Композиционные составы для снижения гидравлического сопротивления в системах трубопроводного сбора и транспорта продукции нефтяных скважин тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.13 ВАК РФ

На правах рукописи

ХУСПУЛЛШ1 РУСЛАН РИНАТОВИЧ

КОМПОЗИЦИОННЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ТРУБОПРОВОДНОГО СБОРА И ТРАНСПОРТА ПРОДУКЦИИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

02.00.13 - Нефтехимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени

2 5 MAP Z015

кандидата технических наук

005561237

Казань-2015

005561237

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор,

Шарифуллин Андрей Виленович

Официальные оппоненты: Хафизов Анрат Рнмовнч,

доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет», профессор кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений

Челинцев Сергей Николаевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина», профессор кафедры нефтепродуктообеспечения и газоснабжения

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-

исследовательский институт по нефтепромысловой химии», г. Казань

Зашита состоится «23» апреля 2015 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.05 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д.68. Зал заседаний Ученого совета - каб. 330).

Отзывы по диссертационной работе в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: Россия, 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д.68, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.080.05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и на сайте \ vww.kstu.ru.

Автореферат разослан « » МО^иь-Сс 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.080.05, доктор технических наук, профессор \ Хамидуллин Р.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы:

В нефтедобывающих регионах в результате длительной разработки нефтяных месторождений исчерпываются запасы «легких» нефтей с малой вязкостью и плотностью. Происходит постепенный переход на добычу высоковязких нефтей с повышенным содержанием асфапьтено-смолистых веществ (АСВ) и твердых парафинов. Кроме того, в связи с ростом объемов применяемых технология повышения нефтеотдачи основанных на заводнении, добыча нефти сопровождается существенным увеличением в составе скважинной продукции пластовой воды, что приводит к образованию высоковязких устойчивых эмульсий. Это способствует к резкому снижению производительности трубопроводного транспорта.

Более энергоэффективным методом снижения затрат на перекачку можно считать реагентный метод, основанный на введение в состав эмульсионных потоков специальных присадок, позволяющих снизить гидравлическое сопротивление. Этот метод основан на снижение гидравлического сопротивления (турбулентного трения) при транспортировке жидкостей с добавлением высокомолекулярных полимеров, так называемый эффект Томса. Данный эффект проявляется в увеличении пропускной способности (увеличении расхода) при сохранении затрат на транспортировку, либо в снижении затрат энергии на транспортировку при сохранении расхода.

Научные изыскания в данной области в основном посвящены вопросам транспортировки однофазных потоков (воды, дизельного топлива, «легкой» нефти и т.д.). Для нефтей с повышенным содержанием АСВ и твердых парафинов, а так же для двухфазных систем типа «нефть-вода» исследования проводились фрагментарно на отдельных эмульсиях, поэтому не выявлено четких закономерностей и практических рекомендаций.

В качестве присадок снижающих гидравлическое сопротивление в основном предлагались высокомолекулярные полимеры и композиции на их основе. Однако они имеют ряд недостатков: низкая устойчивость к механической деструкции, малая эффективность в эмульсиях. Для решения вышеназванных проблем необходимы новые типы реагентов комплексного действия, снижающие не только энергетические и

материальные затраты на перекачку, но и предотвращающие образование стойких эмульсий.

Цель работы:

Разработка композиционных составов, обеспечивающих снижение гидравлического сопротивления в трубопроводах при транспортировке нефти и нефтяных эмульсий различного состава.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать лабораторный стенд и методику оценки действия реагентов для прогнозирования эффекта снижения гидравлического сопротивления, учитывающего основные параметры перекачки жидких потоков;

- определить влияние различных ПАВ и полимеров на их эффективность по снижению гидравлического сопротивления водных, нефтяных и нефтеэмульсионных потоков;

- изучить влияние состава и структуры нефтяных и нефтеэмульсионных потоков на гидродинамику их турбулентного движения;

- научно и экспериментально обосновать действие композиционного состава для снижения гидравлического сопротивления и предотвращения образования стойких эмульсий в условиях турбулентного течения нефтяных эмульсий, с учетом дгструк-тивных факторов.

