12. Определение состава и характеристик нефти.

При управлении технологическими процессами бурения и до­бычи нефти необходимо измерять параметры, характери­зующие как добываемую нефть так и материалы, применяемые в ходе технологического процесса.

Для этих целей применяются анализаторы свойств материалов и примесей. К свойствам материалов мы будем относить плотность и вязкость. К анализу примесей относится определение содержания в не­фти воды и солей.

Приборы для автоматического измерения плотности нефтей

Плотность нефти характеризует ее качество и может указывать на наличие в ней примесей. Иногда плотность жидкостей измеряют для определения концентрации растворенного вещества.

Плотность определяется массой m в единице объема V: ρ=m/V

Иногда пользуются понятием относительной плотности, ко­торая для жидкостей обычно определяется по отношению к плот­ности дистиллированной воды при +4° С.

По принципу действия плотномеры можно разделить на следу­ющие группы: поплавковые, гидростатические (принцип действия основан на том, что давление жидкости на глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости), радиоактивные (принцип действия основан на изменении поглощения γ излучения радиоактивного источника при прохождении лучей ч/з жидкость в зависимости от изменения плотности этой жидкости) и ультразвуковые (использована зависимость скорости распространения ультразвука в жидкости от ее плотности).

Вискозиметры

Вискозиметры предназначены для измерения коэффициентов вязкости (динамической и кинематической), которые характери­зуют сопротивление жидкости течению.

Коэффициент динамической вязкости определяется формулой Ньютона:

где F - сила сдвига; S - площадь внутреннего сдвига; dυ/dn -градиент скорости по поперечному сечению потока; υ - скорость течения слоя; n - расстояние между параллельными движу­щимися плоскостями.

За единицу динамической вязкости принимают вязкость потока жидкости, в которой линейная скорость под воздействием давления сдвига 1 Па имеет градиент 1 м/с на 1 м расстояния, перпендикулярного к плоскости сдвига. Размерность этой единицы Н∙с/м².

Кинематическая вязкость представляет собой отношение ди­намической вязкости к плотности жидкости. Иногда вязкость определяется условными единицами ºВУ: ºВУ=τ_ж/τ_в, где τ_ж - время истечения определенного объема исследуемой жидкости через калиброванную трубку: τ_в - время истечения того же объема дистиллированной воды через ту же трубку.

Приборы для измерения вязкости основаны на следующих ме­тодах: по перепаду давления при движении жидкости в капил­лярных трубках, по времени падения твердого тела в жидкости, по крутящему моменту и по поглощению ультразвуковых колеба­ний.

При измерении вязкости следует иметь в виду, что на вязкость значительно влияет изменение температуры.

Приборы для измерения вязкости основаны на следующих ме­тодах: по перепаду давления при движении жидкости в капил­лярных трубках, по времени падения твердого тела в жидкости, по крутящему моменту и по поглощению ультразвуковых колеба­ний.

При измерении вязкости следует иметь в виду, что на вязкость значительно влияет изменение температуры.

Виды вискозиметров: капиллярные (действие основано на законе истечения жидкости из капиллярных трубок), вискозиметры с падающим шариком (зависимость скорости падения шарика от вязкости жидкости), ротационные вискозиметры (основан на измерении момента сопротивления, создаваемого жидкостью при вращении тела цилиндрической формы).

Анализаторы содержания воды в нефти

В большей части нефтяных месторождений нефть в нефтяных горизонтах залегает вместе с водой.

Существующие приборы для определения содержания воды в нефти по принципу действия можно разделить на диэлькометрические и инфракрасного излучения.

Диэлькометрические влагомеры используют значительную раз­ницу диэлектрической проницаемости нефти (около 2,5) и воды (80).. Принцип действия такого влагомера заключается в измерении емкости конденсатора, образованного двумя электродами, опу­щенными в анализируемую водонефтяную эмульсию.

В настоящее время на нефтяных промыслах применяют анали­затор содержания воды в нефти «Фотон-П». Принцип действия ана­лизатора основан на зависимости интенсивности рассеянного в водонефтяной эмульсии инфракрасного излучения от содержа­ния воды в ней.

Анализаторы содержания солей в нефти

Соли содержатся в растворенном состоянии в воде, присутст­вующей в нефти, а иногда и в виде мельчайших кристаллов непо­средственно в нефти. Содержание соли в нефти крайне нежелательно, Так как это может привести к разрушению нефтеперерабаты­вающей аппаратуры и ухудшить качество нефтепродуктов. Пре­дельное содержание солей в нефти не должно превышать 50 мг/л. Для контроля содержания соли в нефти в настоящее время существуют приборы, основанные на растворении пробы нефти в смеси полярных и не­полярных растворителей в заданном соотношении и на измерении электропроводности полученного раствора, которая пропорцио­нальна содержанию солей в нефти.

Анализатор ИОН, работающий по этому методу, состоит из блоков: преобразователя, управления, регистрации, электромаг­нитных кранов, регулятора давления жидкости.

