CC BY
244
УДК 629.543
А. И. Иванов (асп.)1, В. В. Попов (инж.)2, А. А. Бойцова (асп.)3, В. О. Некучаев (д.т.н., проф.)3
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра «Транспорт и хранение нефти и газа» 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 8/3, корпус 2в, к. 301; тел. (347) 2431177, e-mail: [email protected] 2ООО «ЛУКОЙЛ-УНП» 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Заводская, 11, тел. (8216)762060 3Ухтинский государственный технический университет, кафедра «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская 13, корпус В, к.308, тел. (8216) 774482, e-mail:[email protected]
A. I. Ivanov1, V. V. Popov2, A. A. Boytsova3, V. O. Nekuchaev3
RESEARCH INTO THE CAUSES AND CONTROL OF SEDIMENT DURING STORAGE AND TRANSPORTATION OF OIL OF VARIOUS NATURE
1 Ufa State Petroleum Technological University 8/3, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431177, e-mail: [email protected]
2«LUKOIL UNP» LLC 11, Zavodskaya Str., 169300, Ukhta, Russia; ph. (8216) 762060 3Ukhta State Technical University 13, Pervomayskaya Str, 169300, Ukhta, Russia; ph. (8216) 774482, e-mail: [email protected]
Рассмотрено влияние соотношения нефтей различной природы на интенсивность образования отложений. На конкретном примере указан диапазон оптимального смешения битуминозной Ярегской нафтен-ароматической нефти с лёгкой парафинистой Усинской. Дальнейшее развитие исследований в данном направлении позволит уменьшить затраты средств и времени на очистку танкеров и трубопроводных систем от отложений, а также уменьшить время простоя судна в порту.
Ключевые слова: асфальтены; асфальто-смо-листые и парафинистые отложения; высоковязкая нефть; ксилольный эквивалент; несовместимость при смешивании; нефтепродукт; парафины; средство очистки; танкер; стабильность нефтесмеси; число пептпзации.
Транспортировка нефтегрузов всегда сопровождается возникновениями отложений, которые влекут за собой опасность нарушения
Дата поступления 27.05.14
Studies of the effect of varying the ratio of oil to natural sedimentation rate are given in this paper. Foreign and domestic developments in this area indicating methods of research and quantitative interpretation of their results are given. In particular, a specific example mentions the range of optimal mixing bitumen Yaregskaya oil with light Usinskaya oil. Further studies will reduce the cost and time of cleaning of tankers and pipeline systems from deposits and reduce the downtime of the vessel in port.
Key words: cleaning; crude oil; high-viscosity oil; petroleum; pipeline; stability of oil mixture; tanker.
нормальной эксплуатации и возможный выход из строя элементов и узлов транспортных систем.
Образование осадка связано с выделением и последующим осаждением твердой фазы. Выделение твердой фазы зависит от физико-химических характеристик нефти, температуры и ряда других факторов, а интенсивность накопления осадков зависит от конструктивных и технико-эксплуатационных особенностей емкостей, если речь идет о наливном флоте.
Одной из причин выпадения и накопления осадков при транспорте и хранении нефти в танкере является «несовместимость» при смешивании разнородных нефтей. Смешивание происходит при загрузке танкера нефтями различных месторождений, либо при загрузке танка в котором присутствуют остатки нефти с прошлого рейса.
Задачей данного исследования является изучения «несовместимости» нефтей для использования результатов в качестве методики предотвращения возникновения осадков.
С проблемами «несовместимости» и выпадения осадков при смешении разнородных нефтей в нефтепромысловой практике сталкиваются не первый год. Сам термин «несовместимость» впервые был введен Мартином 1 в 1951 г. для описания ситуации, когда при смешении двух стабильных топлив образуется смесь, для которой характерно интенсивное выпадение твердых осадков. В последующие годы были проведены многочисленные лабораторные исследования «несовместимости», однако надежные способы предсказания потенциальной «несовместимости» смесей до сих пор не разработаны и большинство исследователей ограничиваются лишь некоторыми качественными рекомендациями. По отношению к сырым природным нефтям, учет проблем «несовместимости» при смешении в нормативных документах, стандартах и методиках в значительной степени был стимулирован рассмотрением ряда судебных дел в 90-х гг. XX в.