Научная новизна:

- методом модельных жидкостей определены зависимости влияния твердых парафинов и нефтяных смол на гидродинамику движения углеводородных жидкостей;

- определены условия образования стойких нефтяных эмульсий в турбулгнтном эмульсионном потоке, при этом выявлено, что на процесс образования стойкой эмульсионной смеси влияют повышенное давление в системе перекачки, содержание в нефти воды, АСВ и твердых парафинов;

- выявлены синергетические эффекты снижения гидравлического сопротивления в нефтяных эмульсиях, содержащих композиционные составы, состоящие из неионо-генных поверхностно-активных веществ (НПАВ) с ГЛБ=5-12 и водорастворимых реагентов, обладающих адсорбционной способностью.

Практическая значимость:

- разработана методика и лабораторный пилотный стенд для изучения гидродинамики турбулентного течения нефти и нефтяных эмульсий, а так же для оценки эффективности действия реагентов по снижению гидравлического сопротивления;

- установлены присадки, обладающие эффектом снижения гидравлического сопротивления в водной и нефтяной среде с учетом влияния деструктивных факторов;

- разработан реагент РЭФТ-1, его товарная форма и технология применения. Опытно-промысловые испытания реагента РЭФТ-1 при трубопроводной транспортировке нефтяной эмульсии с содержанием воды 50% показали увеличение производительность перекачки на 12 % отн.;

- проведен расчет технико-экономических показателей от применения композиций реагентов, используемых для снижения гидравлического сопротивления при перекачке нефтяной эмульсии.

Личное участие автора

Диссертант лично принимал участие в создании экспериментальных установок, разработке методик, постановке и выполнению экспериментов по изучению гидродинамики жидкостей и эффективности различных присадок (и всех сопутствующих экспериментов), обработке экспериментальных данных и обсуждении полученных результатов, а также в подготовке материалов и текстов печатных публикаций.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Большая нефть XXI века (г.Альметьевск, 2006 г.), на научно-практическом семинаре «Перспективы развития химической и нефтехимической промышленности в Республике Татарстан» (г.Казань, 2007 г.), на Татарстзнском нефтегазохимнческом форуме «Нефть. Газ. Нефтехимия» (Круглый стол «Дифференцирующие технологии при добыче, транспортировке и подготовке нефти» (г.Казань, 2013 г.).

Публикации

По теме диссертации в журналах рекомендованных ВАК опубликовано 9 статей.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 149 страницах, содержит 7 таблиц, 60 рисунков, список литературы из 100 наименований и состоит из введения, 3 глав, выводов.

Автор выражает благодарность за научные консультации и советы, оказанные при разработке данной работы д.т.н, профессору Шарифуллину В.Н., за помощь и активное обсуждение работы при подготовке к защите диссертации д.т.н., профессору Хамидуллину Р.Ф., к.т.н, доценту Байбековой Л.Р.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновала актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена обзору литературы по проблемам транспортировки по трубопроводам и методам их решений, различным аспектам снижения гидравлического сопротивления, включая оценку отдельных закономерностей и механизмов перекачки и примеров практического использования эффекта Томса в промышленности. По результатам литературного обзора, выявлена низкая изученность определения эффективных присадок для снижения гидравлического сопротивления в нефтяных эмульсиях во всем диапазоне содержания воды, характерных для промысловых трубопроводных систем сбора и транспорта нефти.

Вторая глава содержит описание разработанной лабораторной установки, методики проведения экспериментов по оценке гидравлических и энергетических параметров в турбулентных водных, нефтяных и водонефтяных потоках, а также методы инструментального анализа физико-химических свойств жидкостей, и характеристик использованных присадок, полимеров и ПАВ.

Третья глава состоит из четырех частей с описанием экспериментов и их обсуждения для водных, нефтяных фаз и нефтяных эмульсий, а также опытно-промысловых испытаний.

п

Эксперименты по определению гидравлических и энергети-5 ческих параметров

—5 перекачиваемых жид-1Э !

