Современный анализ эффективности применения присадок в процессах трубопроводного транспорта водно-углеводородных сред

А. В. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, М. 3. Зарифянова







СОВРЕМЕННЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИСАДОК В ПРОЦЕССАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ВОДНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ СРЕД



Монография






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.692.4
ББК 39.71
     Ш25

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научной работе АО «Всероссийский научно-исследовательский институт углеводородного сырья» (г. Казань), заведующий лабораторией сероочистки углеводородного сырья Вильданов Азат Фаридович;
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология основного органического и нефтехимического синтеза (ТООНС)» Казанского национального исследовательского технологического университета (г. Казань), член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан
Хуснутдинов Исмагил Шакирович



        Шарифуллин, А. В.

Ш25 Современный анализ эффективности применения присадок в процессах трубопроводного транспорта водно-углеводородных сред : монография / А. В. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, М. 3. Зарифянова. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 124 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1486-9

           Изложены современные представления о движении однофазных и двухфазных водно-углеводородных сред (нефтяных и продуктов их переработки) с точки зрения гидродинамики. Приведены основные способы снижения гидравлического сопротивления, в том числе и эффект Томса и методы их оценки. Представлен анализ проведенных лабораторных исследований по оценке эффективности действия присадок различного типа с учетом особенностей их применения. Предложены механизмы действия реагентов с учетом возникающих синергетических эффектов. Дана оценка снижения энергетических затрат на перекачку нефтяных эмульсий с применением композиций реагентов.
           Для научно-технического персонала, задействованного в научных исследованиях, а также для инженерно-технического состава организаций, занимающихся практическими вопросами транспорта нефти и нефтепродуктов.

УДК 622.692.4
                                                                ББК 39.71







ISBN 978-5-9729-1486-9

   © Шарифуллин А. В., Байбекова Л. Р., Зарифянова М. 3., 2023
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        СОДЕРЖАНИЕ


АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ................................................4
ГЛАВА 1. Трубопроводный транспорт нефти: проблемы и перспективы.....5
    1.1.     Определение и снижение гидравлического сопротивления с точки зрения гидродинамики.....................................6
    1.2.     Методы снижения гидравлического сопротивления, или эффект Томса.................................................8
    1.3.     Требования к полимерам, используемым для снижения гидравлического сопротивления...................................13
    1.4.     Основные факторы, влияющие на снижение гидравлического сопротивления при течении жидкости по трубе.....................15
    1.5.   Практическое применение противотурбулентных присадок.....22
ГЛАВА 2. Определение эффекта Томса (ВЭТ)........................25
    2.1.     Группы присадок в зависимости от среды применения и требования к ним..............................................25
    2.2.   Методы определения эффекта Томса.....................28
    2.3.   Расчет эффекта Томса.................................33
ГЛАВА 3. Факторы, влияющие на эффект Томса в водных средах......43
    3.1.     Влияние турбулентности потока жидкости на величину эффекта Томса...................................................43
    3.2.   Влияние водной фазы на эффект Томса..................47
    3.3.   Влияние деструктивных факторов на величину эффекта Томса.49
    3.4.     Влияние коллоидно-химических свойств водных растворов ПАВ и полимеров на эффект Томса.....................................52
ГЛАВА 4. Факторы, влияющие на эффект Томса в углеводородных средах 56
    4.1.     Гидродинамика движения углеводородных сред. Влияние компонентов нефти (парафинов, смол, асфальтенов) на коэффициент гидравлического сопротивления...................................................56
    4.2.     Влияние вида маслорастворимых присадок на эффект Томса в углеводородных потоках........................................68
    4.3.     Влияние коллоидно-химических свойств углеводородных растворов ПАВ и полимеров на эффект Томса.......................75
ГЛАВА 5. Факторы, влияющие на эффект Томса в многофазных средах типа «нефть в воде» и «вода в нефти»............................82
    5.1.     Влияние воды в составе нефтяной эмульсии на гидравлическое сопротивление потока............................................84
    5.2.     Снижение гидравлического сопротивления в многофазных водонефтяных потоках............................................90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................110
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................113

