image

Территория Нефтегаз № 11 2016

Транспорт и хранение нефти и газа

01.11.2016 10:00 Обоснование режимов трубопроводного транспорта битуминозной нефти
В рамках статьи проведен анализ современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Также был произведен подробный анализ реологических моделей неньютоновских жидкостей, в ходе которого установлен ряд допущений применяемого в настоящий момент алгоритма выбора реологической модели. Представлены результаты проведенных авторами комплексных экспериментальных исследований реологических моделей смеси битуминозной нефти Ашальчинского месторождения и маловязкого разбавителя. Целью экспериментальных исследований являлось нахождение зависимостей параметров реологических моделей от определяющих факторов: концентрации разбавителя и температуры смеси. На основе материала проведенных экспериментальных исследований получены и теоретически обоснованы формулы для прогнозирования реологических свойств нефтяной смеси. Для рассматриваемой нефтяной системы была установлена последовательность изменения реологических моделей: от простейшей однопараметрической модели Ньютона до модели Карро, включающей четыре независимых параметра. Предложенные модели с высокой степенью точности и качественно верно описывают реологические свойства нефтяной смеси. С увеличением температуры и концентрации разбавителя реологические модели смеси битуминозной нефти и разбавителя изменяются в следующей последовательности: модель Карро – модель Эллиса – модель Оствальда – де Вааля – модель ньютоновской жидкости. С учетом полученных формул составлен обобщенный алгоритм определения рациональных параметров транспортирования битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Разработанный алгоритм был применен к участку трубопроводной системы НГДУ «Нурлатнефть» между станциями ДНС-5 «Чумачка» – Миннибаевский центральный пункт сбора (МЦПС). На основе сравнительного технико-экономического анализа было установлено, что выбор рациональных параметров транспорта обеспечивает повышение эффективности транспорта битуминозной нефти.
Ключевые слова: битуминозная нефть, нефтяные смеси, неньютоновские жидкости, реологические модели.
Ссылка для цитирования: Николаев А.К., Пшенин В.В., Закиров А.И., Зарипова Н.А. Обоснование режимов трубопроводного транспорта битуминозной нефти // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 108–114.
Открыть PDF


В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года [17] одной из основных задач нефтяного комплекса является ресурсо- и энергосбережение, сокращение потерь на всех стадиях технологического процесса при транспортировке нефти. При решении этой стратегической задачи необходимо учитывать тенденцию к увеличению доли трудноизвлекаемых запасов (сверхвязкая нефть (СВН), природный битум (ПБ) и др.) в структуре минерально-сырьевой базы нефтяного комплекса, а также удорожание добычи и транспортировки углеводородов.

В Российской Федерации ресурсы СВН и ПБ составляют, по оценкам, приведенным в работе [14], около 30–75 млрд т. Месторождения тяжелой нефти наиболее активно разрабатываются на территории Республики Татарстан, на которую приходится 71 % СВН и ПБ в общих запасах. Примерно 80 % всей добываемой на территории Республики Татарстан нефти приходится на долю
ПАО «Татнефть» (26,2 млн т нефти) [10]. ПАО «Татнефть» накоплен большой исследовательский опыт в вопросах добычи и транспортировки тяжелых нефтей. Особое место среди разрабатываемых ПАО месторождений занимает Ашальчинское нефтяное месторождение, трудности разработки которого связаны с осложнениями, возникающими при добыче и транспортировке СВН и ПБ. В связи с увеличением объема добычи СВН и ПБ возникает острая потребность обеспечить надежный и энергоэффективный процесс их транспорта по трубопроводной системе.

Одной из перспективных технологий трубопроводного транспорта битуминозной нефти Ашальчинского месторождения является технология перекачки с разбавителем. Таким образом, исследование и совершенствование технологии трубопроводного транспорта битуминозной нефти Ашальчинского месторождения в смеси с разбавителем представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

 

Методика исследований

При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали научный анализ и обобщение современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей с применением разбавителя, математическое моделирование трубопроводной системы с учетом сложных реологических параметров перекачиваемого продукта. Экспериментальные исследования включали проведение опытов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований, обработку полученных результатов методами математической статистики в современных программных комплексах.