; костей проводились 1Э :

на установке определения эффекта Томса, представленной на

I........... .............. .Г ''"" .6

д, 4; рис. 1. Для описания

Рис. 1. Схема установки по определению эффекта Томса: 1- и определения эффек-емкость, 2 - насос, 3 - манометры, 4- расходомер, 5 - змее- тивности вик, 6 - электросчетчик

действия (величина эффекта Томса - ВЭТ) применяемых присадок, снижающих гидравлическое сопротивление, скоррелирована формула: Т = 1 > гДе Х.иХо - коэффициенты гидравлического сопротивления потока с присадкой и без нее.

Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления осуществлялся по формуле Дарси-Вейсбаха на основе экспериментальных данных, учитывающих как диаметр трубопровода, так и перепад давления, а также плотность жидкостного потока.

Определение эффективных присадок для снижения гидравлического сопротивления в водонефтяных эмульсиях является сложной задачей вследствие влияния многих факторов на этот процесс. Поэтому данная задача была разбита на три этапа: определение оптимального круга присадок и оценка их эффективности в водной фазе со средней минерализацией, имитирующей составную часть нефтяной эмульсии - пластовую воду; определение оптимального круга присадок и оценка их эффективности в нефтях различного группового состава; определение эффективных присадок комплексного действия в нефтяных эмульсиях с различным соотношением водной и углеводородной фаз. Выбор присадок определялся по следующим критериям: растворимость в водной и углеводородной средах, молекулярная масса, строение (линейное и разветвленное).

В качестве водорастворимых полимерных присадок способных снизить гидравлическое сопротивление турбулентных потоков в пластовой воде с общей минерализацией

100 г/л были исследованы промышленно-применяемые высокомолекулярные полимеры (рис. 2): полиакриламид (ПАА) с молекулярной массой 3 млн.. полиоксиэтилен (ПОЭ) с молекулярной массой 2,2 млн. и карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) -0,14 млн.. Для сопоставления с ними были изучены водорастворимые присадки с малой молекулярной массой - тринатрийфосфат (ТНФ) - 164, уротропин -140, моноэта-ноламин (МЭА)- 61 и оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФК) - 206.

. 60

Концентрация, мг/л

5 10 15 20 Концентрация, мг/л

Рис. 2. Зависимость величины эффекта Рис.3. Зависимость величины эффекта

Томса от концентрации низкомолекуляр- Томса от концентрации высокомолеку-

ны х присадок в водной фазе при давле- лярных присадок (полимеров) в водной

нии 4 кгс/см2и 1=25 "С, где: 1 - ОЭДФК, 2 фазе при давлении 4 кгс/см2и 1=25 °С.

- МЭА, 3 - ТНФ, 4 - уротропин

где: 1 - ПАА ,2 - ПОЭ, 3 - КМЦ

Увеличение концентрации присадок приводит сначала к росту величины эффекта Томса до определенного оптимального значения, после чего начинается плавное его снижение. Оптимальная концентрация, как для высокомолекулярных полимеров, так и для низкомолекулярных реагентов находится в интервале 10-20 мг/л (рис. 2, рис. 3). Снижение эффекта Томса с ростом концентрации полимера обусловлено возрастанием вязкости раствора, и вовлечением в состав вязкого подслоя несформировавшихся структур с меньшей длиной цепи, которые не могут погасить турбулентность в ядре потока.

Деструкция макромолекул является основным фактором, ограничивающим в ряде случаев практическое использование полимерных добавок для снижения турбу-

лентного трения. Особенно это актуально для циркуляционных систем с многократным прохождением через насосы, фильтры, арматуру, системы лупингов и т.д.

40 -

200 400

Число циклов

Рис. 4. Зависимость величины эффекта Томса от числа циклов перекачки водного раствора присадок при Р=25 'С и давлении 4 кгс/'см', концентрации 10 мг/л, где: 1 -ОЭДФК, 2 - МЭА, 3 - ШФ, 4 - уротропин

200 400 600

Число циклов

800

Рис. 5. Зависимость величины эффекта Томса от числа циклов перекачки водного раствора присадок при 1=25 'С и давлении 4 кгс/см2, концентрации 10 мг/л, где: 1 -ПАА, 2 - ПОЭ, 3 - КМЦ

Из полимеров гибкоцепные (ПАА, ПОЭ) в значительно большей степени подвержены механодеструкции, чем жёсткоиепные (КМЦ). Попадая в зоны интенсивной турбу-лизации и участки с большим сдвигающим усилием (на изгибах, измерительных приборах. насосах), полимеры разрушаются, что подтверждается проведенными экспериментами (рис. 5). После разрушения полимеры уже не могут образовывать эффективные структуры, способные к снижению турбулентности потока. Таким образом, добавление полимеров позволит получить кратковременный эффект снижения гидравлического сопротивления в основном на прямых начальных участках трубопроводов.

