2.2. Способы перекачки высоковязких и высокозастывающих нефтей

Трубопроводный транспорт высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов затруднен из-за их повышенной вязкости, высокой температуры застывания и других реологических особенностей. Высокая величина коэффициента гидравлического сопротивления при температуре окружающей среды вызывает необходимость сооружения большого числа насосных станций, что экономически не всегда целесообразно. Поэтому наряду с обычной изотермической перекачкой применяют и другие методы транспорта таких нефтей:

1. Гидроперекачку.

2. Перекачку с предварительным улучшением реологических свойств (путем механического воздействия, с помощью добавления жидких разбавителей, газонасыщения, присадок, термообработки).

3. Перекачку с подогревом.

Поясним причину уменьшения гидравлического сопротивления при их применении. Для жидкости, заполняющей трубопровод диаметром D и длиной L, условие равномерного движения под действием перепада давления Р имеет вид

где _ - касательные напряжения на стенке.

Откуда

,

т.е. связь между Р и _ - прямопропорциональная.

Из уравнения кривой течения

видно, что касательные напряжения на стенке прямопропорциональны величине эффективной вязкости жидкости, контактирующей со стенкой трубопровода. В способе гидроперекачки вместо высоковязкой нефти со стенкой контактирует вода. А в способах перекачки с предварительным улучшением реологических свойств и с подогревом эффективная вязкость высоковязких нефтей понижена.

2.2.1. Гидроперекачка

Гидроперекачкой называют совместную перекачку высоковязких нефтей с водой. Известно несколько способов гидроперекачки:

1. Перекачка нефти внутри водяного кольца.

2. Перекачка водонефтяной смеси в виде эмульсии типа “нефть в воде” (н/в).

3. Перекачка нефти и воды без вмешательства в формирование структуры потока.

Первый способ заключается в том, что в трубопровод одновременно закачивают воду и вязкую нефть так, чтобы последняя двигалась внутри водяного кольца. Создание подобного кольца достигается различными путями - применением винтовой нарезки заводского изготовления (аналог: ствол нарезного оружия) или приваренных по спирали металлических полос (проволоки) необходимых размеров и с заданным шагом (рис. 2.2 а), подачей воды через кольцевые муфты с тангенциальными отверстиями, расположенными перпендикулярно потоку нефти (рис. 2.2 б), прокладкой нефтепровода с перфорированными стенками внутри трубопровода большего диаметра и прокачкой воды между ними (рис. 2.2 в).

Некоторое распространение получили лишь первые два способа создания кольцевого слоя воды.

Еще в 1906 г. Т.Д. Исаакс осуществил в США совместную перекачку тяжелой асфальто-смолистой калифорнийской нефти ( = 980 кг/м³;  = 2010^-4... 3010^-4 м²/с) с водой по трубопроводу ( D = 0,076 м, L = 804 м), к внутренней стенке которого была приварена спирально свернутая проволока, обеспечивающая винтовое движение потока. Возникающие при этом центробежные силы отбрасывают более тяжелую воду к стенкам трубы. Максимальная производительность трубопровода с постоянным перепадом давления была достигнута при соотношении нефти и воды 9:1.

Рис. 2.2. Гидроперекачка нефти внутри водяного кольца

а- с применением винтовой нарезки; б- с применением кольцевых муфт; в- с использованием перфорированного трубопровода

Результаты эксперимента впоследствии были использованы для строительства промышленного трубопровода D = 0,203 м и L = 50 км. Винтовая дорожка в нем имела высоту 0,024 м и шаг 3,05 м.

Теоретически такой способ гидротранспорта высоковязких и парафинистых нефтей был изучен В.И. Черникиным и его учениками. В результате расчетов было показано, что производительность трубопровода по нефти увеличивается при гидроперекачке в 14...16 раз по сравнению с изотермической перекачкой одной нефти. Однако широкого распространения данный способ гидротранспорта не получил из-за сложности изготовления винтовых нарезок на внутренней поверхности труб, их засорения. При отсутствии же нарезки вследствие разности плотностей нефти и воды последняя занимает положение у нижней образующей трубы и эффект от гидроперекачки резко снижается.

Перекачку высоковязкой нефти по схеме, приведенной на рис. 2.2 б, применяет компания Shell Oil Co.: по трубопроводу диаметром 150 мм и длиной 39 км транспортируют нефть вязкостью 50000 мм²/с при 38 ^оС. Поток содержит 70 % нефти и 30 % воды. Производительность перекачки 4300 м³/сутки. Установлено, что структура потока, в котором вязкая нефть движется внутри воды сохраняется при скорости потока не более 0,92 м/c.

