Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Теплогидравлические особенности совместного транспорта "разнотипных" нефтей

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Теплогидравлические особенности совместного транспорта "разнотипных" нефтей"

На правах рукописи

КАРИМОВ РИНАТ МАРАТОВИЧ

ТЕПЛОГИДРЛВЛИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОГО ТРАНСПОРТА «РАЗНОТИПНЫХ» ПЕФТЕЙ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061802

10 "Г! 2013

Уфа-2013

005061802

Работа выполнена на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (г.Уфа) Мастобаев Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент, директор ООО «Кавказэнергоаудит» (г. Москва) Юкин Аркадий Федорович кандидат технических наук, доцент, главный специалист отдела технологических расчетов ООО «НИИ ТНН» (г. Москва) Гольянов Андрей Иванович

ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический унивфситет» (г. Ухта)

Защита диссертации состоится «25» июня 2013 года в 15°° на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат диссертации разослан «24» мая 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена постепенным истощением мировых запасов легкой маловязкой нефти. Месторождения трудноизвлекаемых высоковязких и высокозасшвающих нефтей приобретают все большее значение в мировой экономике.

Особое значение они имеют в России и Казахстане, где месторождения легкой нефти выработаны более чем наполовину, а их доставка потребителю, готовому принять и способного переработать такое сырье, часто связана с необходимостью преодоления больших расстояний и неприспособленностью магистральных трубопроводов к перекачке таких нефтей.

Высокое содержание высокомолекулярных компонентов в нефти в сочетании с особенностями структурно-группового состава создают большие трудности при транспорте и хранении, требующие применения.методов специальной перекачки, что ведет к повышению эксплуатационных затрат и увеличению себестоимости нефти.

При совместной перекачке нефтей разных месторождений можно обеспечить их эффективную надежную транспортировку на заданное расстояние, не прибегая к дорогостоящим методам специальной перекачки, либо со снижением транспортных эксплуатационных затрат. Справедливо и обратное - при хаотичном смешении нефтей без учета их компонентного состава и реологических свойств возможно получить такие проявления несовместимости, как усадка и «потеря объема» смеси, аномальное повышение вязкости и потеря седиментационной устойчивости вплоть до расслоения смешиваемых нефтей.

Из-за изменения состава нефтяной смеси на участках нефтепровода в процессе совместной перекачки использование методов специальной перекачки может оказаться не только малоэффективным, но и необоснованным.

Повышение эффективности совместного транспорта различных нефтей в смеси, улучшение эксплуатационных свойств перекачиваемого продукта и оптимизация режимов перекачки являются актуальными задачами трубопроводного транспорта.

Целью работы является повышение эффективности загрузки и работы нефтепроводов, предназначенных доя совместной перекачки нефтей различных месторождений в смеси.

Задачи исследований: - анализ экспериментальных и опытно-промышленных исследований физико-химических и эксплуатационных свойств товарных нефтяных смесей для оценки

эффективности и границ применимости существующих методов специальной перекачки для нефтей различных типов;

- разработка транспортной технологической классификации товарных нефтей и обоснование основных принципов смешения «разнотипных» нефтей для повышения эффективности их совместного трубопроводного транспорта;

- оптимизация режима «горячего» нефтепровода «Узень - Атырау - Самара» и логистической схемы транспортировки западноказахстанских нефтей для полного и эффективного использования располагаемых мощностей и потенциала региона;

определение границ применимости существующих моделей течения и оценка эффективности использования современных методов и средств для решения задач по прогнозированию реологических свойств многокомпонентных нефтяных смесей.

Научная новизна:

обоснована возможность использования многоиндексной транспортной задачи Монжа-Канторовича для оптимальной загрузки сложных нефтепроводных систем и повышения эффективности работы диверсифицированных нефтетранспортных схем в условиях ограниченных мощностей;

разработана транспортная технологическая классификация товарных нефтей, устанавливающая границы эффективного смешения и применения специальных методов перекачки;

установлено совокупное влияние изменения структурно-группового состава и количества высокомолекулярных компонентов на физико-химические свойства и реологические параметры нефтяных смесей;

впервые получена универсальная обобщенная модель для описания течения нефтяных дисперсных систем, характеризующая текущее реологическое состояние и структуру высокомолекулярных компонентов нефти.

Методы исследований. Поставленные цели и задачи решались путем анализа и систематизации результатов опьггно-промышленных и лабораторных исследований, проведения теплогидравлических. расчетов нефтепровода и постановки реологических экспериментов с многокомпонентной нефтяной смесью.

На защиту выносятся: обзор достижений отечественного и мирового опыта по изучению особенностей состава и аномальных реологических свойств нефтей и смесей; собственные выводы, составленные на основе теоретических гипотез и анализа данных промышленно-экспериментальных исследований; результаты теплогидравлических

расчетов и проведенных реологических экспериментов; решения по оптимизации режимов перекачки и процессов загрузки нефтепроводов, а также рекомендации дам повышения эффективности совместного транспорта «разнотипных» нефтей.

Практическая ценность работы. Проведенные исследования и результаты работы используются при проектировании и обустройстве пунктов сбора и подготовки нефти в АО НИПИ «Каспиймунайгаз».

Результаты работы использовались при обновлении регламента безопасной эксплуатации магистрального нефтепровода «Узень - Атырау - Самара» в Западном филиале АО «КазТрансОйл».

Материалы диссертации используются для разработки рекомендаций и дополнений к регламешу по эксплуатации сырьевого парка Атырауского нефтеперерабатывающего завода ТОО «АНПЗ».

Отдельные главы работы и результаты экспериментов используются в учебном процессе для подготовки магистров на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по программе «Ресурсоэнергосберегаюшие технологии транспорта и хранения углеводородов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены:

- на 60, 61, 62 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, 2009,2010,2011 г.;

на международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт - 2009,2010», г. Уфа.

- на 25-ой юбилейной международной конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», г. Уфа, 2011 г.;

- на межрегиональном научно-практическом семинаре «Рассохинские чтения», г. Ухта, 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 14 печатных изданий, в том числе 6 научных статей, включая 1 в зарубежном журнале, и 8 докладов на научно-технических конференциях. 3 работы опубликовано в ведущих журналах и издательствах РФ, рекомендуемых перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 198 страниц машинописного текста, в том числе 26 таблиц, 64 рисунка, библиографический список из 141 наименования и 4 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор литературных источников и научных трудов, посвященных актуальным проблемам трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей. Систематизированы работы и исследования в области изучения состава и физико-химических свойств нефтей Западного Казахстана.

Научными исследованиями по проблемам транспорта высоковязких жидкостей в разное время занимались многие исследователи. Наибольшее распространение получил транспорт нефти с подогревом, впервые предложенный В.Г. Шуховым.

Дальнейшее развитие теоретических основ технологии транспорта высоковязких нефтей нашло отражение в работах Л.С Лейбензона, В.И. Черникина, B.C. Яблонского.

