CC BY
64
УДК 622.692
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-6-29-33
УДАЛЕНИЕ АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ИЗ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
REMOVAL OF ASPHALT-RESIN-PARAFFIN DEPOSITS FROM OIL STORAGE TANKS USING ULTRASONIC TREATMENT
Е.В. Щурова1, А.О. Крысь2, Р.А. Хурамшина2, А.Р. Валеев2
1 ПАО «Транснефть» E-mail: [email protected]
2 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9767-9627, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: [email protected]
Резюме: Работа посвящена проблеме очистки резервуара для хранения нефти от отложений. Представлен обзор современных достижений в данной области, в том числе рассмотрены научные работы по применению ультразвука для ускорения удаления отложений. Рассмотрен подход к разрушению отложений непосредственно во время эксплуатации резервуара за счет спуска излучателя на поверхность границы фаз «нефть-отложения». Разработана система математических уравнений, моделирующая процесс изменения температуры и плавления отложений с учетом работы ультразвукового излучателя. В результате определена скорость движения фронта плавления отложений в зависимости от продолжительности воздействия. Определена рекомендуемая продолжительность воздействия в каждой точке установки.
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковая установка, нефть, асфальтосмолистые парафиновые отложения, резервуар, математическое моделирование.
Для цитирования: Щурова Е.В., Крысь А.О., Хурамшина Р.А., Валеев А.Р. Удаление асфальтосмолопарафиновых отложений из резервуаров для хранения нефти с применением ультразвукового воздействия // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 5-6. С. 29-33.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-6-29-33
Elena V. Shchurova1, Anton A. Krys2, Regina A. Khuramshina2, Anvar R. Valeev2
1 Transneft, PJSC
E-mail: [email protected]
2 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9767-9627, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: [email protected]
Abstract: The Paper is devoted to the problem of cleaning the oil storage tank from deposits. An overview of current achievements in this field is presented, including scientific works on the use of ultrasound to accelerate the removal of deposits. An approach to the destruction of deposits directly during the operation of the reservoir due to placing of the ultrasound emitter to the surface of the "oil-deposits" phase boundary is considered. A system of mathematical equations simulating the process of changing the temperature and melting of the depositis developed, taking into account the operation of the ultrasonic emitter. As a result, speed of the melting front of deposits is determined depending on the duration of influence. The recommended duration of influenceat each installation point is determined.
Keywords: ultrasound, ultrasound unit, oil, asphalt-resinous paraffin deposits, tank, mathematical modeling.
For citation: Shchurova E.V., Krys A.A., Khuramshina R.A., Valeev A.R. REMOVAL OF ASPHALT-RESIN-PARAFFIN DEPOSITS FROM OIL STORAGE TANKS USING ULTRASONIC TREATMENT. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 5-6, pp. 29-33
DOI:10.24411/0131-4270-2020-6-29-33
Введение
Очистка резервуаров от остатков нефтепродуктов - одна из значимых проблем эксплуатации резервуаров. В нефтепродуктах, хранимых в резервуарах, происходят различные процессы и превращения (окисление, разложение и др.), расслоение под воздействием температур окружающей среды, насыщение влагой нефти или тяжелых нефтепродуктов, а также химическая и биологическая деградация, и эти факторы влияют на выделение и накопление нефтяных отложений на внутренних стенках резервуаров. От физико-химических характеристик нефти, температуры и ряда других факторов зависит выделение твердой фазы, а от технико-эксплуатационных и конструктивных особенностей резервуаров зависит интенсивность накопления отложений. При хранении в резервуарах на дне образуются асфальтосмолистые и парафиновые отложения (АСПО), механические примеси и вода, которые состоят
из частиц наиболее тяжелых углеводородов, удельный вес которых выше плотности нефти и воды. Располагающаяся по стенкам и днищу резервуаров плотная нетекучая парафиновая масса образует воскообразное вещество [1]. Образовавшийся твердый осадок затрудняет движение нефти и перемешивание различных ее слоев в резервуаре, что приводит к возникновению коррозионных разрушений, затруднению обследования состояния резервуара и снижению полезного объема, что заставляет выводить их из эксплуатации для очистки. Все это снижает эксплуатационные характеристики объекта и отрицательно влияет на качество нефти и нефтепродуктов, вновь заливаемых в эти емкости.
