Реологические параметры термообработанной нефти с течением времени
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Определение реологических параметров внсоковязких нефтей по данным гидропросл ушитания окважяи / В.В.Дев-ликамов, НЛ. [2]
Для определения реологических параметров нефти производится обработка зависимости перепада давления на концах капилляра от объемного расхода пефш. [4]
Для измерения реологических параметров нефти при таких условиях было изготовлено несколько установок. В них использован капиллярный способ измерения вязкости. [6]
Необходимо отметить, что реологические параметры термообрабо-танной нефти с течением времени ухудшаются и в конце концов достигают значений, которые нефть имела до термообработки. [8]
Необходимо отметить, что реологические параметры термообрабо-танной нефти с течением времени ухудшаются и в конце концов достигают значений, которые нефть имела до термообработки. Так что не всегда достаточно термически обработать нефть один раз для решения проблемы ее трубопроводного транспорта. [9]
Необходимо отметить, что реологические параметры термообрабо-танной нефти с течением времени ухудшаются и в конце концов достигают значений, которые нефть имела до термообработки. [11]
Следует иметь в виду, что реологические параметры термо-обработанной нефти с течением времени ухудшаются и в конце концов достигают значений, которые нефть имела до термообработки. Так что не всегда достаточно термически обработать нефть один раз для решения проблемы ее трубопроводного транспорта. Кроме того, капитальные вложения в пункт термообработки довольно высоки. [12]
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Практическое значение представляет установление достаточно точных зависимостей между реологическими параметрами нефти и количеством растворенного газа. [16]
При нагревании нефти до определенной температуры и последующем охлаждении реологические параметры нефти претерпевают значительные изменения. [17]
Приведенные ранее результаты исследований свойств ано-4 мальных нефтей при разных температурах показывают, что наибольшие изменения реологических параметров асфальтено-содержащих нефтей наблюдаются при температурах до 50 С, увеличение же температуры выше 50 С сопровождается весьма незначительными изменениями этих параметров. [18]
Опыты, проведенные с теми же нефтями в образцах естественных песчаников, показали, что относительное изменение реологических параметров нефти в песчанике несколько больше, чем в капилляре. [19]
Реологические параметры нефти при напряжениях сдвига выше критических ( вязкость полностью разрушенной структуры, подвижность нефти в песчанике) определяются с такой же погрешностью, как и при исследовании ньютоновской жидкости. Ниже приводятся результаты оценки погрешностей основных характеристик, определяемых при экспериментах. [21]
Успешное использование в инженерных расчетах экспериментально определенных параметров прежде всего определяется точностью их измерения. Достоверность измерения реологических параметров нефти обусловлена как техническим совершенством самой экспериментальной установки, так и степенью совершенства методики проведения опытов. [22]
Реологические параметры нефти, улучшенные в результате термообработки, со временем принимают свои первоначальные значения. Срок восстановления реологических параметров нефти необходимо учитывать при эксплуатации трубопроводов, перекачивающих термообработанную нефть. [23]
Ими было определено влияние на реологические параметры нефти нефтерастворимых ПАВ типов ОП-4, Серапол-29, Стеарокс-4, Неонол. Установлено, что аномалии вязкости нефти уменьшают нефтеотдачу пластов, способствуют образованию застойных зон и зон малоподвижной нефти, где фактические градиенты пластового давления оказываются меньшими или сравнимыми с градиентами динамического давления сдвига. [24]
Исследованы реологические свойства высоковязкпх п высокозастывающих нефтей Западной Сибири. Показано влияние высокомолекулярных компонентов, температуры системы, скорости деформации на реологию нефтей. Реологические параметры нефтей определяются не количественным содержанием высокомолекулярных соединении, а их составом п структурными особенностями. [26]
Исследованы реологические свойства высоковязких и высокозастывающих нефтей Западной Сибири. Показано влияние высокомолекулярных компонентов, температуры системы, скорости деформации на реологию нефтей. Реологические параметры нефтей определяются не количественным содержанием высокомолекулярных соединений, а их составом и структурными особенностями. [27]