Среди трудов, посвященных этому направлению, следует особо выделить работы Л.С. Абрамзона, ВМ. Агалкина, ЕА. Армейского, A.IIL Акжигитова, РЛ. Бахтизина, РЛ. Бикчентая, А К. Галлямова, НА. Гаррис, В JE. Губина, Н.М. Гостева, В Л. Дегтярева, ИЛ. Евдокимова, П.В. Жуйко, EJ3. Кацюцевича, БЛ. Кривошеина, БЛ. Мастобаева, А.Х. Мирзаджанзаде, К.В. Мукука, Н.К. Надирова, В.Ф. Новоселова, Б.У. Уразгалиева, ОБ. Сазонова, Р.М. Сатарова, ЮЗ. Скрипникова, ЮА Сковородникова, Р.З. Сафиевой, З.И. Сюняева, Б .А. Тонкошнурова, ПЛ. Тугунова, В.И. Харламенко, А.А. Шутова, К.Ю. Штукатурова, А.Ф. Юкина, В.А Юфина.

В общем объеме добываемых нефтей доля вязких и высокозастывающих нефтей будет непременно расти во всех странах, и по мере постепенного истощения месторождений традиционной легкой нефти придется решать множество задач, связанных с их добычей, способами транспортировки и глубокой переработки, о чем свидетельствует проведенный в работе литературный обзор.

Во второй главе выполнен анализ отечественного и мирового опыта по смешению нефтей различных месторождений для их совместного транспорта и переработки. Рассмотрены особенности трубопроводного транспорта «разнотипных» нефтей в смеси и критерии «несовместимости» нефтей при смешении.

Проведенный в работе анализ эффективности совместной перекачки эмбинской и мангышлакской нефтей свидетельствует о целесообразности добавления легкой прорвинской нефти для улучшения текучести мангышлакской смеси.

Традиционно считается, что аномальновязкие битуминозные нефти не подходят для разбавления высокозастывающих высокопарафинистых нефтей, однако именно выход тяжелой каламкасской нефти на станцию Узень стал решающим фактором сохранения живучести участка «Узень - Кульсары». В таблице 1 приведены значения вязкости чистой мангышлакской нефти и ее смеси при температурах 25-40 °С.

Таблица 1 - Зависимость эффективной вязкости нефтей от скорости сдвига при различных температурах__

е,°с Эффективная вязкость мангышлакской нефти (мПа-с) при скорости сдвига, с"' Эффективная вязкость смеси с 20 % каламкасской нефти (мПа с) при скорости сдвига, с"1

9 27 81 243 9 27 81 243

25 1736,0 893,0 491,0 302,0 423,0 224,0 150,0 104,5

30 260,0 173,3 112,4 83,7 121,0 92,5 77,4 65,7

35 155,5 106,3 71,2 53,5 76,3 58,9 48,1 41,3

40 86,7 56,6 41,9 31,6 51,9 43,9 32,3 27,9

Анализ приведенных данных показал, что увеличение температуры подогрева смеси приводит к снижению эффективности разбавления, а повышение концентрации каламкасской компоненты, в свою очередь, позволяет снизить температуру перекачки нефтяной смеси. С увеличением скорости сдвига снижается эффективная вязкость как чистой мангышлакской нефти, так и ее смеси с каламкасской нефтью. Динамика изменения реологических параметров различных вариантов смешения нефтей при изменении температуры подогрева смеси показаны в таблице 2 и на рисунке 1.

Таблица 2 - Реологические характеристики нефтесмесей

Содержание каламкасской нефти в смеси, мае. % и, °С Р20, кг/м3 Статическое напряжение сдвига (Па) при температуре, С Кинематическая вязкость (мм'/с) при температуре, °С

15 21 27 30 35 Г 40 50

0 30,5 857 454,8 50,0 5,0 - 143,6 42,40 17,28

20 26,5 862 148,4 20,0 2,7 154,6 47,5 - 18,31

30 21,5 870 82,2 11,8 - 99,7 37,30 20,80

40 19,5 875 47,9 7,4 - 126,0 64,75 35,75 22,87

50 -5,0 898 - - - 56,56 - 36,96 27,30

Кривые температурной зависимости кинематической вязкости мангышлакской и каламкасской нефтей (рисунок 1) пересекаются в одной области. При температурах выше области пересечения кинематическая вязкость «разбавляющей» компоненты больше вязкости мангышлакской, а при температурах ниже - меньше. При низких

температурах увеличение содержания каламкасской нефти в смеси приводит к уменьшению ее эффективной вязкости, а при высоких температурах вязкость смеси увеличивается с ростом в ней содержания каламкасской компоненты. Вискограммы различных смесей пересекаются в пределах весьма узкого температурного интервала 43-45 °С, что свидетельствует о близких значениях кинематической вязкости смесей различной концентрации вблизи этой температуры.

Рисунок 1 - Температурная зависимость кинематической вязкости:

1 - чистая мангышлакская нефть; 5 - чистая каламкасская нефть; 2,3,4 - смесь нефтей при 20,30 и 40 % содержания каламкасской компоненты

Для сравнительной оценки совместной перекачки высоковязкой нефти в смеси с парафиниегами нефтями проведен сравнительный анализ промышленных данных по смешению мангышлакской нефти с прорвинской и каламкасской нефтями (рисунок 2).

СЛі

Рисунок 2 - Реологические кривые смесей мангышлакской нефти: 1,2- смесь, содержащая 20% каламкасской нефти (1 - при 25 °С, 2 - при 30 °С); 3,4- смесь, содержащая 30% прорвинской нефти (3 - при 20 °С, 4 - при 25 °С)

В результате совмещения реограмм различных мангышлакских смесей видно, что разбавление высокопарафинистой нефти тяжелыми каламкасскими нефтями даже в меньших концентрациях практически не уступает по эффективности легким маловязким

прорвинским нефтям. При повышении температуры подогрева бузачи-маншшлакской смеси всего на 5 °С отмечается заметное улучшение реологических характеристик по сравнению с добавлением маловязкой прорвинской нефти при меньших концентрациях.

Реологический эффект от добавления каламкасской нефти в мангышлакскую нефтяную смесь аналогичен действию дорогостоящих депрессорных присадок, что позволяет снизить температуру застывания и эффективную вязкость нефти.

Анализ накопленного опыта эксплуатации нефтепровода «Узень - Атырау -Самара» с учетом планируемых республикой мероприятий по диверсификации нефтетранспортных потоков Западного Казахстана показал, что в ближайшем будущем могут возникнуть проблемы с транспортом Мангышлакских нефтей. Одной из них является снижение объемов нефти на проблемных участках нефтепровода из-за перенаправления маршрутов экспорта западноказахстанских нефтей и снижения добычи на некоторых месторождениях региона. Наращивание производительности перекачки за счет бузачинских нефтей позволит снизить затраты на перекачку смеси.

Доказано, что при совместном транспорте нефтей различных месторождений в смеси существует вероятность их «несовместимости», приводящая к повышению эксплуатационных затрат и изменению режима перекачки, снижению эффективности применяемых методов специальной перекачки нефти.

Проявления «несовместимости» при смешении нефтей связаны с возникновением сильных межмолекулярных взаимодействий, вызванных изменением структурно-группового состава и взаимного соотношения концентраций высокомолекулярных соединений нефти, что приводит к образованию ассоциатов молекул, объемных коллоидных частиц различной формы и структуры.

