CC BY
41
С.В. Чичканов, А.И. Шамсуллин, В.А. Мягченков
Казанский государственный технологический университет, Казань
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПРИСАДОК И СКОРОСТИ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ ПРЯМЫХ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ВЕЛИЧИНУ ЭФФЕКТА ТОМСА
Проведена сопоставительная оценка эффективности двух водорастворимых полимерных присадок в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентного потока прямых нефтяных эмульсий. Проанализировано влияние на величину эффекта Томса концентрации полимерной присадки, скорости потока и содержания дисперсной фазы в эмульсии.
Постоянно растущие объёмы добычи и переработки углеводородного сырья (нефти, газа и других полезных ископаемых) требуют повсеместного внедрения новейших наукоёмких технологий. На сегодняшний день в разработку вовлекается всё больше месторождений тяжёлой нефти с осложнёнными геологическими условиями. В связи с этим помимо решения проблем, связанных с добычей такой нефти, остро встают вопросы разработки доступных и дешёвых технологий, позволяющих уменьшить затраты на транспортировку нефти до установок комплексной подготовки нефти. В большинстве случаев добываемые из скважины нефтесодержащие дисперсные системы являются эмульсиями второго рода (вода в нефти) (Тронов, 2000). Это обстоятельство является дополнительным осложняющим фактором, так как вязкость нефтяной эмульсии во много раз превышает вязкость самой нефти (Сюняев и др., 1990). Естественно, что транспортировка таких нефтесодержащих эмульсий сопряжена с огромными трудностями, особенно при пониженных температурах.
В последнее время в связи с постоянным повышением обводнённости добываемой нефти всё чаще встречаются эмульсии первого рода (нефть в воде). Высокоскоростная транспортировка таких эмульсий по трубопроводам также связана с большими энергозатратами из-за наличия высокого гидравлического сопротивления в турбулентном потоке. Один из наиболее перспективных и доступных методов снижения гидравлического сопротивления основан на введении в поток прямой нефтяной эмульсии небольших добавок водорастворимых полимеров высокой молекулярной массы (эффект Томса) (Порайко, 1974; Николаев и др., 1979). Введение полимерной присадки способствует увеличению скорости транспортировки обводнённой нефти или снижению нагрузки на приводы перекачивающих насосов при поддержании того же значения расхода.
В данной работе проведена сопоставительная оценка эффективности двух водорастворимых полимерных присадок в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентного потока прямых нефтяных эмульсий. Нами также проанализировано влияние концентрации полимерной присадки, скорости потока и содержания дисперсной фазы в эмульсии, поскольку в реальных процессах транспортировки нефтесодержащего сырья по внутрипромысловым и межколлекторным трубопроводам соотношение фаз в эмульсии и давление, при котором эмульсия прокачивается, могут изменяться в широких пределах (Брезицкий и др., 2002).
В качестве полимерных присадок в работе использовали анионный сополимер акриламида (А) марки DP9-8177 (Ciba Speciality Chemicals, Великобритания) с молекулярной массой М=8Т06 и содержанием акрилатных групп 7% масс. и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (НКМЦ) с молекулярной массой М = 1,4-105. В экспериментах в качестве «базисной» использовали нефть Новошешминско-го месторождения с кинематической вязкостью 210 сСт и плотностью 910 кг/м3. Для получения более стабильных и высокодисперсных устойчивых прямых эмульсий «базисную» нефть разбавляли керосином (ТУ 3840158-10-90) в объёмном соотношении 3:1, после чего вязкость нефти снижалась до 25,3 сСт, а плотность - до 880 кг/м3.
Для получения стабильных прямых эмульсий нефти расчётные дозировки разбавленной нефти, стабилизатора
- анионного ПАВ марки «Сульфонол (2 % об. от нефти) и дистиллированной воды перемешивали на магнитной мешалке для получения первичной эмульсии. Полученную эмульсию подвергали дополнительной обработке в ультразвуковом поле частотой 22 кГц в течение 15 минут на приборе УЗДН-1. Такой способ приготовления прямых эмульсий гарантировал их высокую агрегативную и седимента-ционную устойчивость. Размеры частиц эмульсии по данным оптической микроскопии не превышали 1,5 - 2 мкм.
