Определение оптимального метода трубопроводной транспортировки высоковязкой нефти Варандейского месторождения



Ключевые слова: тяжелая нефть, нефть, Варандейское месторождение, тяжелая сырая нефть.

В последние десятилетия в Российской Федерации наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли тяжелой и битумной нефти в общем объеме добычи. Данные нефти имеют высокие показатели динамической вязкости (свыше 1000 cП при температуре 298 К) и плотности (более 870 кг/м ³ ), что в значительной степени приводит к осложнениям при их транспортировке от промысла до конечного потребителя. Исходя из того, что практически все месторождения в значительной степени удалены от основных потребителей и располагаются в районах со слаборазвитой транспортной инфраструктурой, то вопрос реализации и технологичности трубопроводного транспорта таких нефтей является очень важной и актуальной задачей. В настоящей работе будут проанализированы существующие технологии трубопроводной транспортировки тяжелых и битумных нефтей, выявлены их основные достоинства и недостатки, определены наиболее оптимальные параметры перекачки для тяжелой нефти с Варандейского месторождения [3].

Традиционная технология трубопроводного транспорта легкой и средней нефти хорошо отработана и имеет относительно невысокие удельные энергетические затраты, но для транспортировки тяжелых и битумных нефтей стандартные методы транспортировки не подходят. В связи с высокими гидравлическими сопротивлениями потока нефти и большими объемами отложений асфальтенов и парафинов на внутренних поверхностях труб, приходится применять более сложные комплексы технологически манипуляций для обеспечения их трубопроводного транспорта. Классификация существующих методов транспортировки тяжелых нефтей представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Методы транспортировки тяжелых нефтей

Рассмотрим каждый метод более подробно.

1.Подгорев нефти («горячая» перекачка)

Данный метод включает в себя предварительный нагрев тяжелой и битумной нефти с последующим нагревом трубопровода. Эффективность метода заключается в снижении гидравлического сопротивления при транспортировке в связи со снижением вязкости нефти с повышением температуры.

2.Эмульгирование

Естественные эмульсии встречаются при добыче нефти, при транспортировке могут применяться искусственные эмульсии воды в нефти (В / Н) и более сложных (двойных) эмульсий, таких как эмульсии нефть в воде в нефти (Н / В / Н).

Рис. 2. Типы эмульсий при совместной транспортировке нефти и воды

3.Применение добавок (депрессорных присадок)

Подавление вязкости за счет использования депрессантов температуры застывания помогает улучшить транспортировочные свойства потока нефти. Температура застывания называют температуру, при которой нефть перестает течь и теряет свои текучие свойства. Тяжела нефть трудно транспортируется при низких рабочих температурах, так как снижение температуры вызывает рост парафиновых кристаллов в структуре потока [1]. Кристаллизация зависит от состава нефти, температуры и давления при транспортировке.

4.Керно-кольцевой поток

Керно-кольцевой поток — это технология, облегчающая поток тяжелой нефти по трубопроводу за счет формирования базового пристенного кольцевого водяного потока, направленного на снижение падения давления в трубопроводе из-за трения. Эффективность коммерческой реализации кольцевого потока связана с его адаптивностью к существующим трубопроводным системам, в частности с его способностью применяться с другими типами жидкостей, которые не включены в режим основного потока. Метод керно-кольцевого потока основан на использовании низкой вязкости воды и высокой плотности тяжелой нефти для формирования концентрической схемы потока, где тонкая пленка воды образуется на внутренней стенке трубы, «смазывая» поток активной жидкости — тяжелой нефти.

5.Модернизация на месте (in situ)

Растущая эксплуатация огромных ресурсов тяжелой нефти для удовлетворения глобального спроса на энергию и забота об окружающей среде привели к включению модернизации на месте с повышением нефтеотдачи. Модернизация «in situ» достижима во время методов термической рекуперации, это процессы основаны на снижении вязкости тяжелой сырой нефти под воздействием тепла для улучшения ее потока из нефтяного коллектора в добывающую скважину. Модернизация происходит из-за того, что тяжелые молекулы расщепляются на более мелкие молекулы термически. [4] Эти реакции термического крекинга «in situ» снижают вязкость тяжелой нефти, тем самым улучшая ее поток.