В нефтях к агрегированию и образованию коллоидов склонны молекулы, входящие во фракцию асфальтенов, увеличение доли которых приводит к отклонениям вязкости и плотности нефтей от значений, предсказываемых моделями для «идеальных» смесей, включая потерю «объема», образование повышенного количества асфальтосмолистых парафиновых отложений (АСПО) и расслоение смеси. Для снижения вероятности проявления «несовместимости» нефтей необходим оперативный контроль концентрации асфальтенов в процессе смешения компонентов.

В результате анализа различных типов нефтепроводных систем со сбросами и подкачками нефти, используемых для совместного транспорта продукции различных месторождений в смеси к нескольким потенциальным потребителям, выявлены:

- недостатки в определении тарифов на перекачку, вызванные неоднородностью перекачиваемых нефтей и непостоянством реологических свойств нефтяной смеси;

возможность увеличения прибыли нефтетранспортных предприятий за счет оптимального распределения нефтяных потоков по наиболее эффективным схемам.

В первом приближении задачу по оптимизации нефтетранспортных маршрутов и эффективной загрузки нефтепроводных мощностей можно решить с помощью математического программирования, путем нахождения оптимального решения транспортной задачи Монжа - Канторовича (рисунок 3).

Транспортная задача будет иметь решение только в условиях полной загрузки трубопроводов либо при переизбытке объемов добываемой нефти и ограниченных возможностях потребления. Основным критерием эффективности в данном методе будут удельные затраты на перекачку определенного объема нефти конкретного месторождения к потенциальному потребителю.

Рисунок 3 - Применение транспортной задачи Монжа - Канторовича для оптимальной загрузки сложных нефтепроводных систем

Пусть I - множество основных месторождений, I - множество промежуточных пунктов подкачки нефти, К - множество пунктов потребления. Обозначим через А; -максимальный объем добычи нефти на месторождении 1; Вк - объём нефти, который необходимо доставить к-ому пункту потребления; р^ - максимальное количество нефти, которое может быть доставлено из .¡-ого промежуточного пункта подкачки нефти к-ому потребителю; Щ - максимальный объём нефти, который может быть доставлен из 1-ого месторождения в ,]-ый промежуточный пункт подкачки нефти; Сук - затраты на перекачку удельной массы нефти из ього месторождения через ,)-ый промежуточный пункт подкачки к-му потребителю нефти (¡€1, кбК). Тогда рассматриваемая задача заключается в определении таких величин, как х,^ - объем

нефти, который будет перекачен из месторождения 1 через .¡-ый промежуточный пункт подкачки к-му потребителю нефти, для которых выполняются ограничения:

Тогда эффективность выбранной схемы транспортировки, характеризующей минимальные суммарные затраты на перекачку необходимого объема нефти будет оцениваться критерием:

В классическом виде метод предназначен для перевозок однородных грузов и не учитывает технологические особенности трубопроводного транспорта нефти, такие как сильное различие реологических свойств «разнотипных» нефтей и возможные последствия их смешения, поэтому целесообразно использовать многоиндексную транспортную задачу по нескольким ключевым параметрам.

Решение этих задач требует проведения ряда исследований для создания технологической транспортной классификации нефтей на основе природы их происхождения, углеводородного, структурно-группового и компонентного состава, в совокупности влияющих на физико-химические и реологические свойства нефти, а также разработки практических рекомендаций смешения нефтей различных типов друг с другом с учетом фактора «несовместимости».

В третей главе проведен анализ энергоэффективности совместного транспорта нефтей Западного Казахстана по магистральному «горячему» нефтепроводу «Узень -Атырау - Самара», в результате которого предложены обоснованные решения, направленные на сокращение эксплуатационных затрат трубопроводного транспорта.

Схема транспортировки западноказахстанских нефтей представлена на рисунке 4. Специфика сложившейся за несколько десятилетий нефтетранспортной системы Западного Казахстана, изначально ориентированной на транспорт мангышлакской нефти методом «горячей перекачки» по трубопроводу «Узень - Атырау - Самара», в настоящее время не отвечает основным критериям эффективности трубопроводного

\к£Кх1]к ^ Аи

ИкекХцк ^ Еа> Iе '-У еУ; Хцк > о, 1'е/Д еК,]е].

(1)

(2)

транспорта. Подключение новых месторождений и строительство альтернативных маршрутов экспорта западноказахстанской нефти сильно изменили существующую нефтетранспортную систему региона, что существенно повлияло на технологический режим «горячего» нефтепровода и привело к повышению эксплуатационных затрат, связанных с транспортом «неэффективных» нефтяных смесей и часто необоснованным применением затратных методов специальной перекачки нефти.

Характеристики основных товарных нефтей наиболее крупных месторождений Западного Казахстана представлены в таблице 3.

Сравнительный анализ структурно-группового и компонентного состава показал, что западноказахстанские нефти можно разделить по типам на четыре большие группы в зависимости от их реологических особенностей, влияющих на эксплуатационные транспортные свойства формируемой нефтяной смеси:

I - средние по всем показателям нафтено-метановые и нафтеновые нефти;

II — легкие низкозастывающие метановые и метано-нафтеновые нефти;

III - высокозастывающие метановые и метано-нафтеновые нефти;

IV - тяжелые высоковязкие битуминозные нефти.

Таблица 3 - Физико-химические свойства и состав западноказахстанских нефтей

Нефть Р20, кг/м3 1з,°С V, мм2/с Содержание, мас.% Тип нефти (группа)

20иС 40иС парафины смолы асфальтены

Каламкас 901,1 <-27 111,7 39,8 4,95 18,58 4,73 IV

Сев. Бузачи 920,9 -27 143,1 48,6 7,14 19,1 5,09 IV

Каражанбас 938,3 -24 - 262,4 3,13 22,67 5,88 IV

Дунга 820,9 27 - 6,2 13,95 4,46 1,47 III

Жетыбай 850,5 30 - 20,9 20,97 18,9 1,88 III

Узень 845,8 27 - 29,0 20,6 17,2 2,34 III

Каракудук 819,4 30 - 7,53 20,87 3,75 1,84 III

Прорва 871,5 -12 12,3 6,6 4,20 7,0 4,51 I

Косчагыл 875,9 -18 - 20,8 5,02 5,80 2,18 I

Елемес 875,3 -15 11,7 6,4 4,31 9,58 2,08 I

Карсак 854,2 -3 28,0 18,1 7,92 0,99 1,06 I

Орысказган 846,1 <-27 13,8 7,6 8,79 5,71 0,41 II

Боранколь 871,4 -24 14,4 8,1 7,72 10,46 6,12 II

Кырыкмылтык 887,6 <-27 - 41,3 2,56 5,70 1,40 II

Алибекмола 830,8 <-27 4,5 2,8 10,03 4,58 1,58 11

Кенкияк 822,5 <-27 38,9 17,7 5,05 8.15 1,55 II

Жанажол 799,5 <-27 2,9 2,0 7,72 3,72 2,03 II

В процессе совместной перекачки на различных участках нефтепровода в него поступают нефти примерно с тридцати месторождений региона, сильно различающихся как по составу, так и по физико-химическим свойствам. Изменение физико-химических свойств нефтей, формирующих западноказахстанскую смесь в зависимости от особенностей состава, можно проследить на следующих графиках (рисунок 4).