При длительном хранении нефти разной плотности и вязкости с учетом постоянно меняющегося температурного режима хранения, вызванного переменой климатических условий, на днище и стенках резервуара происходит
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ I Рис. 1. Классификация основных способов удаления АСПО
Способы удаления АСПО в процессе хранения
Механичекий
Химический
Тепловой
Биологический
Физический
Комбинированный
скапливание различных отложений. Регулярная очистка нефтешлама из резервуара считается обязательной операцией.
На сегодняшний день эффективность работ по удалению АСПО невысока, и в связи с этим поиск новых и качественных способов и технологий для очистки резервуаров является актуальной задачей. В настоящее время как в России, так и за рубежом для контроля АСПО и последствий их нахождения в резервуаре существуют и активно применяют несколько наиболее известных методов, которые позволяют с определенной эффективностью предупредить или устранить данную проблему (рис. 1).
Приблизительно при температуре выше +40 °С парафиновая осадочная масса плавится. При снижении температуры перекачиваемой нефти и увеличении количества содержащегося в нем парафина возрастает вязкость нефти. Поэтому одним из наиболее распространенных методов депарафинизации считается тепловой метод с применением горячей воды или нефти в качестве теплоносителя, острого пара или электропечей. Данный метод возможно применять для круглогодичной очистки нефтяных резервуаров от отложений, преимущественно в зимний период при отрицательных температурах окружающей среды, что является эффективным. Но тепловые методы бывают небезопасными, а зачастую и экономически нецелесообразными способами борьбы с АСПО.
К распространенным методам удаления АСПО с внутренних поверхностей резервуаров относят следующие: гидрохимический способ, при котором с помощью химических реагентов происходит промывание резервуаров [1]; механизированный способ очистки с помощью подачи горячей воды под давлением; обработка верхней поверхности нефтехранилищ перегретым паром с последующей механической очисткой; струйная абразивная очистка [2, 3]. Механизированный способ очистки значительно сокращает время очистки, является экономически эффективным и экологически безопасным, но также имеет некоторые отрицательные свойства. К недостаткам такого способа очистки резервуаров можно отнести необходимость откачки загрязненной воды на очистные сооружения, относительно большие потери легких фракций из нефтяных остатков и большой расход тепловой энергии на нагрев холодной воды.
Суть химического метода в том, что используются реагенты-ингибиторы как отечественного, так и зарубежного производства, которые улучшают отделение осадка от стенок, днища и внутренних конструкций резервуаров. Применение ингибиторов является эффективным методом, так как с из помощью защищается вся технологическая цепочка добычи и транспорта нефти. Основным недостатком данного метода является дороговизна используемых реагентов-ингибиторов, высокие риски из-за горючести и большие экологические воздействия на окружающую среду.
Очевидно, что эти известные методы недостаточно безупречны. Эта проблема связана с постоянно ужесточающимися требованиями по безопасности, экологичности и экономичности и давно требует новых решений. Вследствие этого идет поиск альтернативных методов разрушения АСПО и разработка новых технологий [4].
На данный момент рациональным, результативным и экологически безопасным из всех существующих методов удаления АСПО из резервуаров является ультразвуковой метод. Использование ультразвуковых колебаний позволяет провести тщательную очистку резервуаров от отложений. Активно воздействуя на кинетику химических реакций и обеспечивая стимуляцию тепло- и массообменных процессов, он способствует увеличению производительности различных технических систем и снижению их энергоемкости.
При ультразвуковом воздействии создается плоская акустическая волна [5]. Из-за чередования положительных и отрицательных волн давления в растворе создается кавитация и далее - пузырьки микронных размеров. Температура внутри кавитирующего пузырька может быть чрезвычайно высокой при давлении до 500 атм. Из-за сочетания давления, температуры и скорости струя освобождает загрязняющие вещества от их связей с подложкой.
