Стенд для исследования процессов транспортировки тяжелой и битуминозной нефти
STAND FOR RESEARCH OF TRANSPORTATION PROCESSES OF BLACK AND BITUMINOUS OIL

Изобретение относится к области гидродинамики жидкостей, а именно к устройствам (стендам) для исследования процессов прокачки смеси нефтей, парафиноотложения, остывания трубопровода при транспортировке тяжелых и битуминозных нефтей. Стенд предназначен для поиска способов повышения эффективности транспортировки реологически сложных нефтей путем исследования перспективных методов воздействия на нефть, в частности депрессорных присадок и ингибиторов парафиноотложения.
Для оценки выпадения парафинов существует метод «холодного стержня», который основан на образовании органических отложений из нефти на охлаждаемых металлических трубках, с последующим подогревом трубок путем пропускания через трубки горячего теплоносителя и определении количества отмытого растворителем парафинов путем взвешивания с помощью лабораторных весов. Недостатками указанной технологии является то, что условия оценки динамики выпадения парафинов методом «холодного стержня» значительно отличаются от условий магистрального трубопровода, метод не позволяет оценить динамику отложения по сечению трубопровода, динамику изменения температуры по сечению при остывании трубопровода.
Для оценки методов воздействия на нефть (депрессорные присадки, нагрев, разбавление и т.д.) применяются реологические методы исследований с использованием ротационных вискозиметров. Реологические приборы ротационного типа, рабочим узлом которых служат коаксиальные цилиндры и вращающиеся диски, будучи компактными и удобными в обращении, не позволяют в полной мере прогнозировать поведение тяжелой и битуминозной нефти в условиях реального трубопровода, так как используют ротационное движение для моделирования процесса транспортировки нефтей, а не поступательное, как в трубопроводе.
Из уровня техники известна лабораторная установка для исследования присадок, снижающих гидродинамическое сопротивление нефти (патент US 7842738 (В2), опубл. 30.11.2010, МПК: C08K 5/05; C08L 33/02; F17D 1/17). В установке реализована гидродинамическая схема рециркуляционного типа для определения эффективности противотурбулентных присадок в нефти.
Установка содержит расходные емкости, сборную емкость, три петли трубопровода, центробежный и винтовой насосы, дозатор противотурбулентной присадки. Лабораторная установка позволяет регистрировать перепад давления и расход жидкости для оценки снижения гидродинамического сопротивления перекачиваемой жидкости.
К недостаткам технического решения можно отнести невозможность оценки профиля скорости и отсутствие термостатирования исследуемых углеводородных жидкостей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является стенд, имеющий название «Flow loop», разработанный в лаборатории по исследованию динамики углеводородных систем «ДИУС-лаб» при РГУ им. Губкина [http://dius-lab.ru/flow-loop/].
Установка состоит из следующих систем:
- тестовая секция, где непосредственно протекают исследуемые процессы;
- система измерений и сбора данных;
- система циркуляции и обеспечения требуемых термобарических и скоростных режимов течения смеси нефтей.
Тестовая секция представляет собой охлаждаемый трубопровод, сконструированный по схеме «труба в трубе». По внутренней трубе движется исследуемая смесь при заданных температурных и скоростных режимах, по внешней трубе циркулирует теплоноситель, охлаждающий стенки внутренней трубы. Измерения толщины парафинового слоя производятся на основании измерений перепада давления в тестовой секции с последующим пересчетом в толщину слоя.
Недостатком наиболее близкого аналога является невозможность моделирования процесса смешения нефтей путем подкачки одной нефти в другую, а также непрямой метод определения толщины отложений.
Невозможность в аналоге путевой подкачки одного типа нефти в основной поток другой нефти не позволяет выявить возможные аномалии, возникающие в реологических свойствах при смешении несовместимых нефтей, и достоверно оценить смешиваемость и неоднородности потока из двух нефтей по профилю скорости. Кроме того, непрямой метод определения толщины отложений не обеспечивает необходимую точность исследований.