Возбуждение структурных элементов надмолекулярных структур неньютоновских нефтей приводит к их разрушению и, как следствие, к уменьшению структурной вязкости. Изучение механизма структурообразования в нефтях позволяет судить о природе связей, возникающих между частицами [73], но работ в этом направлении немного. Образование надмолекулярных структур определяет не только реологические параметры нефти и ее фракций, но и оказывает сильное влияние на результаты переработки последних. [28]
При одинаковых температурах пара и горячей воды эмульсии, полученные при нагнетании пара, значительно устойчивее, чем эмульсии, образовавшиеся при закачке горячей воды, что приводит к увеличению затрат на деэмульсацию нефти. Нефти, в которых содержится большое количество парафино-асфальтено-смолистых веществ, как правило, относятся к неньютоновским системам. Фильтрация их в пористой среде затруднена из-за наличия начального градиента давления, что является одной из причин низкого нефтеизвлечения из таких залежей. Исследованиями установлено, что повышение температуры нефти сопровождается значительным уменьшением градиента динамического давления сдвига, а также увеличением подвижности нефти. Исследования свойств аномальных нефтей при различных температурах показали, что наибольшие изменения реологических параметров нефти наблюдаются при температурах до 50 С. С увеличением же температуры более 50 С сопровождается незначительными изменениями по вязкости нефти. [30]
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ
Реология – наука, которая изучает механическое поведение твердо- и жидкообразных тел (реос – течение; логос – учение).
Связь между величинами напряжения сдвига t, деформации g и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, которое составляет предмет реологии.
Существуют две распространенные модели жидкости. Первая из них предполагает, что в жидкости при движении нет касательных напряжений. Это модель идеальной жидкости. Вторая модель учитывает появляющиеся при движении касательные напряжения. Это модель вязкой жидкости.
В простейшем случае прямолинейного слоистого (ламинарного) течения связь между касательным напряжением t и производной скоростиu по нормали определяется законом вязкого трения Ньютона:
Этот коэффициент определяется свойствами жидкости и зависит от давленияи температуры.
Существует много сред, которые хорошо описываются моделью (1) вязкой (ньютоновской) жидкости. В то же время имеются и другие жидкие среды, для описания которых модель вязкой жидкости не подходит. Эти жидкости называются неньютоновскими.
Если нефть не содержит ССЕ, то она представляет собой молекулярный раствор различных низко- и высокомолекулярных соединений и подчиняется закону вязкого трения Ньютона (1). При движении вязкой ньютоновской жидкости по круглой трубе касательное напряжение t пропорционально градиенту скорости u:
du/dr – скорость сдвига.
Это простейшее реологическое уравнение жидкости. Оно содержит единственный реологический параметр – динамическую вязкость.
Зависимость касательного напряжения от скорости сдвига называется кривой течения или реологической кривой.
В координатах t-du/dr поведение нефти указанного выше типа будет описываться прямой 1, выходящей из начала координат (рис.1).
Рис.1. Кривые течения
1 – ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная; 3 – дилатантная; 4 – вязкопластичная жидкости
Тангенс угла наклона прямой 1 к оси ординат характеризует вязкость жидкости (нефти) и при постоянной температуре есть величина постоянная:
Физико-химические и механические свойства НДС зависят от степени структурирования ВМС и от соотношения дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Если нефть представляет собой свободнодисперсную систему, то ее течение качественно совпадает с течением гомогенных жидкостей, т.е. при ламинарном режиме течение сохраняется пропорциональность между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Количественно отличие выражается в том, что вязкость системы оказывается выше вязкости чистой (гомогенной) жидкости, т.к. дисперсные частицы оказывают дополнительное сопротивление перемещению слоев жидкости.
Наличие структуры в жидкости изменяет характер кривых течения.