Эффективность действия присадок в потоках жидкостей по снижению гидравлического сопротивления обусловлена, в том числе и увеличением их поверхностной активности (глава 3.1.5). Начальная эффективность высокомолекулярных полимеров в большей степени связана с их прямолинейной длинной структурой, которые при разрушении не восстанавливаются. Низкомолекулярные присадки, наоборот, способны к образованию восстанавливающих мицеллярных структур.

Во второй части третьей главы изучалась гидродинамика нефтяных дисперсных систем, так как нефть, являясь сложной дисперсной системой зачастую меняет свои характеристики в процессе перекачки Гидродинамика нефтей (рис. 6) на образцах товарных нефтей с различными физико-химическими свойствами месторождений: ОАО «Татнефть» НГДУ «Азнакаевскнефть» (нефть №1), НГДУ «Елховнефть» (нефть №2), ОАО «Удмуртнефть» НГДУ «Игра» (нефть №3). Физико-химические свойства и групповой состав исследуемых нефтей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-химические свойства нефтей_

Характеристика Значения

Нефть № 1 Нефть № 2 Нефть №3

Плотность, кг/м5 849 895 973

Твердые парафины, % масс: 3,2 9,6 28,09

Смолы, % масс: 20,1 31,5 16,51

Асфальтены, % масс: 1,54 0,88 4,53

Время прокачки .мин

Рис. 6. Зависимость гидравлического сопротивления от времени прокачки при давлении

Результаты показывают, что нефти, имеющие различия в структурно-групповом составе имеют схожий характер изменения гидравлического сопротивления от времени прокачки (рис. 6). Основные отличия в динамике движения связаны с разным содержанием твердых парафинов, смол и асфальтенов. С увеличением времени перекачки различия в коэффициентах гидравлического со-

4 кгс/см2 и температуре 25 °С, где: 1 - нефть противления исследуемых нефтей № 1; 2- нефть №2; 3 - нефть №3

уменьшаются. Причинами снижения коэффициента гидравлического сопротивления при продолжительной перекачке является разрушение структурных образований. Разрушение (дробление) первоначальной структуры нефти, вследствие турбулентного движения и многократного прохождения через насос и арматуру, приводит к сниже-

нию вязкости нефти и соответственно увеличению средней скорости движения нефти по трубопроводу.

Оценить влияние отдельных групповых компонентов в составе нефтяной дисперсной системы достаточно сложно. Поэтому для оценки их влияния на гидродинамику движения углеводородных сред были проведены исследования, где в качестве модельной углеводородной жидкости применялись печное топливо бытовое светлое (ПТБС) и печное топливо бытовое темное (ПТБТ), имитирующие различные нефти, минимально содержащие твердые парафины и смолисто-асфальтеновые вещества. Физико-химические показатели печного топлива бытового легкого и тяжелого представлены в таблице 2.

Таблица 2

Физико-химические свойства печных топлив

Характеристика Фактические значения

Печное топливо бытовое светлое (ПТБС) Печное топливо бытовое темное (ПТБТ)

Плотность при температуре 20°С, кг/м3 828,5 878,0

Температура застывания, °С минус 30 минус 10

Массовая доля воды, % отсутствие отсутствие

Кинематическая вязкость при 20°С, мм^/с 3,0 5,6

Массовая доля твердых парафинов, % 1,46 3,72

Массовая доля смол, % 0,8 2,4

В ПТБС и ПТБТ отдельно вводились твердые парафины и смолы, которые были выделены из нефти стандартным методом селективных растворителей. Смолы также были разделены на легкие, растворяемые в спиртобензольном растворителе, и тяжелые, выделенные растворением в хлороформе.

Гидродинамика модельных жидкостей представлена на рис. 7, где твердые парафины изначально снижают величину эффекта Томса, а при их концентрации более 20% наблюдается резкое увеличение гидравлического сопротивления вследствие накопления дисперсной фазы на стенке трубы, что имеет место при перекачке нефти по трубопроводу.