6.Разбавление (смешивание)

Разбавление (смешивание) тяжелой сырой нефти с легкими углеводородами или органическими растворителями является наиболее стандартным и предпочтительным методом транспортировки высоковязких нефтей. Экономически эффективные разбавители, используемые для повышения транспортабельности тяжелой нефти в трубопроводах, являются относительно дешевыми и легкодоступными. Широко используемые разбавители включают легкую сырую нефть, нафту, керосин и т. д., а также легкий конденсат природного газа, побочный продукт переработки природного газа [2]. Однако недавно стали применять новый органические растворители, таких как спирт, метил-трет-бутиловый эфир, трет-амилметиловый эфир и диметиловый эфир [6]. Кроме того, разбавление помогает операциям обессоливания и обезвоживания в дальнейшем. Полученная смесь тяжелой сырой нефти и разбавителей имеет более низкую вязкость и поэтому ее легче перекачивать при меньших затратах. Для разбавления тяжелой сырой нефти и битума для улучшения транспортировки по трубопроводам требуется два трубопровода, один для нефти, а другой для разбавителей. Использование разбавителей для повышения транспортабельности тяжелой сырой нефти и битума в трубопроводах было бы экономически эффективным, если бы разбавители были относительно дешевыми и легкодоступными. Также отделение разбавителей от нефти требует установки дополнительных трубопроводов, которые впоследствии увеличивают эксплуатационные расходы. Также для разбавления тяжелых нефтей используют легкий конденсат. Легкий конденсат природного газа представляет собой низкоплотную и маловязкую смесь углеводородных жидкостей, которая является побочным продуктом переработки природного газа, но его использование не эффективно из-за недостаточного производства конденсата для растущей добычи тяжелой нефти, компоненты конденсата могут вступать в реакцию с альфальтенами, которые присутствуют в нефти и выпадать осадок, сложность хранения конденсата [6]. На данный момент в большинстве случаев используют смешивание тяжелой нефти и легкой, как наиболее выгодный и менее сложный метод транспортировки нефтей. Другим распространенным разбавителем является нафта (продукт нефтепереработки, получаемый при перегонке нефти (также лигроин или нефтяной спирт). Нафта обладает высокой плотностью и демонстрирует хорошую совместимость с асфальтенами. Установлено, что вязкость смеси тяжелой нефти, разбавленной смесями нафты снижается. Поэтому использование лигроина является наиболее перспективным вариантом на ближайшее будущее [5].

Основные достоинства и недостатки каждого метода транспортировки представлен в таблице 1.

Таблица 1

Достоинства и недостатки существующих методов транспортировки высоковязких нефтей

Название метода	Достоинства	Недостатки
Подогрев	— Самый эффективный метод для снижения вязкости — Невозможно образование пробок	— Значительные энергетические и экономические затраты — Повышенная коррозия — Требуется большое количество тепловых пунктов — Может вызвать изменения в деформационных свойствах сырой нефти — Может привести к нестабильности потока — Не может использоваться в подводном трубопроводе
Эмульгирование	— Эмульсия может образовываться сама в месторождении — Значительное снижение вязкости — Не требуются большие мощности	— Ускоренное образование коррозии — Сложно ломать связи — Повышенная вероятность отложения солей, что приводит к сужению сечения — Использование дополнительного оборудования для разделения эмульсии
Применение добавок (депрессорных присадок)	— Отсутствие в крупных затратах для реализации — Достаточно экологичный метод	— Необходимость постоянного изменения состава депрессантов из-за изменения нефти — Наличие оборудованной лаборатории — Проблема отделения добавок от нефти — Проблема в квалифицированных кадрах
Керно-кольцевой поток	— Не требует больших затрат	— Нестабильность режима потока — Загрязнение и коррозия стенок труб — Образование пробок — Возможна стратификация двух фаз — Сложность в реализации
Модернизация «in situ»	— Легкая комбинируемость с другими методами — Наиболее долговечен	— Крупные затраты на реализацию — Крайне не экологичный метод — Долгая окупаемость
Разбавление (смешивание)	— Не требует больших затрат, особенно в случае необходимости транспортировки разбавляющей среды; — Не требует дополнительного оборудования	— Ухудшается качество разбавителя

Анализируя достоинства и недостатки существующих методов транспортировки высоковязких нефтей, очевидно, что наиболее оптимальным методом является смешивание тяжелой нефти с разбавителем, при наличии его рядом с местом добычи в необходимом объеме.

Рассмотрим возможность применения данного способа для тяжелой нефти с Варандейского месторождения.

Добываемая на Варандейском месторождении нефть имеет высокую вязкость, порядка 7,88 сСт, и плотность 901 кг/м ³ при температуре 298 К. Юго-Восточнее Варандейского месторождения имеется Ярейюское нефтегазоконденсатное месторождение. Рассмотрим характер изменения вязкости при смешивании в различных долях нефти, добываемой на Варандейском месторождении, с нефтью и газовым конденсатом с Ярейюского нефтегазоконденсатного месторождения или керосином.