Рисунок 4 - Изменение состава и свойств «разнотипных» западноказахстанских нефтей, совместно перекачиваемых по нефтепроводу «Узень - Атырау - Самара»

Предложенная технологическая классификация западноказахстанских нефтей основана на общности их эксплуатационных свойств и близости месторождений к определенным зонам, совпадающим с участками нефтепровода «Узень - Атырау -Самара», что позволяет оценивать степень влияния отдельных типов нефтей на реологические свойства формируемой в процессе перекачки многокомпонентной смеси и теплогидравлические характеристики участков нефтепровода.

Физико-химические свойства формируемых нефтяных смесей на различных участках нефтепровода зависят от текущего компонентного состава. В результате

этого реологические параметры западноказахстанской смеси изменяются в процессе перекачки по мере добавления в нее нефтей различных месторождений (таблица 4).

Таблица 4 — Кинематическая вязкость и температура застывания нефтяной смеси на участках нефтепровода «Узень - Атырау - Самара»_

Участок нефтепровода Кинематическая вязкость, мм^/с Температура застывания, °С Состав смеси (типы нефтей, поступающие в нефтепровод)

20 С зоис 40°С 50"С 60°С

Каламкас - Каражанбас - 75,0 37,2 23,8 16,6 <-27 IV

Каражанбас - Жетыбай - 107,3 61,6 38,2 26,2 -21 IV

Жетыбай — Узень - 50,1 39,4 25,5 21,2 6 IV, III

Узень - Сай-Утес - 68,2 38,1 23,5 13,6 24 IV, III

Сай-Утес - Кулъсары - 61,9 30,0 18,4 12,8 27 IV, III

Кульсары - Атырау - 43,0 28,1 18,0 13,0 15 IV, III, I

Атырау - Самара - 22,7 14,5 10,8 7,7 9 IV, III, I, II

Смешение Бузачинских нефтей (IV тип) с высокопарафинистыми нефтями Мангышлака (Ш тип) сопровождается возникновением баланса в структурно-групповом и компонентном составах нефтяной смеси, что приводит к снижению температуры застывания нефти, эффективной вязкости и повышает эффективность термообработки мангышлакских нефтей.

Разбавление вязкой тяжелой бузачи-мангышлакской смеси газоконденсатными нефтями Актюбинской области (II тип) менее эффективно, чем смешение с прорвинскими и эмбинскими нефтями. При преобладании в западноказахстанской смеси бузачинских нефтей на начальных участках нефтепровода последующее добавление нефтей Актюбинской области приводит к повышенному количеству АСПО в трубопроводах и резервуарах.

Для повышения эффективности совместной перекачки необходимо увеличить долю атырауских нефтей (I тип) в смеси. Необходимые объемы требуемого разбавителя вместо легких однокомпонентных нефтей Актюбинской области вполне могло бы компенсировать возвращение к закачке в нефтепровод «Узень - Атырау — Самара» маловязкой Тенгизской нефти, с 2000 года транспортируемой альтернативным маршрутом по нефтепроводу Каспийского трубопроводного консорциума (КТК).

Результаты исследования влияния термообработки бузачи-мангышлакской нефтесмеси (35-65%) при различных температурах на значения ее кинематической вязкости и температуры застывания, а также на общее количество выпавшего АСПО представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Влияние термообработки нефтесмеси на ее реологические свойства и количество АСПО____________ ._____

Температура термообработки Кинематическая вязкость, мм2/с Температура застывания, °С Количество выпавшего АСПО, г Степень ингибирования АСПО, %

30иС 40"С 50 С 60иС

без обработки 85,8 31,0 19,3 13,9 27 41,8 0

60"С 78,2 29,8 19,8 14,0 21 41,3 \2

70"С 79,4 30,2 22,3 14,8 21 39,2 6,2

80иС 54,9 29,7 19,5 14,0 9 11,0 73,7

85"С 44,0 25,9 17,9 13,2 6 7,5 82,1

90"С 51,7 29,1 18,8 15.5 3 7,7 81,6

100иС 53,0 29,9 24,5 14,0 3 7,5 82,1

Из представленных данных видно, что термообработка исследуемой нефтесмеси до 60-70 °С приводит к незначительному улучшению температуры застывания нефти, кинематической вязкости и снижению АСПО. Заметный эффект начинает проявляться лишь после обработки при 80 °С. Однако, наибольшее улучшение реологических характеристик достигается при подогреве нефтесмеси до 85-100 °С. Полученные результаты можно объяснить, рассматривая различные температуры плавления длинноцепных парафинов (таблица 6).

Таблица 6 - Температуры плавления длинноцепных п-углеводородов

С„ Сзо С31 С32 Сзз С34 С35 Сз* С37 С38 С39 С«

т/с 65,8 67,9 69,7 71,4 73,1 74,7 76,2 77,7 80 81,0 83

Из таблицы видно, что после термообработки нефти при 85-100 °С температура застывания с 27 °С (у сырой нефтесмеси) снижается до 6 и 3 °С. При этом степень ингибирования АСПО достигает 82%. Сравнивая результаты между эффективностью термообработки при 85, 90 и 100 °С, можно отметить, что существенных различий по степени влияния на реологические свойства данные режимы обработки не имеют. Таким образом, различие по величине депрессии составляет 3 °С. По значениям температуры застывания и напряжения сдвига нефтесмеси, обработанные при 85, 90 и 100 °С, практически не отличаются друг от друга. Следует также заметить, что у нефтесмеси, обработанной при 85 °С, наблюдаются наиболее низкие значения кинематической вязкости.

В связи с изменением компонентного состава западноказахстанской нефтяной смеси выполнены проверочные теплогидравлические расчеты участка нефтепровода «Атырау - Самара», на котором реологические свойства нефтяной смеси стабильны.

Результаты проведенного теплогидравлического расчета подтверждают возможность безопасного отключения станций промежуточного подогрева нефти в весенне-осенний период. Для участка «Атырау - Индер» установлена возможность снижения начальной температуры подогрева нефти на станции «Атырау» до 25 °С. Температура западноказахстанской нефти в конце перегона близка к минимально допустимой температуре (9,5 °С), но и достаточна, чтобы не допустить «замораживание» участка нефтепровода (9 °С). Результаты выполненных экономических расчетов показали, что использование дополнительных насосных единиц на станциях оказывается дешевле и эффективнее, чем увеличение температуры подогрева нефти.

Анализ полученных результатов показал, что при текущем компонентном составе западноказахстанской нефтяной смеси имеет место перерасход тепловой энергии и неэффективное использование имеющегося на станциях насосно-силового оборудования, что вызывает увеличение эксплуатационных затрат на перекачку.

Для эффективного использования располагаемых мощностей и потенциала региона целесообразно пересмотреть планы по созданию Казахстанской Каспийской системы транспортировки (ККСТ) в регионе. В качестве альтернативы трубопроводу «Есенке - Курык» для экспорта нефти месторождения Кашаган Атырауской области, строительство которого планируется в том же технологическом коридоре, что и существующий магистральный «горячий» нефтепровод «Узень - Атырау - Самара», целесообразно рассмотреть возможность реверсирования недогруженного участка «Актау - Атырау». Затраты на эти мероприятия значительно ниже, чем на строительство нового магистрального нефтепровода, а перенаправление потоков согласно предложенной схеме транспортировки позволит отказаться от горячей перекачки, так как исключаются «проблемные» участки с преобладанием в смеси высоковязких и высокозастывающих нефтей.