В аналоге не предусмотрена возможность, кроме ввода присадок, исследования различных физических методов на снижение гидравлического сопротивления перекачиваемой нефти.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании стенда для исследования гидродинамических характеристик сырой нефти, моделирующих процесс транспортировки тяжелой и битуминозной нефти и их смесей по трубопроводу.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является расширение функциональных возможностей стенда, а именно: обеспечение исследования динамики смешения тяжелой и битуминозной нефти при подкачке одного типа нефти в другую с определением профиля скорости по пути смешения компонентов; увеличение точности определения толщины отложений парафинов и смол на стенке трубопровода, в том числе при остановке трубопровода; возможность изучения влияния физических полей на гидродинамику тяжелой и битуминозной нефти.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что стенд для исследования процессов транспортировки тяжелой и битуминозной нефти содержит блок подготовки, блок испытаний и блок обработки информации, причем блок подготовки состоит из емкости подготовки модельной жидкости, первого шестеренного насоса, емкости транспортной и емкости расходной, блок испытаний состоит из трубной обвязки, второго и третьего шестеренных насосов, первого и второго центробежных насосов, емкости дренажной, при этом блок испытаний выполнен с возможностью образования замкнутого контура циркуляции модельной жидкости с помощью запорной арматуры.
Другими особенностями заявляемого технического решения является то, что:
- емкость подготовки модельной жидкости и емкость расходная оснащены механическими мешалками;
- емкость подготовки модельной жидкости и емкость расходная снабжены датчиками температуры, на выходе первого шестеренного насоса установлены датчики давления, расходомер и поточный вискозиметры;
- емкость расходная оснащена первой системой терморегулирования и термостатирующей рубашкой, причем первая система терморегулирования выполнена с возможностью нагрева/охлаждения модельной жидкости до требуемой температуры;
- вместимость емкости подготовки модельной жидкости и емкости расходной составляет не менее 500 л для каждой, емкость подготовки модельной жидкости и расходная емкость имеют градуировочную шкалу для контроля объема находящейся в них жидкости и оснащены датчиками и сигнализацией аварийных уровней жидкости;
- трубная обвязка включает всасывающие и напорные соединительные участки трубопровода, съемный участок, первую, вторую, третью и четвертую измерительные линии, каждая из которых состоит из двух участков одинаковой длины, между которыми установлены соответственно первая, вторая, третья и четвертая съемные секции, при этом первая измерительная линия имеет номинальный диаметр DN 150, вторая измерительная линия имеет номинальный диаметр DN 100, третья измерительная линия имеет номинальный диаметр DN 50, четвертая измерительная линия имеет номинальный диаметр DN 30, а суммарная длина измерительной линии для каждого диаметра составляет не менее 20 м;
- измерительные линии трубной обвязки оснащены второй системой терморегулирования, выполненной с возможностью охлаждения модельной жидкости до минус 5°C в закрытом отапливаемом помещении и нагрева модельной жидкости до плюс 60°C;
- всасывающие соединительные участки трубной обвязки блока испытаний имеют диаметр не менее 120 мм, а напорные соединительные участки трубной обвязки имеют диаметр не менее 100 мм;
- напорные соединительные участки трубной обвязки через предохранительные клапаны соединены с емкостью дренажной;
- на каждой измерительной линии установлены датчик температуры, датчик давления, датчик дифференциального давления;
- на входе измерительных линий установлен съемный участок, выполненный с возможностью замены на генератор физических полей или устройство для создания кавитации;
- в качестве генератора физических полей используют генератор ультразвука, или генератор электромагнитного поля, или генератор электрического поля;
- перед входом съемного участка установлены датчик температуры, датчик давления, расходомер и поточный вискозиметр, при этом в качестве расходомера применяют 32-лучевой ультразвуковой расходомер;
3
3
3
- второй и третий шестеренные насосы выполнены с возможностью обеспечения производительности перекачки по первой и второй измерительным линиям до 190 м/ч, по третьей измерительной линии до 70 м/ч и по четвертой измерительной линии до 24 м/ч;
3
3
- первый и второй центробежные насосы выполнены с возможностью обеспечения производительности перекачки по второй измерительной линии до 200 м/ч, по третьей измерительной линии до 50 м/ч;
- все насосы оснащены частотно-регулируемыми приводами.
Техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема стенда для исследования процессов транспортировки тяжелой и битуминозной нефти.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - емкость подготовки модельной жидкости;
2 - первый шестеренный насос;
3 - второй шестеренный насос;
4 - третий шестеренный насос;
5 - первая система терморегулирования;
6 - вторая система терморегулирования;
7 - емкость расходная;
8 - емкость дренажная;
9 - первый центробежный насос;
10 - второй центробежный насос;
11 - обратный клапан;
12 - датчик температуры;
13 - датчик давления;
14 - расходомер;
15 - датчик дифференциального давления;
16 - поточный вискозиметр;
17 - первая съемная секция;
18 - вторая съемная секция;
19 - третья съемная секция;
20 - четвертая съемная секция;
21 - первая измерительная линия;
22 - вторая измерительная линия;
23 - третья измерительная линия;
24 - четвертая измерительная линия;
25 - запорная арматура;
26 - емкость транспортная;
27 - съемный участок;
28 - предохранительный клапан.
Стенд предназначен для исследования гидродинамических характеристик сырой нефти: величины гидродинамического сопротивления, температуры, профиля скорости, динамики смешения при подкачке одной нефти в другую.
Стенд для исследования процессов транспортировки тяжелых и битуминозных нефтей состоит из блока подготовки, блока испытаний и блока обработки информации.
Блок подготовки включает в себя емкость 1 подготовки модельной жидкости, первый шестеренный насос 2, емкость 27 транспортную и емкость 7 расходную, которые соединены трубопроводами с запорной арматурой 26.
Первый шестеренный насос 2 перемешивает модельную жидкость с вводимыми добавками и перекачивает ее в емкость 7 расходную, в которой модельная жидкость нагревается/охлаждается до требуемой температуры при помощи первой системы терморегулирования 5.
Емкость 1 подготовки модельной жидкости (тяжелая или битуминозная нефть или углеводородная жидкость или их смеси) и емкость 7 расходная оснащены механическими мешалками (на чертеже не показаны), а емкость 7 расходная - первой системой терморегулирования 5 и термостатирующей рубашкой (на чертеже не показана).
Введение в блок подготовки емкости 1 подготовки модельной жидкости и транспортной емкость 12 обеспечивает подкачку одного типа нефти в другую для моделирования процесса транспортировки тяжелой и битуминозной нефтей и их смесей по трубопроводу.
Емкости 1, 4 блока подготовки соединены трубопроводами с запорной арматурой 26. Блок подготовки оснащен измерительными приборами: в емкости 1 подготовки модельной жидкости и емкости 4 расходной установлены датчики температуры 12, на выходе первого шестеренного насоса 2.1 установлены датчик давления 13, расходомер 14 и поточный вискозиметр 16.
Вместимость каждой из емкостей: емкости 1 подготовки модельной жидкости и емкости 4 расходной - составляет не менее 500 л, емкости 1 и 4 имеют градуировочную шкалу для контроля объема находящейся в них жидкости и оснащены датчиками и сигнализацией аварийных уровней (минимального и максимального) (на чертеже не показаны).
Для проведения исследований используется блок испытаний, состоящий из трубной обвязки, включающей измерительные линии: первую 21, вторую 22, третью 23, четвертую 24 с соответствующими съемными секциями: первой 17, второй 18, третьей 19, четвертой 20, соединительные участки (всасывающие и напорные) трубопровода (на чертеже не обозначены) и съемный участок 13. Трубная обвязка оснащена обратными клапанами 11 и предохранительными клапанами 28.
С помощью запорной арматуры 25 возможно образование замкнутого контура циркуляции и циклической прокачки модельной жидкости.
Напорные соединительные участки трубной обвязки через предохранительные клапаны 28 соединены с емкостью 8 дренажной, являющейся составной частью блока испытаний.