Тяжбы, связанные с грузовыми потерями при перевозках нефти танкерами, достаточно часто рассматривались арбитражными судами США. Ранее подобные потери традиционно подразделяли лишь на две категории - потери, связанные с погрешностями измерения, и реальные физические потери продукта. В 1990 г. решение арбитражного суда Тесоро (Tesoro, S.M.A. № 2587), показало, что в правовую практику должна быть введена и третья категория грузовых потерь, которую можно назвать «потеря объема при смешении».
Понятие «потери объема при смешении» связано с распространенными представлениями о том, что полный объем любой жидкой
смеси равен сумме объемов индивидуальных компонентов. Однако, если свойства отдельных компонентов значительно различаются, при смешении может произойти «усадка» (сжатие) результирующего объема. Подобная ситуация может возникнуть, например, при смешении тяжелых нефтепродуктов (нефтей) с легкими. Когда легкую сырую нефть смешивают с тяжелой нефтью (битумом), объем полученной смеси может быть заметно меньше, чем сумма объемов компонент. Однако, эта «потеря объема» не связана с физическими потерями вещества, ибо суммарная масса перевозимого груза не меняется при смешении.
При отсутствии информации о результате смешивания нефтяных остатков и вновь загружаемой нефти возможно получение устойчивых высоковязких композиций, которые могут полностью вывести из строя системы танкера.
Отрицательный эффект также заключается и в исключении возможности проведения мойки сырой нефтью танкеров, в которых свойства транспортируемой нефти не соответствуют нормативам, а так же в возникновении необходимости производить подогрев груза перед разгрузкой.
Отмечается, что лабораторные исследования проблем «несовместимости» были начаты в США еще в 1950-х гг. Но увеличение объемов и ассортимента нефтесмесей значительно стимулировали исследования в данном направлении в начале 2000-х г. В качестве примера, в публикации 2 рассмотрен расчет «потери объема» при смешении 10000 м3 тяжелой природной нефти плотностью 845 кг/м3 с 1500 м3 легкой природной нефти плотностью 645 кг/м3. Для этой смеси абсолютная «потеря объема» при смешении составила около 23 м3. Так как суммарная масса компонент при смешении не меняется, с появлением «потери объема» связано увеличение плотности смеси до 820.6 кг/м3 по сравнению с величиной 818.9 кг/м3, рассчитанной по правилам смешении «идеальных» компонент.
Связано это с тем, что парафины в большем или меньшем количестве практически всегда присутствуют в добываемой нефти. Так, даже нефть для поставки транспортным организациям и предприятиям Российской Федерации и для экспорта, согласно 3 должна содержать не более 6% мас. парафинов. В настоящее время общепринятая классификация нефтей по содержанию в ней парафинов отсутствует. В 4 предложено разделять нефти по содержанию парафинов на три класса: малопара-финистые — концентрация парафинов менее
1.5% мас., среднепарафинистые — концентрация парафинов 1.5—6.0 % мас. и парафи-нистые — концентрация парафинов более 6.0% мас. Возможность кристаллизации парафинов из нефти и интенсивность образования асфальто-смолистых и парафинистых отложений (АСПО) не связаны напрямую с концентрацией парафинов в нефти. Справедливо следующее утверждение: если нефть парафи-нистая (по классификации 4), то АСПО будут образовываться в нефтепромысловой системе; если нефть малопарафинистая, то это не означает, что в нефтепромысловой системе не будет происходить интенсивного образования АСПО. Для асфальтенов это утверждение несправедливо: часто нефти, содержащие значительное количество асфальтенов (до 6%), являются стабильными по асфальтенам, в то же время асфальтены могут интенсивно выделяться из нефти, в которой их концентрация составляет 0.5—3.0 %. Стабильность нефти по асфальтенам означает, что в случае образования АСПО они будут парафиновыми, т.е. концентрация парафинов в них будет значительно больше, чем концентрация асфальтенов, однако асфальтены будут присутствовать в АСПО за счет адсорбции на поверхности парафиновых кристаллов или соосаждения 4.
Таким образом, все зависит от разбавителя.
Рассмотрим пример разбавлении природных битумов Атабаски (Канада)легкими не-фтями и газоконденсатами, добываемыми в близлежащих регионах для упрощения транспортировки. Степень снижения вязкости (при 20 оС) при введении различных объемных долей разбавителей плотностью (8,12 и 16 оАР1) представлены на рис. 1. 4.