3

        АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ


    В процессе длительной разработки нефтяных месторождений исчерпываются запасы «легких» нефтей с малой вязкостью и плотностью. Происходит постепенный переход на добычу высоковязких нефтей с повышенным содержанием асфальтено-смолистых веществ (АСВ) и твердых парафинов. Кроме того, в связи с существенным ростом объемов повышения нефтеотдачи на основе заводнения, процессы добычи нефтей сопровождаются существенным увеличением в составе скважинной продукции пластовой воды, что приводит к образованию высоковязких устойчивых эмульсий. Это ведет к резкому снижению производительности трубопроводного транспорта.
    Более энергоэффективным методом снижения затрат на перекачку можно считать реагентный метод, основанный на введении в состав эмульсионных потоков специальных присадок, позволяющих снизить гидравлическое сопротивление. Этот метод основан на снижении гидравлического сопротивления (турбулентного трения) при транспортировке жидкостей с добавлением высокомолекулярных полимеров, так называемый эффект Томса. Данный эффект проявляется в увеличении пропускной способности (увеличении расхода) при сохранении затрат на транспортировку, либо в снижении затрат энергии на транспортировку при сохранении расхода.
    Научные изыскания в данной области в основном посвящены вопросам транспортировки однофазных потоков (воды, дизельного топлива, «легкой» нефти и т. д.). Для нефтей с повышенным содержанием АСВ и твердых парафинов, а также для двухфазных систем типа «нефть - вода» исследования проводились фрагментарно на отдельных эмульсиях, поэтому не выявлено четких закономерностей и практических рекомендаций.
    В качестве присадок, снижающих гидравлическое сопротивление, в основном предлагались высокомолекулярные полимеры и композиции на их основе. Однако они имеют ряд недостатков: низкая устойчивость к механической деструкции, малая эффективность в эмульсиях. Для решения вышеназванных проблем необходимы новые типы реагентов комплексного действия, снижающих не только энергетические и материальные затраты на перекачку, но и предотвращающих образование стойких эмульсий.

4

        ГЛАВА 1. Трубопроводный транспорт нефти: проблемы и перспективы


    Трубопроводный транспорт, по сравнению с другими видами транспорта, обладает преимуществами. Наиболее низкая себестоимость перекачки; бесперебойная поставка в течение года, практически не зависящая от климатических условий, незначительные потери нефти при перекачке, возможность перекачки нефти нескольких сортов и нефтепродуктов по одному трубопроводу, возможность наращивания пропускной способности трубопровода за счет строительства дополнительных насосных станций и прокладки параллельных участков [1-2].
    Зачастую под трубопроводным транспортом понимают магистральные трубопроводы по перекачке нефти и нефтепродуктов, технология эксплуатации которых изучается многими научно-исследовательскими институтами. Если с нефтепродуктами, состоящими из однофазных потоков, основные законы транспортировки выработаны практически до конца, то с транспортом товарных нефтей идут постоянные исследования, которые направлены на снижение капитальных затрат на транспортировку. Трудности транспортировки связаны с постоянно меняющимся составом и структурой товарных нефтей - от районов Западной Сибири до европейских границ России.
    Транспортировка нефтяной продукции от скважин до пунктов подготовки нефти осуществляется с помощью промысловых трубопроводов. Скважинной продукцией являются нефтяные эмульсии с различным содержанием пластовой воды с различной минерализацией. Основная энергетическая нагрузка, в отличие от магистральных трубопроводов, приходится как раз на промысловые трубопроводы, которые, помимо транспортировки нефти, также перекачивают пластовую попутную воду с содержанием до 98 %, закачиваемую обратно для поддержания пластового давления. В последние десятилетия, в связи с постоянным повышением обводненности добываемой нефти, всё чаще встречаются эмульсии первого рода (нефть в воде). Это обстоятельство является дополнительным осложняющим фактором, так как вязкость нефтяной эмульсии во много раз превышает вязкость самой нефти. Высокоскоростная транспортировка таких эмульсий по трубопроводам также связана с большими энергозатратами из-за наличия высокого гидравлического сопротивления в турбулентном потоке.
    В последние годы в нефтедобывающих регионах наметилась тенденция к увеличению добычи тяжелых нефтей, на долю которых приходится около 80 % запасов. Отдельные месторождения полностью относятся к залежам с трудноизвлекаемыми запасами вязкой нефти. Таким образом, можно говорить о том, что будет идти интенсивная разработка месторождений высоковязких нефтей, что приведет к осложнению проблем, связанных с их транспортировкой.
    Проблему повышения производительности трубопроводного транспорта можно решить увеличением мощности силовых установок, используемых на насосных станциях. Однако это сопряжено с техническими трудностями и большим объемом капиталовложений. Поэтому снижение гидродинамических затрат при перекачке нефти и нефтепродуктов, приводящее к увеличению про


5

изводительности трубопроводов при тех же мощностях силовых установок, представляет значительный интерес.