Измерительные линии, представляющие собой участки трубопроводов, оснащенные измерительной аппаратурой, имеют следующие номинальные диаметры: первая 21 - DN 150 (по ГОСТ 28338-89), вторая 22 - DN 100 (по ГОСТ 28338-89), третья 23 - DN 50 (по ГОСТ 28338-89), четвертая 24 - DN 30 (по ГОСТ 28338). На каждой измерительной линии установлены датчик 12 температуры, датчик 13 давления, датчик 15 дифференциального давления. На измерительных линиях выполнены дренажные патрубки (на чертеже не показаны) для отбора проб модельной жидкости.
Каждая измерительная линия состоит из двух участков одинаковой длины, между которыми установлены соответствующие съемные секции. Измерительные линии являются взаимозаменяемыми применительно к конкретному испытанию. Суммарная длина измерительной линии для каждого диаметра - не менее 20 м.
Всасывающие соединительные участки трубной обвязки блока испытаний (участок трубопровода от емкости 7 расходной до всасывающего патрубка насосов 3, 4, 9, 10) имеют диаметр не менее 120 мм (DN 120).
Напорные соединительные участки трубной обвязки блока испытаний (участок трубопровода от нагнетательного патрубка насосов 3, 4, 9, 10 до измерительной линии и от измерительной линии до емкости 7 расходной) выполнены диаметром не менее 100 мм (DN 100).
Циклическая прокачка обеспечивается шестеренными насосами: вторым 3 и третьим 4 или центробежными насосами: первый 9 и вторым 10. Все насосы оснащены частотно-регулируемыми приводами (на чертеже не показаны).
3
3
3
Второй 3 и третий 4 шестеренные насосы обеспечивают производительность перекачки по измерительным линиям: первой 21 и второй 22 - до 190 м/ч, третьей 23 - 70 м/ч и четвертой 24 - до 24 м/ч.
3
3
Первый 9 и второй 10 центробежные насосы обеспечивают производительность перекачки по измерительным линиям: второй 22 - до 200 м/ч, третьей 23 - до 50 м/ч. Для достижения заданной производительности используется параллельное соединение насосов одного типа.
Вторая система терморегулирования 6, включающая теплообменники, позволяет быстро устанавливать необходимую температуру в измерительных линиях трубной обвязки и обеспечивает охлаждение модельной жидкости, применяемой в стенде, до минус 5°C в закрытом отапливаемом помещении и нагрев перекачиваемой модельной жидкости до плюс 60°C.
Собственно испытания представляют собой циклическую прокачку исследуемой жидкости по трубной обвязке с одновременной регистрацией температуры, давления и расхода с помощью датчиков: температуры 12, давления 13 и расходомера 14. При этом в зависимости от задачи используется либо шестеренные насосы 3, 4, либо центробежные насосы 9, 10.
Исследование процесса парафиноотложения проводят прямым измерением массы осадка, осевшего на стенках съемных секций: первой 18, второй 19, третьей 20 и четвертой 21.
Исследование подкачки другой нефти в основной поток проводится за один проход от емкости расходной 7 до емкости 8 дренажной. При этом поточными вискозиметрами 16 оценивается вязкость основной и подкачиваемой нефти, а также вязкость результирующей смеси. Расходомер 14, в качестве которого применен 32-лучевой ультразвуковой расходомер, позволяет оценивать профиль скорости, который, в свою очередь, служит показателем однородности смешения.
Для защиты трубной обвязки и оборудования от превышения рабочего давления предусмотрены предохранительные клапана 28, а для предотвращения перетечек жидкости установлены обратные клапана 11.
В блок испытаний стенда входит съемный участок 27 для исследования физических полей воздействия на нефть. Съемный участок 27, установленный на входе измерительных линий, выполнен с возможностью замены на генератор физических полей - ультразвука, электромагнитного, электрического поля, устройства для создания кавитации и других устройств. Перед входом съемного участка 27 установлены датчики: температуры 12, давления 13, расходомер 14 и поточный вискозиметр 16.
