Исследование реологических свойств нефти

Уравнение, описывающее течение вязко-пластичных жидкостей, известно как уравнение Шведова-Бингама:

t = t0 + (m*) * du/dr. (5)

При рассмотрении кривых течения реальных вязкопластичных жидкостей можно наблюдать три характерных точки:

tС – напряжение сдвига, при котором начинается течение (статическое напряжение сдвига);

t0 – предельное (динамическое) напряжение сдвига;

tР – напряжение сдвига, при котором структура полностью разрушена и жидкость начинает течь как ньютоновская.

Исследования реологического поведения нефтей показали, что при температурах близких к температуре застывания нефти хорошо подчиняются модели Швидова-Бингама.

Пластическую вязкость можно выразить через реологические параметры t0 и m:

m* = m + t0/(du/dr) (6)

Структурообразование многократно повышает эффективную вязкость нефти, особенно при течении со сравнительно низкими скоростями.

Неньютоновские вязкие жидкости делятся на две группы:

а) жидкости, обладающие начальным напряжением сдвига t0; при t£t0 система ведет себя кактвердое тело;

б) жидкости не обладающие начальным напряжением сдвига t0.

Для неньютоновских вязких жидкостей вводится понятие кажущейся вязкости.

Вязкость неньютоновской жидкости, в отличие от вязкости ньютоновской, не является постоянной величиной, а зависит от величины напряжения сдвига:

m* ¹ const, m* = f (t, du/dr, T) (7)

Это сильно влияет на затраты энергии при перекачке по трубопроводам нефтей, содержащих дисперсные частицы.

Например, из-за того, что кажущаяся вязкость зависит от скорости сдвига (рис.2), потребуются дополнительные затраты энергии на разрушение структуры в начальный период при пуске насосных станций.

Рис.2. Зависимость кажущейся вязкости неньютоновской жидкости от скорости сдвига и температуры

 

Значение предельного напряжения сдвига в НДС зависит от температуры нефтяной системы.

Изменения, происходящие в зависимости от температуры в НДС с лиофобной дисперсионной средой (плохой растворитель) могут быть представлены: гель«золь. В случае лиофильной дисперсионной среды (хороший растворитель): гель«золь«раствор ВМС.

В области температур, при которых система находится в состоянии геля, структурно-механическая прочность и устойчивость системы зависит от состава дисперсионной среды, ее растворяющей способности, концентрации твердой фазы, соотношения в твердой фазе парафинов и асфальтенов. При повышении температуры свойства геля изменяются, уменьшается его механическая прочность и система приобретает текучие свойства; при температуре, соответствующей температуре застывания, нефть из связнодисперсного состояния переходит в свободнодисперсное состояние (состояние аномальной жидкости). При определенной температуре система переходит из состояния неньютоновской (аномальной) жидкости в состояние молекулярных растворов ВМС (ньютоновская жидкость), характеризующейся наименьшей вязкостью системы при данной температуре, зависящей только от природы компонентов и температуры системы, и подчиняющейся закону Ньютона.

Итак, при подогреве нефти ее неньютоновские свойства сглаживаются, зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига уменьшается.

При некоторой температуре, соответствующей точке слияния кривых (рис.3), жидкость становится ньютоновской: вязкость подогретой жидкости не зависит от скорости сдвига.

Рис.3. Зависимость кажущейся вязкости неньютоновской жидкости от скорости сдвига и температуры

 

Отсюда следует сущность метода перекачки высоковязких нефтей с подогревом.

Целесообразность подогрева высоковязких нефтей определяется конкретными условиями перекачки.При периодической транспортировке высоковязких нефтей по трубопроводу целесообразность подогрева в высокой степени зависит от стоимости и эффективности теплоизоляции.

В отличие от перекачки при обычных температурах перекачка подогретых нефтей происходит при неизотермических условиях. В этом случае процессы теплообмена между нефтью и окружающей средой приобретают первостепенное значение. Интенсивность теплообмена повлияет на величину потерь тепла в окружающую среду и, следовательно, на температуру нефти в конце трубопровода. Выбор температуры подогрева для заданных условий перекачки определяется на основании технико-экономических расчетов с учетом минимума затрат на подогрев и перекачку.

Зависимость вязкости структурированной системы от напряжения сдвига представлена на рис.4.