Четвертая глава посвящена экспериментальной части работы, цель которой в определении степени влияния структурно-группового состава нефти или смеси на ее реологические свойства, обусловленные присутствием в ней высокомолекулярных компонентов и образованными ими структурами различной формы. В рамках исследования производилось постепенное утяжеление исходной пробы нефти путем последовательного отгона определенных фракций, в результате чего изменялся структурно-групповой и компонентный состав нефти. Для каждой пробы нефти измерялись физико-химические и реологические свойства (таблица 7).

Таблица 7 - Результаты исследований физико-химических свойств нефти с ПСП №1 «АНПЗ», точка №1_____

Параметр Значение Метод

Проба №1 Проба №2 Проба №3 Проба №4

, 3 при 20 "с Плотность, кг/ж при 15°С 852,6 856,2 868,8 872,3 881,8 885,3 894,0 897,4 ГОСТ 3900 ГОСТ 8.595

Массовая доля асфальтенов, % 1,45 1,4 1,7 2,4 М 01-12-81

Массовая доля смол, % 15,0 18 17 26,7

Массовая доля парафинов, % 16,0 16 19,6 22,6

Температура, иС:

- начала кипения (НК) 74 150 200 300 ГОСТ 2177

-застывания 26 28 33 38 ГОСТ 20287

Объемный выход фракций по Энлю] РУ).

-до 100 иС 2 - - - ГОСТ 2177

-до 120 "С 4 - - -

-до 150 иС 8 - - -

-до 160 "С 9 - - -

-до 180 "С 12 - - -

-до 200 иС 14 - - -

-до 220 иС 17 - - -

-до 240 иС 19 - - -

-до 260 "С 24 - - -

-до 280 иС 27 - - -

-до 300 "С 34 - - -

Для полученных опытным путем проб нефти проводились комплексные исследования их физико-химических свойств с определением реологических параметров и моделей течения, которым соответствуют полученные реограммы. На рисунках 5-7 представлены кривые течения исходной (рисунок 5) нефти и проб, полученных после отгона фракций, выкипающих до 200 и 300 °С (рисунки 6 ,7), при различных температурах подогрева. В результате анализа физико-химических свойств и кривых течения нефтей установлено влияние структурно-группового состава на реологические параметры нефти, зависящие от степени расгворенности высокомолекулярных компонентов в различных фракциях жидких углеводородов.

На кривых течения нефти после отгона фракций, выкипающих до 300 °С, хорошо заметны аномалии в качественном поведении реологических кривых, причем со снижением температуры они усиливаются (рисунок 7).

Ранее такие кривые считались возможными и были получены для полимеров, а также для высокопарафинистых нефтей при очень низких температурах и скоростях сдвига, что возможно осуществить только в лабораторных условиях и практически не встречается на технологических режимах действующих нефтепроводов.

и-

у

К

/ _

/

--і

«і

« » » » в я а » «о » и ми» і» і» Смитаиц«*

Рисунок 5 - Реограммы западноказахстанской смеси (проба №1):

---_ пусковой режим течения (прямой ход вискозиметра);

- - стационарный режим течения (обратный ход вискозиметра)

-І н к*

- _ і

-У

1_/

1- ¡г"* а-

=і

2

о и> » » «о 50 <а *» ю т н* ив »ж >«о Сщігліад». с1

Рисунок 6 - Реограммы, получение после отделения фракции н.к. - 200 °С (проба

№3):

---- пусковой режим течения (прямой ход вискозиметра);

- - стационарный режим течения (обратный ход вискозиметра)

¡ч>

? ш

К"

/ Л

/ /

— --і -

- г"

І// :

1

■

С"

Г

О И » » в » в Я Я » »0 11« ВО 1» 1И

Рисунок 7 - Реограммы западноказахстанской смеси после отделения фракции н.к.

300 °С (проба №4):

---- пусковой режим течения (прямой ход вискозиметра);

- - стационарный режим течения (обратный ход вискозиметра)

Из представленных реограмм (рисунки 5-7) видно, что качественное изменение реологических свойств и наличие аномальной зоны имеют место и при довольно высоких температурах нефти и скоростях сдвига, с чем можно столкнуться на максимально загруженных трубопроводах для тяжелых нефтей, обедненных легкими кизкокипящими компонентами. Такой случай также возможен при перекачке высоковязких битуминозных нефтей, предварительно подвергаемых высокотемпературной или электроискровой обработке, что может привести к потере низкокипящих фракций, а также при перекачке мазутов, причем наличие статического напряжения сдвига будет зависеть от содержания парафина в исходной нефти.

Рисунок 8 - Сравнение статического напряжения сдвига различных проб для пускового режима течения: 1 - проба № 1; 2-проба № 2; 3 - проба № 3; 4 - проба№ 4

На рисунке 8 для пробы, полученной после отгона фракций, выкипающих до 200 °С, отчетливо виден практически прямолинейный горизонтальный участок в пределах температурного интервала 25-30 °С, при которых статические напряжения примерно равны для всех кривых течения в пределах данного интервала при пусковом режиме. Примечательным является тот факт, что такой характер изменения свойств нефти не повторяется для стационарного режима течения (рисунок 9).

При сравнительно равных значениях статического напряжения сдвига в интервале температур 25-30 °С для образца нефти №3 получены существенно отличающиеся величины эффективной вязкости.

Такие несоответствия могут проявляться и в более широких температурных интервалах при определенном соотношении высокомолекулярных компонентов и жидких углеводородов в формируемых нефтяных смесях. В данном случае незначительное изменение температуры нефти практически не повлияло на степень растворения парафина из-за сниженного содержания метановых углеводородов, однако оказало существенное влияние на более тяжелые высокомолекулярные компоненты нефти, такие как асфальтены, что привело к росту эффективной вязкости.

Рисунок 9 - Сравнение статического напряжения сдвига различных проб для стационарного режима течения: 1 -проба№ 1; 2-проба № 2; 3 - проба № 3; 4 - проба № 4

При обратном же ходе вискозиметра новой установившейся структуре нефти уже соответствуют более низкие значения предельного напряжения сдвига и эффективной вязкости, что объясняется частичным разрушением парафиновых образований и депрессорным воздействием асфальтосмолистых компонентов нефти. Те же процессы происходят и в других случаях, когда есть значительные различия реологических параметров в пусковом и стационарном режимах течения нефти при температурах ниже температур кристаллизации парафинов. Этот эффект особенно заметен для более легких образцов нефти, обогащенных жидкими углеводородами.

В результате комплексного анализа экспериментальных данных и полученных опытным путем кривых предложена обобщенная универсальная реологическая модель для описания характера течения нефтяных дисперсных систем в широком диапазоне температур и скоростей (рисунок 10).

