Способ транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости по трубопроводу

 

Способ относится к транспорту неньютоновских парафинсодержащих углеводородных жидкостей, а именно нефти одного месторождения или смеси нефтей нескольких месторождений, нефтепродуктов и газового конденсата, по неизотермическим трубопроводам. В способе транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости по трубопроводу, включающем подачу в начало трубопровода в предварительно нагретую углеводородную жидкость депрессорной присадки, предполагается первоначально подачу депрессорной присадки осуществлять в течение времени, необходимого для заполнения участка трубопровода с ламинарным режимом течения жидкости, после чего в начало трубопровода дополнительно производить подачу противотурбулентной присадки и перекачку вести в присутствии обеих присадок, причем количество противотурбулентной присадки выбирать в зависимости от массы жидкости, заполняющей участок трубопровода с турбулентным режимом течения жидкости, а количество депрессорной присадки - в зависимости от массы жидкости, заполняющей весь трубопровод. Способ позволяет оптимизировать количество вводимых присадок, снизить гидравлическое сопротивление при перекачке ненъютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости по неизотермическому трубопроводу. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно к транспортированию неньютоновских парафинсодержащих углеводородных жидкостей - нефти одного месторождения или смеси нефтей нескольких месторождений, нефтепродуктов и газового конденсата, по неизотермическим трубопроводам.

Трубопроводный транспорт неньютоновских парафинсодержащих углеводородных жидкостей представляет собой весьма сложный процесс, так как при температуре окружающей среды они находятся или в застывшем состоянии, или ведут себя как вязкопластичные жидкости, перекачка которых по трубопроводам из-за высокой вязкости сопровождается большими энергозатратами. Для осуществления трубопроводного транспорта таких нефтяных систем необходимо снизить гидравлическое сопротивление при их течении.

Известен способ транспортирования по трубопроводам предварительно нагретых неньютоновских парафинсодержащих углеводородных жидкостей ("горячая" перекачка). Начальную температуру потока выбирают таким образом, чтобы в конце трубопровода поддерживалась температура на 3-5^oC выше температуры застывания неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости. Ее нагрев производится на специальных тепловых станциях (см. В.И.Черникин. Перекачка вязких и застывающих нефтей. М.: Гостоптехиздат, 1958).

К недостаткам этого известного способа транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости относятся: сжигание части перекачиваемой нефти в печах нагрева, загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания, невозможность использования "горячей" перекачки на подводных трубопроводах без специальной дорогостоящей теплоизоляции, при перекачке с остановками и т.д.

Известен также способ транспортирования по трубопроводам углеводородной жидкости малой и средней вязкости в турбулентном режиме движения. Для снижения потерь на трение в турбулентный поток вводят противотурбулентные присадки - высокомолекулярные карбоцепные соединения: полиметилакрилаты, полиакрилаты, полиизобутилен, полистирол и полиолефины молекулярной массой M= 0,3-10·10⁶. Товарные формы этих присадок представляют 5-10%-ный раствор названных соединений в углеводородных растворителях, например в керосине, бензине и др. Они вводятся в поток в количестве до 0,002 - 0,05 мас.%.

Противотурбулентная присадка воздействует на турбулентность в пристенной области. Макромолекулы присадки, имеющие линейную форму, приводят к гашению высокочастотных пульсаций, уменьшают коэффициент турбулентной вязкости и способствуют росту толщины вязкого подслоя у внутренней стенки трубы. С прекращением ввода этой присадки в турбулентный поток эффект от ее действия пропадает (см. Ю.П.Белоусов. Противотурбулентные присадки для углеводородных жидкостей. Новосибирск: Наука, 1986, с. 49-79).

Недостаток известного способа состоит в том, что противотурбулентные присадки эффективны только при турбулентном режиме течения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости с помощью депрессорной присадки, улучшающей ее свойства текучести в области температур, близких к температуре застывания жидкости и ниже ее.

По этому способу депрессорную присадку вводят через форсунку в трубопровод, в котором течет нагретая неньютоновская парафинсодержащая углеводородная жидкость. Температура потока в месте ввода присадки должна быть такой, при которой парафиновые углеводороды жидкости растворены.

При снижении температуры неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости молекулы присадки взаимодействуют с ее парафиновыми углеводородами нормального строения. В результате на поверхности кристаллов парафинов образуется энергетический барьер, препятствующий сближению и объединению кристаллов как в потоке, так и при остановке перекачки.

Депрессорные присадки практически не меняют температуру начала массовой кристаллизации парафинов. В то время как снижение температуры застывания неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости достигает 20 и более градусов.

Лидирующее положение среди депрессорных присадок к неньютоновским парафинсодержащим углеводородным жидкостям занимают добавки на основе сополимеров этилена с винилацетатом (M=25-30·10³), которые являются доступным и дешевым нефтехимическим сырьем. Товарная форма депрессорных присадок представляет собой растворы (10-25%) вышеназванных соединений в углеводородном растворителе, например толуоле, дизельном топливе и т.д.