Блок обработки информации (на чертеже не показан) состоит из стандартного оборудования для автоматизации измерений - программируемого логического контроллера, шкафа системы автоматического управления, персонального компьютера с автоматизированным рабочим местом оператора.
Заявляемый стенд для исследования процессов транспортировки тяжелой и битуминозной нефти работает следующим образом.
Емкость 1 подготовки модельной жидкости заполняют исследуемой модельной жидкостью из емкости 26 транспортной при помощи первого шестеренного насоса 2. Допускается заполнять емкость 1 подготовки модельной жидкости с применением внешнего насосного оборудования (на чертеже не показано). При заполнении используются соответствующие задвижки запорной арматуры 25.
При необходимости в емкость 1 с исследуемой модельной жидкостью вводят добавки (разбавители, ингибиторы парафиноотложений, депрессорные присадки и т.д.). Перемешивание исследуемой модельной жидкости и добавок осуществляют рециркуляцией при помощи первого шестеренного насоса 2 и мешалки, смонтированной в емкости 1.
После окончания процесса перемешивания (рециркуляции) и получения однородной модельной жидкости при работающем первом шестеренном насосе 2 модельную жидкость перекачивают в емкость 7 расходную, для этого используются соответствующие задвижки запорной арматуры 25.
После перекачки модельной жидкости из емкости 1 в емкость 7 отключают первый шестеренный насос 2 и закрывают соответствующие задвижки запорной арматуры 25.
В емкости 7 расходной модельная жидкость нагревается/охлаждается до требуемой температуры при помощи первая системы терморегулирования 5.
В зависимости от параметров исследуемой модельной жидкости (вязкости) и режима течения (расхода) выбирается тип и количество задействованных центробежных насосов или шестеренных насосов.
Заполняют трубную обвязку и задействованные центробежные насосы или шестеренные насосы, для этого открывают задвижки запорной арматуры 11, а также соответствующие задвижки запорной арматуры 11 задействованных насосов.
При помощи шестеренных насосов 3, 4 или центробежных насосов 9, 10 заполняют напорную линию трубной обвязки и одну из измерительных линий, управляя соответствующими задвижками запорной арматуры 25.
При помощи второй системы терморегулирования 6 доводят температуру модельной жидкости до требуемого значения.
С помощью стенда реализуются следующие виды исследований.
1. Исследование гидравлического сопротивления и изменения эффективного диаметра при перекачке нефти
С помощью одного из шестеренных насосов 3, 4, центробежных насосов 9, 101 или их комбинации модельная жидкость циркулирует по трубной обвязке. После установления стационарного режима (отсутствие изменения расхода, давлений и температуры на измерительных линиях) регистрируются параметры течения по датчикам температуры 12, давления 13, дифференциального давления 15, расходомера 14 и их изменение во времени.
По изменению давлений и расхода определяют увеличение гидравлического сопротивления и оценивают снижение эффективного диаметра. По величине снижения эффективного диаметра оценивают толщину стенки слоя парафиноотложений.
2. Исследование динамики отложений парафинов и смол на стенке трубопровода
С помощью одного из шестеренных насосов 3, 4, центробежных насосов 9, 101 или их комбинации модельная жидкость циркулирует по трубной обвязке. После установления стационарного режима (отсутствие изменения расхода, давлений и температуры на измерительных линиях) регистрируются параметры течения по датчикам температуры 12, давления 13, дифференциального давления 15, расходомера 14 и их изменение во времени.
При этом с помощью термостата второй системы терморегулирования 6 поддерживается требуемая температура в съемной секции (первой 17, или второй 18, или третьей 19, или четвертой 20) в зависимости от измерительной линии, по которой циркулирует модельная жидкость.
После циркуляции модельной жидкости в течение определенного времени осуществляется слив с трубной обвязки в емкость 8 дренажную.
Съемная секция измерительной линии, в которой проводилось исследование, отсоединяется и визуально оценивается величина слоя отложений парафинов на стенке съемной секции, что характерно для режима остановки трубопровода. Это обеспечивает увеличение точности определения толщины отложений парафинов и смол на стенке трубопровода.
