Реологические свойства вязких нефтей и нефтепродуктов и их регулирование комплексными методами воздействия

Актуальность работы. В течение двух последних десятилетий в Российской Федерации непрерывно ухудшается качественное состояние нефтяной сырьевой базы. Это связано с одной стороны с выработкой многих высокопродуктивных месторождений, а с другой — с вовлечением в эксплуатацию месторождений с низкопроницаемыми коллекторами и небольшими толщинами нефтенасыщенных пластов. Сдерживается вовлечение в эксплуатацию высоковязких парафинистых месторождений нефти с высоким содержанием смол и асфальтенов, запасы которых по Западной Сибири составляют около 14%. Эти месторождения представляют собой фактически неиспользованные энергетические ресурсы, разработка и использование которых требует применения нетрадиционных методов извлечения нефти из пласта, ее сбора, подготовки и трубопроводного транспорта. Серьезные проблемы вызывает трубопроводный транспорт таких нефтей, для осуществления которого появляется необходимость регулирования их реологических свойств различными методами воздействия. Добыча высоковязких парафинистых нефтей приводит к кольматации призабойной зоны пласта, образованию ас-фальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО) и пробок в технологической цепочке пласт — скважина — трубопровод, а, следовательно, к снижению дебетов скважин, износу и поломке внутрискважинного оборудования и, как следствие, к его внеплановой замене с необходимостью подземного ремонта скважин.

Таким образом, проблемы предупреждения образования АСПО и регулирования реологических свойств вязких нефтей для ее транспорта являются актуальными. При этом вышеназванные проблемы имеют общие причины и пути решения и должны решаться индивидуальными способами с учетом в каждом конкретном случае физико-химических характеристик тяжелых нефтей и нефтепродуктов, их реологических свойств.

Целью работы является разработка комплексных методов воздействия с использованием термообработки, депрессаторов и маловязких растворителей для регулирования реологических свойств вязких нефтей и мазутовмоделирование реальных условий перекачки нефтей, обработанных комплексными методами воздействия, для подготовки их к трубопроводному транспортуразработка методов предотвращения образования АСПО.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— исследованы реологические свойства мазутов и их компонентов, вязких нефтей и эмульсий ряда нефтяных месторождений;

— разработаны комплексные методы снижения температуры застывания и вязкости мазутов и тяжелых нефтей с использованием ПАВ, депрессаторов, маловязких разбавителей, термообработки;

— создана полупромышленная экспериментальная установка, моделирующая реальные условия перекачки вязких нефтей и обеспечивающая режимы перекачки с подогревом, газонасыщенния нефтей, введение депрессаторов и ПАВ;

— установлены математические зависимости вязкости от температуры для исследуемых мазутов и формула зависимости вязкости обработанной де-прессатором нефти от температуры и концентрации депрессатора;

— предложен способ омагничивания пластовой нефти и воды для предотвращения образования АСПОразработаны новые конструкции внутри-скважинного термохимического и электронагревателя для ликвидации АСПО и гидратопарафиновых пробок.

Научная новизна работы:

— показано, что в области температур ниже +40°С мазуты и их парафи-нистые компоненты являются вязкопластичными структурированными жидкостями, а реологические свойства одинаковых товарных марок мазута зависят от процентного содержания, физико-химических свойств их компонентов, условий компаундирования и процесса «старения» мазута. С использованием полного спектра приемов и способов улучшения реологических свойств товарных мазутов и их компонентов показано, что наиболее эффективным является способ снижения вязкости (до 40%) и температуры застывания добавлением к мазуту депрессорной присадки ЕСА 4242.

— показана высокая эффективность сочетания воздействия депрессато-ра и термообработки с оптимальной температурой начального подогрева и оптимального темпа охлаждения на реологические свойства вязкой старосамборской нефти для подготовки ее к транспорту;

— в промысловых условиях обнаружено улучшение реологических свойств нефти Вэнгаяхинского месторождения и возможность предотвращения выпадения АСПО путем ее (нефти) обработки в постоянном магнитном поле.

Практическая ценность работы.