Широкий спектр размеров частиц в нефтяной дисперсной системе (НДС) и их взаимодействие между собой обусловливает большое разнообразие реологических свойств нефтей.
Нефти, представляющие собой связнодисперсную систему, уравнению Ньютона не подчиняются, т.к. при их течении утрачивается пропорциональность между приложенной нагрузкой (напряжением сдвига) и вызываемой ею деформацией (скоростью сдвига), кривая 2, рис.1. Жидкость продолжает сохранять способность к течению при сколь угодно малых напряжениях сдвига, но по мере увеличения скорости сдвига в жидкости происходит разрушение еще слабых связей между ассоциатами, упорядочение взаимного положения и ориентация частиц относительно направления потока. Все это приводит к относительному уменьшению прилагаемого к жидкости напряжения сдвига t и кривая течения 2 становится обращенной выпуклостью к оси t. Такие жидкости называются псевдопластичными.
Течение псевдопластичной жидкости подчиняется степенному закону:
Индекс течения характеризует отклонение системы от состояния ньютоновской жидкости:
n=1 – ньютоновская жидкость;
n 1 – дилатантная жидкость, кривая 3, рис.1.
Кривые течения степенных жидкостей проходят через начало координат.
Системы, в которых жидкая фаза пронизана сплошной структурной сеткой, приобретают способность к течению только после разрушения той сетки. Примером такой системы является нефть, содержащая сетку из кристаллов парафина или частиц асфальтенов. Идеальное вязкопластичное течение описывается прямой 4, тангенс угла наклона которой к оси скорости сдвига численно равен пластическойвязкости m*. Течение таких жидкостей (нефтей, водонефтяных эмульсий) начинается только после того, как напряжение сдвига превысит некоторый предел t0. При этом структура полностью разрушается и жидкость течет затем как ньютоновская.
Уравнение, описывающее течение вязко-пластичных жидкостей, известно как уравнение Шведова-Бингама:
При рассмотрении кривых течения реальных вязкопластичных жидкостей можно наблюдать три характерных точки:
tС – напряжение сдвига, при котором начинается течение (статическое напряжение сдвига);
t0 – предельное (динамическое) напряжение сдвига;
tР – напряжение сдвига, при котором структура полностью разрушена и жидкость начинает течь как ньютоновская.
Исследования реологического поведения нефтей показали, что при температурах близких к температуре застывания нефти хорошо подчиняются модели Швидова-Бингама.
Пластическую вязкость можно выразить через реологические параметры t0и m:
Структурообразование многократно повышает эффективную вязкость нефти, особенно при течении со сравнительно низкими скоростями.
Неньютоновские вязкие жидкости делятся на две группы:
а) жидкости, обладающие начальным напряжением сдвига t0; при t£t0 система ведет себя как твердое тело;
б) жидкости не обладающие начальным напряжением сдвига t0.
Для неньютоновских вязких жидкостей вводится понятие кажущейся вязкости.
Вязкость неньютоновской жидкости, в отличие от вязкости ньютоновской, не является постоянной величиной, а зависит от величины напряжения сдвига:
m* ¹ const, m* = f (t, du/dr, T) (7)
Это сильно влияет на затраты энергии при перекачке по трубопроводам нефтей, содержащих дисперсные частицы.
Например, из-за того, что кажущаяся вязкость зависит от скорости сдвига (рис.2), потребуются дополнительные затраты энергии на разрушение структуры в начальный период при пуске насосных станций.
Значение предельного напряжения сдвига в НДС зависит от температуры нефтяной системы.
Изменения, происходящие в зависимости от температуры в НДС с лиофобной дисперсионной средой (плохой растворитель) могут быть представлены: гель«золь. В случае лиофильной дисперсионной среды (хороший растворитель): гель«золь«раствор ВМС.
