СУСПЕНЗИОННО-ЭМУЛЬСИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ АНТИТУРБУЛЕНТНОЙ ДОБАВКИ
SUSPENSION-EMULSION COMPOSITION OF ANTI-TURBULENT ADDITIVE

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к процессам перекачки водонефтяных эмульсий по промысловым трубопроводам от добывающих скважин к установкам подготовки нефти. Оно также может быть использовано для энергосберегающего трубопроводного транспорта технической воды. Известно, что введение в турбулентный поток жидкости очень малого количества высокомолекулярного полимера (менее 0,01% мас.) сопровождается уменьшением гидродинамического сопротивления (эффект Томса) и приводит либо к увеличению скорости течения, либо к снижению потерь давления на трение. Энергосберегающие технологии с использованием полимеров, растворимых в углеводородах, уже применяются на магистральных нефтепроводах [Несын Г.В., Манжай В.Н., Попов Е.А. и др. Эксперимент по снижению гидродинамического сопротивления нефти на магистральном трубопроводе Тихорецк -Новороссийск. Трубопроводный транспорт.1993. №4].
6
Большинство нефтяных месторождений России вступило в позднюю стадию разработки, поэтому в добываемой водонефтяной эмульсии бóльшую долю составляет вода, которая является дисперсионной средой. Для интенсификации перекачивания такой смеси требуются водорастворимые полимерные добавки. Большинство используемых в настоящее время противотурбулентных добавок представляют собой композиции растворного типа, в основе которых - полимер, обеспечивающий эффект, а также другие компоненты. Но водные растворы полимеров с очень высокой молекулярной массой (ММ>1·10) при концентрации более 10% теряют текучесть, что делает невозможным дозирование насосами в трубопровод подобных желеобразных студней. Существенным недостатком противотурбулентных добавок растворного типа, помимо высокой вязкости концентрата, является низкое содержание в них полезного (полимерного) вещества - не более 10%. Доставка больших объемов такой добавки к местам ее дозирования, как правило, удаленным и малодоступным, является мероприятием экономически невыгодным из-за значительных транспортных издержек. Поэтому целесообразным является переход от высоковязких концентратов растворного типа к маловязким антитурбулентным добавкам эмульсионно-суспензионного вида с содержанием полезного вещества до 30%. Компанией «Conoco» разрабатываются суспензионные композиции, содержащие в своем составе до 30% полезного вещества в виде нефтерастворимых или водорастворимых полимеров (Патент US №5027843, МПК F17D 1/00, 1991; Патент US №5504132, МПК F17D 1/00, 1996; Патент US №6765053, МПК F17D 1/00, 2004).
Наиболее близкими по технической сущности и рецептурному составу к заявляемой нами композиции являются решения, предлагаемые в патентах (патент CN №101268164, МПК F17D 1/17, 2008, патент US №2007205392 (А1), МПК C09K 5/10, 2007, патент US 61722151 B1, 2001, патент WO 2412395 C2, 2008, RU 2412395 C2, 20.02.2011). В патенте (CN №101268164, МПК F17D 1/17, 2008) рекомендуется диспергирование гранул полимерного вещества до размеров в интервале 100 мкм - 1 мм, что явно недостаточно для формирования нерасслаивающейся суспензии, устойчивой к седиментации. В известной композиции (патент US №2007205392 (А1), МПК C09K 5/10, 2007) в качестве агента снижения сопротивления заявлен полисахарид. В патенте US 61722151 B1, 2001 в качестве антитурбулентного компонента предлагается использовать полиолефины. В нашей композиции в качестве агента снижения гидродинамического сопротивления предлагается полиакриламид. Состав известного патента WO 2412395 C2, 2008 содержит в качестве антитурбулентного компонента полиакриламид, однако, в этом патенте отсутствует полиэтиленгликоль, выполняющий в заявляемой нами композиции функцию стабилизации дисперсионной среды. В другом известном патенте RU 2412395 C2, 20.02.2011 стеариновая кислота и ее соли выполняют функции лубрикантов или смазывающих веществ в дисперсионной среде, в нашем случае - для повышения седиментационной устойчивости и предотвращения расслоения дисперсионных систем.
Задачей настоящего изобретения является разработка суспензионно-эмульсионной композиции с целью увеличения содержания в ней гидродинамически активного вещества (высокомолекулярного полимера) и одновременного понижения вязкости по сравнению с композициями растворного типа, что сделает ее более технологичной для дальнейшего применения.