— создана полупромышленная экспериментальная установка, моделирующая реальные условия перекачки вязких нефтей и, обеспечивающая подогрев, газонасыщение, ввод депрессаторов и ПАВ, смешение с маловязкими разбавителями, отбор проб перекачиваемого продукта из любой точки потока в динамическом режиме;

— для улучшения транспортабельных свойств товарных мазутов и их компонентов предложено использование депрессорной присадки ЕСА 4242, определены ее оптимальные условия ввода и концентрация. Выданы рекомендации по регулированию реологических свойств вязких нефтей Долин-ского, Бугреватовского и Старо-Самборского месторождений путем применения депрессаторов, термообработки и смешения с маловязкими разбавителями для трубопроводного транспорта;

— для предотвращения выпадения АСПО в процессе эксплуатации Вэнгаяхинского месторождения с вязкими нефтями предложен способ и внедрены устройства омагничивания пластовой жидкости, позволяющие увеличить дебиты и межремонтный период работы скважин. Предложены и внедрены на месторождениях ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз» новые конструкции внутрискважинных нагревателей, позволяющих проводить растепление с удалением АСПО простаивающих скважин без подхода бригады подземного ремонта;

— предложен способ и внедрены устройства омагничивания вод, применяемых для закачки в пласт, на Муравленковском, Суторминском и Вэнгая-хинском месторждениях ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на III научно-технической конференции молодых ученых и специалистов института Укр-ГИПРОНИИнефть (Киев, 1976), XII и XIII научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ивано-Франковского института нефти и газа (Ивано-Франковск, 1976,1977), Республиканской научно-технической конференции &bdquo-Повышение эффективности и качества научных исследований и проектно-конструкторских работ в нефтяной и газовой промышленности Украинской ССР" (Киев, 1978), семинаре Государственного комитета по охране окружающей среды ЯНАО РФ&bdquo-0 проблемах обращения отходов производства и потребления на территории округа" (Муравленко,.

1998), конференции молодых ученых и специалистов при Объединенном научно — техническом совете ОАО &bdquo-Сибнефть — Ноябрьскнефтегаз" (Ноябрьск,.

1999), конференции &bdquo-Стратегические направления экологических исследований на Урале и экологическая политика" (Екатеринбург, 1999), 11 Всероссийской научной конференции «Проблемы природопользования в районах со сложной экологической ситуацией» (Тюмень, 2003).

По результатам работы опубликованы 8 печатных работ и получено пять авторских свидетельств.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 164 е., включает 52 рис., 25 табл., библиографию из 110 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1 .Исследованы реологические свойства товарных мазутов и их компонентов: легкого и тяжелого газойлей, мазута с АВТ, парафини-стых компонентов мазута. Показано, что товарные мазуты и их высо-копарафинистые компоненты при понижении температуры до 20 °C приобретают свойства псевдопластичных жидкостей со степенной зависимостью динамического напряжения сдвига от градиента скоростив области более низких температур мазуты представляют собой структурированные жидкости, имеющие кристаллическую решетку из парафинов и являющиеся нелинейно-вязкопластичными жидкостями или бингамовскими пластиками.

2. Исследована эффективность воздействия депрессорных присадок, маслорастворимых ПАВ и маловязких разбавителей на реологические свойства мазутов и их компонентов. Показано, что при оптимальном содержании депрессатора ЕСА 4242 и оптимальной температуре его ввода пластическая вязкость снижается в 1,5 — 2 раза. При добавлении разбавителей обнаружен эффект снижения вязкости, относительные значения которого увеличиваются с понижением температуры.

3.Установлены математические зависимости вязкости от температуры для исследуемых мазутов и предложена формула зависимости вязкости обработанной депрессатором нефти от температуры и концентрации депрессатора.

4. Спроектирована и создана экспериментальная полупромышленная установка по перекачке исследуемых жидкостей, моделирующая различные гидродинамические и температурные режимы перекачки, технологически позволяющая осуществлять смешение продукта с маловязкими разбавителями, газонасыщение, ввод депрессаторов и ПАВ, а также отбор проб перекачиваемых жидкостей для исследования их реологических свойств из разных точек потока.

5.Исследованы реологические характеристики нефтей Долин-ского, Бугреватовского и Старосамборского месторождений и комплексные методы воздействия на них. Установлено, что все нефти при пониженных температурах являются неньютоновскими жидкостями.