С увеличением дальности перекачки неизбежно произойдет гравитационное расслоение нефти и воды, что приведет к резкому увеличению перепада давления в трубопроводе.

Сущность другого способа гидротранспорта состоит в том, что высоковязкая нефть и вода смешиваются перед перекачкой в такой пропорции, чтобы образовалась эмульсия типа “нефть в воде”. Частицы нефти окружены водяной пленкой и поэтому контакта нефти с внутренней поверхностью трубы не происходит (рис. 2.3 а).

Для стабилизации эмульсий и придания стенкам трубопровода гидрофильных свойств, т.е. способности удерживать на своей поверхности воду, в них добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Устойчивость эмульсии типа “нефть в воде” зависит от характеристики и концентрации ПАВ, температуры, режима течения, соотношения воды и нефти в потоке.

Уменьшение объема воды в смеси ухудшает устойчивость эмульсии. При увеличении объема транпортируемой воды устойчивость эмульсии повышается, но возрастают энергозатраты на перекачку балласта (воды). В результате экспериментов было установлено, что минимальное количество воды должно составлять около 30 % от общего объема транспортируемой смеси.

Недостатком данного способа гидроперекачки является опасность инверсии фаз, т.е. превращения эмульсии типа “нефть в воде” в эмульсию типа “вода в нефти”(рис. 2.3 б), при изменении скорости или температуры перекачки. Транспортирование водонефтяных эмульсий по трубопроводам с промежуточными насосными станциями также нежелательно, поскольку в насосах происходит диспергирование фаз и такие эмульсии затем трудно разрушить.

Эмульсии типа “н/в” транспортируются только по промысловым трубопроводам: от скважины до установок подготовки нефти. В учебниках, как пример такого способа гидроперекачки, приводится магистральный нефтепровод Танджунг-Баликпапан в Индонезии (D = 500 мм, L = 238 км, годовая производительность 3,7 млн.т, число перекачивающих станций - 3). Однако нефть и вода смешиваются в смесителе перед закачкой в этот трубопровод при температуре грунта (301...302 К), которая значительно ниже температуры застывания нефти (318,8 К). В результате в смесителе образуется не эмульсия, а суспензия, т.к. частицы такой нефти при температуре смешения представляют собой твердые гранулы. Видимо этим и объясняется длительная успешная работа данного магистрального нефтепровода.

Наконец, третий способ гидроперекачки - это перекачка нефти и воды без вмешательства в формирование структуры потока (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Структурные формы водонефтяного потока при

послойной перекачки нефти и воды

а- линзовая; б- раздельная с плоской границей; в- раздельная с

криволинейной границей; г- кольцевая экоцентричная;

д- кольцевая концентричная

Обычно его иллюстрируют так: нефть и вода, движущиеся в трубопроводе, имеют плоскую границу раздела. За счет того, что часть периметра трубы контактируется с менее вязкой водой увеличивается производительность трубопровода или при том же расходе нефти уменьшается перепад давления. На самом деле совместное течение нефти и воды без искусственного вмешательства характеризуется несколькими структурными формами течения, переходящими одна в другую по мере изменения скорости.

Каждая структурная форма течения устанавливается самопроизвольно как только достигаются условия для ее существования.

Любопытна связь структурных форм водонефтяного потока с величиной гидравлического уклона. Согласно экспериментальным исследованиям Ф.М. Галина, она такова (рис. 2.5).

Смена структурных форм происходит тогда, когда у системы есть возможность за счет внутренних изменений занять положение с меньшей внутренней энергией (2-й закон термодинамики).

вода

Такой способ гидроперекачки применяется только на коротких трубопроводах. Нефтепровод Коштар-Ляльмикар в Узбекистане (D = 200 и 168 мм, L = 26 км) был пущен в июне 1974 г для обычной перекачки коштарской нефти ( = 959 кг/м³, Т_заст. = 298 К). Однако в августе того же года, несмотря на жаркие климатические условия южного Убекистана, он был “заморожен”. Гидроперекачка по нему со свободным вводом фаз в трубопровод оказалась весьма эффективной. За 2 года эксплуатации был получен экономический эффект в размере 100 тыс.руб. по сравнению с перекачкой чистой нефти.

Для перекачки высоковязкой смеси нефтей месторождения Камышлджа и Окарем (Туркмения) институтом ВНИИСПТнефть опробована технология гидроперекачки с использованием воды Каспийского моря).