Поставленная задача решается тем, что суспензионно-эмульсионная композиция антитурбулентной добавки содержит полиэтиленгликоль, этанол и глицерин, но в отличие от прототипа в состав дополнительно добавляют полиакриламид и стеариновую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полиакриламид - 20-30,
полиэтиленгликоль - 11-13,
стеариновая кислота - 2,
этанол - 42-50,
глицерин - 15.
Процесс получения антитурбулентной добавки в суспензионно-эмульсионной форме состоит из трех этапов:
а) синтез высокомолекулярного образца полиакриламида;
б) получение микрокристаллической дисперсии полиакриламида;
в) приготовление коллоидной композиции из мелкодисперсного порошка полиакриламида и дисперсионной среды на основе этанола и полиэтиленгликоля.
6
Требуемый высокомолекулярный полиакриламид синтезировали радикальной полимеризацей по разработанной методике и описанной в нашей опубликованной работе [Манжай В.Н., Сарычева Г.А., Березина Е.М. Совместное использование вискозиметрического и турбореометрического методов для определения молекулярной массы полиакриламида. Высокомолекулярные соединения, Серия Б, 2003, том 45, №2, с.363-368]. В результате синтеза, проведенного на первом этапе при температуре 353 К в водном растворе, содержащем 10% мономера (акриламида) и 0,25% инициатора (персульфата аммония), получили концентрированный водный раствор образца полиакриламида с молекулярной массой М=5,5·10. Динамическая вязкость 5%-ного водного раствора этого образца (неньютоновской жидкости) чрезвычайно велика и в зависимости от скорости сдвига при проведении измерений находится в интервале η≈10-20 Па·с. При дальнейшем повышении концентрации полимера растворы практически теряют текучесть.
Следующим этапом приготовления композиции является получение микрокристаллической дисперсии полиакриламида из водного полимерного раствора. Водный раствор полиакриламида с концентрацией не выше 1% при работающей мешалке тонкой струйкой выливают в жидкость-осадитель (этанол). В результате этой процедуры получают тонкую дисперсию порошка полиакриламида с размерами частиц ~200 мкм.
На третьем этапе для мелкодисперсного полиакриламида готовят дисперсионную среду следующего состава: 78% этанола, 20% полиэтиленгликоля и 2% стеариновой кислоты. Затем при тщательном перемешивании в дисперсионную среду (55-65 мас.%) вносят порошок полимера (20-30 мас.%) и добавляют глицерин (15 мас.%). Получают композицию состава: полиакриламид - 20-30 мас.%, полиэтиленгликоль - 11-13 мас.%, стеариновая кислота - 2 мас.%, этанол - 42-50 мас.%, глицерин - 15 мас.%. Динамическая вязкость полученной суспензионно-эмульсионной композиции, в зависимости от интенсивности перемешивания компонентов в процессе приготовления, составляет 0,5-1,0 Па·с, т.е. она на порядок меньше, чем у водного раствора, содержащего меньшую долю полимера (5-10%) в единице объема раствора.
2
2
S
P
Приготовленную композицию в суспензионно-эмульсионной форме подвергают гидродинамическому тестированию на турбулентном реометре с целью выяснения ее антитурбулентных свойств. Турбулентный реометр конструктивно подобен капиллярному вискозиметру, но позволяет проводить исследования текучести жидкости в более широком диапазоне чисел Рейнольдса, охватывающем как ламинарную область течения, так и турбулентную. В рабочую камеру турбореометра для гидродинамического тестирования заливают 107 см жидкости. Величину эффекта снижения гидродинамического сопротивления (DR, %), характеризующую снижение энергетических затрат на перемещение единицы объема жидкости, рассчитывают по формуле  в которой t и t - времена истечения фиксированного объема (V=107 см=const) растворителя и полимерного раствора соответственно.
6
3
3
3
3
-3
P
S
Пример 1. К навеске 0,3 г синтезированного, диспергированного в этанол и высушенного порошка образца полиакриламида с молекулярной массой М=5,5·10 приливают 5,7 см дистиллированной воды и при перемешивании готовят раствор полимера с концентрацией С=50 кг/м (5% мас.). Из 6 г полученного концентрированного и вязкого раствора путем соответствующего разбавления (10 литров воды) получают рабочий раствор с концентрацией С=0,03 кг/м (0,003% мас.) для проведения турбореометрического тестирования. Затем рабочий раствор (С=0,03 кг/м) пропускают через цилиндрический канал реометра в турбулентном режиме течения при Re≈8000. Время истечения 107 см полимерного раствора через цилиндрический канал реометра с радиусом 1,1·10 м и длиной 0,8 м составляет t=5,2 с, а время истечения такого же объема чистой воды составляет t=7,4 с.Следовательно, величина эффекта снижения сопротивления составляет DR=51%.