Турбулентное течение прямых эмульсий нефти в присутствии полимерных присадок изучали на модифицированном нами турбулентном реометре с диаметром капилляра 1,83-10 - 3 м и длиной 0,6 м, схема которого представлена на рис. 1. В стальной толстостенный резервуар 6 ёмкостью 350 см3 заливали 300 см3 исследуемой жидкости. Посредством газового баллона 1 с помощью редуктора 3 в
ресиверах 5 создавали избыточное давление, контролируемое манометром 4. В заданный момент времени включался электропривод 8, который в свою очередь открывал клапан 7. Жидкость через капилляр 9 под давлением перетекала из резервуара 6 в приёмник 10. Через опреде-
^__________________________ лённое время (2с) клапан
Рис. 1. Схема установки по изуче- автоматически закры-
нию эффекта Томса. вался. Количество вытек-
3 (22) 2007
научно-техническим журнал
Г еоресурсы
Рис. 2. Зависимость эффекта Томса от концентрации полимеров А иНКМЦ в 10 % прямых эмульсиях нефти при различные давлениях Р. 1-3 - сополимер А, 46 - полимер НКМЦ. Р, атм: 5 (1, 4); 10 (2, 5); 15 (3, 6).
шей из резервуара 6 жидкости фиксировали с помощью одноплечных электронных весов Л&Б (Япония).
Величину эффекта Томса подсчитывали по формуле (Мягченков и др., 2002; Mjagchenkov е1 а1., 2002):
т _ Ш-Шд
ш0 ,
где т0 и т - массовые расходы эмульсий, соответственно, без добавки и с добавкой полимера.
Для получения наглядной информации о реологических характеристиках эмульсий в присутствии полимерных присадок в таблице 1 представлены обобщённые данные для одной из них - 10 % прямой эмульсии нефти.
На рис. 2 на примере 10 % эмульсии представлены концентрационные зависимости эффекта Томса для гибкоцепного сополимера А и жёсткоцепного полимера НКМЦ при различных давлениях в реометре. Из рис. 2 можно сделать вывод о высокой эффективности сополимера А в качестве «гасителя» турбулентности потока (Т ~ 0,3 - 0,5), которая на порядок выше по сравнению с другим полимером - НКМЦ. Ранее нами уже проводился анализ влияния химической природы водорастворимых (со)полимеров на величину эффекта Томса как в водных средах, так и в прямых эмульсиях нефти (Мягченков и др., 2002; 2004). Поэтому более подробно остановимся на рассмотрении вида кривых Т = 1(С) для гибкоцепного сополимера А. На этой зависимости наблюдается отчётливая тенденция «запреде-ливания» величины эффекта Томса, а при давлении 5 атм даже небольшое снижение значений Т в области концентраций выше 0,04 - 0,05 кг/м3. Наиболее вероятная причина наблюдаемого в эксперименте характера зависимости Т = 1(С) для нефтяных эмульсий (аналогичная зависимость имеет место и в водных средах (Mjagchenkov е1 а1., 2002; Мягченков и др., 2003а)) связана с появлением вблизи внутренней поверхности капилляра особой, пристеночной зоны потока, в которой концентрация полимера, достигнув определённого значения С , остаётся постоянной. Дальнейшее увеличение валовой концентрации полимерной присадки в системе не приводит к росту концентрации в этой зоне, а сопровождается лишь увеличением динамической вязкости дисперсионной среды (см. табл. 1), что, в конечном итоге, приводит к стабилизации величины параметра Т и даже к его уменьшению.
Помимо концентрации полимерной присадки и давления в резервуаре реометра (отметим, что сдвиговое напряжение пропорционально давлению) для прямых эмульсий нефти интересно проследить также влияние содержания дисперсной фазы (нефти) на величину параметра Т. По данным рис. 3 можно отметить слабую зависимость эффекта Томса от содержания нефти в эмульсии. Некоторое падение величины параметра Т наблюдается лишь при относительно высоком содержании нефти в эмульсии (15 % об.).
Наблюдаемое в эксперименте снижение величины эффекта Томса с увеличением Р можно было попытаться связать с частичной механодеструкцией макромолекул полимерной присадки в процессе турбулентного течения потока по капилляру (Николаев и др., 1979). Однако, по данным вискозиметрии в серии специально поставленных экспериментов на примере водных растворов сополимера А различных концентраций было установлено, что при течении этих растворов под давлением 5, 10 и 15 атм в них не наблюдалось заметных уменьшений чисел вязкости и молекулярной массы у макромолекул полимерной присадки. Ввиду того, что характер зависимости Т от Р для чисто водных сред и для эмульсий с различным содержанием нефти практически идентичен (Рис. 3), можно заключить, что установленная в ходе экспериментов зависимость Т = 1(Р) напрямую не связана с гетерофазностью системы.