Благодаря небольшому размеру струи и относительно высокой энергии ультразвуковая очистка способна проникать в небольшие щели и эффективно удалять захваченные отложения.
Вопросами развития ультразвуковых технологий для применения в нефтяной и газовой промышленности занимались А. Абрамова, Б. Абрамов, В. Абрамов, М. Муллакаев [6, 7], Б. Мастобаев [9], М. Павлов [5, 8] и др. Однако в них отсутствуют требования и рекомендации к методам использования ультразвукового оборудования для удаления АСПО. За рубежом данными вопросами занимались Х. Хофштаттер [9], И. Береснев [10], Ф. Ван дер Бас [11] и др. Были проведены исследования, результаты которых позволяют сделать вывод о том, что применение ультразвуковой кавитации позволит разрушать АСПО на объектах транспорта и хранения нефти, восстанавливая их проектные параметры, при этом без негативного влияния на экологию и прочность конструкции, но в них отсутствуют требования и рекомендации к методам использования ультразвукового оборудования для удаления АСПО. Так как анализ работ показывает, что имеется большое количество вопросов и нерешенных проблем и, соответственно, для большего понимания механизма ультразвуковой очистки резервуаров от АСПО, а также разработки соответствующей технологии необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований.
Разработка метода очистки резервуара для хранения нефти от АСПО
Научные исследования в области борьбы с отложениями продолжаются, в частности, авторами исследуется метод
очистки от АСПО, расположенного на дне резервуара для хранения нефти, при помощи ультразвукового воздействия.
Предлагается поместить в резервуар с нефтью и отложениями ультразвуковой излучатель, соответственно он занимает положение на границе фаз - «нефть-отложение». Излучатель можно помещать как в резервуар, выведенный из эксплуатации, так и в резервуар во время эксплуатации. Далее излучатель включается, и вокруг него нефть с отложениями нагревается, происходит расплавление АСПО, и радиус границы фаз увеличивается (рис. 2). Предполагается, что по мере увеличения данного радиуса эффективность такого подхода снижается, и необходимо переместить излучатель в новую точку.
По мере образования значительного количества жидкой фазы, то есть расплавленных отложений, становится возможной ее откачка из резервуара или иной способ удаления.
Моделирования процесса плавления АСПО при ультразвуковом воздействии
При воздействии ультразвука происходит плавление АСПО. Соответственно все пространство в резервуаре можно условно поделить на следующие составляющие:
- жидкая фаза, то есть нефть плюс растворенный АСПО;
- фронт плавления АСПО, то есть объем малой толщины с температурой, равной температуре кристаллизации АСПО;
- твердая фаза, то есть АСПО.
Рассмотрим моделирование распространения тепла. Предположим, что излучатель имеет сферическую форму. Применим формулу для распространения тепла в сферических координатах
Рис. 2. Схема использования ультразвукового излучателя для удаления АСПО
дТ
X Рсу
1 г 2 дТ
г2 дг I дг
(1)
дТ
аГ = ГХ Г
1 ._„
(
2 дТ_ Г дг
дТЛ
"дг2
(2)
В статье [8] рекомендуется использовать значения данных коэффициентов, равные а = 79,3 м-1 и х0 = 24,1 м.
Таким образом, приходим к следующей системе уравнения:
(г
дt
дТа , , . _ -#=11+*>--в
дТн ( 1 = И+Хо г
аг | Хн
X
;РнС„ к
г0 < г < s(t), t > 0; (
2 .д!к. г дг
д% дг 2
л
(3)
РаС 0:
дТа
_а
дг
дг2
\
s(t) < г < гmax, t > 0;
Тн = Та
= Тп, гп
х = г0: Т = Т,, t > 0, или х = г,
х = т
дТа
дг
0
= 0,
дТн
дг
О
КР'
X = s(t) Тн =Та = Тк
t > 0; Та
кр'
Тн а
Хн1Т-Ха =1Ра
t > 0;
ds
dt
где Т - температура нефти/АСПО в исследуемом объеме; г - радиус; р - плотность нефти/АСПО; X - коэффициент теплопроводности нефти/АСПО.
