Новые направления использования асфальтосмолопарафиновых отложений в процессе трубопроводного транспорта нефти

УДК 622.692.4

Новые направления использования

асфальтосмолопарафиновых отложений в процессе трубопроводного транспорта нефти

Н.Р. ГИЛЬМУТДИНОВ, генеральный директор

АО «Транснефть - Урал»

М.Е. ДМИТРИЕВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа Б.Н. МАСТОБАЕВ, д.т.н., проф., зав. кафедрой транспорта и хранения нефти и газа

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: MDmit@mail.ru

В работе рассмотрены новые направления использования контролируемого слоя асфальтосмолопарафиновых отложений в процессе транспорта нефти по магистральным нефтепроводам. Одним из таких направлений является создание равномерного контролируемого слоя асфальтосмолопарафиновых отложений на внутренней поверхности труб, обеспечивающего защиту труб от коррозии, служащего как теплоизоляционный материал, а также как покрытие, снижающее шероховатость трубы.

Ключевые слова: отложения парафина, парафинизация, защита от коррозии, теплоизоляция.

До настоящего времени процесс парафи-низации нефтепроводов рассматривался большим кругом ученых, специалистов и производственников как отрицательное явление, негативно сказывающееся на эксплуатационной надежности систем трубопроводного транспорта нефти.

В работе рассмотрена возможность использования запарафинивания внутренней поверхности труб для защиты трубопроводов от агрессивных факторов и обеспечения безаварийной работы на длительный период эксплуатации.

С положительной точки зрения процесс пара-финизации внутренней поверхности нефтепроводов может рассматриваться в трех направлениях:

• для создания равномерного асфальтосмоло-парафинового слоя в качестве антикоррозионной изоляции от внутренней коррозии;

• равномерного асфальтосмолопарафинового слоя в качестве тепловой изоляции;

• равномерного асфальтосмолопарафинового слоя для снижения энергозатрат на перекачку нефти в связи с уменьшением эквивалентной шероховатости внутренней поверхности труб.

Предположение полезного использования асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в процессе транспорта нефти по нефтепроводам

возникает из ряда очевидных факторов: во-первых, АСПО обладают низким коэффициентом теплопроводности, то есть могут использоваться в качестве теплоизоляционного материала труб; во-вторых, заполняя шероховатости и коррозионные повреждения внутренней поверхности труб, отложения становятся коррозион-но-защитным покрытием внутренней поверхности труб, изолируя контакт нефти с внутренней поверхностью трубопровода; в третьих, отшлифованный слой парафиновых отложений обладает незначительной шероховатостью, что способствует уменьшению гидравлического сопротивления и, как следствие, увеличению производительности перекачки или уменьшению энергозатрат.

Следует отметить, что для обеспечения положительного эффекта парафинизации труб необходимо разработать технологию запарафи-нивания с учетом особенностей эксплуатации конкретного нефтепровода. То есть необходимо обработать определенный объем эксплуатационной информации, а именно режимы эксплуатации, конструктивные особенности трубопровода, влияние окружающей среды, состав и содержание отложений и их физико-механические, а также тепловые характеристики. Кроме того, для

правильного подбора технологии запарафинива-ния необходимо знать свойства перекачиваемой нефти и ее групповой состав. Немаловажной информацией является начальная степень загрязненности внутренней поверхности труб. Неотъемлемой частью технологии запарафинивания является использование специальных технических средств для равномерного запарафинивания труб.

Внутренняя коррозия широко распространена как в промысловых нефтепроводах, так и при транспорте сернистой нефти по магистральным трубопроводам. В таких условиях защищать внутреннюю стенку трубы достаточно сложно и малоэффективно. Существуют различные покрытия, которые наносят на внутреннюю поверхность труб в заводских условиях или применяют специальные трубы (полиэтиленовые, стеклопла-стиковые, из композитных материалов и т.д.). Такой подход может реализовываться только при проектировании вновь сооружаемых трубопроводов или реконструкции действующих путем замены труб. Кроме того, применение указанного решения задачи защиты от внутренней коррозии упускает ряд проблем, связанных с накоплением отложений на поверхности нефтепроводов, так как большинство внутренних коррозионно-стойких материалов и покрытий труб способствует интенсивной парафинизации.

В условиях действующих нефтепроводов для защиты от внутренней коррозии используются в основном ингибиторы коррозии, а они достаточно дорогостоящие, и их эффективность зависит от их количества, которое подается в трубопровод. Введение ингибиторов коррозии в перекачиваемый продукт также приводит к ухудшению показателей качества, что в сегодняшних экономических условиях неприемлемо.