Одна из возможных причин снижения величины эффекта Томса с увеличением Р могла быть связана с изменением характеристик самой эмульсии нефти в процессе турбулентного течения в капилляре реометра. В связи с вышесказанным нами были проведены вискозиметричес-кие исследования эмульсий в присутствии полимерной присадки до и после прокачки через капилляр под различными давлениями и подсчитаны значения кинематических вязкостей эмульсий с добавками полимера до (у0) и после (V ) прокачки через капилляр.
На рис. 4 на примере 10 % эмульсии при различных Р показана концентрационная зависимость относительного безразмерного параметра vx/v0 для полимера А. Сравнительно небольшое уменьшение кинематической вязкости в процессе течения жидкостей обусловлено, скорее всего, изменениями формы и размеров макромолекул полимерной присадки, а также перестройкой структурных элементов частиц дисперсной фазы ввиду появления больших по величине градиентов скорости в турбулентных потоках прямых эмульсий нефти.
Не исключено, что в относительно концентрированных эмульсиях нефти определённую роль играют процессы, связанные с адсорбцией макромолекул полимера на частицах дисперсной фазы (Мягченков и др., 2003б). Для подтверждения этого нами проведены эксперименты по оценке величины адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы а, которая оценивалась по разнице концентраций полимера в водной фазе эмульсии до и после контакта полимера с частицами дисперсной фазы аналогично (Мягченков и др., 2004). По данным экспериментов а ~ 0,08 мг/г нефти, что в 3 - 4 раза выше по сравнению с величинами адсорбции для анионных (со)полимеров ак-
Рис. 3. Зависимость эффекта Томса от содержания нефти в эмульсии (концентрация полимерной присадки в эмульсии 0,004 %).
Рис. 4. Зависимость параметра у/ч0 от концентрации полимерной присадки А в 10 % эмульсии после прокачки при различных давлениях.
1 Р=5 атм
П Л р=1( атм
’=15 атм
0 Со; А ержа С ниє I £ іефтр 1 в эм 4°. р 2 1 ни,0/ 4 16 об.
1,1' 1 (1- 1
0 8
0, 00 0, 02 0, 04 0, с, 06 0, кг/м3 08 0, 10 0,1 20,14
■— научно-технический журнал
Ш2 ГеОреСУР СЫ 3 (22) 2007
Л.М. Петрова, Т.Р. Фосс, H.A. Аббакумова, Г.В. Романов
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, Казань
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ОСТАТОЧНЫХ НЕФТЕЙ
Для изучения закономерностей формирования состава остаточных нефтей под действием различных техногенных процессов являются информативными данные массового распределения фракций легких и тяжелых н-алканов С13-С15 и С25-С27, соответственно. Если основные изменения в составе нефти связаны с адсорбционнохроматографическим процессом, то в составе алканов сохраняется обратно пропорциональная зависимость распределения фракций легких и тяжелых гомологов. При биохимическом окислении и отложении в пласте твердых парафинов закономерность их распределения нарушается.
При изучении физико-химических процессов извлечения нефти из пласта исходят из того, что нефть рассматривают как некое физическое тело с усредненными параметрами, взаимодействующее с породой, и именно характеристики породы определяют коэффициент нефтеотдачи пласта (проницаемость, пористость, неоднородность капилляров, удельная поверхность, смачиваемость и т.д.). В начальный период разработки залежи, когда нефть представляет собой молекулярный раствор, это является оправданным.
риламида с более высоким содержанием ионогенных групп (Чичканов и др., 2003) хотя и намного ниже значений а для аналогичных по составу сополимеров акрила-мида при адсорбции их на модельных твёрдых адсорбентах типа охры и каолина (Мягченков и др., 1998).