г

[Па]

[с1]

к,=0, т0=т,*,Ч>

3- Э, Эа 8, Эд

Рисунок 10 - Обобщенная реологическая модель нефтяной дисперсной системы

Для описания изменчивого характера сложной реологической кривой введен коэффициент состояния кь характеризующий состояние и структуру нефтяной дисперсной системы, значение которого может варьироваться от нуля до единицы:

где комплекс [к[ ■ ттах]= х0 - статическое (начальное) напряжение сдвига, соответствующее текущей структуре нефти; т - напряжение сдвига, Па;

к, - поправочный коэффициент состояния, характеризующий структуру находившейся в покое нефти (0 < к, < 1);

Ттах - максимальное статическое напряжение сдвига дисперсной системы для определенного состава нефти при фиксированной температуре, Па; к - мера консистенции; в - скорость сдвига (градиент скорости), с"1; п - показатель поведения жидкости (0 < п < 1).

При прогнозировании свойств многокомпонентных нефтяных дисперсных систем целесообразно использовать многофакторные функции, позволяющие измерить характер и силу совместного влияния нескольких факторов на величину изучаемого показателя. В данном случае рекомендуется использовать инструменты на основе нейросетевых алгоритмов, успешно внедренных и опробованных на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, где такой подход оказался дешевле и эффективнее разработки теоретической модели.

т — ■ ттах + к ■ 5",

тах

(3)

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 В результате анализа опьггао-промышленных и экспериментальных данных отечественного и зарубежного опыта по смешению различных нефтей установлено:

высокопарафинистые нефти с недостаточным содержанием асфальтосмолистых веществ не под даются термообработке;

- неправильно подобранные технологические параметры и компонентный состав смеси могут привести к отрицательным эффектам термообработки и подогрева нефти;

- добавление тяжелых битуминозных нефтей к высокопарафинистым позволяет снизить температуру подогрева нефти аналогично действию депрессорных присадок.

2 Предложенная технологическая классификация нефтей Западного Казахстана позволяет прогнозировать влияние компонентов формируемой нефтяной смеси на ее реологические свойства и теплогидравлические характеристики нефтепровода:

- увеличение доли бузачинских нефтей на начальных участках повышает вязкость, но при этом снижает температуру застывания и повышает эффективность термообработки западноказахстанской смеси;

- разбавление бузачи-мангышлакской смеси с преобладающим содержанием тяжелой компоненты в большом объеме газоконденсатных нефтей Актюбинской области приводит к повышенному выпадению АСПО;

- для разбавления бузачи-мангышлакской смеси целесообразно использовать нефти Атырауской области, объемы которых могут быть восполнены возвращением тенгизской нефти в нефтепровод «Узень - Атырау - Самара».

3 В результате комплексного анализа эффективности совместного транспорта нефтей Западного Казахстана по нефтепроводу «Узень - Атырау - Самара» выявлены:

перерасход тепловой энергии из-за неполного использования располагаемых мощностей насосно-силового оборудования на участке «Атырау - Б. Чаган»;

- возможность снижения температуры подогрева западноказахстанской смеси на участке «Атырау - Самара» за счет перекачки наиболее «эффективных» смесей;

- необходимость реверсирования наиболее «проблемного» участка «Актау -Атырау» с началом промышленной добычи нефти на месторождении Кашаган, что позволит отказаться от «горячей перекачки» и повысить надежность нефтепровода.

4 Установлено совокупное влияние структурно-группового состава и количества высокомолекулярных компонентов на реологические свойства нефтей в зависимости от степени растворения нефтяных дисперсных частиц в различных жидких углеводородах:

- получены реологические кривые, подтверждающие возможность существования аномальных переходных зон вязкости при перекачке нефтяных смесей с низким

содержанием низкокипящих фракций;

- предложена универсальная реологическая модель, учитывающая текущее состояние и структуру нефтяной дисперсной системы с помощью введения поправочного коэффициента к„ значение которого варьируется от нуля до единицы.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах, 3 из которых опубликованы в ведущих журналах и издательствах в соответствии с перечнем ВАК РФ.

1 Каримов Р. М„ Мастобаев Б. Н. Изменение технологии перекачки нефти на нефтепроводе «Узень - Атырау - Самара» с развитием нефтетранспортной системы Западного Казахстана // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2010. -№2. - С. 9-14.

2 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Реологические особенности западноказахстанской нефтяной смеси // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, - 2011. - №2. - С. 3-7.

3 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Реологические особенности товарных нефтей Западного Казахстана // Башкирский химический журнал. - 2011. -г- Том 18 №4. - С. 177-181.

4 Каримов Р. М„ Мастобаев Б. Н. Совместный транспорт высоковязких и высокозастывающих нефтей Западного Казахстана по нефтепроводу «Узень -Атырау - Самара» // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2012. - №1.-С. 3-6.

5 Каримов Р. М„ Мастобаев Б. Н. Особенности трубопроводного транспорта многокомпонентных систем // Азербайджанское нефтяное хозяйство. - 2012. - №1. -С.60-63.

6 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Влияние содержания парафинов, смол и асфальтенов на товарные качества нефтей // Башкирский химический журнал. - 2012. -Том 19 №1.-С. 97-102.

7 Каримов Р. М., Муфтахов Е. М. Особенности эксплуатации нефтепровода «Узень - Атырау - Самара» // 60-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конф. - Кн.1 / Редкол.: Ю.Г. Матвеев и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009 г. - С. 13-15.

8 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Трубопроводный транспорт нефти Западного Казахстана // Трубопроводный транспорт - 2009: материалы V Международной

учебно-научно-практической конференции/ Редкол.: А.М. Шаммазов и др. - Уфа: Типография Уфимского нефтяного технического университета, 2009. - С. 69-71.

9 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Изменение технологии перекачки заладноказахстанской нефти по магистральному трубопроводу «Узень - Атырау -Самара» //61-я Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конф. - Кн.1 / Редкол.: Ю.Г. Матвеев и др. - Уфа.: Изд-во УГНТУ, 2010 г.-С. 116-118.

10 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Применение специальных методов перекачки на магистральном нефтепроводе «Узень - Атырау - Самара» // Трубопроводный транспорт - 2010: материалы VI Международной учебно-научно-практической конференции/ Редкол.: А.М. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 43-45.

11 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Реологические особенности товарных нефтей Западного Казахстана // 62-я Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: сб. матер, конф. - Кн.1 / Редкол.: Ю. Г. Матвеев и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011 г. - С. 26-28.

12 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Влияние содержания парафинов на товарные качества нефтей // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: Материалы XXV Юбилейной Международной конференции «Реактив -2011» / Редкол.: У.Б. Имашев и др. - Уфа: Издательство «Реакгав», 2011. - С. 124126.

13 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Влияние содержания смол и асфальтенов на товарные качества нефтей // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: Материалы XXV Юбилейной Международной конференции «Реактив — 2011» / Редкол.: У.Б. Имашев и др. - Уфа: Издательство «Реактив», 2011. -С. 126-128.

14 Каримов Р. М., Мастобаев Б. Н. Совместный трубопроводный транспорт высоковязких и высокозастывающих нефтей // Рассохинские чтения: материалы межрегионального семинара (3-4 февраля 2012 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2012.-С. 374-376.