О 10 20 30 40

Содержание твердого парафина, % масс.

Рис. 7. Оценка влияния содержания твердых парафинов на величину эффекта Томса при давлении перекачки 4 кгс/см2 и температуре 25 °С: 1 - П'ГБС (Яе=9500-15000); 2 - ПТБТ (Яе=3000-5000)

Учитывая, что поверхностные явления лежат в основе изменения эффекта Томса, из ряда групповых компонентов наибольшее влияние оказывают смолы, обладающие поверхностно-активными свойствами. Адсорбция смол на поверхности трубы снижает не только ее шероховатость, но уменьшает потери на трение за счет образования гидрофобного слоя, что и подтверждается проведенными экспериментами по определению гидравлического сопротивления в потоке модельных жидкостей (рис. 8).

Содержание смол, % масс.

0 5 10

Содержание смол, % масс.

Рис. 8. Зависимость величины эффекта Томса от содержания смол различного состава в ПТБС (а) и ПТБТ (б), где: 1 - легкие смолы; 2 - тяжелые смолы

Легкие смолы имеют более равномерное снижение гидравлического сопротивления и, как следствие, повышение величины эффекта Томса. Тяжелые смолы, наоборот, за счет большей молекулярной массы обладают большей эффективностью, снижают гидравлическое сопротивление по крутой зависимости, но дальнейшее увеличение содержания тяжелых смол лишь увеличивает сопротивление. Увеличение гидравлического сопротивления при высоком содержании смол в модельных жидкостях

связанно, по всей видимости, с неполной их растворимостью. Неполная растворимость смол приводит к фазовой неустойчивости, расслоению и образованию комков. Таким образом, часть смол находится в дисперсном состоянии. Больший эффект от действия тяжелых смол связано с их большей поверхностной активностью, по сравнению с легкими смолами (см. рис. 9). Однако легкие смолы имеют больший концентрационный диапазон действия вследствие меньшего количества нерастворимых диспергированных частиц, способствующих снижению эффекта Томса.

„ 26 и

Г |

5 24

Содержание смол, % масс.

ПТБС

Содержание смол, % масс.

ПТБТ

Рис. 9. Изотермы поверхностного натяжения нефтяных смол в модельных жидкостях при температуре 25°С: 1 - легкие нефтяные смолы; 2 - тяжелые нефтяные смолы;

Схожесть изотерм поверхностного натяжения (рис.9) и величин эффекта Томса (рис. 10) для нефтяных смол подтверждает предположение о действии смол как природных ПАВ, способных действовать на границе раздела фаз и снижать гидравлическое сопротивление при перекачке модельных жидкостей. И самым интересным является то, что резкое понижение межфазного натяжения наблюдается именно в тех концентрациях, при которых наблюдался максимальный эффект Томса (рис.9).

Для снижения гидравлического сопротивления углеводородных сред были изучены ПАВ и полимеры; неоногенные ПАВ линейного и разветвленного строения (Д-157, Реа-пон-4В. РЭНТ), катионный ПАВ - карбозолин. В качестве промышленно применяемых противотурбулентных присадок на полимерной основе выбраны следующие присадки -Necadd-447 («Fortum Oil and Gas OY»), FLO XL («Baker Pipeline Products»), ТурбулентМа-стер-8010 «Master Chemicals». Эффективность маслорастворимых присадок и НПАВ по снижению гидравлического сопротивления в нефти №3 представлены на рис. 10, 11

Рис. 10. Зависимость величины эффекта Рис. 11. Зависимость величины эффекта Томса от концентрации присадки в потоке Томса от концентрации присадки в по-нефти №3, где 1 - РЭНТ; 2 - Реапон-4В; 3 токе нефти №3, где 1 - РЪОХЬ; 2- Д-157; 4 - карбозолин ]\1есасМ-447; 3 - ТурбулентМастер-8010

Результаты показывают, что промышленно применяемые полимерные реагенты, в основном используемые при транспортировке дизельных топлив, обладают высокой начальной эффективностью. Действия ПАВ ниже, однако, их действие более продолжительно по времени и по длине трубопровода. Это связано с большей стойкостью НПАВ к механической деструкции в условиях мицеллярного состояния.