Повышение эффективности трубопроводного транспорта битуминозной нефти неразрывно связано с решением задач в области теплового и гидравлического расчета трубопроводной системы. Рассмотрены и проанализированы основные методики теплового и гидравлического расчета трубопроводов, транспортирующих нефти, обладающие повышенной вязкостью [5]. Установлено, что существующие на сегодняшний день методики нуждаются в уточнении.

Поскольку решающую роль в процессе транспорта битуминозных нефтей играют их сложные реологические свойства, произведен подробный анализ реологических моделей неньютоновских жидкостей [6, 7]. В ходе анализа установлено, что применяемый в данный момент алгоритм выбора реологической модели содержит ряд допущений (ограниченное количество реологических моделей, вариативность в назначении коэффициентов модели и т. д.). Предложены пути их устранения.

В связи с этим предлагается дополнить стандартный перечень реологических моделей моделью Карро (Carreau model) [19]:

 

,    (1)

 

где μ0, μinf, b и n являются коэффициентами модели: μ0 – коэффициент динамической вязкости при градиенте скорости сдвига, стремящемся к нулю; μinf – коэффициент динамической вязкости при градиенте скорости сдвига, стремящемся к бесконечности; b – время релаксации; с – показатель степени;  – градиент скорости сдвига; μeff – коэффициент эффективной динамической вязкости.

Кроме того, алгоритм выбора реологической модели был дополнен моделью Эллиса (Ellis fluid model) [18, 20]:

 

,                                     (2)

 

 

где μ0 – вязкость при нулевой скорости сдвига;  – показатель степени; 1/2 – напряжение сдвига, при котором исходная вязкость μ0 уменьшается вдвое.

Экспериментальные исследования

В ходе работы проведены исследования образцов битуминозной и маловязкой нефти Ашальчинского месторождения.

Экспериментальные исследования проводились в Центре инженерных изысканий (Санкт-Петербургский горный университет) на ротационном реометре Kinexus ultra+. Принцип действия ротационного реометра Kinexus ultra+ заключается в приложении к испытуемому образцу регулируемой деформации сдвига с целью измерения свойств текучести. Поскольку точные измерения и контроль температуры являются основным требованием практически всех реологических измерений, в составе реометра Kinexus были использованы сменные кассетные твердотельные термоэлектрические модули Пельтье [15].

Экспериментальные данные подверглись статистической обработке в программном комплексе Statistica 10. Выбор реологической модели производился по алгоритму, приведенному в работах [2–4, 13]. Определение параметров выбранной модели производилось по методу Хука – Дживса. При каждой итерации метод сначала определяет схему расположения параметров, оптимизируя текущую функцию потерь перемещением каждого параметра по отдельности. При этом вся комбинация параметров сдвигается на новое место. Это новое положение в m-мерном пространстве параметров определяется экстраполяцией вдоль линии, соединяющей текущую базовую точку с новой точкой. Размер шага этого процесса постоянно меняется для попадания в оптимальную точку. Этот метод обычно очень эффективен, и его следует использовать, если квазиньютоновский и симплекс-метод не дали удовлетворительных оценок. Полученные результаты собраны и представлены в таблице.

В ходе проведенных исследований была установлена иерархия реологических моделей для рассматриваемой нефтяной системы: от простейшей однопараметрической модели Ньютона до модели Карро, включающей четыре независимых параметра. Предложенные модели с высокой степенью точности и качественно верно описывают реологические свойства нефтяной смеси.
С увеличением температуры и концентрации разбавителя реологические модели смеси битуминозной нефти и разбавителя изменяются в следующей последовательности: модель Карро – модель Эллиса – модель Оствальда – де Вааля – модель ньютоновской жидкости. Были выявлены общие закономерности изменения параметров реологических моделей. На рис. 1 представлено двумерное поле реологических моделей исследуемых нефтяных смесей в координатах «температура смеси – концентрация разбавителя».