В области температур, при которых система находится в состоянии геля, структурно-механическая прочность и устойчивость системы зависит от состава дисперсионной среды, ее растворяющей способности, концентрации твердой фазы, соотношения в твердой фазе парафинов и асфальтенов. При повышении температуры свойства геля изменяются, уменьшается его механическая прочность и система приобретает текучие свойства; при температуре, соответствующей температуре застывания, нефть из связнодисперсного состояния переходит в свободнодисперсное состояние (состояние аномальной жидкости). При определенной температуре система переходит из состояния неньютоновской (аномальной) жидкости в состояние молекулярных растворов ВМС (ньютоновская жидкость), характеризующейся наименьшей вязкостью системы при данной температуре, зависящей только от природы компонентов и температуры системы, и подчиняющейся закону Ньютона.
Итак, при подогреве нефти ее неньютоновские свойства сглаживаются, зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига уменьшается.
При некоторой температуре, соответствующей точке слияния кривых (рис.3), жидкость становится ньютоновской: вязкость подогретой жидкости не зависит от скорости сдвига.
Отсюда следует сущность метода перекачки высоковязких нефтей с подогревом.
Целесообразность подогрева высоковязких нефтей определяется конкретными условиями перекачки.При периодической транспортировке высоковязких нефтей по трубопроводу целесообразность подогрева в высокой степени зависит от стоимости и эффективности теплоизоляции.
В отличие от перекачки при обычных температурах перекачка подогретых нефтей происходит при неизотермических условиях. В этом случае процессы теплообмена между нефтью и окружающей средой приобретают первостепенное значение. Интенсивность теплообмена повлияет на величину потерь тепла в окружающую среду и, следовательно, на температуру нефти в конце трубопровода. Выбор температуры подогрева для заданных условий перекачки определяется на основании технико-экономических расчетов с учетом минимума затрат на подогрев и перекачку.
Зависимость вязкости структурированной системы от напряжения сдвига представлена на рис.4.
На участках 1 и 3 вязкость системы является величиной постоянной при данной температуре. На этих участках НДС соответствует по своей консистенции состояниям геля, и молекулярному раствору ВМС нефти. На участке 2 нефть находится в состоянии аномальновязкой жидкости, вязкость является величиной переменной и характеризует равновесие процессов разрушения и восстановления структуры в зависимости от приложенного t.
Разрушение коагуляционных структур, образованных высокомолекулярными парафинами и асфальтенами, имеет свои особенности. После приложения определенной нагрузки к нефти, обладающей такой структурой, немедленного разрушения структуры не наблюдается. Степень разрушения зависит не только от скорости сдвига, но и от времени воздействия нагрузки. Характерно, что после снятия нагрузки прочность структуры через определенное время восстанавливается полностью, т.е. вязкость от величины m3 увеличивается до значения m1 (рис.4).
Такая способность к самопроизвольному восстановлению структуры после ее разрушения называется тиксотропией.
Парафинистые нефти и агрегативно-устойчивые концентрированные водо-нефтяные эмульсии облают свойством самопроизвольного увеличения прочности структуры t0 во времени и восстановления структуры после ее механического разрушения.
Время восстановления структуры после ее механического разрушения для различных нефтей и эмульсий может колебаться от нескольких минут до десятков часов.
Тиксотропные свойства нефти зависят от содержания, химического состава, дисперсного состояния высокомолекулярных парафинов нефти, содержания и адсорбционного действия на процессы кристаллизации парафина смолисто-асфальтеновых веществ, температурного воздействия на нефть и др.
Для снижения тиксотропных свойств нефти применяют термообработку нефти и специальные депрессорные присадки.
Ранее было показано, что структурно-механическая прочность НДС, t0, тем меньше, чем меньше радиус ядра ССЕ и больше толщина сольватного слоя.
Поэтому назначение депрессорных присадок – повысить степень дисперсности нефтяной системы и тем самым снизить структурно-механическую прочность t0 и понизить температуру застывания нефти.