В третьей части третьей главы изучается влияние нефтяных систем на транспортировку по системе промысловых трубопроводов в широком диапазоне содержания воды.

На примере системы сбора НГДУ «Игра» ОАО «Удмуртнефть» (НК «Роснефть») (рис. 12) рассмотрим схему добычи и сбора нефтяной продукции. По пути сбора идет постоянное изменение состава и содержания нефтяных эмульсий. Проблемным является участок от КСП «Кез» до УПН «Чутырь», где наблюдается максимальное повышение давления и низкая производительность. Кроме повышенного гидравлического сопротивления на УПН «Чутырь» также имеется проблема накопления в отстойном оборудовании промежуточного слоя нефтяной эмульсии.

Решением проблемы снижения гидравлического сопротивления может стать введение в поток жидкости присадок. Такое «точечное» применение данной технологии может дать существенный экономический эффект.

О — О-

Содержание воды=85% :

Рассгоянне=20 нм

ДНС «Карсо-ВаЙ» '

Остальные

; дне

} Остальные УПН

ПСП "Малая П>рга»

СИКН №830

Товарный парк ОАО «Транснефтъ»

Содержанке воды=30% Расстоянис=36 км

- Содержание воды~3% Содержание воды-:50%

\ Расстояшс=7(1 км

______[КСП«Кез»|______

4 УПН «Чугырь» ;__•___Расстояние-50 км - ...........

Рнс. 12. Схема сбора нефтяной продукции от кустов скважин до магистрального трубопровода на НГДУ «Игра» ОАО «Удмуртнефть»

Установлено, что изменение гидродинамики при перекачке нефтяной эмульсии сопряжено с пиковыми значениями гидравлического сопротивления в пределах содержания воды от 40% до 85 % масс. (рис. 16). Данный

диапазон содержания отно-Рис. 13. Зависимость гидравлического сопротивления

нефтяной эмульсии №3 от содержания воды, при тем- СИТСЯ к предполагаемому пературе 20°С и различных давлениях: 1 - 6 кгс/см2; 2 Диапазону инверсии фаз. При - 4 кгс/см ; 3 - 2 кгс/см2 этом гидравлическое сопро-

тивление до и после диапазона инверсии фаз имеет практически одинаковые значения. Поэтому добавление присадок на участках с содержанием воды вне диапазона инверсии фаз является необязательным и нецелесообразным.

Также хочется отметить, что после перекачки эмульсии с содержанием воды в диапазоне инверсии фаз образовывались одновременно две разные эмульсии: первая -некоторая гелеобразная масса, которая через некоторое время после снятия напряжения разжижалась и расслаивалась, вторая - жидкая темного цвета, обладающая доста-

Содержание воды, % масс

точной устойчивостью. При этом давление перекачки оказывало решающее воздействие на образование стойких эмульсий (рис. 14).

/' ~ ~~ Промысловые и лабораторные исследо-

вания показывают, что образование двух и более сосуществующих эмульсий возможно только при определенном содержании в составе эмульсий воды, достаточном количестве и определенном структурно групповом составе САВ.

На наш взгляд решение таких проблем связано разработкой новых типов Рис. 14. Состав нефтяных эмульсий (% реагентов комплексного действия, на-

2 3

а гелгвая фаза миш база

масс.), образованных при разных давлениях

правленных не на разрушение, а на пре-

для нефти №3 (70% масс, воды), где: 1 - 2 кгс/см2; 2 - 4 кгс/см2; 3 - 6 кгс/см2 дотвращение образования эмульсий.

Влияние водорастворимых и маслорастворимых присадок в чистом виде не показали желаемого эффекта снижения гидравлического сопротивления во всем диапазоне содержания воды в нефтяной эмульсии (рис. 15, 16).

70 60

0

1 50 « 40

i 30

t 20 т

5 10 I 0

5 -ю

а

-20

Содержание воды в нефтяной эмульсии. % масс.

Содержание воды в нефтяной эмульсии, % масс.

