Содержание к диссертации
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ЭФФЕКТ ТОМСА В ВОДНЫХ И ВОДОНЕФТЯНЫХ
СРЕДАХ (обзор литературы) 12
Общие сведения об эффекте Томса 12
Основные факторы, влияющие на величину эффекта Томса 15
Эффект Томса в нефтесодержащих системах 27
Заключение по литературному обзору 33
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 34
Характеристика объектов исследования J 34
Оценка величины эффекта Томса 36
Получение прямых эмульсий нефти / 40
Оценка размеров частиц дисперсной фазы 40
2.5Методика получения образцов (со)полимеров акриламида различной
молекулярной массы 42
Методика определения вязкости прямых нефтяных эмульсий и водных растворов (со)полимеров акриламида 45
Методика определения адсорбции (со)полимеров акриламида на частицах дисперсной фазы 45
ГЛАВА 3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 48
3.1 Работа на установке «Модифицированный турбулентный реометр» 48
3.1.1 Влияние концентрации и молекулярных параметров полимерных
присадок на величину эффекта Томса 49
3.1.2 Влияние вязкости частиц дисперсной фазы в прямых эмульсиях нефти
на величину эффект Томса 61
3.1.3 Влияние размеров частиц дисперсной фазы на величину эффекта
Томса 66
3.1.4 Влияние природы и концентрации поверхностно-активных веществ на
величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти 71
3.1.5 Влияние геометрических параметров ограничительного контура на
величину эффекта Томса 76
3.2 Работа на установке с одновременным контролем энергозатрат и расхода
жидкости 82
3.2.1 Сопоставительная оценка энергозатрат при скоростной
транспортировке водонефтяных систем в присутствии водорастворимых
полимерных присадок. 82
3.2.1.1 Влияние концентрации и молекулярных параметров водорастворимых
полимеров на энергопотребление перекачивающего насоса 83
3.2.1.2 Влияние поверхностно-активных веществ на энергозатраты при.
транспортировке нефтесодержащих сред в турбулентном режиме в
присутствии водорастворимых полимерных присадок ...91
ВЫВОДЫ 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 108
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЭТ - эффект Томса;
ВЭТ - величина эффекта Томса, оцениваемая по параметру Т;
ПЭТ - приведённый эффект Томса;
ВПЭТ - величина приведённого эффекта Томса, оцениваемая по параметру у;
Re - число (критерий) Рейнольдса;
АА - акриламид;
ПАА - полиакриламид;
А - анионный сополимер акриламида;
К - катионный сополимер акриламида;
ПОЭ - полиоксиэтилен;
НКМЦ -натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы;
С - концентрация (со)полимеров;
а - содержание ионогенных звеньев в сополимерах;
М - молекулярная масса (со)полимеров;
М - средняя молекулярная масса (со)полимеров;
F - параметр Шульца;
Z - полидисперсность (со)полимеров по составу;
ПАВ — поверхностно-активное вещество;
Спав - концентрация ПАВ;
%д - удельная вязкость;
муд/С - число вязкости;
[г|] - предельное число вязкости;
v — кинематическая вязкость;
vH - кинематическая вязкость нефти;
v3M - кинематическая вязкость нефтяной эмульсии;
(h 2)0'5 - среднеквадратичные размеры макромолекул;
УЗД - ультразвуковая деструкция;
ДФ - дисперсная фаза;
(3 - коэффициент адсорбции на частицах дисперсной фазы;
R - средние размеры частиц дисперсной фазы;
L - длина капилляра;
dK - диаметр капилляра;
Р - давление;
m - масса;
v - скорость;
р - плотность;
т - время;
t - температура;
V - объём.