Добавка депрессатора ЕСА 4242 в количестве 0,15% масс, к До-линской нефти снижает ее вязкость при температуре 20 °C в три раза и температуру застывания с 16,5 до 10 °C.

Введение

присадки ЕСА 4242 в нефть Старосамборского месторождения снижает ее вязкость при температуре 25 °C в три раза, смещает границу существования неньютоновской жидкости в область более низких температур на 6−8°С и снижает температуру застывания нефти с 18 до 3,0°С. При введении оптимального количества депрессатора ЕСА 4242 в Долинскую нефть при ее перекачке снижаются гидравлические сопротивления в трубопроводах в 2−6,5 раз в зависимости от температуры, оставаясь постоянными во времени.

Для регулирования реологических характеристик нефтей Бугреватовского и Старосамборского месторождений эффективными оказались методы термообработки и разбавления их конденсатами. Для Бугреватовской нефти рекомендована начальная температура термообработки 90 °C или смешение с легким конденсатом в отношении 1:1. Термообработка Старосамборской нефти при 80 °C и скорости охлаждения 60°С/ч снижает температуру застывания нефти с 18 до 3 °C, а вязкость при 24 °C в два раза. При предложенных оптимальных параметрах термообработки улучшенные реологические характеристики сохраняются в течение 48ч. Установлено, что добавка 10% масс, конденсата к этой нефти обеспечивает отсутствие ее аномальности во всем диапазоне исследуемых температур. Технико-экономические расчеты показали, что снижение вязкости нефти в два раза позволяет уменьшить толщину теплоизоляции трубопровода на 20% и снизить эксплуатационные расходы на трение. Снижение температуры застывания нефти обеспечивает возможность циклической перекачки и остановку трубопровода.

6. Выявлено влияние присутствия твердых парафинов в нефти и режима работы добывающих скважин на процессы возникновения АСПО и гидратопарафиновых пробок в скважинах и на внутренней поверхности нефтепромыслового оборудования. Предложен и исследован в промысловых условиях способ улучшения реологических свойств пластового флюида путем обработки его в постоянном магнитном поле, что предотвращает образование АСПО. Разработана промышленная конструкция устройства, внедренная на 12 добывающих скважинах месторождения, что позволило увеличить межремонтный срок каждой скважины в среднем в семь раз.

7. Разработаны и апробированы на Вэнгаяхинском и Муравлен-ковском месторождениях нефти ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз» термохимический и электрический внутрискважинные нагреватели для ликвидации гидратопарафиновых пробок. Разработки защищены авторскими свидетельствами. Предложенные автором способы регулирования реологии пластовых флюидов и комплексы технических решений позволяют резко повысить надежность работы технологической цепочки пласт — скважина — внутрипромысловые трубопроводы, увеличить межремонтный период работы оборудования, вводить простаивающие скважины в действующий фонд без организации на них ремонта бригадами подземного ремонта скважин.

1.7.

Заключение

.

На основании обзора литературных данных можно сделать заключение, что проблемы отложения парафинов и асфальто-смолистых веществ в процессах добычи вязких нефтей и их трубопроводном транспорте, возникшие еще в 20−30 годах двадцатого века продолжают оставаться актуальными.

Высокое содержание парафинов, смол, асфальтенов, образование высоковязких эмульсий значительно ухудшает реологические свойства продукта и приводит к необходимости применения специфических способов перекачки. Базовым методом перекачки высоковязких нефтей является до сих пор горячая перекачка, при которой продукт первоначально нагревается до температуры на 10 — 15 выше температуры плавления парафина и транспортируется по трубопроводу с повышенной теплоизоляцией. К этому можно отнести и путевой подогрев нефтепродукта теплоспутниками, электроподогревом, строительство промежуточных насосно-тепловых станций.

Способы гидроперекачки с применением ПАВ или без них, а также перекачка газонасыщенных нефтей, технологически довольно сложны.

К категории действенных приемов, улучшающих транспортабельные свойства вязких нефтей и нефтепродуктов, следует отнести регулирование реологических свойств продукта комплексными методами воздействия, такими как: термообработка, смешение с маловязкими разбавителями, применение депрессаторов.

