Удосконалення технології перекачування нафти з урахуванням її неньютонівських властивостей

Abstract

У результаті експериментальних досліджень виявлені закономірності впливу сезонних чинників та температури підігріву на реологічні властивості високов’язкої швидкозастигаючої долинської нафти. Обґрунтовані границі застосування реологічних моделей Шведова-Бінгама і Балклі-Гершеля для опису реологічної поведінки долинської нафти в трубопроводі. Одержані аналітичні залежності граничного динамічного напруження зсуву і пластичної в’язкості від температури підігріву і робочої температури для кожного місяця перекачування. Створена методологія трубопровідної гідродинаміки в’язкопластичних та нелі-нійнов’язкопластичних рідин. Вона передбачає спільне розв’язування формули Да-рсі-Вейсбаха і відповідного рівняння течії рідини та одержання аналітичних виразів для коригувальних коефіцієнтів, які враховують збільшення гідравлічного опору нафтопроводу при перекачуванні рідини з неньютонівськими властивостями. Розроблена методика прогнозування режимних та енергетичних параметрів нафтопроводу при неізотермічному перекачуванні рідини, що характеризується неньютонівськими властивостями. На її базі запропонований метод обгрунтування температури підігріву рідини з неньютонівськими властивостями за критерієм мінімальних сумарних питомих витрат енергії на її підігрів та перекачування.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературных источников и приложений. В первом разделе приведен анализ работ по вопросам совершенствования технологии трубодроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов. Показано, что реологические модели жидкости непосредственно связаны с закономерностями ее движения в трубопроводе. Для отечественных высоковязких нефтей основным способом влияния на реологические характеристики с целью улучшения транспортабельных свойств является использование технологии перекачки с предварительным подогревом. Анализ показал, что в имеющихся работах не исследовано влияние сезонного фактора и температуры подогрева на реологические характеристики нефти отечественных месторождений. Не до конца разработана методология трубопроводной гидродинамики нефти, характеризующейся вязкопластичными и нелинейновязкопластичными свойствами. Второй раздел посвящен экспериментальным исследованиям реологических свойств долинской нефти. Исследования проведены для ежемесячных проб нефти, перекачиваемых нефтепроводом Долина-Дрогобыч с мая 2007 г. по апрель 2008 г. Для каждой пробы нефти рассматривались температуры подогрева 50 °С, 55 °С, 60 °С, 65 °С и 70 °С. Для каждой температуры подогрева реологические исследования проводились в рабочем диапазоне температур от температуры подогрева до 0 °С. В общей сложности выполнено свыше 500 экспериментов, по результатам которых построены кривые течения долинской нефти. Методом математического моделирования получены коэффициенты реологических моделей Шведова-Бингама и Балкли-Гершеля. Установлено, что реологические характеристики долинской нефти существенно зависят от температуры ее подогрева, а также от сезонного фактора. Для каждого месяца получены аналитические зависимости реологических характеристик долинской нефти от температуры подогрева и рабочей температуры в трубопроводе. Третий раздел содержит результаты разработки методологии трубопроводной гидродинамики вязкопластичной и нелинейновязкопластичной жидкости. Путем совместного решения формулы Дарси-Вейсбаха и соответствующих уравнений течения получены аналитические выражения для корректирующих коэффициентов, учитывающих увеличение гидравлического сопротивления трубопровода при перекачке жидкостей с неньютоновскими свойствами. Математические модели охватывают области ламинарного и турбулентного течения высоковязкой жидкости, они дают возможность достоверно прогнозировать режим работы нефтепровода. Четвертый раздел содержит результаты реализации математических моделей в вычислительных алгоритмах и программном обеспечении. На базе результатов экспериментальных и теоретических исследований разработана методика прогнозирования режимных и энергетических параметров работы нефтепровода при неизотермической перекачке нефти, обладающей неньютоновскими свойствами. Методика реализована в программном обеспечении. Программа использована для теплогидравлических расчетов нефтепровода Долина-Дрогобыч для каждого месяца перекачки долинской нефти при разных температурах ее подогрева. На базе полученных результатов выполнена оптимизация температуры подогрева долинской нефти при использовании в качестве критерия минимальных суммарных удельных затрат энергии на ее подогрев и перекачку. Результаты диссертационной работы в виде пакета методик и программ переданы для использования в «Институт транспорта нефти», (г. Киев). Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций по оптимизации температуры подогрева долинской нефти с учетом ее неньютоновских свойств составляет 130 тыс. грн/год.

Regularities of influence of seasonal factors and preheat temperature on rheological properties of high-viscosity and high-wax oil from Dolyna oil field have been experimentally discovered. Limits of applying Shvedov-Bingham and Hershel-Buckley rheologic models to describe rheological behaviour of Dolyna oil in the pipeline have been substantiated. Analytic dependencies of ultimate dynamic sheer stress and plastic viscosity on preheat and operation temperatures have been established for every month of oil pumping. Pipeline fluid dynamics methodology has been developed for viscoplastic and nonlinearly viscoplastic fluids. The methodology provides for joint solution of Darcy-Weisbach formula and the corresponding fluid flow equation, and derivation of analytical expressions for adjusting factors, taking into consideration increase in piping friction caused by non-Newtonian fluid pumping. A technique of forecasting pipeline operating conditions and energy parameters has been developed for non-isothermal pumping of non-Newtonian fluid. Following this technique, a preheat temperature substantiation method for non-Newtonian fluid has been suggested based on a criterion of minimum total specific power consumption for preheating and pumping.