости при воздействии микроволнового облучения.
Изменения микроструктуры нефти практически необратимы, и новые параметры остаются стабильными по меньшей мере около двух месяцев. Микроволновое воздействие можно охарактеризовать как «тепловым», так и «нетепловым» эффектом воздействия на тяжелую нефть. Эти многокомпонентные сложные системы являются природными дисперсными системами, в которых высокомолекулярные компоненты (асфаль-тены, смолы и парафины) вследствие значительных потенциалов межмолекулярных взаимодействий формируют коллоидные частицы различной морфологии. Наряду с изменениями надмолекулярных структур на различных уровнях иерархии происходят необратимые химические изменения (разрыв молекулярных связей длинных алка-новых цепей или ароматических фрагментов в надмолекулярных структурах, обусловленный пи-взаимодействиями).
Это ведет к увеличению содержания ароматических и алкановых молекул меньшей молекулярной массы в дисперсионной среде.
Эффективность и целесообразность применения того или иного способа добычи и транспортировки высоковязких видов нефти зависит от множества факторов. Тем не менее в конкретных случаях выбор возможного способа определяется техническими и экономическим ограничениями.
Упомянутые выше способы транспортировки высоковязкой нефти и проведенные исследования свидетельствуют о том, что процесс обработки ВВН микроволновым излучением перспективен в качестве
основы для развития новых технологий повышения эффективности ее добычи и транспортировки, а значит и получения экономических преимуществ.
С учетом того, что энергия является основой человеческого существования, и спрос в мире на энергоносители с годами увеличивается, а ресурс традиционной нефти снижается, решение проблемы обеспечения энергобезопасности заставило специалистов обратить внимание на технологии, позволяющие заменить традиционную нефть. Одной из них стала технология использования высоковязкой тяжелой нефти с наиболее эффективным способом ее добычи и транспортировки.
Литература
1. Рачевский Б.С. Развитие энергетики сжатого и сжиженного природного газа как переходного этапа к водородной энергетике // Транспорт на альтернативном топливе.-2009. - №3 (9).-С.16-20.
2. БоЦао, Рачевский Б.С. Использование газомоторного топлива на автотранспорте в Китае // Транспорт на альтернативном топливе. -2014. - №6 (42). - С.57-61.
3. Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы - альтернатива нефти и нефтепродуктам // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. -№4 (10). -С.7-10.
4. Агапкин В.М., Челинцев С.Н. Перекачка высоковязких и застывающих нефтей и нефтепродуктов за рубежом. -М.: ВНИИОЭНГ, РНТС «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1974. - 88 с.
5. Губин В.Е., Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. - М: Недра, 1982. - 296 с.
6. Черникин В.И. Перекачка вязких и застывающих нефтей.- М.: Гостоптехиз-дат, 1958. - 162 с.
7. Писаревский В.М., Поляков В.А., Сощенко А.Е., Черняев В.Д., Прохоров А.Д., Челинцев С.Н. Трубопроводный транспорт нефтей с аномальными свойствами.- М.: Нефть и газ, 1997. - 56 с.
8. Агапкин В.М. Трубопроводы для транспортировки высоковязкой и застывающей нефти.- М.: Информнефтегазстрой, 1982. - 36 с.
9. Беккер Л.М., Конради В.В., Коротков В.П., Туманян Б.П., Челинцев С.Н. Применение депрессорной присадки при трубопроводном транспорте смесей высокозастывающих нефтей северных месторождений Тимано-Печорской нефтегазовой провинции //Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.-1994.-№ 11.- С. 11-12.
10. Бурова Л.И., Дмитриева Н.А., Пономарев М.С., Тертерян Р.А., Блейхер Э.М., Челинцев С.Н. Выбор присадки к высокозастывающим нефтям Туркмении // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - 1977.- №5. - С.6-9.