В конечном счете, выбор способа перекачки, метода улучшения реологических свойств перекачиваемого продукта базируется на индивидуальных физико-химических характеристиках продуктов и требует определенной исследовательской работы, как в лабораторных условиях, так и на полупромышленных установках.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАЗУТОВ И СПОСОБЫ ИХ РЕГУЛИРОВАНИЯ.

2.1. Физико-химические характеристики мазутов.

Мазуты — это основной вид тяжелого жидкого топлива для сжигания в промышленных и судовых установках, мартеновских печах и печах электростанций. По виду своего получения, мазут делится на нефтяной, каменноугольный и сланцевый (которые в некоторых случаях являются заменителями нефтяного мазута).

В зависимости от физико-химических свойств и состава мазута, гостируются следующие его марки: легкое топливо Флотский Ф5 Флотский Ф12 среднее топливо Топочный с государственным знаком качества 40 В топочный 40.

Тяжелое топливо Топочный с государственным знаком качества 100 В Топочный 100.

2.1.1. Элементарный и фракционный состав товарных мазутов.

В химический состав мазутов входят углерод, водород (в первую очередь обеспечивающие высокую теплоту сгорания мазута), кислород, азот, сера и зола. Вязкие мазуты содержат до 88,5% углерода, до 11,5% водорода и повышенное количество серы и азота. В маловязких мазутах содержание углерода понижается, что приводит к снижению их вязкости и плотности.

Нефтяные мазуты представляют собой смесь тяжелых остатков, получаемых после первичной и вторичной перегонок нефти. В зависимости от качества поступившего на завод сырья (высокосернистой или высокопарафиновой нефти), режима его переработки, условий компаундирования и, наконец, от условий хранения, физико-химические свойства мазутов могут меняться в широких пределах [56,66,95,105].

Мазуты марки Ф5 получают из продуктов прямой перегонки нефти с добавлением до 22% керосиногазойлевых фракций каталитического или термического крекинга. Флотские топочные мазуты, используемые в котельных судовых установках, должны изготовляться с добавлением не менее 0,2% присадки ВНИИ НП-102.

Топочные мазуты 40 В, 40, 100 В, 100 являются наиболее массовыми товарными продуктами для сжигания в промышленности.

По физико-химическим показателям мазут должен соответствовать нижеприведенным требованиям и нормам (см. табл. 2.1). Однако компонентный состав мазута не регламентируется и, изменяясь в соответствии с технологией получения, меняет его физико-химические свойства, могущие значительно отличаться друг от друга даже для одних марок продукта (см. табл. 2.2.).

Например, исследование компаундирования товарного мазута марки М40 Надворнянского НПЗ показывает, что основными компонентами для смешения были:

1) тяжелое парафиновое масло (ТПМ) с вакуумной колонны АВТ,.

2) мазут с установки АВТ (ПМ),.

3) фильтрат из парафинового цеха,.

4) тяжелый газойль,.

5) легкий газойль,.

6) крекинг-остаток с установки термокрекинга.

Процентное содержание этих продуктов в товарном мазуте различно в разные месяцы года и показано на рис. 2.1., из которого виден широкий.

Нормативные физико-химические показатели мазутов.

Норма для марки.

Наименование показателя Ф5 Ф12 40 В 40 100 В 100.

1. Условная вязкость при 50″ С, не более, ВУ° 5,0 12,0 — ¦ ;

2. Условная вязкость при 80 °C, не более, ВУ1 — - 6,0 8,0 10,0 16,0.

3. Вязкость динамическая при 0 °C, Пз, не более 27,0 — - - ;

4. Зольность, %, не более 0,05 0,10 0,4 0,12 0,05 0,14.

5. Содержание мехпримесей, %, не более 0,10 0,12 0,07 0,08 0,20 1,5.

6. Содержание воды, % не более 0,3 0,3 0,3 1,5 0,3 1,5.

7. Содержание кислот и щелочей отсутствие.

8. Содержание серы, %, не более: для малосернистого — 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 для сернистого 2,0 — 2,0 2,0 2,0 2,0 для высокосернистого — - - 3,5 — 3,5.

9. Коксуемость, %, не более 6,0 6,0 — - ;

10 Содержание смолистых веществ, %, не более 50 50 — • ;