Установлено, что чем больше молекулярная масса парафинов нефти и чем выше их концентрация, тем меньше влияют добавляемые асфальтены или другие депрессоры на температуру перехода НДС из жидкого состояния в твердое.
Механизм действия депрессоров можно объяснить исходя из следующих представлений:
üØ Высокомолекулярные парафины в НДС образуют надмолекулярные структуры – ассоциаты макромолекул, способные самостоятельно существовать при температурах выше температуры кристаллизации парафиновых углеводородов;
üØ Действие депрессорных присадок сводится к влиянию на процесс ассоциации твердых парафиновых углеводородов при температурах выше температуры кристаллизации парафина и связано с образованием комплексов между присадкой и парафином.
Молекулы присадок, благодаря наличию в них парафиновых цепей, взаимодействуют с молекулами парафиновых углеводородов на стадии формирования надмолекулярной структуры и входят в состав ассоциата. При этом увеличивается толщина сольватной оболочки ССЕ, изменяется размер надмолекулярных структур, происходит ослабление сил взаимодействия между ассоциатами и между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В результате образуются более рыхлые, более подвижные ассоциаты и снижается прочность структуры.
Это приводит к смещению температуры застывания систем в область более низких температур и к смещению структурных переходов парафина из агрегированного состояния в пространственное в область более высоких его концентраций.
Целенаправленных исследований в области формирования коагуляционных структур и аномальных нефтяных жидкостей проведено недостаточно и еще предстоит установить более общие закономерности для управления этим сложным процессом, имеющим важное технологическое значение.
Исследование реологических свойств вязкой нефти при различных параметрах ее транспортирования
В данной статье приведен анализ реологических моделей вязких жидкостей. Представлены результаты экспериментальных исследований реологических свойств вязкой нефти. На основе результатов проведенных экспериментов получены зависимости касательного напряжения сдвига от скорости сдвига, в диапазоне температур 10-30 ℃ при различной концентрации присадки. С учетом полученных зависимостей были сделаны выводы о наличии неньютоновских свойств у исследуемой нефти.
В настоящее время вопрос повышения эффективности вязких и высоковязких нефтей поднимается в работах многих ученых.
Для эффективной перекачки вязкой нефти используют несколько основных методов:
применение углеводородных разбавителей;
сооружение лупингов, вставок;
увеличение количества насосных станций (НС) на трубопроводе;
увеличение производительности НС;
Самый распространенный метод трубопроводного транспорта вязкой нефти — перекачка предварительно нагретой нефти. При этом методе предварительно нагретая нефть поступает в магистральный нефтепровод, затем через определенное расстояние на трассе устанавливаются тепловые станции, где нефть подогревается.
Исходными данными служит трубопровод, трасса которого проходит в условиях сильно обводненной, болотистой местности и линзовой вечной мерзлоты по территории Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов Тюменской области. Помимо арктического климата район строительства характеризуется уникальными геологическими и гидрологическими условиями. Увеличивать пропускную способность только с помощью подогрева не рационально, во избежание влияния на окружающую среду [1]. В связи с этим авторами было предложено использование присадок. Был выполнен анализ использования различных присадок как в отечественной, так и в зарубежной практике.
Применяемые присадки по типу товарной формы делятся на две группы: дисперсионные и гелевые [2].
Добавки первого вида представляют собой суспензию полимера в различных жидкостях, не вступающих с ним в химическую реакцию. В качестве таких жидкостей обычно выступают спирты, гликоли и их эфиры. Содержание активного полимера в данных присадках достигает 25%. К таким противотурбулентным присадкам относятся Necadd 447, Liquid Power, FLO XL, FLO MXА, M-FLOWTREAT, Альфакаучук-С, Колтек ПТН 3170, ТурбулентМастер 8010.
Гелевые присадки (CDR 102, FLO, Necadd 547, Виол, X-PAND, HIPR) выполнены в виде раствора полимера в какой-либо углеводородной жидкости (бензин, керосин и др.). Активного полимера в таких присадках содержится около 10%.