        1.1. Определение и снижение гидравлического сопротивления с точки зрения гидродинамики

    Одна из основных задач практической гидравлики - оценка потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при движении реальных жидкостей в трубопроводах. Точный учет этих потерь во многом определяет надежность технических расчетов, степень совершенства и экономическую целесообразность инженерных решений, принимаемых при проектировании [3].
    Прежде всего, необходимо составить ясное представление о механизме самого движения жидкости. О. Рейнольдс в 1883 г. доказал существование двух различных режимов движения жидкостей: ламинарный и турбулентный.
    Ламинарное (слоистое) движение можно рассматривать как движение отдельных слоев жидкости, происходящее без перемешивания частиц. Вторым видом движения жидкости, наблюдаемым при больших скоростях, является турбулентный (вихревой). В этом случае в движении жидкости нет видимой закономерности. Отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям в то время, как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении. В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают также поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению и требующие, соответственно, большей затраты энергии на движение жидкости, чем в ламинарном потоке [4-5].
    Рейнольдс установил, что основными факторами, определяющими характер режима, являются: средняя скорость движения v; диаметр трубопровода d; плотность р и вязкость 1] жидкостей.
    Для характеристики режима движения жидкости введен безразмерный параметр Re, учитывающий влияние перечисленных факторов и называемый числом Рейнольдса:
Re = (vdp)/г] /5.                       (1)
      Формулу (1) можно записать в виде:
Re = (vd)/v /5.                         (2)
    Число Re, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называют критическим. Причем Re,.T не является вполне постоянным, и в действительности при известных условиях неустойчивая зона может оказаться довольно широкой. Однако при расчетах принято исходить только из одного критического значения Re = 2300, при Re < 2300 режим всегда считается ламинарным, а при Re > 2300 - всегда турбулентным. При этом движение жидкости в переходной зоне исключается из рассмотрения, что приводит к некоторому запасу и большей надежности в гидравлических расчетах.

6

    Усредненные скорости для турбулентного потока в любых точках фактически постоянны и направлены вдоль оси потока. В связи с этим турбулентное движение жидкости условно можно рассматривать как движение установившееся.
    Помимо пульсации скорости в турбулентном потоке возникает также и пульсация давления. Под воздействием пульсации частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении потока, получают, кроме того, и поперечные перемещения, вследствие чего между соседними слоями жидкости возникает обмен частицами, вызывающий перемешивание жидкости. Профиль усредненной скорости турбулентного течения в трубах (рис. 1) отличается от параболического профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения. За исключением скорости тонкого слоя около стенки профиль скорости описывается логарифмическим законом. В отличие от ламинарного режима, турбулентный пограничный слой обычно имеет отчетливую беспорядочно колеблющуюся во времени границу. По схеме, предложенной Л. Прандтлем, пограничный слой турбулентного течения состоит из вязкого подслоя и переходной зоны (см. рис. 1).


Рис. 1 - Схема модели турбулентного потока

     Наличие вязкого подслоя доказано экспериментально, толщина его очень мала и обычно определяется долями миллиметра. Она зависит от Re и тем меньше, чем больше это число.
     На турбулентный поток большое влияние оказывает состояние стенок, обладающих в той или иной степени известной шероховатостью, которая характеризуется величиной и формой различных выступов и неровностей, имеющихся на стенках. В качестве основной характеристики шероховатости служит абсолютная шероховатость к, представляющая среднюю величину указанных выступов и неровностей. Кроме того, в расчетах используется относительная шероховатость £, равная отношению абсолютной шероховатости к радиусу трубы:
(s = k/R).                            (3)
     В гидравлике различают гидравлически гладкие трубы (k < Sₑc) и шероховатые (k > Sвс ).

7

    Прандтль предложил следующее распределение скоростей в круглой трубе при турбулентном режиме:
    -   в случае гладких труб

v = v,

5,75 • lg vₜa    Д
                                     -------^— ■ 5,5 I/5;
V          )

(4)

    -  в случае шероховатых труб

v = v,

( 5,75 • lg a
I k

+ 8,5 I/5.

(5)

    Законы распределения скоростей имеют большое теоретическое и практическое значение, позволяют установить весьма важную для практических целей связь между распределением скоростей и коэффициентом гидравлического сопротивления, а также проиллюстрировать механизм действия противотурбу-лентных присадок.
    Потери напора при движении жидкости в трубах в турбулентном и ламинарном режимах определяются с помощью универсального уравнения Дарси -Вейсбаха:

hₘₚ=X(L/d) (v2/2g).