Количество вводимой присадки зависит от начальной температуры нагрева парафинсодержащей углеводородной жидкости, температуры ее застывания, а также от температуры окружающей трубопровод среды и изменяется в пределах 0,02 - 0,2 мас.% (см. В.П.Коротков, В.В.Конради, Б.П.Туманян, С.Н.Челинцев. Итоги промышленного эксперимента по перекачке по магистральному нефтепроводу Уса-Ухта-Ярославль высокозастывающей смеси нефтей, обработанной депрессорной присадкой. Трубопроводный транспорт нефти. АК "Транснефть", 1996, N 6, стр. 4-7).

Недостаток прототипа состоит в том, что депрессорные присадки проявляют максимальную эффективность только на участках трубопровода с ламинарным режимом движения неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости, т. е. они не обеспечивают снижение гидравлического сопротивления по всей длине неизотермического трубопровода.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа, позволяющего снизить гидравлическое сопротивление при перекачке неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости по неизотермическому трубопроводу на всей его длине и уменьшить расход присадок.

Поставленная задача решается предлагаемым способом транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости по трубопроводу, включающим подачу в начало трубопровода в нагретую углеводородную жидкость депрессорной присадки, при котором согласно изобретению первоначально подачу депрессорной присадки осуществляют в течение времени, необходимого для заполнения участка трубопровода с ламинарным режимом течения жидкости, после чего в начало трубопровода дополнительно производят подачу противотурбулентной присадки и перекачку ведут в присутствии обеих присадок, причем количество противотурбулентной присадки выбирают в зависимости от массы жидкости, заполняющей участок трубопровода с турбулентным режимом течения жидкости, а количество депрессорной присадки - в зависимости от массы жидкости, заполняющей весь трубопровод.

Сущность способа заключается в следующем.

В трубопроводе, по которому перекачивают нагретую неньютоновскую парафинсодержащую углеводородную жидкость, наблюдаются различные режимы движения жидкости. В области температур от начальной t_н до t_кр (критическая температура перехода турбулентного режима в ламинарный) имеет место турбулентное течение, а от t_кр до конечной температуры t_к - ламинарное. Потери напора на трение определяются в этом случае как сумма потерь по каждому из названных участков.

Депрессорную присадку вводят через форсунку в начало трубопровода. В качестве депрессорной присадки могут быть использованы известные высокомолекулярные соединения, например сополимер этилена с винилацетатом с M = 27 · 10³. Температура потока в месте ввода присадки должна быть 40-60^oC. Неньютоновская парафинсодержащая углеводородная жидкость может нагреваться до этих температур в процессе подготовки ее к транспорту или же в специальных печах подогрева.

Депрессорную присадку вводят в течение времени, необходимого для обработки массы углеводородной жидкости, заполняющей участок трубопровода с ламинарным течением потока. Затем в начало трубопровода начинают подачу противотурбулентной присадки, и процесс перекачки в дальнейшем ведут в присутствии обеих присадок.

В качестве противотурбулентной присадки могут быть использованы добавки на основе таких высокомолекулярных соединений, как полиметилакрилаты, полиакрилаты, полиизобутилен, полистирол и полиолефины молекулярной массой M = 0,3-10·10⁶. Предпочтительной является присадка на основе полиизобутилена с M = 1,2·10⁶. Депрессорную и противотурбулентную присадки используют в виде растворов в углеводородном растворителе.

Количество депрессорной присадки выбирают в зависимости от массы жидкости, перекачиваемой по всему трубопроводу, а количество противотурбулентной присадки - в зависимости от массы жидкости, заполняющей участок трубопровода с турбулентным движением потока, тем самым достигается ее экономия. Уменьшение количества вводимой противотурбулентной присадки по предлагаемому способу пропорционально отношению времени заполнения участка с ламинарным режимом движения жидкости в присутствии депрессорной присадки к времени, в течение которого трубопровод эксплуатируют с депрессорной и противотурбулентной присадками.

Количество вводимой в поток противотурбулентной присадки определяется по формуле (1) Суммарное количество вводимых в поток присадок определяется по формуле (2) Уменьшение количества вводимой противотурбулентной присадки определяется по формуле (3) где T_л= L_л/w; w = 4M/πηD²_л; L_л - длина ламинарного участка потока в трубопроводе, м;
M - массовый расход нефтяной системы, т/ч;
D_л - диаметр трубопровода на ламинарном участке, м;
C_д - концентрация депрессорной присадки, т/т;
С_п - концентрация противотурбулентной присадки, т/т;
T - время работы трубопровода с вводом присадок, ч;
T_л - время заполнения участка трубопровода с ламинарным режимом движения жидкости, ч;
w - скорость потока на ламинарном участке трубопровода, м/с;
η - плотность углеводородной жидкости, т/м³;
M₀ - количества противотурбулентной присадки при обработке всей массы перекачиваемой жидкости, т.

Возможность осуществления способа и достижения технического результата показаны в нижеследующем примере.

