Перекачка термически обработанных нефтей

 

Термообработкой нефти называется ее тепловая обработка, предусматривающая нагрев нефти выше температуры плавления парафинов и последующее охлаждение с заданной скоростью для улучшения реологических параметров.

Первые опыты по термообработке парафинистых нефтей и нефтепродуктов в нашей стране были выполнены еще в 30-х годах. Так, термическая обработка нефти Ромашкинского месторождения позволила снизить ее вязкость более чем в 2 раза и уменьшить температуру застывания на 20 ^оС.

Исследования позволили выявить ряд закономерностей, связанных с термической обработкой нефтей:

1. Термообработка позволяет улучшить реологические свойства только парафинистых нефтей, содержащих асфальто-смолистые вещества.

2. Термообработка вясокозастывающих парафинистых нефтей при температуре подогрева меньшей, чем температура плавления парафинов, резко ухудшает реологические свойства нефти.

3. Для парафинистых нефтей существует оптимальная температура подогрева, при которой эффект термообработки наибольший. Эта температура всегда выше температуры плавления парафинов, находящихся в нефти.

4. Чем больше в нефти отношение содержания парафинов к содержанию асфальтосмолистых веществ, тем меньше эффект термообработки.

5. На свойства термически обработанных нефтей большое влияние оказывают способ (в статике или динамике) и скорость охлаждения нефти.

Уже из данного перечня закономерностей, присущих термообработке, ясно, что достигаемое улучшение реологических свойств нефтей связано с видоизменением структуры парафина в процессе его кристаллизации, благодаря присутствию асфальтосмолистых веществ. Научное объяснение эффекта термообработки таково.

В обычных условиях при естественном охлаждении парафинистых нефтей образуется кристаллическая парафиновая структура, придающая нефти свойства твердого тела. Прочность структуры оказывается тем больше, чем выше концентрация парафина и чем меньше размеры образующихся кристаллов. Осуществляя нагрев нефти до температуры, превышающей температуру плавления парафинов, мы добиваемся их полного растворения. При последующем охлаждении нефти происходит кристаллизация парафинов. На величину, число и форму кристаллов парафина в нефти оказывает влияние соотношение скорости возникновения центров кристаллизации парафина и скорости роста уже выделившихся кристаллов. Асфальтосмолистые вещества, адсорбируясь на кристаллах парафина, снижают поверхностное натяжение на границе с ним. В результате процесс выделения парафина на поверхности уже существующих кристаллов становится энергетически более выгодным, чем образование новых центров кристаллизации. Это приводит к тому, что в термообработанной нефти образуются достаточно крупные кристаллы парафина. Одновременно из-за наличия на поверхности этих кристаллов адсорбированных асфальтенов и смол силы коагуляционного сцепления между ними значительно ослабляются, что препятствует образованию прочной парафиновой структуры.

Степень улучшения реологических параметров термообработанной нефти зависит от температуры ее нагрева и условий последующего охлаждения.

Существование оптимальной температуры термообработки (подогрева) связано со следующим. На поверхности кристаллов парафина адсорбированы асфальтосмолистые вещества, находящиеся в нефти. При малой температуре подогрева нефти часть кристаллов парафина растворяется и освободившиеся асфальтосмолистые вещества адсорбируются на поверхности нерастворившихся кристаллов парафина. Последующее охлаждение приводит к тому, что выпадающие из раствора мелкие кристаллы парафина образуют прочную структуру, повышающую эффективную вязкость и температуру застывания нефти. При повышении температуры подогрева нефти увеличивается количество растворяющихся кристаллов парафина и соответственно высвобождаемых асфальто-смолистых веществ. Однако поскольку число нерастворившихся кристаллов тугоплавких парафинов уменьшилось, то последние адсорбируют все меньше асфальтосмолистых веществ. При последующем охлаждении неадсорбированные асфальтосмолистые вещества способствуют образованию крупных кристаллов парафина, что положительно сказывается на реологических свойствах нефти. Наибольший эффект термообработки дает, когда все кристаллы парафина растворяются при нагревании. Однако дальнейший перегрев нефти приводит к необратимому разрушению содержащихся в ней асфальтосмолистых веществ и эффект термообработки снижается.

Поскольку у разных нефтей состав парафинов различен, то оптимальную температуру термообработки определяют экспериментально для каждой парафинистой нефти.

На рис. 2.7 показано влияние температуры термообработки на реологические параметры жетыбайской нефти.

Из него видно, что при температуре термообработки t_Т.о. около 50 ^оС температура застывания этой нефти не только не снижается, а, наоборот, возрастает. Дальнейшее увеличение температуры термообработки ведет к снижению t_заст. А начиная со значений t_Т.о.» 110 ^оС температура застывания термообработанной нефти снова растет.

 

 

Здесь же показан характер зависимости эффективной вязкости n_э и начального напряжения сдвига t_о жетыбайской нефти от температуры термообработки. Видно, что резкое уменьшение n_э и t_о имеет место лишь при t_Т.о. £ 90 ^оС, дальнейшее увеличение последней практически не дает эффекта.

На этом основании оптимальной температурой термообработки жетыбайской нефти является 90 ^оС.