Рис.4. Кривая эффективной вязкости пластовой нефти

 

На участках 1 и 3 вязкость системы является величиной постоянной при данной температуре. На этих участках НДС соответствует по своей консистенции состояниям геля, и молекулярному раствору ВМС нефти. На участке 2 нефть находится в состоянии аномальновязкой жидкости, вязкость является величиной переменной и характеризует равновесие процессов разрушения и восстановления структуры в зависимости от приложенного t.

Разрушение коагуляционных структур, образованных высокомолекулярными парафинами и асфальтенами, имеет свои особенности. После приложения определенной нагрузки к нефти, обладающей такой структурой, немедленного разрушения структуры не наблюдается. Степень разрушения зависит не только от скорости сдвига, но и от времени воздействия нагрузки. Характерно, что после снятия нагрузки прочность структуры через определенное время восстанавливается полностью, т.е. вязкость от величины m3 увеличивается до значения m1 (рис.4).

Такая способность к самопроизвольному восстановлению структуры после ее разрушения называется тиксотропией.

Парафинистые нефти и агрегативно-устойчивые концентрированные водо-нефтяные эмульсии облают свойством самопроизвольного увеличения прочности структуры t0 во времени и восстановления структуры после ее механического разрушения.

Время восстановления структуры после ее механического разрушения для различных нефтей и эмульсий может колебаться от нескольких минут до десятков часов.

Тиксотропные свойства нефти зависят от содержания, химического состава, дисперсного состояния высокомолекулярных парафинов нефти, содержания и адсорбционного действия на процессы кристаллизации парафина смолисто-асфальтеновых веществ, температурного воздействия на нефть и др.

Для снижения тиксотропных свойств нефти применяют термообработку нефти и специальные депрессорные присадки.

Ранее было показано, что структурно-механическая прочность НДС, t0, тем меньше, чем меньше радиус ядра ССЕ и больше толщина сольватного слоя.

Поэтому назначение депрессорных присадок – повысить степень дисперсности нефтяной системы и тем самым снизить структурно-механическую прочность t0 и понизить температуру застывания нефти.

Установлено, что чем больше молекулярная масса парафинов нефти и чем выше их концентрация, тем меньше влияют добавляемые асфальтены или другие депрессоры на температуру перехода НДС из жидкого состояния в твердое.

Механизм действия депрессоров можно объяснить исходя из следующих представлений:

ü Высокомолекулярные парафины в НДС образуют надмолекулярные структуры – ассоциаты макромолекул, способные самостоятельно существовать при температурах выше температуры кристаллизации парафиновых углеводородов;

ü Действие депрессорных присадок сводится к влиянию на процесс ассоциации твердых парафиновых углеводородов при температурах выше температуры кристаллизации парафина и связано с образованием комплексов между присадкой и парафином.

Молекулы присадок, благодаря наличию в них парафиновых цепей, взаимодействуют с молекулами парафиновых углеводородов на стадии формирования надмолекулярной структуры и входят в состав ассоциата. При этом увеличивается толщина сольватной оболочки ССЕ, изменяется размер надмолекулярных структур, происходит ослабление сил взаимодействия между ассоциатами и между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В результате образуются более рыхлые, более подвижные ассоциаты и снижается прочность структуры.

Это приводит к смещению температуры застывания систем в область более низких температур и к смещению структурных переходов парафина из агрегированного состояния в пространственное в область более высоких его концентраций.

Целенаправленных исследований в области формирования коагуляционных структур и аномальных нефтяных жидкостей проведено недостаточно и еще предстоит установить более общие закономерности для управления этим сложным процессом, имеющим важное технологическое значение.

Методика исследования.

 

Измерение вязкости представленных для испытаний образцов нефти при заданных условиях можно осуществить на установке, в которой при определенном давлении и температуре осуществляется перетекание нефти из одной емкости в другую через калиброванную трубку. Зная объемный расход нефти и перепад давлений на калиброванной трубке, можно рассчитать вязкость по формуле:

где η – динамическая вязкость, Па × с; r – радиус калиброванной трубки, м; V’ – объемный расход нефти через калиброванную трубку, м3/с; ∆P – перепад давления на калиброванной трубке, Па; l – длина калиброванной трубки, м.