В целях получения уравнения, позволяющего определять реологические свойства бинарной нефтяной смеси в зависимости от температуры смеси и концентрации разбавителя, были отдельно рассмотрены результаты экспериментов в области ньютоновских моделей. Распределение полученных для ньютоновских моделей значений коэффициента динамической вязкости в пространстве «коэффициент динамической вязкости – температура смеси – концентрация разбавителя» представлено на рис. 2.

Коэффициент динамической вязкости нефтяной смеси битуминозной нефти с разбавителем в зависимости от температуры смеси и концентрации разбавителя предложено определять по модифицированному уравнению Аррениуса:

 

μсм(T, р) = С0e(T(С1 р+С2)+(С3 р)+(р, T)),           (3)

 

где μсм – коэффициент динамической вязкости нефтяной смеси; Т – температура нефтяной смеси; р – концентрация разбавителя; С0, С1, С2, С3 – числовые коэффициенты; (р, Т) – поправочная функция, определяемая по результатам регрессионного анализа с учетом анализа остатков.

На рис. 3 приведены значения коэффициента динамической вязкости и поверхность, построенная по модифицированному уравнению Аррениуса (3), с учетом коэффициентов регрессии, полученных в ходе проведенного исследования.

Качество полученных зависимостей было проверено методами математической статистики. Результаты сравнения с известными зависимостями для определения коэффициента динамической вязкости показывают, что полученное решение обладает достаточной высокой точностью. Доказано, что вязкость бинарных нефтяных смесей в области ньютоновской жидкости следует определять по модифицированному уравнению Аррениуса.

На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований разработан обобщенный алгоритм расчета режимов трубопроводной системы, по которой транспортируется битуми-
нозная нефть в смеси с разбавителем.
В алгоритме учтена возможность проявления неньютоновских свойств нефтяной смеси при пониженной температуре транспортирования или низкой концентрации разбавителя посредством использования специальных формул для определения коэффициента гидравлического сопротивления при течении неньютоновских жидкостей (формула Мецнера – Рида и формула Ирвина), а также с применением программных комплексов по вычислительной гидродинамике (COMSOL Multiphysics 5.2).
В области ньютоновского течения использовано модифицированное уравнение Аррениуса, полученное авторами работы. Еще одной отличительной особенностью алгоритма является расчет режимных параметров при различных расходах транспортируемого продукта. Большинство оптимизационных алгоритмов, получивших широкое распространение, предполагают, что массовый расход «горячей» перекачки с применением разбавителя является фиксированной величиной, в то время как при перекачке нефти центробежными насосами расход перекачки есть переменная величина и уместнее пользоваться понятием «динамическая характеристика», предложенным и обоснованным П.И. Тугуновым [4, 16] и
Н.А. Гаррис [9, 11].

При теплогидравлических расчетах учитываются технологические ограничения (по температуре начального подогрева нефтяной смеси, по расходу смеси, по концентрации разбавителя), а также влияние изменения основных параметров перекачки на режим работы основного технологического оборудования. Пересчет характеристик центробежных насосов с воды на высоковязкую нефть [1, 8, 12] осуществляется при помощи следующих коэффициентов: пересчета напора kH, пересчета расхода перекачки kQ и пересчета коэффициента полезного действия k , определяемых по следующим зависимостям:

 

kH = 1 – 0,128lg ,                    (4)

kQ = kH1,5,                                         (5)

k = 1 – lg ,                    (6)

где  – коэффициент; Reгр – граничное число Рейнольдса; Reп – переходное число Рейнольдса; Reн – число Рейнольдса, характеризующее течение нефти в центробежном насосе.

С учетом приведенных выше отличительных особенностей с использованием алгоритма расчета режимных параметров трубопроводного транспорта найдена совокупность рабочих состояний системы, так называемая линия рабочих режимов. На рис. 4 приведено изображение поверхности характеристики нефтеперекачивающей станции, пересекающей поверхность характеристики трубопроводной сети по линии рабочих режимов. Пунктирной линией отмечена граница области, при переходе через которую требуется выполнять пересчет характеристик центробежных насосов с воды на высоковязкую нефть.