С учетом всего вышесказанного, применение АСПО для защиты от внутренней коррозии в настоящее время является достаточно актуальным, поскольку не требует больших капитальных вложений и эксплуатационных затрат, так как используется естественный продукт, присутствующий в перекачиваемой нефти, который практически всегда запарафинивает трубы. В работе предлагается обеспечить распределение тонкого слоя отложений в коррозионных порах равномерно по сечению трубы и по всей длине трубопровода, создавая специальные условия для образования АСПО на внутренней поверхности нефтепроводов. Создавая такие условия, предпо-

лагается поддерживать тонкий слой отложений на заданном уровне путем периодических очисток поршнями и скребками специальных конструкций.

Другое направление использования явления запарафинивания - это естественная тепловая изоляция с внутренней поверхности труб. Путем многочисленных исследований установлено, что с течением времени количество отложившегося парафина возрастает. Наибольшая интенсивность образования АСПО наблюдается в начале процесса, затем скорость роста отложений снижается из-за уменьшения теплоотдачи от нефти к внешней среде вследствие увеличения толщины отложившегося слоя парафина [1]. Слой АСПО является теплоизоляционным материалом. Зная теплофизические свойства отложений, можно рассчитать оптимальную толщину тепловой изоляции. Существует фактор возможности снижения производительности в результате уменьшения проходного сечения трубы, несмотря на то, что шероховатость труб выше, чем запарафинен-ной поверхности, и в расчете оптимальной толщины теплоизоляции необходимо это учитывать. Если не представляется возможным обеспечить достаточный уровень теплозащиты, то можно предусмотреть совместную теплоизоляционную защиту путем применения наружной теплоизоляции, выполненной из различных материалов и определенной толщины с учетом внутреннего слоя АСПО.

Сам процесс запарафинивания можно представить следующим образом [2]: в процессе движения по трубопроводу нефть охлаждается и при достижении определенной температуры из нее выпадают твердые углеводороды, в это же время начинают образовываться отложения на стенках. При этом по мере снижения температуры количество парафина, выпадающего из нефти, возрастает, и соответственно возрастает количество парафина, откладывающегося на стенках.

Кристаллы парафина возникают и растут как в объеме нефти, так и на поверхности стенок. Кристаллы, которые возникают и растут на стенках, формируют в основном отложения в нефтепроводе, кристаллы же, возникающие и растущие в потоке, обладают слабой способностью закрепляться на стенках труб, и, очевидно, лишь очень небольшая их часть в какой-либо мере участвует в формировании отложений.

Зона максимального отложения парафина на внутренней поверхности труб находится в преде-

лах температуры массовой кристаллизации парафина. При более высокой температуре отложений образуется мало, так как парафин находится в растворе и лишь незначительная часть его выкристаллизовывается у стенки трубы на ее поверхности. При температуре нефти ниже температуры массовой кристаллизации обычно образуется незначительное количество отложений [2].

Изменение температурных условий перекачки связано и с изменением распределения отложений по длине трубы. С увеличением времени парафинизации количество отложений растет, но распределение по длине трубы выравнивается, то есть максимум отложений от начальных сечений трубопровода смещается к его концу. Очевидно, это связано с теплоизолирующими свойствами отложений.

На начальных участках эффективная толщина отложений возрастает прямо пропорционально времени парафинизации. В зоне максимальных отложений с течением времени наблюдается небольшое снижение интенсивности роста. Непосредственно за зоной максимума отмечается некоторое увеличение темпов роста эффективной толщины отложений. На конечных участках эффективная толщина отложений растет главным образом не за счет отложения парафина непосредственно на стенках труб, а за счет скоплений, вынесенных потоком с участков с более высокой интенсивностью парафинизации, то есть с течением времени происходит некоторое перераспределение отложений [3].

На основании вышеизложенного можно предположить, что при создании определенных условий и с использованием специальных средств для перемещения и уплотнения АСПО можно создать устойчивый парафиновый слой на протяжении всего участка трубопровода, проложив теплоизоляционный слой на внутренней поверхности труб.

Создание теплоизоляционного слоя может решать следующие технические задачи:

• уменьшить тепловые потери от нефти в окружающую среду, что позволяет избежать протаи-вания грунта в условиях вечной мерзлоты и влияния тепла на окружающую среду, в том числе на флору и фауну при морском транспорте;

• увеличить температуру перекачиваемой нефти, что положительно сказывается на процессе парафинизации на стадии эксплуатации нефтепроводов, то есть если температуру поддерживать на уровне выше температуры кристал-

лизации парафина, то можно достичь минимума накопления отложений в процессе уже запарафи-ненного нефтепровода;

• уменьшить вязкость перекачиваемой нефти, что приведет к снижению гидравлического сопротивления и потерь энергии при транспортировки нефти;

• обеспечить при определенных условиях транспорт высокозастывающей нефти по нете-плоизолированным трубопроводам;

• осуществить способ теплоизоляции трубопроводов в условиях действующих предприятий без остановки перекачки и вскрытия трубопровода.

Третье направление использования запарафи-нивания внутренней поверхности труб предполагает снижение энергозатрат на транспортировку нефти. Данный эффект возможен при условии, что слой парафина будет очень тонким, а поверхность - отшлифованной по всей протяженности внутренней полости трубопровода.

Следует отметить, что рассмотренные выше направления являются комплексом мероприятий и работают все одновременно.

Реализация программы запарафинивания в каждом конкретном случае должна опираться на технологию запарафинивания, учитывающую поставленные цели, возможные внешние и внутренние факторы.

Универсальная комплексная программа запарафинивания представлена на рис.1.

Комплексная программа запарафинивания предусматривает три технологических направления в зависимости от поставленной цели: защита от коррозии, тепловая изоляция, уменьшение энергозатрат.

В части защиты от коррозии необходимы данные о коррозионной агресивности АСПО, степень пораженности коррозией и загрязненности внутренней поверхности трубы. При теплоизоляционных функциях АСПО используют данные тепловых характеристик отложений, степень загрязненности и определение оптимальной толщины тепловой изоляции. Для уменьшения энергозатрат определяют эквивалентную шероховатость запарафиненной внутренней поверхности труб и способность АСПО к уплотнению и шлифованию различными скребками (поршнями).

Кроме основных индивидуальных параметров для реализации технологий необходимо провести исследования в следующих направлениях:

• исследование режима перекачки нефти;

О ^ со

СО СО

ск о с 1=

О т

Установление режима перекачки

• конструктивные особенности трубопровода;

• влияние окружающей среды;

• состав и содержание отложений, их физико-механические свойства;

• свойства перекачиваемой нефти и ее фракционный состав.

Проанализировав указанные выше параметры, выбирают способ запарафинивания или комплекс способов, при этом учитывают режим перекачки, а также тепловой режим эксплуатации.

Обеспечение комплексной программы запарафинива-ния возможно при разработке специальных технологий по созданию контролируемого слоя отложений на внутренней поверхности труб и технических средств очистки (уплотнения) отложений для равномерного распределения АСПО как по сечению трубы, так и по длине трубопровода.

Для разработки специальных технологий по созданию контролируемого слоя АСПО на внутренней поверхности нефтепроводов необходимо проводить исследования особенностей транспорта парафинистых нефтей и процессов отложения парафинов на стенке трубы.

Исследование необходимо вести по следующим направлениям:

• прогнозирование процесса парафинизации при транспорте нефти по нефтепроводам;

• анализ влияния физико-механических свойств нефтей, содержания асфальтенов, смол и парафина на перекачку по магистральным нефтепроводам;

• создание реологических моделей нефтей, а также построение зависимостей реологических свойств от различных внешних и внутренних факторов;

• исследования эффективности использования различных способов воздействия на нефть;

• исследование эффективности применения тепловой изоляции, определение оптимальных параметров и изоляционных материалов;

КОМПЛЕКСНАЯ ПРОГРАММА ЗАПАРАФИНИВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Защита от коррозии Тепловая изоляция Уменьшение энергозатрат

О 53

ер

р ^

ие ни

е л

£ е

е

с

со со

я!

ер О Ш

ж ^

^ О

О I-

Исследование основных параметров эксплуатации трубопроводов исследование режима перекачки нефти; конструктивные особенности трубопровода; влияние окружающей среды;

состав и содержание отложений, их физико-механические свойства; свойства перекачиваемой нефти и ее фракционный состав

Выбор способа равномерного запарафинивания внутренней поверхности нефтепровода

Установление теплового режима

Способ перемещения и уплотнения АСПО

Выбор технических средств и технических устройств для обеспечения равномерного распределения АСПО как по сечению трубы, так и по длине трубопровода

Рис. 1. Комплексная программа запарафинивания нефтепроводов

• разработка рациональныхе теплогидравли-ческих режимов перекачки различных нефтей по трубопроводам;

• проведение оценки влияния различных факторов на процесс транспортировки высоковязких и парафинистых нефтей по магистральным нефтепроводам, в том числе и на процесс теплообмена между перекачиваемой нефтью и окружающей средой;

• разработка и совершенствование существующих методов и способов транспортировки высоковязких и застывающих нефтей и других реологических сложных продуктов нефтедобычи по трубопроводам.

Разработку технических устройств (скребков, поршней и т.д.) для создания равномерного контролируемого слоя АСПО необходимо выполнять на существующей базе конструкций и типоразмеров устройств для очистки внутренней полости нефтепроводов путем изменения конструкции в части геометрии и подбора материала манжет и поршней известных конструкций, хорошо зарекомендовавших себя на практике.

В работе показаны возможные новые направления рационального использования контролируемого слоя АСПО на внутренней поверхности в положительных целях, при этом данное направление необходимо рассматривать в части теоретических основ и промышленных экспериментов. Указанный подход к проблеме в полной мере не изучен, но имеет право на существование и даже,

возможно, в дальнейшем будет более целесообразным чем борьба с отложениями. В настоящее время не существует универсальных и достаточно эффективных методов и средств очистки нефтепроводов. И может быть, с парафинизацией не стоит бороться именно традиционными методами, а лучше использовать рассмотренный в работе подход к решению проблемы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриев М.Е., Хасанова К.И., Мастобаев Б.Н. Экспериментальные исследования процесса парафиниза-ции континентальных нефтепроводов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2011. Вып. 1. С. 12-15.

2. Дмитриев М.Е., Хасанова К.И., Мастобаев Б.Н. Анализ результатов экспериментальных исследований по влиянию различных факторов на процесс парафи-низации магистральных нефтепроводов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2011. Вып. 2. С. 10-14.

3. Мастобаев Б.Н., Дмитриев М.Е., Хасанова К.И. Совершенствование систем мониторинга парафиниза-ции нефтепроводов шельфовых месторождений // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012. № 4. С. 44-47.

4. Хасанова К.И., Дмитриев М.Е.,Мастобаев Б.Н. Повышение эффективности применения средств и методов борьбы с асфальтосмолопарафиновыми отложениями в процессе транспорта нефти по магистральным трубопроводам // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2013. № 3. С. 7-12.

NEW DIRECTIONS OF USE OF ASPHALTENE DEPOSITION IN PIPELINE TRANSPORT OF OIL

Gilmutdinov N.R., General Director of Transneft Urals, JSC

Transneft Urals, JSC (10, Krupskoy Str., 450077, Ufa, the Republic of Bashkortostan, Russia ). Dmitriev M.E., Cand. Sci. (Tech.), Docent

Mastobaev B.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Transport and Storage of Oil and Gas

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, the Republic of Bashkortostan,

Russia)

E-mail: MDmit@mail.ru

ABSTRACT

The paper discusses new directions of use of controlled layer of asphaltene deposition in oil transportation through trunk pipelines. One of such directions is the creation of a uniform, monitored layer of asphaltene deposits on the inner surface of pipes. This protects the pipe from corrosion, serves as a heat insulating material, as well as the coating reduces inner surface roughness of the pipe.

Keywords: paraffin deposits, corrosion protection, thermal insulation.

REFERENCES

1. Dmitriev M.E., Hasanova K.I., Mastobaev B.N. Experimental studies of inland pipeline waxing. Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syrja [Transport and storage oil product and hydrocarbon], 2011, no. 1, pp. 12-15.

2. Dmitriev M.E., Hasanova K.I., Mastobaev B.N. Analysis of the results of experimental research on the influence of various factors on the process of oil trunk pipelines waxing. Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syrja [Transport and storage oil product and hydrocarbon], 2011, no. 2, pp. 10-14.

3. Mastobaev B.N., Dmitriev M.E., Hasanova K.I. Improving systems of monitoring waxing oil offshore fields. Nauka i tehnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov [Science and technology of pipeline transportation of oil and petroleum products], 2012. no. 4, pp. 44-47.

4. Hasanova K.I., Dmitriev M.E., Mastobaev B.N. Improving the efficiency of the use of means and methods of combating asphaltene deposition in oil transportation by trunk pipelines. Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ja [Transport and storage oil product and hydrocarbon], 2013, no. 3, pp. 7-12.