Для выполнения поставленной задачи разработана установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 5, а на рис. 6 представлена ее фотография. Основными узлами установки являются: термостатируемая камера 1, в которой на металлической раме закреплен гидроцилиндр двойного действия 2, соединенный шлангами высокого давления с двумя буферными емкостями 3, сообщающимися между собой калиброванной трубкой 4. Гидроцилиндр и буферные емкости заполняются исследуемой нефтью. Давление в системе создается с помощью винтового домкрата 5 вспомогательным гидроцилиндром 6, соединенным с одной из буферных емкостей, снабженной манометром для визуального контроля. Кроме этого, в одну из буферных емкостей можно подавать газ при повышенном давлении, изменяя газонасыщенность и давление. Такой механизм позволяет задавать в системе давление от 0 до 10 МПа и фиксировать его на любой величине в указанном диапазоне, не применяя сложных устройств.

Перетекание нефти через калиброванную трубку осуществляется под воздействием перемещения в гидроцилиндре 2 поршня, который перемещается с помощью приводного цилиндра 7, управляемого насосной станцией.

Поддержание необходимой температуры испытаний осуществляется с помощью нагревателя 8, расположенного вокруг калиброванной трубки, а контроль и регулирование – с помощью дифференциальной термопары 9. Перепад давлений в буферных емкостях 3 измеряется в течение опыта с помощью преобразователей давления 10 типа КРТ-5 с унифицированным выходным сигналом постоянного тока или напряжения.

Для измерения скорости перемещения поршня гидроцилиндра 2, определяющего перетекание испытуемой нефти с определенной скоростью через калиброванную трубку 4, используется датчик перемещения 11 с электрическим выходом. Регистрация величин перепада давлений в буферных емкостях, скорости перетекания нефти, задания температуры испытаний и ее регулирование осуществляется компьютерной системой, включающей компьютерный порт 12, источник питания постоянного тока 13 и персональный компьютер 14.

 

 

Процесс управления режимом работы установки и регистрация температуры, давления и перемещения осуществляется в автоматическом режиме с использованием компьютерного порта В-381 и специальной прикладной программы. Это позволяет обезопасить обслуживающий персонал во время проведения эксперимента и повысить точность и достоверность получаемых данных. В основу обработки данных для определения вязкости положена формула (1). Для определения предельного напряжения сдвига τпр используется формула (2):

где ∆Р – минимальная разность давления, вызывающая сдвиг нефти в капилляр; r – радиус капилляра; l – длина капилляра.

 

Исследование реологических свойств высоковязкой нефти в динамических условиях.

На первом этапе измерение вязкости представленных образцов нефти проводилось на реометре (RHEOLAB MC1) и вискозиметре («Полимер-РПЭ-1М»), который предназначен для экспресс анализов вязкости в лабораторных и заводских условиях. Реометр обеспечивал определение реологических параметров при вязкостях выше 0,1 Па × с, а для вязкости при повышенных температурах использовался вискозиметр, который обеспечивал измерение вязкости в диапазоне от 1,8 × 10-3 до 3,75 × 104 Па × с с воспринимающими элементами типа «цилиндр – цилиндр». Вискозиметр является лабораторным прибором, предназначенным для работы в переносном и в стационарном положениях.

Диапазон температур анализируемой среды с помощью системы термостатирования мог изменяться от 20 до 90о С при работе с воспринимающими элементами типа «цилиндр – цилиндр».

Принцип действия вискозиметра основан на измерении момента сопротивления сдвигу испытываемого материала, помещенного в зазор между воспринимающими элементами, при вращении одного из них с постоянной угловой скоростью, путем преобразования угла закручивания упругого элемента, пропорционального вязкости.

Измерения вязкости представленных образцов нефти проводилось в соответствии с инструкцией по эксплуатации и техническим описанием приборов.

Исследуемая нефть в количестве, указанном в соответствующей таблице инструкции, помещалась в зазор между воспринимающими элементами типа «цилиндр – цилиндр». Укрепленная на вискозиметре термостатирующая камера соединялась шлангами с жидкостным термостатом, с помощью которого в камере прибора устанавливалась и поддерживалась необходимая температура, заданная заказчиком.

Пример:

После проведения пробных экспериментов в качестве воспринимающих элементов выбирают цилиндры с соответствующей маркировкой. Режимы измерения вязкости и положение переключателя скоростей подбиралются таким образом, чтобы показания прибора находились в пределах от 10 до 90% наибольшего значения вязкости при выбранном режиме.