В статье [8] проведен анализ, согласно которому установлен повышающий коэффициент для уравнения теплопроводности за счет использования ультразвукового воздействия. В данной работе было установлено, что ультразвуковое воздействие ускоряет процесс очистки по сравнению с тепловой обработкой той же мощности на 54% (для условий проведенного эксперимента). Соответственно рекомендуется использовать следующее уравнение для распространения тепла за счет ультразвукового воздействия:
где а - коэффициент затухания ультразвуковых волн в нефти/АСПО; х0 - коэффициент, отражающий свойства среды и параметры ультразвуковых волн.
где Q - мощность теплового источника; F - площадь поверхности теплового источника; г0 - условный габаритный размер теплового источника; г - радиус; гтах - радиус рассматриваемого пространства или расстояние до стенки резервуара; L - удельная теплота кристаллизации АСПО; s(t) - положение фронта плавления АСПО. Тн и Та - температура соответственно нефти и АСПО в исследуемом объеме, рн и ра - плотность соответственно нефти и АСПО; Хн и Ха - коэффициент теплопроводности соответственно нефти и АСПО; сн и сга -теплоемкость соответственно нефти и АСПО.
Полное решение данной системы составляет определенную сложность, поэтому было произведено приближенное решение. Приняты следующие исходные данные (часть исходных данных принята по аналогии со статьей [5]): Q = 2000 Вт; г0 = 0,2 м; L = 170 кДж/кг; Тн = 45 °С; Т0 = 2 °С; Ткр = 30 °С; Хн = Ха = 1,4 Вт/м-°С; ст = сш = 2 кДж/м3-°С.
Получено, что за счет наличия удельной теплоты плавления АСПО фронт плавления движется медленнее, чем изотермы в аналогичных условиях без эффекта плавления (рис. 3).
I Рис. 3. Скорость движения фронта плавления АСПО
Рис. 4. Скорость движения фронта плавления АСПО
Также в связи с этим наблюдается снижение скорости (объема в единицу времени) расплавления АСПО (рис. 4).
Выводы
На основании выполненного моделирования получено, что скорость (объем плавления в единицу времени) расплавления АСПО снижается со временем. Это можно объяснить наличием двух факторов:
- нелинейное снижение температуры по мере удаления от источника ультразвука приводит к снижению градиента
по температуре, а следовательно, к снижению передачи теплового потока к твердой фазе;
- по мере удаления фронта плавления АСПО от источника ультразвука снижается дополнительный эффект от него.
В связи с этим можно заключить, что для эффективной очистки резервуаров от АСПО необходимо часто перемещать источник ультразвука. Исходя из графика на рис. 4, оптимальное время работы источника АСПО может составлять около 1-2 ч. Более конкретные результаты могут быть получены при решении системы уравнений (3).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Malykh, N. On Sonocapillary Effect / N. Malykh, V. Petrov // XIII Session of the Russian Acoustical Society. Moscow, 2003.
2. Goswant, Т. К. How to Get Rid of Paraffin Deposition in Pipe Line / Т. К. Goswant // Chem. Age India. - 1969. Vol. 20. No 4. P. 15-16.
3. Hamida, T. Capillary Interaction of Different Oleic and Aqueous Phases Between Matrix and Fracture Under Ultrasonic Waves / T. Hamida, T. Babadagli // SPE Europec/EAGE Annual Conference. Madrid, 2005.
4. Хофштаттер Г., Павлов М.В., Мастобаев Б.Н. Применение ультразвука для разрушения асфальтосмолопа-рафиновых отложений в трубопроводе при транспортировке нефти // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. № 3. С. 6- 9.
5. Павлов М.В., Применение ультразвука для очистки от асфальтосмолистых и парафиновых отложений на объектах транспорта и хранения нефти: дис. канд. техн. наук: 25.00.19. М., 2019. 133 с.
6. Abramov V.O., Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for its implemention / Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. // UltrasonicsSonochemistry.
2013. Т. 20. № 5. С. 1289-1295.
7. Abramov O.V, Extraction of bitumen, crude oil and its products from tar sand and contaminated sandy soil under effect of ultrasound / Abramov O.V., Abramov V.O., Myasnikov S.K., Mullakaev M.S. // UltrasonicsSonochemistry. 2009. Т. 16. № 3. С. 408-416.