Рис. 15. Влияние маслорастворимых Рис. 16. Влияние водорастворимых при-

присадок на эффект Томса в нефтяной садок на эффект Томса нефтяной эмуль-

эмульсии (нефть №2) при концентрации сии (нефть №2) при концентрации 15 г/т,

100 г/т, давлении 6 кгс/см2и температуре давлении 6 кгс/см2и температуре -25 °С,

25 °С, где: 1 - Д-157; 2- РЭНТ; 3 - Pea- где: 1 - КМЦ; 2- ОЭДФК; 3 - ТНФ; 4 -

пон-4В МЭА; 5 - уротропин

Таким образом, добиться снижения гидравлического сопротивления в нефтяной

эмульсии маслорастворимыми или водорастворимыми присадками оказывается невоз-

можным. Совместное применение водо и маслорастворимых присадок в нефтяной эмульсии (рис. 17) показано, что синергетическим эффектом увеличения эффекта Томса обладают композиции: Д-157+МЭАи Д-157+ТНФ с массовым соотношением 10:1, 7:1

Введение в поток композиции Д-157(НПАВ}+МЭА позволяет воздействовать на поток на ранней стадии перераспределения компонентов в составе нефтяной эмульсии следующим образом: НПАВ, обладая высокой поверхностной активностью, вытесняют в турбулентном ядре и окружающих ядро эмульсиях с границы раздела фаз (глобул) природные эмульгаторы нефти. Кроме того, при сжатии мелкодисперсных глобул за счет избыточного давления перекачки у НПАВ типа Д-157 наблюдается противодействие сжатию за счет так называемого «расклинивающего» эффекта Ребиндера,

когда расстояния между слоями НПАВ на поверхности глобул воды становятся соизмеримы с размерами самих НПАВ. Проявляется так называемый «расклинивающий» эффект за счет создаваемого критического «истерического» давления.

Действие МЭА и ТНФ проявляется в водной фазе в следующих направлениях: - МЭА и ТНФ, адсорбируя» на поверхности отложений и взвешенных частиц, сглаживают неровности и гидрофилизируют поверхность, снижая образование сложных структурных образований, вызывающих дополнительное гидравлическое сопротивление, сопровождающееся забрасыванием части водной фазы в турбулентное ядро. Дополнительно ТНФ формирует в воде малорастворимый ортофосфат кальция, который адсорбируясь на гранях кристаллов, вызывает изменение их формы, препятствуя таким образом их агломерации.

/V 1

У 3

V 2

У\ \

з

0 20 40 60 80 100

Содержание воды в нефтяной эмульсии, %

Рис. 17. Влияние композиций присадок на гидравлическое сопротивление нефтяной эмульсии (нефть №3) при давлении 6 кгс/см2и температуре 25°С, где: 1 - нефтяная эмульсия; 2 - Д-157+МЭА (10:1); 3 - Д-157+МЭА (7:1): 4 - Д-157+ТНФ (10:1); 5 - Д-157+ТНФ (7:1)

Совместное действие НПЛВ (Д-157) и МЭА (ТНФ) сопровождается синергетн-ческим эффектом снижения гидравлического сопротивления.

Кроме того, действие различных местных сопротивлений не приводит к резкому снижению эффективности действия МЭА и ТНФ. Естественно, применение таких композиционных присадок для разрушения уже образовавшихся в потоке многофазных нефтяных эмульсий не даст ожидаемого эффекта.

В четвертой части третьей главы описан способ приготовления композиции присадки Д-157+МЭА под названием РЭФТ-1 на промысловых установках дозирования реагентов типа БР-2,5. Также проведены опытно-промысловые испытания реагента РЭФТ-1 в системе сбора нефтяной продукции ОАО «Удмуртнефть на участке от КСП «Кез» до УПН «Чутырь». В нефтяную эмульсию с содержанием водь- 53 % масс, в течение 4 часов дозировали реагент РЭФТ-1. В ходе опытно-промысловых испытаний удалось добиться положительной величины эффекта Томса - 12 %.

Основные результаты и выводы

1. Предложена методика определения эффекта Томса, позволяющая получать приближенные к реальным условиям показатели эффективности различных присадок.