Введение к работе
Актуальность работы. Трубопроводный транспорт, несомненно, является одним из наиболее важных элементов нефтехимического комплекса нашей страны. В настоящее время в связи с постоянно растущими объемами транспортируемых по магистральным и промысловым трубопроводам водонефтяных жидкостей, актуальной остается проблема снижения гидравлического сопротивления и энергозатрат при их скоростной транспортировке. Одно из оригинальных и доступных решений данной проблемы связано с введением в турбулентные потоки с функцией присадок небольших добавок высокомолекулярных соединений, что приводит к снижению гидравлических сопротивлений транспортируемых жидкостей (эффект Томса). Эффект Томса (ЭТ) проявляется как в водных, так и в органических средах. Он нашел широкое применение в самых различных областях промышленности, в частности, при скоростной транспортировке нефти и нефтепродуктов, для увеличения скорости движения надводных и подводных объектов, в медицине и биологии, для увеличения дальнобойности водных струй при тушении сильных пожаров, измельчения руды и устранения отложений в паровых котлах, трубах и др. Несмотря на очень широкий спектр областей применения ЭТ остается в настоящее время по многим позициям недостаточно изученным, особенно по проблеме, связанной с механизмом этого явления. По этой причине остается много нерешенных вопросов при поиске наиболее доступных и эффективных способов снижения гидравлического сопротивления в турбулентных потоках реальных, сложных по составу жидкостей. Особо отметим, что основное количество теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению данного явления, проведено либо в чисто водных, либо в относительно простых органических средах. Гораздо менее изученными остались такие сложные многокомпонентные системы, как прямые и обратные эмульсии. Наличие дисперсной фазы в виде частиц нефти вносит
дополнительные осложнения, учет которых в принципе необходим для разработки и внедрения в промышленном масштабе эффективных технологий введения полимерных присадок при скоростной транспортировке водонефтяных жидкостей по трубопроводам. Помимо недостаточной изученности механизма действия полимерной присадки и влияния природы и характеристик дисперсной фазы на величину ЭТ имеется крайне ограниченное число работ по исследованию взаимосвязи эффекта Томса с энергозатратами в процессе трубопроводной перекачки жидкостей.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось углубленное изучение основных закономерностей физико-химических процессов в турбулентных потоках водонефтяных жидкостей в присутствии водорастворимых полимерных присадок с целью отыскания действенных рычагов управления процессами скоростной транспортировки жидкости до, трубопроводам.
В работе поставлены следующие задачи: "* - '
1. Создать лабораторную экспериментальную установку,
позволяющую проводить совместную оценку как реологических, так и
энергетических параметров турбулентных потоков жидкостей в присутствии
полимерных присадок и разработать методику количественной оценки этих
показателей.
2. Оценить влияние природы, концентрации, молекулярных
параметров (молекулярная масса, полидисперсность по молекулярной массе)
полимерной присадки в водных и водонефтяных средах на величину ЭТ и
энергопотребление насосной установки. Для достижения этого
потребовалось получение образцов анионных сополимеров акриламида с
различной молекулярной массой.
3. Изучить влияние природы и концентрации ПАВ в турбулентных
потоках жидкостей на величину эффекта Томса и энергопотребление
насосной установки в присутствии бинарных добавок из водорастворимых сополимеров акриламида и ПАВ.
4. Проанализировать влияние параметров дисперсной фазы прямой эмульсии нефти, концентрации и молекулярных параметров водорастворимых полимерных присадок на величину эффекта Томса (ВЭТ) в замкнутых контурах при различных кратностях циркуляции жидкости.
Научная новизна и значимость работы. Выявлены основные закономерности ЭТ в водных средах и прямых эмульсиях нефти, включая оценку на количественном уровне влияние природы дисперсионной среды, размеров и вязкости частиц дисперсной фазы, концентрации и молекулярных параметров полимерных присадок. Проанализированы причины меньших значений ВЭТ в водонефтяных средах по сравнению с водой для одних и тех же полимерных присадок при одинаковых концентрациях их и фиксированных сдвиговых напряжениях в турбулентных потоках жидкостей. Сделана оценка влияния на энергопотребление насосных агрегатов концентрации и молекулярных параметров полимерных присадок в бинарных композициях полимер-ПАВ для различных кратностей циркуляции.
