Текущее состояние. По оценкам экспертов мировые запасы месторождений тяжелой нефти составляют более 810 млрд т, однако транспортировка затруднена ввиду и требует использование дорогостоящих технологий. Одним из наиболее эффективных и менее затратных методов доставки таких нефтей потребителю является их смешение для совместного транспорта. Совместный транспорт нефтей различных месторождений в смеси широко применяется в трубопроводном транспорте.

В настоящий момент доказанные запасы нефти в Канаде являются вторыми по величине в мире. 95% нефтяных запасов Канады находятся в Альберте, большинство - в нефтеносных песках Северной Альберты. Запасы битуминозных песков - от 1,7 до 2500 млрд баррелей битума, из которых только 173 млрд баррелей может быть получено с помощью современных технологий. Необходимо учитывать тенденцию к увеличению доли трудноизвлекаемых запасов (сверхвязкая нефть, природный битум и др.) в структуре мировой минерально-сырьевой базы нефтяного комплекса, а также удорожание добычи и транспортировки углеводородов. К 2030 году планируется увеличить добычу нефти в этих районах почти в пять раз.

Увеличение доли высоковязких нефтей и природных битумов в объеме нефтедобычи, а также удаленность разрабатываемых месторождений от мест переработки повышают актуальность проблем, связанных с транспортированием таких нефтей. Одной из доказавших свою эффективность технологий трубопроводного транспорта, является технология перекачки с предварительным подогревом и разбавлением маловязкой нефтью. При использовании данной технологии особую важность имеет определение реологических свойств нефтяной смеси для различных температур и концентраций маловязкого разбавителя. В этой связи задача исследования реологических моделей смеси битуминозной и маловязкой нефтей на примере Ашальчинского месторождения является актуальной.

Рассмотрены исследования, посвященные возможности применения различного рода разбавителей при добыче битуминозной нефти, некоторым вопросам трубопроводного транспорта нефтяных смесей уделено недостаточное внимание.

Исследование реологических моделей смеси битуминозной нефти и разбавителя в широком диапазоне температур и концентраций разбавителя позволит получить уравнения зависимостей реологических параметров исследуемой смеси от её температуры и концентрации разбавителя. Что в дальнейшем, поможет решить задачу определения рациональных параметров транспортирования битуминозной нефти в смеси с разбавителем, в котором учтены сложные реологические свойства транспортируемого продукта.

Решаемая научная проблема. Исследование реологических свойств битуминозной нефти в смеси с разбавителем позволит определить параметры режимов транспортирования (начальная температура подогрева, концентрация разбавителя) с учетом минимизации затрат на перекачку и подогрев.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей с применением разбавителя.

2. Провести комплексные экспериментальные исследования реологических моделей смеси битуминозной нефти Ашальчинского месторождения и разбавителя.

3. Теоретически обосновать формулы для прогнозирования реологических свойств нефтяной смеси на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали в себя научный анализ и обобщение современной теории и практики трубопроводного транспорта битуминозных нефтей с применением разбавителя, математическое моделирование трубопроводной системы  с учетом сложных реологических параметров перекачиваемого продукта. Экспериментальные исследования включали проведение опытов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований, обработку полученных результатов  методами математической статистики в лицензированных программных комплексах.

Детали исследования. В статье представлены результаты экспериментальных исследований реологических свойств смеси битуминозной и маловязкой нефти Ашальчинского месторождения, а также графическая интерпретация экспериментальных данных и зависимостей, полученных в результате их статистической обработки.

В работе исследованы реологические модели смесей битуминозной и маловязкой нефтей Ашальчинского месторождения в диапазоне температур от 278,15 до 333,15 К и концентрации разбавителя от 0 до 100 %. Особое внимание уделено области параметров, в которых нефтяная смесь проявляет неньютоновские свойства (температура смеси 303,15 К и ниже).

На основе анализа экспериментальных данных было установлено, что реологические модели нефтяных смесей с уменьшением температуры и концентрации разбавителя сменяются в следующей последовательности: модель Ньютона – модель Оствальда-де Ваале – модель Эллиса – модель Карро. Таким образом, установлена иерархия реологических моделей для исследуемой нефтяной системы: от простейшей однопараметрической модели Ньютона до модели Карро, включающей в себя 4 независимых параметра. Предложенные модели с высокой степенью точности и качественно верно описывают реологические свойства нефтяной смеси. На рисунке 1 представлена «карта» реологических моделей исследуемых нефтяных смесей.

Коэффициент динамической вязкости нефтяной смеси битуминозной нефти с разбавителем, в зависимости от температуры смеси и концентрация разбавителя, предложено определять по модифицированному уравнению Аррениуса

где μ_см – коэффициент динамической вязкости нефтяной смеси, Т – температура нефтяной смеси, θ_р – концентрация разбавителя, С₀, С₁, С₂, С₃ – числовые коэффициенты, Ψ(θ_р,Т) – поправочная функция, определяемая по результатам регрессионного анализа с учетом анализа остатков.

На рисунке 1 приведены значения коэффициента динамической вязкости и поверхность, построенная по модифицированному уравнению Аррениуса (3) с учетом, коэффициентов регрессии, полученных в работе.

На рисунке 2 приведены значения коэффициента динамической вязкости и поверхность, построенная по модифицированному уравнению Аррениуса с учетом, коэффициентов регрессии, полученных в работе.

Качество полученных зависимостей было проверено методами математической статистики. Результаты сравнения с известными зависимостями для определения коэффициента динамической вязкости показывают, что полученное решение обладает достаточной высокой точностью. Доказано, что вязкость бинарных нефтяных смесей в области ньютоновской жидкости следует определять по модифицированному уравнению Аррениуса. Таким образом, было получено уравнение, позволяющее достаточно точно описать зависимость коэффициента динамической вязкости нефтяной смеси битуминозной нефти Ашальчинского месторождения с разбавителем от температуры смеси и концентрации разбавителя.

Заключение. 1. Произведен подробный анализ реологических моделей неньютоновских жидкостей. Ввиду ряда допущений в существующих реологических моделях (ограниченное количество реологических моделей, вариативность в назначении коэффициентов модели и т.д.) предлагается дополнить стандартный перечень реологических моделей моделью Карро (Carreau model) и моделью Эллиса (Ellis fluid model).

2. Проведены комплексные экспериментальные исследования реологических моделей смеси битуминозной нефти на примере Ашальчинского месторождения и разбавителя, в качестве которого выступает маловязкая карбоновая нефть. На основе проведенных исследований построено двумерное поле реологических моделей нефтяной смеси, которое позволяет определять реологическую модель перекачиваемой нефтяной смеси в зависимости от концентрации разбавителя и температуры смеси, как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации объекта. Этот подход может в дальнейшем успешно использоваться на других месторождениях при решении задач повышения эффективности транспортировки нефти.

3. Теоретически обоснованы формулы для прогнозирования реологических свойств нефтяной смеси на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований. Доказано, что вязкость бинарных нефтяных смесей в области ньютоновской жидкости следует определять по модифицированному уравнению Аррениуса.