Улучшение реологических свойств высокопарафинистых нефтей

В целях улучшения реологических свойств высокопарафинистые застывающие нефти подвергают термообработке. При тепловом воздействии структурно–механические свойства обработанной нефти улучшаются. Находящийся в нефти парафин при нагреве переходит в растворенное состояние, а охлаждение создает условия для выделения из нефти кристаллов парафина, для их роста и формирования структурной решетки в нефти [1].

Термообработка позволяет получить нефть с непрочной структурной решеткой, не способной удержать в своих ячейках весь объем нефти [2, 3, 4]. В этом случае большое значение имеют правильно выбранные условия охлаждения нефти. Высокопарафинистые нефти в процессе термообработки целесообразно охлаждать в движении до температуры массовой кристаллизации t: = 40° С, а в диапазоне температур, где происходит массовая кристаллизация парафина и формирование структурной решетки – в покое, со строго определенной скоростью охлаждения, которая определяется опытным путем [2–4].

В лабораторных условиях проведены эксперименты с целью улучшения тиксотропных свойств перекачиваемой высокопарафинистой нефти за счет создания перед разрушением прочной структурной решетки [5]. Для этого исходную нефть нагревали до температуры, при которой парафин растворялся в жидкой углеводородной части нефти, затем охлаждали в состоянии покоя ниже температуры кристаллизации парафина, в данном случае – до температуры окружающей среды, после, чего механически разрушали образованную кристаллами парафина структуру, например перемешиванием.

В результате экспериментов установлено, что подогрев высокопарафинистой нефти до температуры растворения парафина в жидкой углеводородной части нефти приводит к свободной ориентации молекул парафина в объеме [6–10]. Они занимают положение, при котором система обладает наименьшим запасом потенциальной энергии. Охлаждение такой нефти до температуры кристаллизации парафина и ниже приводит к появлению структурной решетки в объеме. Причем прочность ее оказывается максимальной по сравнению с прочностью структурной парафиновой решетки, образованной при любом другом сочетании операций нагрева и охлаждения высокопарафинистой нефти, что подтверждается сравнением величин опытно определенных начальных касательных напряжений сдвига  0 .

Дальнейшее механическое перемешивание приводит к разрушению связей структурной решетки. Степень разрушения определяли интенсивностью перемешивания и температурой, при которой оно происходит, и оценивали по касательным напряжениям после преодоления т0, что является необходимым условием начала течения.

Методика эксперимента заключалась в том, чтобы выявить оптимальную температуру термообработки мангышлакской нефти с минимальной скоростью охлаждения. Термообработка проводилась в диапазоне температур от 50 до 80° С, что соответствует температуре плавления различных по своей структуре парафинов. Охлаждение нефти проводилось в статике путем перемешивания и без перемешивания.

Для определения влияния термообработки на структурно–механические свойства нефти замеряли предельное напряжение сдвига и структурную вязкость.

Структурно–механические свойства мангышлакской нефти исследовали на ротационном, капиллярном, реовискозиметре, основанном на принципе изменения скорости погружения стеклянных шариков в вязко–пластичной среде. А значение предельного напряжения сдвига, скорости сдвига, эффективной вязкости, коэффициента пластической вязкости исследовали на ротационном вискозиметре РВ–7 при различных температурах в пределах от 5 до 30° С методом получения петель гистерезиса. Аналогичные исследования были проведены и с термообработанной нефтью при температуре от 50 до 100° С.

Для расчета эффективной вязкости, статического напряжения сдвига бралась нисходящая ветвь последней петли гистерезиса, которая характеризует вязкость с разрушенной структурой.

Из кривой зависимости крутящего момента М, определяемого по формуле

М  981 Rбар Р  Р0  от угловой скорости ω внутреннего цилиндра для нисходящей петли

гистерезиса, экстраполируя прямую по оси моментов получаем точку   0; М  М 0

Здесь

М 0 – начальный крутящий момент; Rбар – 2,24, см – радиус шкива; Ро – собственное

трение подшипников; Р – груз, вращающий цилиндр вискозиметра.

Угловая скорость:

  2  n  2N , (1)

t

где N – число оборотов внутреннего цилиндра.

Предельное напряжение сдвига определялось по формуле:

 у 

M 0 ,

R  1 

(2.)