Подписано в печать 22.05.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 90. Заказ 68

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Каримов, Ринат Маратович, Уфа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УФИМСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КАРИМОВ РИНАТ МАРАТОВИЧ

ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОГО ТРАНСПОРТА «РАЗНОТИПНЫХ» НЕФТЕЙ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз ^^ и хранилищ»

СО 00

а Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

(О £

со я

ст>

С) ° Научный руководитель

<м <о

^Р доктор технических наук,

^ профессор Мастобаев Б. Н.

Уфа - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................4

1 ВЫСОКОВЯЗКИЕ И ВЫСОКОЗАСТЫВАЮЩИЕ НЕФТИ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА........................................................................................................................9

1.1 Обзор научных трудов и исследований..............................................................................................9

1.2 Состав и физические свойства нефти................................................... 14

1.3 Нефть как дисперсная система..........................................................................................................................20

2 СМЕШЕНИЕ РАЗНОТИПНЫХ НЕФТЕЙ....................................................................................26

2.1 Перекачка высоковязких и высокозастывающих нефтей с разбавителями......................................................................................... 26

2.1.1 Перекачка с добавлением углеводородных разбавителей..................................26

2.1.2 Перекачка в смеси с маловязкими нефтями................................................................................28

2.1.3 Совместная перекачка высоковязких и высокозастывающих

нефтей..............................................................................................................................................................................................................31

2.2 Несовместимость нефтей при смешении..........................................................................................37

2.2.1 Понятие «несовместимости» нефтей......................................................................................................37

2.2.2 Структурные фазовые превращения наноколлоидов асфальтенов, взвешенных в объеме нефти..................................................................................................................................42

2.2.3 Проявление «несовместимости» в смесях нефтей............................................................49

2.2.3.1 Влияние состава..........................................................................................................................................................................49

2.2.3.2 Влияние температуры........................................................................................................................................................55

2.2.3.3 Влияние термообработки............................................................................................................................................56

2.3 Оптимизация процессов совместного транспорта нефтей в смеси... 59

3 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМЫ СОВМЕСТНОГО ТРАНСПОРТА НЕФТЕЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА................. 67

3.1 Нефтепровод «Узень - Атырау - Самара»....................................................................................67

3.2 Западноказахстанская нефтяная смесь..................................................................................................70

3.3 Оптимизация режима работы «горячего» нефтепровода..................................86

3.3.1 Характеристика участка «Атырау - Б. Чаган»......................................................86

3.3.2 Определение возможных режимов эксплуатации..................................................88

3.3.3 Определение оптимального режима эксплуатации..........................................102

3.3.4 Определение оптимальной температуры подогрева нефти..............................113

3.4 Рациональная загрузка нефтепроводной системы региона......................127

4 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ

ЗАПАДНОКАЗАХСТАНСКОЙ НЕФТЯНОЙ СМЕСИ..........................................130

4.1 Лабораторные исследования западноказахстанской смеси..............................130

4.1.1 Цели и задачи лабораторных исследований................................................................................130

4.1.2 Постановка эксперимента..........................................................................................................................................131

4.1.3 Пробы нефти, использованные при исследовании..........................................................133

4.1.4 Определение физико-химических свойств нефти..............................................................133

4.1.4.1 Определение плотности..................................................................................................................................................133

4.1.4.2 Определение фракционного состава..................................................................................................................134

4.1.4.3 Определение содержания асфальтенов, смол, парафина..................................134

4.1.4.4 Определение температуры застывания................................................................................................135

4.1.5 Лабораторные исследования реологических свойств нефти..........................137

4.1.6 Выводы по результатам эксперимента..................................................................................................169

4.2 Реологическая модель нефтяной дисперсной системы............................................172

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ....................................................................................................................178

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................................195

Приложение 1. Справка о внедрении АО «КазТрансОйл»............................195

Приложение 2. Справка о внедрении ТОО «АНПЗ»........................................196

Приложение 3. Справка о внедрении НИПИ «Каспиймунайгаз».... 197

Приложение 4. Справка о внедрении ФГБОУ ВПО «УГНТУ»..............198

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы обусловлена постепенным истощением мировых запасов легкой маловязкой нефти. Месторождения трудноизвлекаемых высоковязких и высокозастывающих нефтей приобретают все большее значение в мировой экономике. Особое значение они имеют в России и Казахстане, где месторождения легкой нефти выработаны более чем наполовину, а их доставка потребителю, готовому принять и способному переработать такое сырье связана с необходимостью преодоления больших расстояний и неприспособленностью магистральных трубопроводов к перекачке таких нефтей. Тем временем, по оценкам многочисленных экспертов, мировые запасы месторождений тяжелой нефти составляют более 810 млрд. т, однако их извлечение, транспортировка и переработка требуют использования технически сложных и дорогостоящих технологий.

Рациональная организация процессов добычи нефти, транспортировки ее по трубопроводам, подготовки к переработке и, наконец, сама переработка по наиболее эффективным схемам с максимальным выходом светлых нефтепродуктов требуют знания физико-химических свойств, фракционного, группового, компонентного и индивидуального состава нефти.

Высокое содержание высокомолекулярных компонентов в нефти в сочетании с особенностями структурно-группового состава создают большие трудности при транспорте и хранении, требующие применения методов специальной перекачки, что ведет к повышению эксплуатационных затрат и увеличению себестоимости нефти. Очень часто положительный эффект распространенных методов неустойчив, либо используемая технология имеет ряд ограничений, а практические результаты наблюдаются лишь в некоторых отдельных случаях для конкретных нефтей и объектов.

Подробное изучение физико-химических свойств нефти и ее отдельных компонентов позволяет получить более полное представление о реологии нефти и

выбрать наиболее эффективные способы повышения текучести для конкретной перекачиваемой среды.

При совместной перекачке нефтей разных месторождений можно обеспечить их эффективную надежную транспортировку на заданное расстояние, не прибегая к дорогостоящим методам специальной перекачки, либо со снижением транспортных эксплуатационных затрат. Справедливо и обратное: при хаотичном смешении нефтей без учета их компонентного состава и реологических свойств возможно получить такие проявления несовместимости, как усадка и «потеря объема» смеси, аномальное повышение вязкости и потеря седиментационной устойчивости вплоть до расслоения смешиваемых нефтей. Из-за изменения состава нефтяной смеси на участках нефтепровода в процессе совместной перекачки использование некоторых методов специальной перекачки может оказаться не только малоэффективным, но и необоснованным.

Специфика сложившейся за несколько десятилетий нефтетранспортной системы Западного Казахстана, изначально ориентированной на транспорт высокопарафинистой мангышлакской нефти методом «горячей перекачки» по трубопроводу «Узень - Атырау - Самара», в настоящее время не отвечает необходимым критериям эффективности топливно-энергетического комплекса страны. Открытие новых месторождений и строительство альтернативных маршрутов экспорта казахстанской нефти существенно изменили технологический режим «горячего» нефтепровода. Трубопровод существенно недогружен, многие участки так и не вышли на свою проектную производительность. Увеличились объемы закачки аномально вязкой бузачинской нефти. Значительная часть объемов легкой маловязкой нефти на сегодняшний день перекачивается на другие экспортные направления.