Рис. 1. Степень снижения вязкости при добавлении разбавителей (об.доли)
Более эффективного уменьшения вязкости обеспечить не удалось, так как в практике транспортировки смесей с 50% легкой фракции наблюдались значительные проблемы, связанные с выпадением в трубопроводах твердых осадков асфальтенов. Возникновение проблем именно в смесях с малым содержанием битума (а значит, и асфальтенов) явилось неожиданным. Возможность предсказания этих проявлений «несовместимости» была проанализирована канадскими исследователями в серии лабораторных экспериментов.
Для предотвращения смешения «несовместимых» нефтей необходимо обязательное проведение лабораторных исследований для изучения изменения их свойств при смешении. Исследовать все возможные комбинации не представляется возможным, однако в рамках одного региона или группы нефтей, которые могут контактировать в процессе эксплуатации, анализ предпочтителен. Обладание данной информацией позволит прогнозировать выпадение осадков и минимизировать возможный ущерб для транспортных систем.
Материалы и методы исследования
Целью данной работы было исследование «несовместимости» на примере нефтей, транспортируемых по магистральному трубопроводу Усинск-Ухта-Ярославль.
Было проведено исследование параметров стабильности смеси высоковязкой нефти Ярег-ского месторождения нафтен-ароматической природы и парафинистой Усинской нефти.
Выбор Ярегской нефти обусловлен экономически — нефть относится к категории сверхвязких (табл. 1), экспортная пошлина на которые составляет 10% от пошлины на легкую нефть. В связи с этим годовой экспорт смеси тяжелой и легкой нефтей экономически выгоднее экспорта чистой нефти.
Было проанализировано поведение значений таких параметров, как число пептизации (Р-уа1ие) и ксилольный эквивалент, применяемых на практике при оценке устойчивости к образованию и флокуляции асфальтенов смесей мазутов и битумов на основе различных нефтей, определяемых согласно 5,6 в зависимости от процентного содержания высоковязкой Ярегской нефти в высокопарафинистой Усин-ской нефти. Было протестировано 13 проб с содержанием Ярегской нефти от 1 до 20%. Исходя из фактических данных, предоставленных ОАО «Транснефть», в год по трубопроводу Усинск-Ухта-Ярославль проходит
Таблица 1
Основные параметры Ярегской, Усинской и Тэбукской нефтей
Параметры нефтей Ярегская нефть Усинская нефть Тэбукская нефть
Плотность при 20 оС 0.944 0.866 0.838
Содержание серы, % 1.29 0.83 0.78
Кинематическая вязкость сСт при 50 оС 295.0 8.8 4.0
Содержание смол, % 20 14.5 10.8
Содержание асфальтенов, % 3.0 2.3 0.5
Содержание парафинов, % 0.5 8.0 5.0
Таблица 2
Результаты опытов
Проба %-ное содержание Ярегской нефти Плотность смеси, г/см3 P-value Ксилольный эквивалент
1 1 0.861 6.49 0.02
2 2 0.861 6.47 0.04
3 3 0.863 6.45 0.03
4 3.5 0.863 6.16 0.01
5 4 0.863 5.39 0.04
6 4.5 0.864 4.96 0.07
7 5 0.864 5.19 0.05
8 7.5 0.866 5.22 0.05
9 10 0.868 5.23 0.06
10 12.5 0.871 5.29 0.02
11 15 0.873 5.50 0.04
12 20 0.877 5.55 0.04
13 50 0.902 6.56 0.05
20,3 млн т нефти, из которой 355 тыс. т Ярегской. Таким образом происходит компаундирование с процентным содержанием последней,, равным 1,8%. Но к 2015 году планируется увеличить добычу Ярегской нефти до 1,5 млн т в год, что соответствует примерно 8%-ному ее содержанию в смеси. Именно из данного процентного содержания был выбран такой интервал концентраций Ярегской нефти в испытуемых смесях.
Полученные данные приведены в табл. 2.
Результаты и их обсуждение
содержание Ярегской нефти, %
Рис. 2. Зависимость числа пептизации P-value от концентрации Ярегской нефти в ее смеси с Усинской нефтью
Как видно из графика (рис. 2), минимальное значение числа пептизации приходится на диапазон 4—5 %.
