книги / Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа

Складывая правые части уравнений (6.11) и (6.12), после при­ ведения подобных получаем

ля, описывающего потери давления при ламинарном режиме те­ чения ньютоновской жидкости

др = 128

я-D

Пользоваться формулой (6.15) неудобно, т. к. она не решается относительно искомого перепада давления ЛРъ явном виде. По­ этому во многих случаях бывает целесообразно воспользоваться следующим приемом: рассматривать неньютоновскую жидкость как условную ньютоновскую с динамической вязкостью равной эффективной вязкости

С геометрической точки зрения эффективная вязкость (рис. 6.1) равна тангенсу угла наклона а э линии, проведенной из начала координат в точку на кривой течения, соответствую­ щую расчетному градиенту скорости сдвига |dw/£fr|* • Благодаря этому приему, многие расчеты трубопроводов можно вести по формулам, справедливым для ньютоновских жидкостей.

высоковязких и высокозастывающих нефтей

Трубопроводный транспорт высоковязких и высокозасты­ вающих нефтей и нефтепродуктов затруднен из-за их повышен­ ной вязкости, высокой температуры застывания и других реоло­ гических особенностей. Высокая величина коэффициента гид­ равлического сопротивления при температуре окружающей сре­ ды вызывает необходимость сооружения большого числа насо­ сных станций, что экономически не всегда целесообразно. Поэ­ тому наряду с обычной изотермической перекачкой применяют

идругие методы транспорта таких нефтей:

1)гидроперекачку;

2)перекачку с предварительным улучшением реологических свойств (путем барообработки, термодеструктивной обра­

ботки, механического воздействия, с помощью добавления жидких разбавителей, газонасыщения, присадок, термооб­ работки);

3) перекачку с подогревом.

Поясним причину уменьшения гидравлического сопротив­ ления при их применении. Для жидкости, заполняющей трубо­ провод диаметром D и длиной L, условие равномерного движе­ ния под действием перепада давления АР имеет вид

A P ~ — T0 n D L = Q,

где тш—касательные напряжения на стенке.

Откуда

4 L

АР = г „ .

D '

то есть связь между АР и тш—прямо пропорциональная. Из уравнения кривой течения

dw dr

видно, что касательные напряжения на стенке прямо пропор­ циональны величине эффективной вязкости жидкости, кон­ тактирующей со стенкой трубопровода. В способе гидропере­ качки вместо высоковязкой нефти со стенкой контактирует вода. А в способах перекачки с предварительным улучшением реологических свойств и с подогревом эффективная вязкость высоковязких нефтей понижена.

Гидроперекачка

Гидроперекачкой называют совместную перекачку высоко­ вязких нефтей и воды. Известно несколько способов гидропе­ рекачки:

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.

иL = 50 км. Винтовая дорожка в нем имела высоту 0,024 м и шаг 3,05 м.

Теоретически такой способ гидротранспорта высоковязких

ипарафинистых нефтей был изучен профессором 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 из­ готовления винтовых нарезок на внутренней поверхности труб (равно как и приваривания прутка), их засорения. При отсут­ ствии же нарезки (прутка) вследствие разности плотностей неф­ ти и воды последняя занимает положение у нижней образующей трубы и эффект от гидроперекачки резко снижается.

Перекачку высоковязкой нефти по схеме, приведенной на рис. 6.35, применяет компания «Shell Oil Со.»: по трубопрово­ ду диаметром 150 мм и длиной 39 км транспортируют нефть вяз­ костью 50 000 мм2/с. Поток содержит 70 % нефти и 30 % воды. Производительность перекачки 4300 м3/сут. Установлено, что структура потока, в котором высоковязкая нефть движется внут­ ри воды, сохраняется при скорости потока не более 0,92 м/с.

Сувеличением дальности перекачки неизбежно произойдет гравитационное расслоение нефти и воды, что приведет к резко­ му увеличению перепада давления в трубопроводе.

Для обеспечения устойчивости пристенного слоя воды в нее добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Применяю­ щиеся ПАВ являются органическими соединениями, молекулы которых имеют полярную (гидрофильную) группу и неполярную (гидрофобную) цепь. Гидрофильной частью молекулы могут быть (-С Н 2 - С Н 2 - 0 - С Н 2 - СН2); (СОСГ);(-O S O J); (S O ;^груп­

пы, содержащие азот. Гидрофобная часть состоит из парафино­ вой цепи или ароматических углеводородов.

Молекулы ПАВ ориентируются таким образом, что полярная часть их обращена к воде, а углеводородные радикалы - к Неф­ ти. На границе раздела фаз ПАВ образуют тонкую пленку, пре­ пятствующую смещению жидкостей. С другой стороны, слой

с промежуточными насосными станциями, поскольку в насосах происходит диспергирование фаз и такие эмульсии затем труд­ но разрушить.

Эмульсии типа «нефть в воде» транспортируются только по промысловым трубопроводам: от скважины до установок под­ готовки нефти. В литературе в качестве примера такого спосо­ ба гидроперекачки часто приводится магистральный нефте­ провод Танджунг—Баликпапан в Индонезии (Z) = 500 мм, L = 238 км, годовая производительность 3,7 млн т, число пере­ качивающих станций —3). Однако нефть и вода смешиваются в смесителе перед закачкой в этот трубопровод при температу­ ре грунта (28...29 °С), которая значительно ниже температуры застывания нефти (45,8 °С). В результате в смесителе образу­ ется не эмульсия, а суспензия, т. к. частицы такой нефти при температуре смешения представляют собой твердые гранулы. Видимо, этим и объясняется длительная успешная работа дан­ ного магистрального нефтепровода.

Отметим, что в качестве маловязкого носителя для гранул за­ мороженной нефти могут быть использованы и другие маловяз­ кие жидкости, например, газовый конденсат.

В то же время с 1987 г. в виде эмульсии типа «нефть в воде» транспортируется высоковязкая продукция месторождения Вулф Лейк в провинции Альберта (Канада). Технология преду­ сматривает дозированное смешение тяжелой нефти с неболь­ шим количеством ПАВ и последующее образование водонефтя­ ной эмульсии. Ее особенностью является примерно одинаковый размер нефтяных глобул, что, с одной стороны, исключает при некоторой скорости перекачки их всплытие к верхней образую­ щей трубы, а с другой —облегчает отделение нефти от воды на конечном пункте.

Водонефтяная эмульсия подавалась по трубопроводу длиной 27 км компании «Alberta Energy». Отмечается, что при этом ка­ ких-либо осложнений не наблюдалось. Не было трудностей и с возобновлением перекачки эмульсии по трубопроводу после его 56-часовой остановки. При ее хранении в резервуарах расслоения фаз не наблюдалось.

Вместе с тем существуют обоснованные опасения, что в зим­ ний период водонефтяная эмульсия может потерять подвиж­ ность вследствие образования льда.

Наконец, третий способ гидроперекачКи —это перекачка неф­ ти и воды без вмешательства в формирование структуры потока (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Структурные формы водонефтяного потока при послойной перекачке нефти и воды:

а —линзовая; б —раздельная с плоской границей; в —раздельная с криволи­ нейной границей; г - кольцевая эксцентричная; д - кольцевая концентричная

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

Каждая структурная форма течения устанавливается само­ произвольно как только достигаются условия для ее существо­ вания.

Любопытна связь структурных форм водонефтяного пото­ ка с величиной гидравлического уклона. Согласно эксперимен­ тальным исследованиям Ф. М. Галина, она такова (рис. 6.6).

зю