Вязкость смеси определяем исходя из номограммы Г. В. Виноградова, которая составлена из формулы Вальтера [8]:

(1)

Результаты расчета вязкости при смешивании Варандейской тяжелой нефти с различными разбавителями представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчета вязкости смеси Варандейской тяжелой нефти с различными разбавителями

Вязкость варандейской нефти [сСт]	Вязкость ярейюской нефти [сСт]	Вязкость газового конд. [с Ст ]	Вязкость керосина [с Ст ]	Объемное содер. разбав. [%]	Варан. + яр. нефть [сСт]	Варан. нефть + газ. конденсат [сСт]	Варан. нефть + керосин [сСт]
7,88	4,98	1,36	1,82	5	7,69	6,99	7,17
7,88	4,98	1,36	1,82	10	7,5	6,22	6,54
7,88	4,98	1,36	1,82	15	7,32	5,57	5,98
7,88	4,98	1,36	1,82	20	7,15	5	5,49
7,88	4,98	1,36	1,82	25	6,98	4,51	5,05
7,88	4,98	1,36	1,82	30	6,81	4,08	4,65
7,88	4,98	1,36	1,82	35	6,6	3,71	4,3
7,88	4,98	1,36	1,82	40	6,5	3,38	3,98
7,88	4,98	1,36	1,82	45	6,35	3,09	3,69
7,88	4,98	1,36	1,82	50	6,21	2,82	3,43

Анализируя результаты расчета, можно сделать следующие выводы:

— смешение нефтей Варандейского и Ярейюского месторождений в равных пропорциях (50 % + 50 %) приводит к снижению вязкости на 26,89 %, что является существенным для транспортировки и теоретически может быть иметь место к реализации;

— смешение нефти Варандейского месторождения и керосина в равных пропорциях (50 % + 50 %) приводит к снижению вязкости на 56,47 %, однако, для реализации данного метода необходимо строить дополнительные ректификационные колонны на Варандейском или Ярейюкском месторождениях для выделения керосиновой фракции из добываемых нефтей и решать проблемы с транспортировкой остающейся после перегонки тяжелой фракцией, поэтому данный метод не рекомендуется к внедрению;

— смешение нефти Варандейского месторождения и газового конденсата Ярейюского месторождения в равных пропорциях (50 % + 50 %) приводит к снижению вязкости на 64,2 %, данный метод является допустимым к реализации, при наличии необходимых объемов конденсата, при этом пред смешиванием нефти и конденсата, для стабильности потока, необходимо провести дегазацию конденсата.

Таким образом, нефть Варандейского месторождения можно транспортировать при смешивании с нефтью или газовым конденсатом Ярейюского месторождения, однако, учитывая сложные климатические условия транспортировки, более оптимальным является совместная транспортировка Варандейской нефти с газовым конденсатом.

Литература:

1. Абрамзон JI. С. Влияние присадок на реологические свойства нефтей. НТС «Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и нефтебаз».Тр. УНИ, вып.15. Уфа, Башкн. 1974. c. 20–30
2. Абрамзон JI.C., Исхаков Р. Г., Тугунов П. И., Рациональная перекачка вязких и застывающих нефтей совместно с разбавителем,-М. ВНИИОЭНГ, 1977. c. 59
3. Агапкин В. М., Особенности эксплуатации трубопроводов для транспорта высоковязких нефтей и нефтепродуктов, обзорная информация вып.1.М,1981. c. 21–25
4. Агапкин В. М., Челинцев С. Н., Перекачка высоковязких и застывающих нефтей и нефтепродуктов за рубежом.М., изд. ВНИИОЭНГ, 1974. c. 86–90
5. Акбарзаде К., Алленсон С., Крик Д. и др. (Лето 2007). Асфальтены: проблемы и перспективы. Нефтегазовое обозрение. c. 305–319
6. Алиев Р. А. Блейхер Э. М.Трубопроводный транспорт высоковязких и застывающих нефтей с жидкими углеводородными разбавителями.ТНТО, М., ВНИИОЭНГ, 1970. c. 21–26
7. Повышение эффективности перекачки высоковязких нефтей совместно с газом / Г. А. Булычев [и др.] // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.— 2015.— № 1.— URL: https://rucont.ru/efd/432148 — c.22–23
8. Расчетные и графические методы определения свойств нефти и нефтепродуктов: [учеб. пособие] / Ю. Г. Кирсанов; [науч. ред. М. Г. Шишов]; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. — c.76–80