Скорость охлаждения нефти влияет на процесс роста кристаллов парафина. При оптимальной температуре охлаждения образуются крупные конгломераты парафино-смолистых веществ, которые неравномерно распространяются по всему объему. В нефти, не подвергавшейся термообработке или термообработанной при неоптимальных температурах и охлажденной с неоптимальной скоростью кристаллы парафина мельче, число их больше, они более равномерно распределены по всему объему нефти и в отсутствие движения могут соединяться между собой, образуя достаточно прочную структурную решетку, в ячейках которой располагается жидкая нефть.

На рис. 2.8 показан характер зависимости температуры застывания и начального напряжения сдвига усинской и возейской нефтей от скорости их охлаждения при термообработке. Видно, что оптимальной для этих нефтей является скорость охлаждения 10...15 градусов в час.

	Рис. 2.8. Изменение реологических параметров высокопарафинистых нефтей в зависимости от скорости охлаждения:   1 - температура застывания узеньской нефти; 2 - температура застывания жетыбайской нефти; 3 – ее эффективная кинематическая вязкость; 4 - начальное напряжение сдвига

 

 

На результаты термообработки оказывает влияние также состояние нефти в процессе охлаждения. Если нефть охлаждать в движении (например, подогретую до оптимальной температуры нефть сразу закачивать в трубопровод), то ее реологические свойства хотя и улучшаются, но значительно меньше, чем при охлаждении в покое. В то же время охлаждение в динамике дешевле. Вместе с тем, исходя из того, что охлаждение в статических условиях призвано повлиять на структуру кристаллизующегося парафина, можно принять комбинированный метод охлаждения: от оптимальной температуры термообработки (~ 90 ^оС) до 40...60 ^оС нефть можно охлаждать в движении (почти весь парафин еще растворен), а начиная с 40...60 ^оС до эксплуатационной - с заданным темпом в статических условиях.

Необходимо отметить, что реологические параметры термообработанной нефти с течением времени ухудшаются и в конце концов достигают значений, которые нефть имела до термообработки. Характер изменения эффективной вязкости озексуатской и жетыбайской нефти после термообработки показан на рис. 2.9. Озексуатская нефть восстанавливает свои свойства за 3 суток, а жетыбайская - за 45. Так что не всегда достаточно термически обработать нефть один раз для решения проблемы ее трубопроводного транспорта.

 

	Рис. 2.9. Восстановление эффективной вязкости озексуатской (1) и мангышлакской (2) нефтей во времени после термообработки

 

 

Перекачка термообработанной нефти применяется в Индии на нефтепроводе Нахоркатья-Ганхати-Барауни (L = 1158 км, D = 400 и 350 мм, G = 3,25 и 2,25 млн.т/год.

Нефть месторождения Нахоркатья содержит 11,5 % парафина и имеет температуру застывания 32 ^оС. Благодаря термообработке при 87...102 ^оС, ее транспортируют при 18 ^оС (минимальная температура на глубине заложения трубопровода).

Принципиальная схема данного нефтепровода приведена на рис. 2.10. Нефть, имеющая температуру 37...52 ^оС, поступает с промысла по трубопроводу 1 в резервуарный парк 2 сырой нефти.

 

Рис. 2.10. Принципиальная технологическая схема перекачки термообработанной нефти по трубопроводу Нахаркатья-Ганхати-Барауни:

 

1 - подводящий трубопровод; 2,8,13 – резервуары;

3,7 -ттехнологические насосы; 4 - теплообменник типа

«труба в трубе»; 5 - печь подогрева; 6 - колонны статического

охлаждения; 7- подпорный насос; 10,12 -основные насосы;

11 -магистральный нефтепровод; ГНС - головная насосная станция;

ПНС - Промежуточная насосная станция; КП - конечный пункт

 

Для обеспечения всасывающей способности насосов в резервуарах ее температура поддерживается на уровне 37...42 ^оС. Далее насосами 3 нефть прокачивается через теплообменник 4 типа “труба в трубе”, где частично нагревается нефтью, уже прошедшей термообработку, и поступает в печь подогрева 5. Здесь ее нагревают до 87...102 ^оС. После печи горячая нефть, выполнив роль теплоносителя в теплообменнике 4 поступает в колонны статического охлаждения 6, количество которых равно 30. В колоннах нефть охлаждается с заданной скоростью и далее насосами 7 закачивается в резервуары 8 головной перекачивающей станции. В дальнейшем осуществляется изотермическая перекачка нефти.

Если термообработка высокопарафинистой нефти дает хорошие результаты, т.е. получаются низкие температуры застывания, эффективная вязкость и статическое напряжение сдвига, а также нефть имеет длительный срок восстановления реологических свойств, то ее можно транспортировать как обычную маловязкую. При этом надо учитывать, что потери на трение для каждого последующего перегона будут возрастать.

Однако применение данной технологии сдерживается очень высокими капитальными вложениями в пункты термообработки. Расчеты показывают, что при производительности нефтепровода 8 млн.т/год капиталовложения в пункт термообработки (в ценах 1980 г.) составляют 37,4 млн.руб, при производительности 18 млн.т/год - 76 млн.руб, а при производительности 38 млн.т/год - 152 млн.руб. Это очень дорого. Поэтому при технико-экономическом сравнении вариантов транспорта ваысокопарафинистых нефтей способ термообработки, как правило, проигрывает.