Применение гелевых присадок особо выгодно для трубопроводов, где важны процессы быстроты их растворения. Это могут быть короткие трубопроводы шельфовых месторождений, погрузочных и отгрузочных терминалов.
В последнее время ведется работа над разработкой и внедрением суспензионно-эмульсионных присадок, рассчитанных на применение в условиях добычи нефти и газа на промысловых трубопроводах.
В связи с разнообразием физико-химических свойств перекачиваемой нефти и нефтепродуктов по трубопроводным системам в каждом случае использование химических реагентов является индивидуальной особенностью трубопровода.
Реологические свойства нефти являются основными исходными данными для решения проектных и эксплуатационных задач при разработке месторождения и дальнейшего трубопроводного транспорта.
С учетом параметров исследуемого трубопровода была выбрана противотурбулентная присадка, которая снижает коэффициент гидравлического сопротивления и увеличивает пропускную способность трубопровода.
Одной из основных задач реологических исследований является определение взаимосвязи между силами, действующими на исследуемую среду, и вызванными этими силами деформациями.
Жидкости, называемые ньютоновскими, описываются следующим уравнением:
Гипотеза линейной взаимосвязи касательных напряжений и градиента скорости, предложенная Ньютоном, справедлива не для всех жидкостей. Жидкости, реологическое поведение которых отличается от уравнения, носят название неньютоновских. Неньютоновские жидкости принято разделять на три группы [3]:
1. нелинейно-вязкие жидкости (касательное напряжение является нелинейной функцией скорости сдвига);
2. жидкости с нестационарными реологическими характеристиками (функциональная зависимость между касательным напряжением и скоростью сдвига зависит от времени или предыстории процесса);
3. вязкоупругие жидкости (проявляют упругое восстановление формы после снятия напряжений).
Исследуемый образец нефти можно отнести к нелинейно-вязким жидкостям.
Обзорная классификация реологических моделей нелинейно-вязких сред, предложенных различными исследователями, была приведена в работе [3], некоторые из них приведены в таблице 1.
Таблица 1. Реологические модели нелинейно-вязких сред
Рис. 1. Кривые течения нелинейно-вязких жидкостей:
1 – ньютоновская жидкость, 2 – вязкопластичная жидкость,
3 – псевдопластичная жидкость, 4 – дилатантная жидкость.
Экспериментальные исследования проводились в Центре инженерных изысканий (Горный университет), на ротационном реометре «Kinexus ultra +». Принцип действия ротационного реометра «Kinexus ultra +» заключается в приложении к испытуемому образцу регулируемой деформации сдвига с целью измерения свойств текучести.
В результате экспериментальных исследований были получены основные реологические зависимости, которые показывают наличие неньютоновских свойств у нефти, транспортируемой без присадки (рис. 2) и у образцов нефти, транспортируемых с присадкой 10 г/т (рис. 3), 20 г/т (рис. 4) и 30 г/т (рис. 5) в диапазоне температур 10-30 ℃.
Рис. 2. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига без применения присадки
При обработке полученных результатов эксперимента мы получим следующие зависимости для образца нефти, транспортируемой без применения противотурбулентной присадки:
По результатам полученных зависимостей (2-6) и согласно данным таблицы 1, нефть соответствует модели Оствальда – де Вааля. При перекачке нефти без применения присадки, образец нефти относится к нелинейно-вязким жидкостям и показывает наличие неньютоновских свойств при нагреве до 30 ℃.
Рис. 3. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига при концентрации присадки 10 г/т
При обработке полученных результатов эксперимента мы получим следующие зависимости для образца нефти, транспортируемой с противотурбулентной присадкой с концентрацией 10 г/т
По результатам полученных зависимостей 7 и 8 и согласно данным таблицы 1, нефть соответствует модели Оствальда – де Вааля. По результатам полученных зависимостей 9-11 нефть соответствует модели Шведова-Бингама.