С помощью термостата второй системы терморегулирования 6 осуществляется повышение температуры в съемной секции измерительной линии, расплавленные асфальтосмолопарафиновые отложения с внутренней стенки съемной секции собираются в емкость 8 дренажную и взвешиваются на весах. По результатам измерений оценивается количество отложений на стенке съемной секции.
Возможны различные варианты исследований отложений: выдерживание и определение отложений через различные промежутки времени позволяют оценить динамику отложений парафинов, ввод ингибиторов в поток модельной жидкости - оценить эффективность химреагента, изменение температуры и/или расхода - оценить зависимость отложений от условий перекачки.
3. Исследование динамики смешения нефтей (подкачка одного типа нефти в другую)
С помощью одного из шестеренных насосов 3, 4, центробежных насосов 9, 101 или их комбинации модельная жидкость циркулирует по трубной обвязке. При этом в основной поток нефти в трубной обвязке дополнительно вводится другая нефть или иная жидкость из емкости 1 подготовки модельной жидкости с помощью первого шестеренного насоса 2. При этом в однопроходном варианте измерений жидкости сливаются в емкость 8 дренажную, а в циклическом варианте измерений жидкости циркулируют по трубной обвязке. С помощью датчиков температуры 12, давления 13 и расходомера 14 оценивается гидравлическое сопротивление потока двух нефтей.
С помощью расходомера 14 оценивается профиль скорости, который позволяет оценить однородность смешения, расслоение двух нефтей, создание кольцевого течения.
Отбор проб через дренажные патрубки по длине измерительной линии и определение их плотности и вязкости позволяют оценить динамику смешения по длине трубопровода.
4. Исследование методов снижения гидравлического сопротивления нефти
Для исследования различных физических методов в составе стенда предусмотрен съемный участок 27, который может быть заменен на генератор физических полей - ультразвука, электромагнитного, электрического поля, устройства для создания кавитации и т.д. Проведение испытаний осуществляется по аналогии с описанным выше исследованием гидравлического сопротивления и изменения эффективного диаметра при перекачке нефти. При этом определяется гидравлическое сопротивления до обработки нефти исследуемым физическим методов и после его обработки. По разнице оценивается эффективность методов.
Для исследования различных химреагентов в емкость 1 подготовки модельной жидкости либо емкость 7 расходную вводится исследуемая присадка. Проведение испытаний осуществляется по аналогии с описанным выше исследованием гидравлического сопротивления и изменения эффективного диаметра при перекачке нефти, при этом определяется гидравлическое сопротивления до ввода присадки и после ее обработки. По разнице оценивается эффективность химреагента.
После завершения испытаний отключают шестеренные насосы 2, 3, 4 и центробежные насосы 9, 10, первую 5 и вторую 6 системы терморегулирования, опорожняют емкость 7 расходную, трубную обвязку и измерительные линии от модельной жидкости в емкость 8 дренажную.
Емкости 1, 7 и 8 опорожняют в специальный герметичный контейнер для утилизации (на чертеже не показан), для этого открывают соответствующие задвижки запорной арматуры 25. После опорожнения емкостей задвижки запорной арматуры 25 закрывают.
После опорожнения стенда проводят очистку внутренней поверхности емкостей, трубной обвязки, измерительных линий и насосного оборудования стенда. Очистку проводят при помощи рециркуляции промывочной жидкости.
Основные преимущества заявляемого стенда:
- универсальность, позволяющая работать с любыми углеводородными, водными и водно-углеводородными жидкостями;
- многоцелевое назначение, обеспечивающее исследование снижения гидродинамического сопротивления, скорости отложения парафинов и смол на стенке трубы, изучение динамики смешения нефтей при подкачке одной в другую;
- оснащенность емкостей средствами механизации - мешалками, использование 32-лучевой ультразвуковой расходомера, позволяющего оценивать профиль скорости, наличие съемных секций для прямой оценки массы осевшего парафина.