СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ КОНТРОЛЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ ПРИ ЕЕ ДОБЫЧЕ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Темой данной работы является анализ современных способов изучения реологических свойств высоковязкой нефти с помощью современных приборов и оборудования. Рассмотрены ротационные вискозиметры (реометры) различных фирм-изготовителей, плотномеры. Приведены сведения о приборах комплексного контроля реологических свойств нефти и нефтепродуктов и поточных вискозиметрах. В работе отмечается, что в современных условиях, когда все большее количество месторождений высоковязких нефтей и природных битумов вводится в разработку, необходимо обеспечение контроля реологических свойств продукции и их регулирования за счет изменения доли каждой из смешиваемых фаз.

Ключевые слова: высоковязкая нефть, реология, контроль данных, транспортировка.

Schastnyy K.S. 1 , Mazakov E.B. 2

1 ORCID: 0000-0003-3311-5480, Postgraduate student, 2 PhD in Engineering, Saint-Petersburg Mining University

MODERN TECHNIQUES AND EQUIPMENT TO CONTROL RHEOLOGICAL PROPERTIES OF HIGH OIL IN ITS PRODUCTION AND TRANSPORTATION

Abstract

The topic of this work is the analysis of modern methods of studying the rheological properties of high-viscosity oil using modern appliances and equipment. Rotational viscometer (rheometer) of different manufactures, densitometers are considered in this work. The information about devices of complex control of the rheological properties of oil and petroleum products and in-line viscometers is covered in this paper. It is noted in this paper that in the present conditions, when a growing number of fields heavy oil and natural bitumen is introduced into the development, it is necessary to ensure control of the rheological properties of products and their regulation by changing the proportion of each of the mixed phases.

Keywords: high-viscosity oil, rheology, data control, transportation.

На сегодняшний день человечество продолжает зависеть от добычи и переработки углеводородного сырья, несмотря на попытки заменить двигатели внутреннего сгорания на электрические. Однако, активные запасы легкой маловязкой нефти сокращаются и в старых нефтегазоносных провинциях остро стоит вопрос о поддержании добычи сырья на высоком уровне [1-6]. В связи с этим происходит постепенный ввод в эксплуатацию месторождений высоковязкой нефти и природного битума. При этом высокая вязкость добываемой продукции существенно осложняет как процесс добычи нефти, так и подготовку, и транспортировку продукции ввиду наличия сложных реологических свойств у такого рода флюидов.

Высоковязкие нефти требуют намного больших затрат энергии на транспортировку продукции, чем легкие маловязкие. Известно, например, что при повышении температуры пласта до 120°С вязкость нефти Ярегского месторождения снижается почти в 1000 раз. Установлено, что тиксотропные свойства нефти оказывают значительное влияние на ее движение по промысловым трубопроводам. За счет наличия в высоковязких нефтях высокомолекулярных компонентов, которые обладают склонностью образовывать тиксотропные структуры (асфальтены, смолы, парафины), увеличивается напряжение сдвига. В связи с этим тема энергосбережения и автоматизации является актуальной для данной отрасли народного хозяйства.

Изучение реологических свойств высоковязких нефтей и природных битумов имеет довольно обширную историю. Фундаментальными работами в этой области занимались такие специалисты как Рогачев М.К., Девликамов В.В., Хабибуллин З.А., Кабиров М.М. и другие [7-9]. Использованные ими приборы и оборудование варьируются от аналоговых устройств до современных приборов с автоматизированным управлением. На текущий момент возможно говорить о следующих устройствах по изучению реологических свойствах высоковязкой нефти и природного битума.

Стоит сказать, что изучение свойств транспортируемой продукции невозможно без измерения ее плотности современными высокоточными устройствами. Ввиду высокой вязкости продукции при 20 или 15°С ареометр будет достаточно долго погружаться в исследуемую жидкость, при этом сотрудник компании будет терять большое количество рабочего времени на ожидание. В ряде случаев нефть может находиться в квазитвердом состоянии (при высоком содержании парафина). Для такого рода нефтей могут применяться хорошо зарекомендовавшие себя плотномеры компании Mettler Toledo и Anton Paar [10, 11]. Новейшие решения в промышленном варианте представлены компанией Rheonics [12]. Внешний вид датчика плотности представлен на рисунке (Рис. 1).

Рис. 1 – Датчик DVP компании Rheonics [12]

Диапазон измерения плотномеров и датчиков по измерению плотности при транспортировке высоковязких нефтей и природных битумов должен варьироваться в пределах от 0 до 1,4 г/см 3 с учетом наличия воды в продукции. Датчики такого типа, как представлено на рисунке 1, требуют специализированных схем учета и сбора данных, а также их хранения.