8. Безымянников Т.И., Павлов М.В., Валеев А.Р., Мастобаев Б.Н. Моделирование применения ультразвука для очистки от асфальто-смолистых и парафинистых отложений на объектах транспорта и хранения нефти и газа // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2018. № 3. С. 22-26.
9. Хофштаттер Г., Павлов М.В., Мастобаев Б.Н. Применение ультразвука для разрушения асфальтосмолопа-рафиновых отложений в трубопроводе при транспортировке нефти // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. № 3. С. 6-9.
10. I.A. Beresnev and P. A. Johnson, "Elastic-wave stimulation of oil production: A review of methods and results," Geophysics, vol. 59, no. 6, pp. 1000-1017, 1994.
11. F. Van der Bas and e. al., "Radial Near Wellbore Stimulation by Acoustic Waves," in SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, 2004
REFERENCES
1. Malykh, N., Petrov V. On Sonocapillary effect. Proc. of XIII Session of the Russian Acoustical Society. Moscow, 2003.
2. Goswant, T. K. How to get rid of paraffin deposition in pipe line. Chem. Age India, 1969, vol. 20, no 4, pp. 15-16.
3. Hamida, T., Babadagli T. Capillary interaction of different oleic and aqueous phases between matrix and fracture under ultrasonic waves. Proc. of SPE Europec EAGEAnnual Conference. Madrid, 2005.
4. Khofshtatter G., Pavlov M.V., Mastobayev B.N. The use of ultrasound for the destruction of asphalt and paraffin deposits in the pipeline during oil transportation. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya,
2014, no. 3, pp. 6- 9 (In Russian).
5. Pavlov M.V. Primeneniye ul'trazvuka dlya ochistki ot asfal'tosmolistykh i parafinovykh otlozheniy na ob'yektakh transporta i khraneniya nefti. Diss. kand. tekhn. nauk [Application of ultrasound for cleaning from asphalt-resinous and paraffin deposits at oil transportation and storage facilities. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2019. 133 p.
6. Abramov V.O., Mullakaev M.S., Abramova A.V., Esipov I.B., Mason T.J. Ultrasonic technology for enhanced oil recovery from failing oil wells and the equipment for its implemention. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, vol. 20, no. 5, pp. 1289-1295.
7. Abramov O.V., Abramov V.O., Myasnikov S.K., Mullakaev M.S. Extraction of bitumen, crude oil and its products from tar sand and contaminated sandy soil under effect of ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, 2009, vol. 16, no. 3, pp. 408-416.
8. Bezymyannikov T.I.., Pavlov M.V., Valeyev A.R., Mastobayev B.N. Modeling the use of ultrasound for cleaning from asphalt-resinous and paraffinic deposits at oil and gas transport and storage facilities. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2018, no. 3, pp. 22 - 26 (In Russian).
9. Khofshtatter G., Pavlov M.V., Mastobayev B.N. The use of ultrasound for the destruction of asphalt-resin-paraffin deposits in the pipeline during the transportation of oil. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2014, no. 3, pp. 6-9 (In Russian).
10. Beresnev I.A., Johnson P. A. Elastic-wave stimulation of oil production: A review of methods and results. Geophysics, 1994, vol. 59, no. 6, pp. 1000-1017.
11. F. Van der Bas. Radial near wellbore stimulation by acoustic waves. Proc. of SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control. Lafayette, 2004.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Щурова Елена Владимировна, директор департамента управления персоналом ПАО «Транснефть».
Крысь Антон Олегович, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Хурамшина Регина Азатовна, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Валеев Анвар Рашитович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Elena V. Shchurova, Director of the Personnel Management Department of Transneft, PJSC.
Anton A. Krys, Postgraduate Student of Department of Transport and Storage of Oil and Gas,Ufa State Petroleum Technological University. Regina A. Khuramshina, Postgraduate Student of Department of Transport and Storage of Oil and Gas,Ufa State Petroleum Technological University. Anvar R. Valeev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