(6)

    Коэффициент X, входящий в формулу, для турбулентного потока, вычисля


ется совершенно по-иному, чем для ламинарного.


        1.2. Методы снижения гидравлического сопротивления, или эффект Томса

    Большое значение для увеличения пропускной способности трубопроводов и снижения затрат энергии на транспортирование жидкостей имеет уменьшение гидравлического сопротивления. В настоящее время для транспортировки нефти применяют специальные методы:
    -  перекачку с разбавителями;
    -  перекачку предварительно подогретых жидкостей;
    -  перекачку термообработанных нефтей;
    -  гидротранспорт высоковязких нефтей;
    -  перекачку нефтей с присадками.
    Первые три метода основаны на снижении вязкости перекачиваемой жидкости, которые приводят к существенному снижению гидравлического сопротивления. Однако их применение не всегда выполнимо.
    Сущность гидротранспорта нефтей состоит в том, чтобы создать пристенный кольцевой слой маловязкой жидкости, например, перекачка нефти внутри водяного кольца. Двухслойное течение с устойчивой границей раздела фаз особенно актуально для снижения гидравлического сопротивления в трубопроводах высоковязких и неньютоновских жидкостей за счет водяного слоя. Этот слой постепенно из-за турбулентной и молекулярной диффузии «размывается»

8

с образованием. Такая эмульсия имеет вязкость даже большую, чем вязкость исходной нефти. К тому же данный метод не подходит для перекачки нефтяных эмульсий по промысловым трубопроводам [5-6].
    Одним из способов решения данной проблемы является использование в качестве добавки к перекачиваемым нефтям и нефтепродуктам специальных полимерных присадок, снижающих гидравлическое сопротивление за счет гашения турбулентности вдоль стенок трубопровода.
    Добавки, снижающие сопротивление течения, представляют собой углеводородные полимеры высокой молекулярной массы. Их вводят в трубопроводы в количестве всего несколько граммов на тонну, при этом снижение коэффициента гидравлического сопротивления потока происходит на 30-50 %.
    Впервые явление снижения сопротивления течения путем впрыскивания полимера было открыто в 1946 г. английским химиком Б. А. Томсом. Исследуя характеристики жидких растворов в турбулентном потоке, Томс установил, что при введении небольшого количества полимера в трубопровод с турбулентным движением потока раствор снижает сопротивление течения. Исследования, проведенные в 60-70-х гг. прошлого столетия, показали значительность получаемого эффекта.
    В настоящее время применение противотурбулентных присадок имеет широкий спектр по составу, природе, молекулярной массе и т. д. В качестве присадок применяют различные полимеры, ПАВ, соли различных кислот и т. д. Эффект снижения гидравлического сопротивления путем введения различных полимерных присадок получил широкое распространение в нефтедобывающей промышленности - при бурении, скоростной транспортировке воды, нефти, нефтяных эмульсий и нефтепродуктов, а также при тушении сильных пожаров, в процессе резки металлов и камня, в медицине, биологии [7-10].
    Существуют различные способы, позволяющие с различных позиций проводить оценку влияния противотурбулентных присадок на эффект Томса (ЭТ). Одними из наиболее распространенных способов оценки эффекта Томса являются методы, основанные на измерении расхода жидкости, прошедшей через трубку (модельный трубопровод) [11] или динамической вязкости среды при различных скоростях сдвига, в частности, на ротационных вискозиметрах типа «Реотест» [12]. Также существуют методы, в основе которых заложено измерение характеристик течения при обтекании тел различной формы и размеров [13, 14], сил сопротивления при вращении плоских дисков друг относительно друга, между которыми располагается исследуемая жидкость [15]. Широкое распространение получил метод доплеровской анемометрии, который позволяет получить реальную картину профиля скоростей турбулентного потока на любом его участке [16-18].
    Среди большого разнообразия методов оценки эффекта Томса наиболее удобным для обработки данных и наглядным является метод, основанный на измерении расхода жидкости, перепаде давления на концах трубы или на расчете гидравлического сопротивления по параметрам потока при моделировании процесса трубопроводного транспорта с помощью трубок и капилляров [11, 19-23].