4h  ln B  

R  R2  R2 

H  B H 

где h – глубина погружения внутреннего цилиндра в жидкость; R – радиус наружного цилиндра; R – радиус внутреннего цилиндра.

Значение пластической вязкости определялось из уравнения линейной ветви кривой:

  M

 1

 1

   y  ln RH

(3)

ПЛ 4h  R2 R 2   R

 B H  B

По данным, полученным с помощью вискозиметров, строились кривые зависимости между скоростью звука и напряжением сдвига.

Максимальное напряжение сдвига определялось по формуле:

  

S  y

 

 

(4)

M  1   ln RH

y

4h  1  1  RB

 R 2 R2 

 B H 

Для ньютоновской жидкости:

S 2 (5)

 R 2

1   H 

R

 B 

При температуре опытов от 5 до 30° С мангышлакская нефть является вязкопластичной жидкостью и подчиняется уравнению Бингама:

   0   S,

где

 0 – статическое напряжение сдвига; – бингамовская вязкость.

Исследуя кривые зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига термообработанных нефтей при 50, 80, 90 и 110° С со скоростью охлаждения 20°/час видно, что охлажденная после термообработки нефть до 30° С при всех температурах обработки является ньютоновской жидкостью. Нефти после термообработки при 50 и 80° С с последующим охлаждением являются вязкопластичными жидкостями и подчиняются уравнению Бингама–Шведова.

Таким образом, термообработка высокозастывающих парафинистых нефтей является эффективным способом улучшения их реологических свойств. Установлено, что высокозастывающие парафинистые нефти в процессе термообработки целесообразно охлаждать в движении до температуры массовой кристаллизации, а затем в покое, со строго заданной скоростью охлаждения, определенной опытным путем.

Полученная дисперсная система характеризуется не только меньшей эффективной вязкостью, но и слабо выраженными тиксотропными свойствами, т.е. способностью восстанавливать структуру во времени как в динамике, так и в покое. Это обстоятельство дает возможность транспортировать высокопарафинистые нефти при температуре ниже температуры кристаллизации парафина на большие расстояния без использования каких–либо других дополнительных средств и осуществлять запуск трубопровода после аварийной остановки без осложнений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карамышев В.Г., Мамонов Ф.А., Рзиев С.А., Садуева Г.Х. Улучшение реологических свойств высокопарафинистых нефтей // Тр. ин–та / Институт проблем транспорта энергоресурсов.– 2004.– Вып. 63.– С. 94– 96.
2. Дегтярев В.Н. Некоторые вопросы термообработки высокозастывающих нефтей. / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.– 1964.– № 8.–С.28–30. F17D 1/16.
3. Григорян Г.М., Черникин В.И. Подогрев нефтяных продуктов М.: Гостоп–техиздат, 1947.
4. Дегтярев В.Н., Данилов В.И. Влияние термообработки на температуру застывания маловязких парафинистых нефтей. – М: ВНИИОЭНГ, РНТС Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1971, № 3.
5. А.с. 1377501 СССР, МПК F17D 1/16. Способ подготовки высокопарафинистых нефтей к транспорту. / А.М. Соцков, Н.Н. Репин, В.Г. Карамышев, Л.В. Давыдова, В.Н. Арканюк (СССР).– 4056734/23–08; Заявл. 15.04.86; Опубл. 30.02.88; Бюл. 8.–С.З.
6. Черникин В.И. Перекачка вязких и застывающих нефтей.– М.: Гостоптехиз–дат, 1958.
7. Губин В.Е., Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов– М.: Недра, 1982.
8. Котен В.Г., Игнатьев В.Г., Атаев X. Экспериментальные исследования движения высокозастывающих парафинистых нефтей в трубопроводах. М.; ВНИИОЭНГ, 1968.– НТС Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов
9. Бондаренко П.М., Логинов В.В., Степанюгина М.П. Электрообогрев трубопроводов при перекачке высоковязких нефтей и нефтепродуктов.– М.: ВНИИОЭНГ, 1976.– РНТС Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.
10. 10. Ефремов В.П., Надиров Н.К., Каширский А.И. Снижение реологических параметров мангышлакской нефти путем разбавления ее с эмбинскими.– М.: ВНИИОЭНГ, Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1981, № 4.