Следует избегать практики 4—5 %-го подмешивания высоковязкой нефти в поток Усинской. Однако, в целом можно отметить, что все испытуемые смеси по критерию Р-уа1 следует считать относительно стабильными.
Таким образом, при перекачке исследуемых смесей в наихудшем соотношении можно ожидать выпадения до 1% асфальтенов в трубопроводной системе и на насосно-компрессор-ном оборудовании, что, очевидно, может привести к поломкам. Из графика видно, что при перекачке целесообразнее использовать смесь с содержанием Ярегской нефти либо до 4%, что экономически малоэффективно, либо более 7%. Верхний пределе содержания ограничивается предельной плотностью нефти, разрешенной к перекачке по трубопроводам АК «Транснефть» на уровне 0.880 г/см3, что примерно соответствует 24% Ярегской нефти в смеси.
Норма по показателю ксилольного эквивалента составляет не более 0.3. Как видно из табл. 2, полученные результаты укладываются в предел с большим запасом. Но и в этом случае нельзя однозначно говорить о стабильности нефтесмеси, так как, во-первых, данная
норма установлена для мазутов, а во-вторых, даже для данных нефтепродуктов необходимо выполнение 5 условий, установленных в 5'6. В литературе упоминается, что флокуляция асфальтенов маловероятна, если одновременно выполняются три условия: Р-уа1> 3.0, отношение (асфальтены/смолы) меньше 0.35
и индекс нестабильности по асфальтенам (Colloidal Instability Index) CII< 0.9 7.
Данные выводы являются предварительными, поэтому в перспективе планируется более глубокое изучение стабильности смеси нефтей с учетом соотношения асфальтены/ смолы/парафины.
Литература
1. Martin C. W. G. The stability and compatibility of fuel oils / Proceedings of Third World Petroleum Congress. Section VII. Utilization of oil products.- The Hague, 1951.- P. 66.
2. Nunez G. // Oil&Gas Journal.- 1998.- №43.-P 59.
3. ГОСТ Р 51858-2002 Нефть. Общие технические условия.- М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.- 8 с.
4. Полищук Ю. М., Ященко И. Г. Физико-химические свойства нефтей: статистический анализ пространственных и временных изменений. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004.- 109 с.
5. ГОСТ Р 50837.4-95 Топлива остаточные. Определение прямогонности. Метод определения ксилольного эквивалента.- М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.- 8 с.
6. ГОСТ Р 50837.5-95 Топлива остаточные. Определение прямогонности. Метод определения числа пептизации.- М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.- 8 с.
7. Маркин А. Н. Нефтепромысловая химия: практическое руководство.- Владивосток: Дальнау-ка, 2011.- 288 с.
References
1. Martin C. W. G. [The stability and compatibility of fuel oils]. [Proceedings of Third World Petroleum Congress. Section VII. Utilization of oil products]. The Hague, 1951, pp. 66-75.
2. Nunez G. [Drive to produce heavy crude prompts variety of transportation methods]. [Oil&Gas Journal], 1998, no. 43, pp. 59-68.
3. GOST R 51858-2002 Neft'. Obshchie tekhnicheskie usloviya [State Standard R 518582002. Oil. General specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2002, 8 p.
4. Polishchuk Yu. M., Yashchenko I. G. Fiziko-khimicheskie svoistva neftei: statisticheskii analiz prostranstvennykh i vremennykh izmenenii [Physico-chemical properties of oils: statistical analysis of spatial and temporal changes]. Novosibirsk: «Izd-vo SO RAN» Publ., 2004, 109 p.
5. GOST R 50837.4-95 Topliva ostatochnye. Opredelenie pryamogonnosti. Metod opredele-niya ksilol'nogo ekvivalenta [State Standard R 50837.4-95. The residual fuel. Definition of straight-run property. Method for the determination of xylene equivalent]. Moscow, Standartinform Publ., 1996, 8 p.
6. GOST R 50837.5-95 Topliva ostatochnye. Opredelenie pryamogonnosti. Metod opredele-niya chisla peptizatsii [State Standard R 50837.5-95. The residual fuel. Definition of straight-run property. The method of determining the number of peptization]. Moscow, Standartinform Publ., 1996, 8 p.
7. Markin A. N. Neftepromyslovaya khimiya: prakticheskoe rukovodstvo [Oilfield chemistry: a practical guide]. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 2011, 288 p.