Рис. 12.5. Капиллярный вискозиметр Пинкевича:

1 - капилляр; 2,3 - расширения; 4 - трубка;

5 - сосок; б – расширение

Капиллярные вискозиметры Пинкевича выпускаются с различными диаметрами капилляра (мм): 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0. Для определения кинематической вязкости нефти при задан ной температуре выбирают вискозиметр с таким расчетом, чтобы время истечения нефти было не менее 15 с.

Вязкость нефтей России при 20 °С в 1.3-310.3 раз превышает вязкость воды. Величина вязкости предопределяет способ транспортировки нефтей по трубопроводам. Маловязкие нефти перекачивают при температуре окружающей среды без предварительной обработки, а высоковязкие нефти перекачивают одним из следующих способов: в смеси с маловязкими разбавителями, после предварительной механической или термической обработки, с предварительным подогревом и др. (подробнее эти способы рассмотрены ниже).

Температура застывания имеет существенное значение для транспортирования нефти, так как по мере приближения к ней факти ческой температуры жидкости затрудняется или становится невозможным ее перемещение. Переход нефти из одного агрегатного состояния в другое совершается не при одной постоянной температу ре, а в некотором интервале их значений. Поэтому температура

застьтвания является условной величиной. Она зависит главным обра зом от химического состава нефти и от содержания в ней парафина и

смол.

Температурой застывания нефти принято считать температуру, при которой нефть, налитая в пробирку стандартных размеров, остается неподвижной в течение одной минуты при наклоне пробирки под углом 45°.

Температура застывания маловязких нефтей составляет до -25 и поэтому их можно транспортировать при температуре окружаю щей среды. С увеличением содержания парафина температура застывания увеличивается. Для нефтей полуострова Мангышлак она доходит до +30 °С. Их можно перекачивать только специальными методами.

Испаряемость - свойство нефтей и нефтепродуктов переходить из жидкого состояния в газообразное при температуре меньшей, чем температура кипения. Испарение углеводородных жидкостей происходит при любых температурах до тех пор, пока газовое пространство над ними не будет полностью насыщено углеводородами.

Скорость испарения нефтей и нефтепродуктов зависит, в основном, от содержания в них легких фракций (пропан, бутаны) и от температуры. Вискограммы нефтей различной вязкости:

Рис. 12,6. Зависимость кинематической вязкости нефти от температуры

Пожаровзрывоопасность нефтей и нефтепродуктов характеризуется способностью смесей их паров с воздухом воспламеняться и взрываться. Пожароопасность нефтей и нефтепродуктов определяется величинами температур вспышки, воспламенения и самовоспламенения. Под температурой вспышки паров понимают температуру, при которой пары жидкости, нагретой при определенных условиях, образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней открытого пламени. Углеводородные жидкости с температурой вспышки 61^оС и ниже относятся к легковоспламеняющимся, выше 61^оС - к горючим. Под температурой воспламенения понимают температуру, при которой жидкость при поднесении открытого пламени горит. Обычно температура воспламенения на 10-50^оС выше температуры вспышки. Под температурой самовоспламенения понимают температуру нагрева жидкости, при которой ее пары воспламеняются без поднесения открытого огня. В зависимости от температуры воспламенения установлено пять групп пожароопасных смесей: Т₁>450^oC; Т₂=300-450^оС; Т3=200-300^оС; Т₄=135-200 ^oC; Т₅=100-135 ^oC.

Взрывоопасность нефтей и нефтепродуктов характеризуется величинами нижнего и верхнего пределов взрываемости. Нижний предел взрываемости - это концентрация паров жидкости в воздухе, ниже которой не происходит вспышки смеси из-за избытка воздуха и недостатка паров при внесении в эту смесь горящего предмета. Верхний предел взрываемости соответствует такой концентрации паров нефти и нефтепродуктов в воздухе, выше которой смесь не взрывается, а горит. Значения концентрации паров между нижним и верхним пределами взрываемости называют интервалом взрываемости. для нефтей и нефтепродуктов интервал взрываемости составляет от 2 до 10 %.

Электризация углеводородных жидкостей обусловлена их высоким электрическим сопротивлением, т. е. диэлектрическими свойствами. При трении их частиц между собой, о стенки трубопро водов и емкостей, а также о воздух возникают заряды статического электричества величиной до нескольких десятков киловольт. для воспламенения же достаточно разряда с энергией 4 - 8 кВт. Применяют, в основном, два метода защиты от разрядов статического электричества: заземление токопроводящих элементов

оборудования и ограничение скоростей перекачки (не более 10 м/с).

Токсичность нефтей и нефтепродуктов заключается в том, что их пары оказывают отравляющее действие на организм человека. При этом наблюдается повышенная заболеваемость органов дыхания, функциональные изменения со стороны нервной системы, изменение кровяного давления и замедление пульса.

Предотвращение отравлений персонала обеспечивается усиленной вентиляцией производственных помещений, а также применением изолирующих или фильтрующих противогазов при работе в опасной для здоровья атмосфере.