Оптимизация нефтетранспортной системы региона являются актуальной задачей. Критерии оптимизации должны наилучшим образом отражать интересы всего топливно-энергетического комплекса страны: прибыль, рентабельность, минимум затрат на перекачку, максимум количества перекачанной жидкости, снижение себестоимости конечной продукции.

Повышение эффективности совместного транспорта различных нефтей в смеси, улучшение эксплуатационных свойств перекачиваемого продукта и оптимизация режимов перекачки являются актуальными задачами трубопроводного транспорта.

Целью работы является повышение эффективности загрузки и работы нефтепроводов, предназначенных для совместной перекачки нефтей различных месторождений в смеси.

Задачи исследований:

- анализ экспериментальных и опытно-промышленных исследований физико-химических и эксплуатационных свойств товарных нефтяных смесей для оценки эффективности и границ применимости существующих методов специальной перекачки для нефтей различных типов;

- разработка транспортной технологической классификации товарных нефтей и обоснование основных принципов смешения «разнотипных» нефтей для повышения эффективности их совместного трубопроводного транспорта;

- оптимизация режима «горячего» нефтепровода «Узень - Атырау - Самара» и логистической схемы транспортировки западноказахстанских нефтей для полного и эффективного использования располагаемых мощностей и потенциала региона;

- определение границ применимости существующих моделей течения и оценка эффективности использования современных методов и средств для решения задач по прогнозированию реологических свойств многокомпонентных нефтяных смесей.

Научная новизна:

- обоснована возможность использования многоиндексной транспортной задачи Монжа-Канторовича для оптимальной загрузки сложных нефтепроводных систем и повышения эффективности работы диверсифицированных нефтетранспортных схем в условиях ограниченных мощностей;

- разработана транспортная технологическая классификация товарных нефтей, устанавливающая границы эффективного смешения и применения специальных методов перекачки;

- установлено совокупное влияние изменения структурно-группового состава и количества высокомолекулярных компонентов на физико-химические свойства и реологические параметры нефтяных смесей;

- впервые получена универсальная обобщенная модель для описания течения нефтяных дисперсных систем, характеризующая текущее реологическое состояние и структуру высокомолекулярных компонентов нефти.

Методы исследований. Поставленные цели и задачи решались путем анализа и систематизации результатов опытно-промышленных и лабораторных исследований, проведения теплогидравлических расчетов нефтепровода и постановки реологических экспериментов с многокомпонентной нефтяной смесью.

На защиту выносятся: обзор достижений отечественного и мирового опыта по изучению особенностей состава и аномальных реологических свойств нефтей и смесей; собственные выводы, составленные на основе теоретических гипотез и анализа данных промышленно-экспериментальных исследований; результаты теплогидравлических расчетов и проведенных реологических экспериментов; решения по оптимизации режимов перекачки и процессов загрузки нефтепроводов, а также рекомендации для повышения эффективности совместного транспорта «разнотипных» нефтей.

Практическая ценность работы. Проведенные исследования и результаты работы используются при проектировании и обустройстве пунктов сбора и подготовки нефти в АО НИПИ «Каспиймунайгаз».

Результаты работы использовались при обновлении регламента безопасной эксплуатации магистрального нефтепровода «Узень - Атырау - Самара» в Западном филиале АО «КазТрансОйл».

Материалы диссертации используются для разработки рекомендаций и дополнений к регламенту по эксплуатации сырьевого парка Атырауского нефтеперерабатывающего завода ТОО «АНПЗ».

Отдельные главы работы и результаты экспериментов используются в учебном процессе для подготовки магистров на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по программе «Ресурсоэнергосберегающие технологии транспорта и хранения углеводородов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены:

- на 60, 61, 62 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, 2009, 2010, 2011 г.;

- на международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт - 2009, 2010» , г. Уфа.

- на 25-ой юбилейной международной конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», г. Уфа, 2011 г.;

- на межрегиональном научно-практическом семинаре «Рассохинские чтения», г. Ухта, 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 14 печатных изданий, в том числе 6 научных статей, включая 1 в зарубежном журнале, и 8 докладов на научно-технических конференциях. 3 работы опубликованы в ведущих журналах и издательствах РФ, рекомендуемых перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 198 страниц машинописного текста, в том числе 26 таблиц, 64 рисунка, библиографический список из 141 наименования и 4 приложений.

ГЛАВА 1

ВЫСОКОВЯЗКИЕ И ВЫСОКОЗАСТЫВАЮЩИЕ НЕФТИ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА

1.1 Обзор научных трудов и исследований

Специфика углеводородного сырья Западного Казахстана, большая часть которого представлена высоковязкими и высокозастывающими нефтями, требует постоянных исследований состава и свойств этого ценного полезного ископаемого. Систематически этой важной проблемой, в особенности для мангышлакских нефтей, начали заниматься в Институте химии нефти и природных солей АН КазССР совместно с производственными управлениями страны с 1975 года.

Материалы по характеристике физико-химических свойств и химического состава нефтей, опытно-промышленные испытания ученых и исследователей на действующих трубопроводах, отечественный и мировой опыт в области изучения проблемных нефтей актуальны для специалистов нефтяной, нефтетранспортной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностей. Учитывая опыт эксплуатации нефтепровода «Узень - Атырау - Самара» и мировые исследования состава, свойств, процессов смешения и способов обработки различных нефтей, можно получить большое количество полезных сведений и рекомендаций для минимизации затрат по добыче, транспорту и последующей переработке таких нефтей и смесей с ними.

Научные труды в области транспорта и хранения высоковязких и высокозастывающих нефтей. Научными исследованиями по проблемам транспорта высоковязких жидкостей в разное время занимались многие исследователи. Наибольшее распространение получил транспорт нефти с подогревом, впервые предложенный В.Г. Шуховым. Дальнейшее развитие теоретических основ технологии транспорта высоковязких нефтей нашло отражение в работах J1.C Лейбензона, В.И. Черникина, B.C. Яблонского.

Среди трудов, посвященных этому направлению, следует особо выделить работы JT.C. Абрамзона, В.М. Агапкина, Е.А. Армейского, А.Ш. Акжигитова, P.II. Бахтизина, Р.Н. Бикчентая, А.К. Галлямова, H.A. Гаррис, В.Е. Губина, Н.М. Гостева, В.Н. Дегтярева, И.Н. Евдокимова, П.В. Жуйко, Е.В. Кацюцевича, Б.Л. Кривошеина, Б.Н. Мастобаева, А.Х. Мирзаджанзаде, К.В. Мукука, Н.К. Надирова, В.Ф. Новоселова, Б.У. Уразгалиева, О.В. Сазонова, P.M. Саттарова, Ю.В. Скрипникова, Ю.А. Сковородникова, Р.З. Сафиевой, З.И. Сюняева, Б.А. Тонкошнурова, П.И. Тугунова, В.И. Харламенко, A.A. Шутова, K.IO. Штукатурова, А.Ф. Юкина, В.А Юфина.

Исследования по изучению состава нефтен Западного Казахстана. На данный момент изучение состава углеводородного сырья наиболее крупных месторождений Казахстана осуществляется как в теоретическом аспекте, так и в практическом направлении в целях оптимального использования каждого вида нефти, что особенно важно в условиях растущей конкуренции как на внутреннем, так и на внешнем р