В заключении можно отметить, что проведённый нами анализ влияния природы и концентрации (со)полимеров, соотношения фаз в прямой эмульсии нефти, а также скорости турбулентного потока со всей очевидностью показал необходимость учёта этих параметров при разработке наиболее рациональных и доступных режимов скоростной транспортировки этих эмульсий по трубопроводам в
Анали- зируемая система Динамическая вязкость, •103 Па с Р, атм Расход жидкости, •105 м3/с Скорость потока, м/с Re*10'3 Т
Вода 1,006 5 1,63 7,51 12,39 —
10 2,84 13,13 21,65 —
15 3,63 16,78 27,67 —
Эмульсия 1,228 5 1,61 7,42 9,87 —
10 2,75 12,73 16,93 —
15 3,61 16,68 22,18 —
Эмульсия +0,0004% сополимера 1,247 5 1,97 9,09 11,91 0,225
10 3,12 14,42 18,90 0,133
15 3,9 18,02 23,60 0,080
Эмульсия +0,0008% сополимера 1,253 5 2,01 9,30 12,13 0,253
10 3,21 14,85 19,35 0,166
15 3,99 18,46 24,07 0,107
Эмульсия +0,002% сополимера 1,289 5 2,25 10,40 13,19 0,402
10 3,59 16,61 21,08 0,306
15 4,49 20,77 26,35 0,246
Эмульсия +0,004% сополимера 1,357 5 2,36 10,89 13,11 0,468
10 3,86 17,86 21,51 0,404
15 4,84 22,39 26,96 0,344
Эмульсия +0,008% сополимера 1,418 5 2,33 10,77 12,42 0,453
10 4,07 18,81 21,71 0,480
15 5,23 24,16 27,88 0,451
Эмульсия +0,012% сополимера 1,475 5 2,27 10,48 11,63 0,415
10 4,09 18,92 21,00 0,489
15 5,27 24,36 27,03 0,463
Табл. 1. Некоторые гидродинамические показатели 10 % прямой эмульсии нефти в присутствии различные концентраций сополимера А.* - Яе - число Рейнольдса.
Некоторое ухудшение состава и свойств нефтей может происходить в результате:
- снижения пластового давления и выделения газа;
- хроматографического разделения нефти при ее продвижении по пласту;
- биодеградации под действием пластовой микрофлоры;
- растворения компонентов в омытающей нефть воде и окисления кислородом, внесенным в пласт с закачиваемой водой.
присутствии полимерных присадок и необходимость дальнейшего более углубленного изучения влияния каждого из этих факторов на результирующий макроскопический эффект снижения гидравлического сопротивления турбулентный водно-нефтяных потоков.
Литература
Брезицкий С.В. и др. Обеспечение надёжности промысловых трубопроводов на месторождениях ТНК. Нефтяное хозяйство, 12. 2002. 106-110.
Мягченков В.А., Барань Ш. (Баран A.A.), Бектуров Е.А., Були-дорова Г.В. Полиакриламидные флокулянты. Казань: КГТУ, 1998.
Мягченков В.А., Крупин С.В., Чичканов С.В. Влияние природы и концентрации водорастворимых сополимеров и их смесей на величину эффекта Томса. Нефтяное хозяйство, 12, 2002. 118-119.
Мягченков В.А., Чичканов С.В. Зависимость эффекта Томса от концентрации ионогенных сополимеров акриламида, ионной силы и природы электролита. Журнал прикладной химии. Т. 76. Вып. 5. 2003a. 842-846.
Мягченков В.А., Чичканов С.В. Влияние концентрации и молекулярных параметров сополимеров акриламида с акрилатом натрия на величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти. Журнал прикладной химии. Т. 76. Вып. 11. 2003б. 1901-1905.
Мягченков В.А., Чичканов С.В. Влияние концентрации водорастворимых полимеров и ионной силы на величину эффекта Томса в прямых нефтяных эмульсиях. Нефт. хозяйство, №1, 2004. 93-95.
Николаев А.Ф., Охрименко Г.И. Водорастворимые полимеры. Л.: Химия, 1979.
Порайко И.Н. Применение полиакриламида в технологических процессах, связанных с добычей нефти. Темат. науч.-техн. обзор. М.: ВНИИОЭНГ, 1974.
Сюняев З.И., Сюняев Р.З., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия, 1990.
Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. Казань, 2000.
Чичканов С.В., Мягченков В.А. Некоторые аспекты проблемы снижения гидравлического сопротивления в турбулентных потоках прямых эмульсий нефти. Вестник Казанского технологического университета, 1-2. Казань: КГТУ. 2003. 322-334.
Mjagchenkov V.A., Chichkanov S.V., Proskurina V.E., Krupin S.V. Synergism and antagonism of acrylamide copolymers and surfactants in drag reduction of turbulent aqueous flows. Georesources, 6, 2002. 19-23.
^научно-технический журнал
з (22) 2007 ГеоресурсЫ ЕЯ