Каждой точке на линии рабочих режимов соответствует совокупность параметров, характеризующих процесс перекачки. Минимизацию целевой функции относительно выбранного критерия оптимальности следует производить по линии рабочих режимов.
В качестве целевых функций предлагается использовать: функцию суммарных эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев (для случая Q = const) и функцию в виде разницы прибыли от перекачки заданного объема нефти и суммарных эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев (для случая Q ≠ const).

Произведено технико-экономическое обоснование предложенного алгоритма выбора рациональных параметров транспортирования битуминозной нефти в смеси с разбавителем на примере участка действующей трубопроводной системы. В качестве такого участка был выбран участок трубопроводной системы НГДУ «Нурлатнефть» между ДНС-5 «Чумачка» и МЦПС. На дожимную насосную станцию «Чумачка» поступает нефть из различных групп месторождений, имеющих разные реологические свойства. В общем потоке происходит смешение маловязких компонентов
(р ≈ 67,7 %) с битуминозной нефтью. На участке применяется технология предварительного подогрева (Тн = 35 °С).

В результате проведенных технико-экономических расчетов получен график зависимости общих эксплуатационных затрат от температуры начального подогрева, представленный на рис. 5.

Для установившегося в трубопроводной системе расхода перекачки 579 м3/ч найдено оптимальное значение температуры начального подогрева Тн = 35 °С. Это значение на 6 °С меньше, чем при действующем режиме эксплуатации. Разница между общими эксплуатационными затратами при оптимальном и действующем режимах эксплуатации составляет 0,145 руб/с. В случае реализации оптимального режима эксплуатации это позволит обеспечить экономию средств в размере 4,57 млн руб/год.

 

Выводы

В работе был проведен анализ современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Представлены результаты проведенных авторами комплексных экспериментальных исследований реологических моделей смеси битуминозной нефти Ашальчинского месторождения и маловязкого разбавителя. На основе экспериментального материала получены и теоретически обоснованы формулы для прогнозирования реологических свойств нефтяной смеси. С учетом полученных формул составлен обобщенный алгоритм определения рациональных параметров транспортирования битуминозных нефтей совместно с маловязким разбавителем. Разработанный алгоритм применен к участку трубопроводной системы НГДУ «Нурлатнефть» между станциями ДНС-5 «Чумачка» – МЦПС. На основе сравнительного технико-
экономического анализа установлено, что выбор рациональных параметров транспорта обеспечивает повышение эффективности транспорта битуминозной нефти.

 

Результаты экспериментальных исследований реологических свойств смеси битуминозной и маловязкой нефти Ашальчинского месторождения

The results of experimental studies of the rheological properties of bitumen and a low-viscosity oil mixture from Ashalchinskoye field

разб., %

TНС, 0С

Границы скорости сдвига, 1/с

Boundaries of shear rate, 1/s

Реологическая модель

Rheological model

Параметры модели

Model parameters

75

10

1–300

Оствальда – де Вааля

Ostwald – de Waele model or power-law

K = 0,638; n = 0,995

75

5

1–300

Оствальда – де Вааля

Ostwald – de Waele model or power-law

K = 1,006; n = 0,991

50

20

1–300

Оствальда – де Вааля

Ostwald – de Waele model or power-law

K = 0,436; n = 0,990

50

10

1–300

Оствальда – де Вааля

Ostwald – de Waele model or power-law

K = 1,0154; n = 0,991

50

5

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 1,573; 1/2 = 3984,220;  = 2,435

25

20

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 1,242; 1/2 = 1503,811;  = 3,851

25

10

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 3,397; 1/2 = 2131,171;  = 3,711

25

5

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 5,911; 1/2 = 2706,125;  = 3,464

0

30

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 1,070; 1/2 = 1411,198;  = 3,991

0

20

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 2,752; 1/2 = 1930,464;  = 3,890

0

10

10–300

Эллиса

Ellis fluid model

μ0 = 8,632; 1/2 = 2665,803;  = 5,027

0

5

10–300

Карро

Carreau model

μinf = 3,309; μ0 = 17,228; b = 0,01 c = 0,405

 



← Назад к списку


im - научные статьи.