Пример. Транспорту по магистральному нефтепроводу Уса-Ухта-Ярославль подлежит неньютоновская парафинсодержащая смесь нефтей Тимано-Печорской нефтегазовой провинции с содержанием парафиновых углеводородов 8,4 мас.%, плотностью η = 0,86 т/м³ и температурой застывания t_з = 9^oC.

Анализ реологических характеристик этой смеси нефтей показал, что при температурах ниже 15^oC она представляет собой неньютоновскую жидкость. Поэтому в течение 6 месяцев (T = 4200 ч) эту жидкость перекачивают с депрессорной присадкой на основе сополимера этилена с винилацетатом молекулярной массой M = 27·10³, которая вводится на насосной станции "Уса" в количестве 0,03 мас.% или 0,0003 т/т.

Критическая температура перехода турбулентного режима в ламинарный для рассматриваемой неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости равна t_кр = 7,1^oC,
Неньютоновская парафинсодержащая углеводородная жидкость поступает в начало нефтепровода с температурой 45^oC после установки по подготовке ее к перекачке.

Изменение температуры смеси нефтей по длине рассматриваемого магистрального трубопровода приведено на фиг.1.

Режим работы нефтепровода Уса-Ухта-Ярославль в холодный период года при перекачке обработанной депрессорной присадкой парафинсодержащей смеси нефтей приведен в табл.1.

Сопоставление изменения температуры смеси нефтей по длине магистрального трубопровода (чертеже) с приведенной выше температурой t_кр показывает, что в трубопроводе имеет место два режима течения жидкости: турбулентный на участке длиной L_т = 407 км и диаметром D_т = 0,7 м и ламинарный на участке L_л = 1135 км, D_л = 0,8 м.

Анализ данных табл.1 показал, что наибольшие потери давления на трения при перекачке обработанной депрессорной присадкой смеси нефтей приходятся на эксплуатационный участок Уса-Ухта, где имеет место турбулентный режим движения жидкости. Снижение гидравлического сопротивления на этом турбулентном участке производим путем ввода противотурбулентной присадки одновременно с депрессорной присадкой.

Требуемую эффективность противотурбулентной присадки на этом участке определим по формуле (6)
ϕ = [(i_o-i_f)/i_o]·100% , (6)
где
i₀ - гидравлический уклон при перекачке обработанной депрессорной присадкой неньютоновской парафинсодержащей жидкости по турбулентному участку нефтепровода, МПа/км;
i_f - гидравлический уклон при перекачке обработанной депрессорной и противотурбулентной присадками неньютоновской парафинсодержащей жидкости по турбулентному участку нефтепровода, МПа/км.

Следовательно
ϕ = [(0,0096 - 0,0052)/0,0096]·100 = 45,8%.

Для достижения требуемого снижения гидравлического сопротивления нужно ввести противотурбулентную присадку на основе полибутадиена молекулярной массой M = 1,2 · 10⁶ в количестве C_п = 0,05 мас.% или 0,0005 т/т.

Определим по формулам (4, 5, 1) необходимое количество вводимой в поток противотурбулентной присадки:



Суммарное количество присадок, необходимое для реализации предлагаемого способа транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости определим по формуле (2)

Первоначально осуществляют подачу только депрессорной присадки в течение 631 ч. По истечении этого времени начинают ввод противотурбулентной присадки совместно с депрессором. В этом случае достигают уменьшение количества вводимой противотурбулентной присадки, которое определим по формуле (3):

В результате реализации предлагаемого способа в нефтепроводе Уса-Ухта-Ярославль установится стационарный режим работы трубопровода, характеристики которого приведены в табл.2.

Техническим результатом реализации способа транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости на нефтепроводе Уса-Ухта-Ярославль является снижение гидравлического сопротивления на эксплуатационном участке Уса-Ухта на 45,8%, что позволяет отключить одну насосную станцию по сравнению с применением на нем только депрессорной присадки, а оптимизация количества вводимых присадок позволяет снизить расход противотурбулентной присадки на 15%.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет обеспечить увеличение расхода без дополнительных затрат на реконструкцию трубопровода; облегчить пуск трубопровода после остановок и снизить энергозатраты на перекачку во всем температурном диапазоне потока неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости; увеличить КПД насосных агрегатов.

Формула изобретения

Способ транспортирования неньютоновской парафиносодержащей углеводородной жидкости по трубопроводу, включающий подачу в начало трубопровода в предварительно нагретую углеводородную жидкость депрессорной присадки, отличающийся тем, что первоначальную подачу депрессорной присадки осуществляют в течение времени, необходимого для заполнения участка трубопровода с ламинарным режимом течения жидкости, после чего в начало трубопровода дополнительно производят подачу противотурбулентной присадки и перекачку ведут в присутствии обеих присадок, причем количество противотурбулентной присадки выбирают в зависимости от массы жидкости, заполняющей участок трубопровода с турбулентным режимом течения жидкости, а количество депрессорной присадки - в зависимости от массы жидкости, заполняющей весь трубопровод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3