Текущее состояние. В настоящее время 2/3 мировых запасов нефти являются высоковязкими, при этом большая часть из них сосредоточены на территории Крайнего Севера. Сложность транспорта нефти с таких месторождений обусловлена тем, что данные месторождения находятся вдали от мест переработки, что повышает актуальность вопроса о выборе метода транспорта нефти. Существует несколько способов транспорта нетрадиционной нефти: горячая перекачка, попутный подогрев, эмульгирование, гидроперекачка, разбавление, добавление присадок. Но не смотря на то, что тема транспорта неньютоновских нефтей изучается довольно давно, в настоящее время не существует единой теории, которая бы была универсальной для всех нефтей при расчете режимов работы нефтепровода. Связано это, в первую очередь, с тем, что каждая нефть имеет различные реологические характеристики.

Решаемая научная проблема. Обоснование выбора метода транспорта высоковязкой нефти исходя из реологических характеристик.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести анализ существующих реологических моделей высоковязкой нефти;

2. проанализировать существующие зависимости эффективной вязкости от концентрации депрессорной присадки и температуры подогрева неньютоновской нефти;

3. провести экспериментальные исследования определения коэффициента, зависящего от концентрации присадки;

4. обосновать методику выбора рациональной температуры подогрева нефти и концентрации разбавителя для достижения максимальной производительности трубопровода.

Методы исследования. В основе проведенных исследований лежит системный подход к изучаемому методу транспорта высоковязкой нефти. Был использован комплексный подход к изучению данной темы, который включает в себя теоретические и экспериментальные методы исследования: теоретический анализ, в результате которого определен рациональный метод транспорта исследуемого вида нефти, расчеты и выбор концентрации депрессорной присадки и расчет коэффициента гидравлического сопротивления по результатам экспериментальных исследований.

Детали исследования. В настоящее время не существует универсальной методики для определения режимов работы нефтепровода, транспортирующего высоковязкую нефть, связано это, в первую очередь, с различными реологическими характеристиками нефти. Ошибка в выборе метода транспортирования приводит к значительным технико-экономическим затратам.

В данном исследовании был проведен анализ эффективности основных методов транспорта нефти для нефтей с различными реологическими характеристиками. Было выбрано 3 вида нефти: тяжелая, высоковязкая, вязкая. На рисунке 1 представлены результаты данного исследования. 

Транспорт нефти с использованием депрессорных присадок в настоящее время является перспективным методом транспорта высоковязких нефтей.

Снижение гидравлического сопротивления – это явление, при котором трение жидкости, протекающей в трубе в турбулентном потоке, уменьшается за счет использования небольшого количества добавок. Добавление присадок для снижения вязкости позволяют снизить силу трения возле стенок трубопровода и в ядре турбулентного потока жидкости. Снижение вязкого сопротивления обеспечивает значительную экономию энергии и позволяет повысить эффективность перекачки битума и тяжелой нефти.

Для проведения исследования были выбраны 2 вида присадок производства MR-1088 и Flexoil. Экспериментальные исследования проводились на ротационном вискозиметре «Реотест».

На рисунке 2 представлены кривые течения нефти без добавления присадки.

Так же проведены экспериментальные исследования по влиянию изменения температуры застывания нефти в зависимости от концентрации присадки. Данный показатель является важным при транспорте нефти в условиях Крайнего Севера. Результаты представлены на рисунке 3.

Анализируя результаты, видно, что оба вида депрессора, в данном случае, улучшили характеристики нефти. Температура застывания увеличилась, в то время, как вязкость рассматриваемой жидкости уменьшилась. Но, стоит отметить, что данные исследования показали важность рационального подбора концентрации депрессора и температуры подогрева. Так как неправильно выбранная концентрация присадки или температура подогрева, приведут к значительным технико-экономическим потерям.

Все кривые течения, полученные в ходе экспериментов, можно описать одной реологической моделью Балкли-Гершеля:

\(\tau =\tau_{0}+k \cdot D_{n}\)

Изучив реологические свойства высоковязкой нефти Восточно-Мессояхского месторождения, необходимо провести экспериментальные исследования течения данной нефти совместно с добавлением депрессорной присадки.

Главная задача данных исследований заключается в построении графиков зависимости эффективности присадки от времени, а также измерении эффективности присадки при её различной концентрации.