9

    Несмотря на то, что некоторые авторы указывают на относительное снижение энергозатрат при транспортировке жидкостей по трубопроводу в турбулентном режиме [24], среди большой совокупности работ по изучению эффекта Томса отсутствует описание лабораторных установок, позволяющих проводить одновременный контроль как реологических, так и энергетических параметров турбулентных потоков. Как следствие этого, столь важный в практическом плане аспект эффекта Томса, как снижение энергозатрат на транспортировку жидкости в турбулентном режиме в присутствии полимерных присадок, большинством исследователей остался совершенно незатронутым. В результате этого при проведении опытно-промышленных испытаний на реальных трубопроводах [24] изменение энергетических параметров процесса транспортировки фиксируется как сопутствующий эффект без подведения какой-либо научной базы.
    Большое разнообразие способов оценки величины эффекта Томса влечёт за собой появление различных подходов в попытке объяснить природу этого явления. По прошествии более полувека после открытия эффекта Томса нет достаточно общей теории, удовлетворительно описывающей механизм этого явления - имеются лишь многочисленные попытки объяснить некоторые конкретные аспекты эффекта Томса.
    Принцип работы противотурбулентных присадок - эффект Томса
    Эффект снижения сопротивления турбулентного течения при введении в поток перекачиваемой жидкости полимерных добавок был установлен английским химиком Б. А. Томсом в 1946 году [25, 26]. Открытие данного метода значительно повысило интерес у исследователей. В последующие годы началось более детальное изучение обнаруженного эффекта и возможности применения его на реально действующих объектах.
    Эффект снижения гидравлического сопротивления потока при турбулентном течении за счет введения небольшого количества полимера (нескольких частей на миллион - ppm) получил название эффект Томса.
    В турбулентном потоке молекулы жидкости перемещаются хаотично, что приводит к напрасной потере значительной части энергии в вихревых потоках и ином беспорядочном движении. Работа антитурбулентных присадок (АТП) заключается во взаимодействии молекул полимера с турбулентным потоком жидкости.
    Гашение возникающей турбулентности можно объяснить следующим. При течении гидродинамически эффективного раствора по мере ускорения движения в силу того, что вязкоупругие «капли» полимера имеют размеры на 3-4 порядка больше, чем молекулы растворителя, происходит смещение крупных частиц полимера к стенке. Таким образом, с ростом скорости у стенки трубы образуется специфический флуктуационный слой гидродинамически активного полимера. Образованием этого флуктуационного слоя полимера, по-видимому, можно объяснить и увеличение вязкого подслоя, наблюдаемого при эффекте снижения трения. Флуктуационный слой имеет определенные размеры, и при полностью заполненном слое наблюдается максимальное снижение сопротивления. В отличие от адсорбционного, флуктуационный слой является составной 10

частью движущегося объема жидкости. Модель с флуктуационным слоем позволяет объяснить все имеющиеся экспериментальные факты. Ни одна из существующих теорий не объясняет экстремальный характер концентрационной зависимости эффекта снижения сопротивления. В данной модели эта зависимость прямо коррелирует с образованием флуктуационного слоя [27].
    Образованием флуктуационного слоя можно объяснить и некоторые вязкостные эффекты: при дисперсии полимера к стенке концентрация его в объеме уменьшается, в то же время происходит увеличение концентрации полимера в пристенном флуктуационном слое, что ведет к возрастанию продольной вязкости. Повышенная продольная вязкость полимерных растворов приводит к уменьшению интенсивности турбулентных выбросов. Увеличение содержания полимера в флуктуационном слое приводит к тому, что концентрация его становится такой, которая соответствует проявлению характерных вязкоупругих свойств, с которыми, как сказано выше, связывается гашение турбулентности.
    При малой концентрации полимерной присадки в растворе, протекающем в трубопроводе, была отмечена радиальная дисперсия с повышенной концентрацией полимера у стенки. Эти экспериментальные данные подтверждают возможность образования флуктуационного слоя.
    Для понимания принципа действия антитурбулентных присадок, снижающих степень турбулентности потока, необходимо сначала описать структуру турбулентного потока в трубопроводе. Внизу отображен типичный турбулентный поток в трубопроводе (рис. 2), состоящий из трех частей. В самом центре потока находится турбулентное ядро. Оно занимает наибольшее пространство и охватывает большую часть жидкости в трубе. В его зоне возникают вихревые потоки и хаотическое движение молекул. Непосредственно у стенки трубопровода течет ламинарный промежуточный слой. Здесь поперечное движение жидкости происходит полосами. Между ламинарным слоем и турбулентным ядром находится буферная зона.


Рис. 2 - Принцип закачки присадки в поток жидкости

    Новейшие исследования в этой области указывают на исключительную важность буферной зоны, поскольку именно там зарождается турбулентность. Время от времени часть ламинарного подслоя, называемая прожилкой, попадает в буферную зону. Попав в эту зону, прожилка начинает скручиваться и коле

11