2. Изучена эффективность присадок различных классов по снижению гидравлического сопротивления в нефтяной и водной фазах со средней минерализацией. Установлено, что полимеры обладают высокой эффективностью за счет большей молекулярной массы и низкой устойчивостью к механической деструкции, что ограничивает их применение.

3. Установлено, что на гидродинамику движения нефтей влияют групповые компоненты: твердые парафины - прямолинейно, смолисто-асфальтеновые вещества - экстремально. Это связано с большей поверхностной активностью «тяжелых» смол.

4. Установлено, что при перекачке нефтяных эмульсий наблюдается резкое увеличение гидравлического сопротивления с образованием как минимум двух типов эмульсий: гелеобразной и жидкой. Процесс образования двухэмульсионной смеси наблюдается в диапазоне содержания воды в эмульсии от 40 до 80 % масс, при повышенных давлениях в системе и в большей степени характерен для нефтей с повышенным содержанием АСВ и твердых парафинов.

5. Доказано, что хорошей эффективностью по снижению гидравлического сопротивления в нефтяной эмульсии обладают композиционные присадки, состоящие из НПАВ с ГЛБ=5-12 и водорастворимых реагентов, обладающих адсорбционной способностью к стенке трубы и механическим примесям. Эффективность композиционных-составов обусловлена синергетическим эффектом.

6. Проведены опытно-промысловые испытания реагента РЭФТ-1 (Д-157+МЭА в соотношении 7:1) на объекте ОАО «Удмуртнефть» при перекачке нефтяной эмульсии с содержанием воды 50 %, которые показали увеличение производительности перекачки на 12 % отн.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК для размещения материалов диссертации:

1. Хуснуллин. Р. Р. Эффективность применения поверхностно-активных веществ и полимеров для снижения гидравлического сопротивления в системах оборотного водоснабжения [Текст] / Р. Р. Хуснуллин, Р. Ф. Хамидуллин, А. В. Шарифуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2007. - №5. - С. 71-76.

2. Хуснуллин. Р. Р. Снижение гидравлического сопротивления в потоках прямых эмульсий [Текст] / Р. Р. Хуснуллин. А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин // Технологии нефти и газа. - 2010. - №10. - С. 38-41.

3. Шарифуллин, А. В. Особенности турбулентных течений нефтяных эмульсий в присутствии полимеров и поверхностно-активных веществ [Текст] / А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин, Р. Р. Хуснуллин, Л. Р. Байбекова // Технологии нефти и газа. - 2011. - №5. - С. 12-17.

4. Байбекова, Л. Р. Количественное описание эффекта Томса в процессах транспортировки нефтяных эмульсий [Текст] / Л. Р. Байбекова, Р. Р. Хуснуллин, А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин, Р. Д. Ермаков // Технологии нефти и газа. -2013. -№3.- С. 32-34.

5. Хуснуллин. Р. Р. Эффект Томса в потоках нефтяной эмульсии в присутствии водорастворимых полимеров и поверхностно-активных веществ [Текст] /

Р. Р. Хуснуллин, Л. Р. Байбекова, А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин // Трубопроводный транспорт. Теория и практика. - 2011. - №1(23). - С. 20-22.

6. Хуснуллин, Р. Р. Эффективность применения полимеров различной природы для снижения гидравлического сопротивления в системах оборотного водоснабжения [Текст] / Р. Р. Хуснуллин. А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова// Экспозиция. Нефть. Газ. - 2010. - №3. - С. 27-29.

7. Шарифуллин, А. В. Особенности трубопроводного транспорта нефтяных эмульсий [Текст] / А. В. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, Р. Р. Хуснуллин. В. Н. Шарифуллин // Трубопроводный транспорт. Теория и практика. - 2013. -№5(39). - С. 20-22.

8. Шарифуллин, А. В. Поведение нефтяных эмульсий в процессе их перекачки [Текст] / А. В. Шарифуллин, Р. Р. Хуснуллин. В. Н. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №8. - С. 289-292.

9. Шарифуллин, В. Н. Влияние водорастворимых присадок на свойства перекачи-. ваемой воды [Текст] / В. Н. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, Р. Р. Хуснуллин

Я. А. Кожемяко, Т. А. Квасникова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №15. - С. 44-46.

____Тираж 100

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета 420015, Казань, К.Маркса, 68

экз.