Порядок проведения экспериментальных исследований заключается в следующем:

- для проведения испытаний собирается конфигурация трубной обвязки и насосного оборудования при помощи открытия соответствующих кранов стенда (если есть фото стенда, то лучше добавить);

- из расходной емкости стенда заполняют трубную обвязку при помощи насосного оборудования стенда, а также вытесняют остатки газовоздушной смеси из внутренней трубной обвязки стенда через клапаны воздушной линии в дренажную линию стенда;

- при исследовании эффективности депрессорных присадок изменение расхода нефти осуществляют при помощи частотно-регулируемых приводов насосов, либо путем регулирования подачи гидроцилиндров;

- производительность насосного оборудования задается посредством компьютерного изменения параметров стенда в зависимости от целей исследования;

- осуществляется циркуляция исследуемой нефти и снятие параметров режима без присадки;

- после испытания базового режима осуществляется остановка задействованного насосного оборудования, осуществляется ввод присадки в заданной концентрации;

- включается мешалка в расходной емкости стенда, после чего осуществляют ввод присадки в расходную емкость;

- осуществляют включение в работу насосного оборудования на той же производительности, что и базовый режим. Осуществляют циркуляцию нефти с присадкой;

- при проведении испытаний для поддержания постоянной заданной температуры модельной жидкости может быть задействована система терморегулирования стенда. Температура испытаний определяется исходя из целей исследования, при отсутствии необходимости исследования влияния температурного режима на поведение депрессорной присадки температура модельной жидкости устанавливается постоянной (рекомендуемая температура 20 °С). Температура нефти контролируется при помощи датчиков температуры, установленных в расходной емкости и трубной обвязке стенда;

- при работе на базовом режиме и на режиме с присадкой регистрируют параметры потока: расхода, давления на входе и выходе задействованной измерительной линии, перепада давления на задействованной измерительной линии, температуры жидкости;

- после завершения испытаний отключается задействованное насосное оборудование и систему терморегулирования, производится опорожнение трубной обвязки стенда, используемой в ходе проведения испытаний, при помощи дренажных трубопроводов, обеспечивающих слив отработанной модельной жидкости в специальные емкости;

- осуществляется обработка результатов испытаний.

Обобщенные результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 4-5.

На рисунке 4 представлены результаты экспериментальных исследовании при Dn = 50мм, Q = 10 м³/ч, t = 20 ˚С, C = 150 ppm.

На рисунке 5 представлены результаты экспериментальных исследовании при Dn = 100 мм, Q = 40 м³/ч, t = 20 ˚С, C = 150 ppm.

После анализа полученных результатов экспериментальных исследований выявлено, что эффективность присадки может быть рассчитана по эмпирическим зависимостям от числа Re, напряжения сдвига, скорости, концентрации присадки и длины участка трубопровода.

Для нефтепроводов, перекачивающих тяжелые и высоковязкие нефти, на эффективность депрессорных присадок влияет множество факторов. Это вязкость нефти, содержание смол и парафинов и тд. Формула для расчета эффективности депрессорной присадки представлена ниже

Таким образом, уравнение модифицировано таким образом, что эффективность на конкретном участке определяется определенной  базовой эффективностью. Для учета конкретных условий участка магистрального трубопровода, условий  транспортировки  вводится  поправочный коэффициент. Для подбора и определения коэффициента  использованы статистические методы обработки данных.

Заключение. Выполнен детальный анализ реологических моделей неньютоновских жидкостей. Установлено, что на выбор метода транспорта высоковязкой нефти влияют реологические характеристики транспортируемой нефти.

Проведены комплексные экспериментальные исследования по реологическим характеристикам высоковязкой нефти Восточно-Мессояхского месторождения с добавлением депрессорных присадок. Выведена формула гидравлического сопротивления при транспорте нефти по данному методу.

Экспериментальными исследованиями проведена оценка эффективности депрессорных присадок для нефти Восточно-Мессояхского месторождения. По полученным данным видно, что данный способ подходит для данного типа нефти, а добавление присадки показало высокую эффективность данного метода: произошло повышение температуры застывания, уменьшилась вязкость нефти, произошло уменьшение перепада давления, что также является  важным фактором в суровых природно-климатических условиях.