Следующим важным устройством контроля реологических свойств являются приборы измерения кинематической вязкости. Вязкость продукции на объектах хранения и транспортировки может проводиться как при заборе проб и их анализе, так и в автоматизированном режиме. На рисунке (Рис. 2) представлены датчики компании Anton Paar.

Рис. 2 – Датчики измерения вязкости в режиме реального времени компании Anton Paar [11]

Данные устройства могут быть использованы как в режиме визуального наблюдения операторов установок для наблюдения за кинематической вязкостью, так и для измерений в автоматизированном режиме с записью данных на персональный компьютер или сервер.

У всех перечисленных выше устройств имеется существенный недостаток: невозможность исследования неньютоновских свойств продукции. Именно высокие напряжения сдвига и тиксотропные свойства существенно осложняют транспортировку продукции, а также ее хранение. Неньютоновские свойства нефти на сегодняшний день изучаются преимущественно на ротационных вискозиметрах [13-18]. Среди данных приборов стоит отметить ставшие классикой вискозиметры серии Rheotest [19]. На сегодняшний день именно они распространены на большинстве нефтегазовых предприятий.

Одним из наиболее распространенных тестов является определение начального напряжения сдвига нефти при ее течении. Эксперимент проводится следующим образом. В стакан вискозиметра (если это вискозиметры серии Rheotest или схожие с ними по конструкции приборы других фирм) помещается образец нефти определенного объема и термостатируется до необходимой температуры. Затем запускается режим контроля за напряжением сдвига на роторе и устанавливаются рамки, до какого значения происходит увеличение напряжения сдвига на роторе вискозиметра. Напряжение сдвига, после которого начинается вращение ротора, называют напряжением сдвига разрушения тиксотропной структуры. Чем выше данная величина при установленной температуре – тем больше необходимо потратить энергии на обеспечение начала движения нефти в трубопроводе. Высоковязкие нефти содержат в себе большое количество асфальтенов, смол и парафинов, которые способны объединяться в фрактальные самоподобные трудноразрушаемые ассоциаты и структуры, которые как раз и обеспечивают аномальность их свойств, проявляющуюся при их транспортировке. Для обоснования рациональных режимов транспортировки высоковязкой нефти необходимо проводить масштабные реологические исследования таких нефтей как при положительных, так и при отрицательных температурах. Автором работы рекомендуется проводить не менее 7 измерений для построения качественной линии тренда.

Наиболее часто для изучения тиксотропных свойств высоковязких нефтей применяют способ, разработанный в Горном университете д.т.н., профессором М.К. Рогачевым. В вискозиметр помещают пробу нефти и термостатируют при необходимой температуре испытания. В ряде работ такие испытания проводились следующим образом: «Скорость сдвига в процессе исследования плавно увеличивается до значения 300 с -1 в течение 300 секунд (прямой ход на графиках зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига), затем она выдерживалась постоянной при достигнутом значении в течение 300 секунд (ожидание полного разрушения внутренней структуры нефти), а далее скорость сдвига плавно уменьшалась до нуля за 300 секунд (обратный ход на графиках). В результате таких лабораторных исследований на графиках зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига будут получены характерные петли гистерезиса. Тот факт, что линия прямого хода не повторяет линию обратного хода, свидетельствует о тиксотропной структуре исследуемой нефти. Площадь петли гистерезиса, заключенная в пределах единого цикла измерений, характеризует величину механической энергии, необходимой для разрушения тиксотропных связей, отнесенной к единице объема нефти. Поэтому чем больше площадь «петли гистерезиса», тем более склонна данная нефть к структурообразованию при данных температурных условиях» [8,13,21]. Таким образом, изучение тиксотропных свойств высоковязкой нефти при таком способе проведения испытаний при одной температуре занимает 15 минут без учета подготовки и транспортировки пробы до лаборатории. Если говорить о полноценном исследовании, то при изучении реологии 1 образца нефти необходимо привести 7 испытаний и потратить минимум 1 час 45 минут, а с добавлением времени, необходимого для термостатирования прибора – и целый рабочий день (8 часов). Именно поэтому рационально проводить подобные испытания по мере необходимости. Некоторые нефти требуют предварительного разогрева перед началом работ по изучению их реологии, например, нефть Петрухновского месторождения Самарской области, которая содержит в себе большое количество парафинов и застывает уже при 50°С, что существенно осложняет ее транспорт и хранение [21].

Следует отметить, что все приведенные выше испытания решают задачи получения данных о реологии продукции и уже на основе этих данных возможно принимать решения об оптимальных температурных условиях транспорта и хранения такого рода флюидов, подборе ингибиторов отложения асфальтеносмолопарафиновых веществ. Такого рода проблемы с нефтями могут начинаться буквально с забоя скважины [22-24].

Таким образом, на основании вышесказанного, возможно сделать следующие выводы: