Проблемы транспортирования тяжелых нефтей

УДК 622.692.4

1роблемы транспортирования тяжелых нефтей

особенностью предстоящего этапа развития нефтегазовых отраслей является освоение месторождений высоковязких, тяжелых, сверхтяжелых (битуминозных) неф-тей с целью увеличения ресурсов углеводородного сырья. Создание технологий их добычи, транспортирования и переработки является серьезной проблемой. Включение в запасы традиционной нефти запасов битуминозной изменяют расстановку стран по запасам нефти, например, Канада перемещается с 12 на второе место, а Россия с 8 на четвертое [1].

Первопроходец в добыче битуминозной нефти — Венесуэла. Эксплуатация ряда месторождений в этой стране началась ещё в 1979 г., но значительных успехов удалось добиться лишь в конце 1990-х с появлением более совершенных технологий. Сейчас около 25% добываемой в Венесуэле нефти (700 тыс. баррелей в день) приходятся именно на тяжелую нефть. К 2020 г. венесуэльское правительство планирует увеличить ее производство до 3 млн баррелей в день.

Для вовлечения тяжёлых и битуминозных нефтей в разработку и дальнейшую переработку требуется модернизация всего нефтяного комплекса. США и Канада уже внесли значительный вклад в развитие современных технологий добычи и переработки таких нефтей, и Канада наращивает объемы добычи.

Принципиально новым подходом к технологии производства тяжелой нефти в США и Канаде является фактический перенос процессов глубокой переработки нефти для получения синтетической нефти непосредственно на месторождение. Транспортируется же смесь нефтей синтетической и битуминозной. На месторождениях готовятся 5-6 вариантов смесей битуминозной нефти с продуктами ее облагораживания для транспортировки до НПЗ (дальнейшая переработка на существующих НПЗ позволит минимизировать затраты на модернизацию). В США планируется к 2015 г. окончание строительства всей инфраструктуры добычи, транспорта, переработки канадской битуминозной нефти.

В России тяжелую нефть наиболее активно добывают в Татарстане. Ведущей добывающей компанией по высоковязкой нефти в России является ОАО «Татнефть». В республике разработана «Программа развития ТЭК Республики Татарстан на период до 2020 года», которая предусматривает ввод в разработку 45 подготовленных к освоению месторождений природных битумов (битумной нефти) с разведанными запасами 43,5 млн т и доведение их добычи до 1,92 млн тонн в 2020 г.

Тяжёлую нефть удается извлекать с применением термогравитационного дренирования, закачивая в пласты пар и растворители, что позволяет осуществлять промысловую транспортировку нефти на установку подготовки нефти (УПН). На Баклановском месторождении было решено опробовать вихревую теплогенерирующую установку, которая позволяет нагреть добываемую жидкость и снизить ее вязкость, в результате чего возможна ее будущая транспортировка на УПН.

Н.А. ГАРРИс, д.т.н., проф., зав. кафедрой «Гидравлика и гидромашины»,

О.Ю. пОЛЕТАЕВА, к.т.н., доцент кафедры «Гидравлика и гидромашины»,

Р.Ю. ЛАТыпОВ, студент

уфимский государственный нефтяной

технический университет

E-mail: ol612@ mail.ru

Рассмотрены проблемы добычи и транспортирования тяжёлых и сверхтяжёлых нефтей. Дан обзор методов физико-химического воздействия на реологические свойства таких нефтей с целью обеспечения перекачки по трубопроводам: магнитное, электромагнитное, у- и УФ-излучение, волновое (электроимпульсное), использование кавитационного эффекта. Выделены проблемы транспортирования, связанные с теплообменом трубопровода и окружающей среды, нестационарными процессами неизотермических трубопроводов.

ключевые слова: тяжёлая нефть, высоковязкая нефть, добыча, трубопроводный транспорт, реологические свойства, физико-химическое воздействие.

ТРАНспОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕпРОДукТОВ И углеводородного сырья № 3 2013

На выбор технологии добычи и транспортирования (режимы, оборудование) значительное влияние оказывают реологические свойства нефтей. Вязкость нефтяного сырья также важна и для её переработки.

Для улучшения реологических свойств аномальных нефтей проводится огромный объем работ. Наиболее актуальными являются исследования методов физико-химического воздействия на тяжелую нефть.

Для изменения реологических свойств высоковязких нефтей применяются традиционно сложившиеся технологии, основанные на внесении в поток либо дополнительной тепловой энергии («горячие» трубопроводы с системами попутного электроподогрева), либо различного рода разбавителей (например, маловязкая нефть, газовый конденсат и т.п.), либо совместное их воздействие. Также используются: перекачка газонасыщенных нефтей, перекачка в виде водной эмульсии, перекачка с присадками и поверхностно-активными веществами.

При создании технологий по добыче и транспортировке тяжелых и сверхтяжелых нефтей, безусловно, можно и нужно опираться на опыт работы с высоковязкими нефтями, но требуются значительные изменения технологий.

При добыче битуминозных тяжёлых нефтей проблемы транспортировки начинаются на месторождении. Так как этот процесс представляет собой перекачку многофазной смеси со значительным содержанием механических примесей, то разделение высокодисперсных эмульсий, стабилизированных механическими примесями, требует разработки новых методов подготовки нефти, так как данные эмульсии трудно разрушаются существующими способами.

Известно, что электромагнитное воздействие на эмульсии вызывает поляризацию капель воды и их взаимное притяжение, что приводит к значительному ускорению коагуляции и коалесценции капель воды и способствует разделению фаз. В ОАО «Гипротюменнефтегаз» были проведены исследования воздействия: у- и УФ-излучений на компоненты эмульсии, постоянного магнитного поля на неподвижные и движущиеся в поле жидкости, а также электромагнитных полей СВЧ и УКВ диапазонов, в частности, запатентован способ, в котором после введения раствора поверхностно-активных веществ эмульсию обрабатывают в электрическом поле [2].

Для НПЗ и для промысловой подготовки нефти разработано значительное число методов по разрушению ловушечных эмульсий, как правило, это комбинация теплового, волнового (электроимпульсного) воздействия, деэмульгатора, использования катодной воды [2,3].

Что касается «горячих» трубопроводов, то подогрев нефти печами, установленными через каждые 25-100 м (для высоковязких нефтей) требует значительных энергетических затрат. Кроме того, ги-

дравлический режим таких трубопроводов в значительной степени определяется условиями его теплообмена с окружающей средой. Температурный режим нефтепровода зависит от пропускной способности, условий передачи тепла от нефти в окружающую среду и других факторов.

Если в промысловых условиях для подготовки нефти к транспортированию необходим деэмуль-гатор для разрушения стойкой эмульсии, то для магистрального транспорта нефти в виде эмульсии необходим, наоборот, эмульгатор, придающий максимальную устойчивость.

Применение присадок перспективно для улучшения реологических свойств нефтей, но требуются новые, эффективные именно для тяжелых и сверхтяжелых, причем механизм действия таких реагентов не выяснен окончательно.

Известно, что нефть представляет собой нефтяную дисперсную систему, в которой возможны фазовые переходы при изменении внешних условий. Структурным элементом нефтяной дисперсной системы является так называемая сложная структурная единица, и путём внешних воздействий на параметры этой единицы возможно вызвать целенаправленные изменения нефтяной дисперсной системы.

Перспективными для изменения реологических свойств являются физические методы воздействия, позволяющие создавать аппаратно-тех-нологические решения.

Например, в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» разработан метод генерируемых импульсными электрическими разрядами ударных волн, позволяющий осуществить комбинированное тепловое и механическое воздействие на нефть [4]. В результате ударно-волнового воздействия наблюдается снижение вязкости, за счет уменьшения размера сложной структурной единицы, но изменение вязкости носит циклический характер. Кроме того, при прохождении волны возможно образование паровых пузырьков и дальнейшее их схлопывание, что повышает температуру нефти. Например, динамическая вязкость мазута при данной обработке при 220С снижается с 0,27 до 0,18 Пуаз.

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 3 2013

Также предлагается использование кавитаци-онного эффекта, когда при схлопывании микропузырьков вокруг и внутри них возникает локальное повышение температуры (технологии переработки нефти, разработанные ООО «НПЦ «Термакат», г. Уфа, ООО «ИК «Нефтегазовые системы», г. Москва, используют кавитационно-акустический насос) [5].

Проектирование и эксплуатация технологических и магистральных трубопроводов должны основываться на современных методах и технологиях, подкрепленных достоверными инженерными расчётами, позволяющими прогнозировать оперативную обстановку на любой стадии пуска, перекачки, остановки, возобновления перекачки и дающими возможность привлечения разнообразных средств для обеспечения необходимых тепловых и гидродинамических режимов. Для трубопроводов, работающих в неизотермических режимах, проложенных в обводненных грунтах и многолетнемерзлых грунтах проблема эффективной технологии эксплуатации с одновременным соблюдением требований экологической безопасности встает особенно остро и является актуальной.

Еще в начале 60-х годов ХХ века В.С. Яблонским была основана школа расчета «горячих» трубопроводов. Был разработан весь комплекс вопросов, связанных проектированием, расчетом эксплуатационных режимов «горячих» трубопроводов и мазуто-проводов при температурах выше 100°С (125-135°С), включая остановку, пуск и возобновление перекачки. Многие трубопроводы, по которым перекачиваются высоковязкие нефти (Озен-Суат-Грозный, уникальный «горячий» трубопровод Узень-Гурьев-Куйбышев, построенный в 1968-1970 гг., все мазу-топроводы Башкортостана) были рассчитаны по методикам, разработанным сотрудниками кафедры «Гидравлика и гидромашины» П.И. Тугуновым, В.В. Новоселовым, Н.А. Гаррис, Л.С. Абрамзоном.

В настоящее время накоплен значительный опыт в области теплообмена трубопроводов с окружающей средой в различных температурно-климатических условиях. Ведутся разработки уникальных способов прокладки и эксплуатации трубопроводов в мерзлых грунтах, предупреждающих прогрессирующее протаивание грунтов с соблюдением требований экологической безопасности.

На основе комплексного теоретического, экспериментального исследования теплогидравлических и теплофизических нестационарных процессов, происходящих в системе трубопровода, разрабатываются методы теплогидравлического расчёта нестационарных режимов работы неизотермических

трубопроводов, исследуются теплофизические процессы в обводненном и мерзлом грунтах, разрабатывается алгоритм расчёта температурных режимов, теплопотерь, времени прогрева.

Разработан метод расчёта, отличительной особенностью которого является учёт переменности подачи насосов при пуске, возобновлении перекачки, изменении режимов при частичном отключении насосно-силового оборудования и подогревателей. Рассматриваются ситуации непрерывной, циклической перекачки, аварийные ситуации.

Ведутся исследования электромагнитного воздействия при промысловой подготовке нефти, газа и воды.

В недалеком будущем месторождения тяжёлых и сверхтяжёлых нефтей могут стать одними из основных источников нефтяного сырья. Несмотря на то, что эксперты нефтяной отрасли России не верят, что в ближайшие годы страна может значительно продвинуться в деле разработки тяжелой нефти, нужно отметить, что все российские нефтяные компании начали инвестировать в подобные проекты. Сегодня государство осознало важность поиска новых технологий и оборудования для добычи тяжёлой, высоковязкой нефти. Введенные правительством РФ льготы по НДПИ для выработки сверхвязких и тяжёлых нефтей должны стать серьёзным стимулом для активизации разработки этих месторождений. Реализация этих задач возможна только в условиях активного научного поиска и освоения эффективных инновационных технологических решений в области нефтедобычи.

список литературы

1. Левинбук М.И. О некоторых проблемах модернизации современных комплексов нефтепереработки // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. — 2010. — № 8. — С. 3-8.

2. Пат. 2093242 РФ, 1997. Способ разрушения во-донефтяной эмульсии.

3. Пат. 2183132 РФ, 2002. Способ разрушения во-донефтяной ловушечной эмульсии.

4. Григорьев А.Л., Десятов А.В., Корба О.И., Нагель ЮА., Скороходов А.С., Уварова И.В. Повышение отбора дистиллятов и снижение вязкости мазута при воздействии высоковольтных импульсных электрических разрядов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. — 2010. — № 8. — С. 16-21.

5. Курочкин А.К., Топтыгин С.П. Синтетическая нефть. Безостаточная технология переработки тяжелых российских нефтей на промыслах // Сфера нефтегаз. — 2010. — № 1. — С. 92-105.

транспорт И ХРАНЕНИЕ нефтепродуктов И УГЛЕВОДОРОДНОГО сырья № 3 2013

PROBLEMS OF LOW-GRADE OIL TRANSPORTATION

Gams N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department «Hydraulics and Hydraulic Machines»

Poletaeva O., Candidate of Technical Sciences, Docent, Department «Hydraulics and Hydraulic Machines»

Latypov R., Student

Ufa State Petrolium Technological University

Kosmonavtov str., 1, Ufa 450062 Russian Federation

E-mail: ol612@mail.ru

ABSTRACTS

Questions of low-grade oil production and transportation were considered, methods of physical and chemical effect to rheological properties to facilitate transportation were presented, such as: magnetic action, electromagnetic action, y- and UV-radiation, wave action, cavitation effect application. Problems of transportation connected to heat exchanging between pipeline and terrestrial environment cause it is no stationary process of non-isothermal pipelines.

Keywords: low-grade oil, synthetic crude oil, high-viscosity oil, production, pipeline transportation, rheological properties, physical and chemical effect.

REFERENCE

1. Levinbuk M.I. O nekotorykh problemakh modernizatsii sovremennykh kompleksov neftepererabotki [About some problems of modernization of an oil complex]. Mir nefteproduktov. Vestnik neftyanykh kompaniy — World of Oil Products. The Oil Companies' bulletin, 2010, no. 8. pp. 3-8. (Rus).

2. Patent 2093242 RF, 1997. Sposob razrusheniya vodoneftyanoy emul'sii [Method for breaking oil-water emulsions]. (Rus).

3. Patent 2183132 RF, 2002. Sposob razrusheniya vodoneftyanoy lovushechnoy emul'sii [Method for destroying the trapped oil-water emulsion]. (Rus).

4. Grigor'yev A.L., Desyatov A.V., Korba O.I., Nagel' Yu.A., Skorokhodov A.S., Uvarova I.V. Povysheniye otbora distillyatov i snizheniye vyazkosti mazuta pri vozdeystvii vysokovol'tnykh impul'snykh elektricheskikh razryadov [Raise of distillates yield and fuel oil viscosity decrease by affecting with high-voltage pulsing electric discharges]. Mir nefteproduktov. Vestnik neftyanykh kompaniy — World of Oil Products. The Oil Companies' bulletin, 2010, no. 8. pp. 16-21. (Rus).

5. Kurochkin A.K., Toptygin S.P. Sinteticheskaya neft'. Bezostatochnaya tekhnologiya pererabotki tyazhelykh rossiyskikh neftey na promyslakh [Synthetic oil. Residue technology of heavy Russian oil in the oil fields] Sfera neftegaz — Sphere oil and gas. 2010, no. 1, pp. 92-105. (Rus).

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 3 2013