6
3
3
Пример 2. Из полимерного раствора, представленного в примере 1 (М=5,5·10 и С=0,03 кг/м), путем шестикратного разбавления готовят еще более разбавленный водный раствор полиакриламида (С=0,005 кг/м). После проведения гидродинамического тестирования антитурбулентных свойств этого раствора получена величина снижения сопротивления DR=22%. Таким образом, даже в предельно разбавленных растворах полиакриламида антитурбулентная эффективность высока.
3
Пример 3. 1 грамм суспензионно-эмульсионной композиции, содержащей 30% полимера (0,3 г), растворяют в 10 литрах воды (разбавление в 10000 раз) и получают водный рабочий раствор с концентрацией полиакриламида в нем 0,003% (С=0,03 кг/м). Пропорционально, в 10000 раз, уменьшаются концентрации всех компонентов добавки в рабочем растворе. В результате турбореометрического тестирования приготовленного раствора, проведенного в гидродинамических условиях примера 1, получена величина снижения сопротивления DR=49%.
Пример 4. После шестикратного разбавления рабочего раствора, полученного в примере 3, проведено его гидродинамическое тестирование по аналогии с примером 1. Получена величина DR=21%.
3
Пример 5. 1 грамм суспензионно-эмульсионной композиции, содержащей 30% полимера (0,3 г), растворяют в 10 литрах водонефтяной эмульсии (разбавление в 10000 раз) с содержанием нефти (10% мас.) и получают «прямую» эмульсию (нефть - дисперсная фаза, вода - дисперсионная среда) с концентрацией полиакриламида 0,003% (С=0,03 кг/м). Пропорционально, в 10000 раз, уменьшаются концентрации всех компонентов добавки в рабочем растворе на основе водонефтяной эмульсии. В результате турбореометрического тестирования эмульсии, проведенного в условиях примера 1, получена величина снижения сопротивления DR=44%.
3
Пример 6. 1 грамм суспензионно-эмульсионной композиции, содержащей 30% полимера (0,3 г), растворяют в 10 литрах водонефтяной эмульсии (разбавление в 10000 раз) с содержанием нефти (20% мас.) и получают «прямую» эмульсию (нефть - дисперсная фаза, вода - дисперсионная среда) с концентрацией полиакриламида 0,003% (С=0,03 кг/м). Пропорционально, в 10000 раз, уменьшаются концентрации всех компонентов добавки в рабочем растворе на основе водонефтяной эмульсии. В результате турбореометрического тестирования эмульсии, проведенного в условиях примера 1, получена величина снижения сопротивления DR=41%.
3
Пример 7. 1 грамм суспензионно-эмульсионной композиции, содержащей 20% полимера (0,2 г), растворяют в 10 литрах воды (разбавление в 10 000 раз) и получают водный рабочий раствор с концентрацией полиакриламида С=0,02 кг/м. Пропорционально, в 10000 раз, уменьшаются концентрации всех компонентов добавки в рабочем растворе. В результате турбореометрического тестирования приготовленного раствора, проведенного в гидродинамических условиях примера 1, получена величина снижения сопротивления DR=38%.
3
Пример 8. 1 грамм суспензионно-эмульсионной композиции, содержащей 20% полимера (0,2 г), растворяют в 10 литрах водонефтяной эмульсии (разбавление в 10 000 раз) с содержанием нефти (10% мас.) и получают рабочий «раствор», представляющий собой эмульсию (нефть - дисперсная фаза, вода - дисперсионная среда) с концентрацией полиакриламида С=0,02 кг/м. Пропорционально, в 10000 раз, уменьшаются концентрации всех компонентов добавки в исследуемой эмульсии. В результате турбореометрического тестирования эмульсии с растворенным полимером, проведенного в условиях примера 1, получена величина снижения сопротивления DR=31%.
Таким образом, перевод антитурбулентной присадки растворного типа (концентрация полимера 5 мас.%) в суспензионно-эмульсионную композицию (содержание полимера 30 мас.%) сопровождается не только увеличением доли полезного вещества в единице объема присадки, но и значительным уменьшением вязкости композиции, что заметно оптимизирует ее технологические свойства при вводе в промышленный трубопровод, находящийся в эксплуатационном режиме под высоким давлением. Незначительное уменьшение эффективности полимерной присадки при переходе от чистой воды к водонефтяной эмульсии объясняется ухудшением термодинамического качества растворителя (дисперсионной среды) и частичной адсорбцией макромолекул ПАА на капельках нефтяной эмульсии.