Практическая ценность работы. Создана и апробирована лабораторная экспериментальная установка по изучению ЭТ, позволяющая осуществлять одновременный контроль расхода жидкости и энергопотребление насосного агрегата. В водных средах и 10% прямых эмульсиях нефти изучено влияние природы, концентрации, молекулярных параметров водорастворимых полимерных присадок на основе статистических сополимеров акриламида на ВЭТ и энергозатраты при транспортировке жидкостей в турбулентном режиме. Данные работы могут быть рекомендованы для использования при разработке прогрессивных технологий скоростной транспортировки по трубопроводам многокомпонентных жидкостей (включая нефтяные эмульсии) в присутствии полимерных присадок, что позволит увеличить
скорость прокачки жидкостей и снизить энергопотребление на перекачивающих агрегатах.
Личное участие автора. Диссертант лично принимал участие в создании экспериментальных установок, разработке методик, постановке и выполнению экспериментов по изучению эффекта Томса (и всех сопутствующих экспериментов), обработке экспериментальных данных и обсуждении полученных результатов, а также в подготовке материалов и текстов печатных публикаций.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Всероссийской конференции «Большая нефть XXI» г. Альметьевск 2006 г; Baltic Polymer Symposium 2007 Druskininkai: Vilnius University, 2007; MIF-VI г. Минск 2008 и на отчетных научно-технических конференциях КГТУ в 2005-2008 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных статей, издано 7 тезисов докладов.
Объекты и методы исследования. В качестве агентов, снижающих
гидравлическое сопротивление использовали водорастворимые полимеры
как промышленного производства, так и лабораторные образцы: сополимеры
акриламида, полиоксиэтилен, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы,
поли-Н-бензил-1Ч,г>Г,М-диметилметакрилоилоксиэтиламмоний хлорид.
Изучение ЭТ проводили в лабораторных условиях первоначально на модифицированном турбулентном реометре, а затем на установке по одновременной оценке реологических и энергетических параметров потоков жидкости. Эксперименты проводили в водных (на дистиллированной и высокоминерализованной воде) и водонефтяных средах (в 10% прямых эмульсиях нефти). Величину эффекта Томса Т оценивали по разнице массовых (на модифицированном турбулентном реометре) и объемных (на установке по оценке энергозатрат) расходов жидкости, прошедшей через
капилляр (или стеклянные трубки) соответственно с добавками полимера и без него. Прямые эмульсии нефти готовили двумя способами: перемешиванием на магнитной мешалке, с последующей ультразвуковой обработкой жидкостей, а также циркуляцией смесей из расчетных количеств воды, нефти, стабилизатора через блок сетчатых мембран на созданной лабораторной установке. Разделение нефтяных эмульсий для определения величины адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы проводили методом скоростного центрифугирования с последующим определением концентрации полимера в водной фазе по градуировочному графику зависимости удельной вязкости от концентрации (со)полимера. Размеры частиц дисперсной фазы в эмульсиях оценивали по данным оптической микроскопии.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 118 страницах машинописного текста и состоит из введения, трёх глав, списка литературы из 106 наименований и выводов. Диссертация включает 8 таблиц и 48 рисунков. Первая глава посвящена обзору литературы по различным аспектам эффекта Томса, включая оценку отдельных закономерностей и механизма явления и примеров практического использования эффекта в различных отраслях промышленности. Вторая глава содержит описание созданных на кафедре лабораторных экспериментальных установок и методик проведения экспериментов по оценке ВЭТ и энергетических параметров в турбулентных водонефтяных потоках. В этой главе также даны характеристики использованных (со)полимеров и ПАВ. В третьей главе приведены результаты экспериментов и их обсуждение. Раздел 3.1 посвящен изучению ЭТ на модифицированном турбулентном реометре. В подразделе 3.1.1 описаны эксперименты по влиянию на ВЭТ химической природы, концентрации и молекулярных параметров (со)полимеров акриламида. В подразделах 3.1.2 и 3.1.3 представлены данные по влиянию вязкости и размеров частиц дисперсной фазы. В подразделах 3.1.4 и 3.1.5 проанализировано влияние природы и концентрации ПАВ и геометрических
11 параметров капилляров на ВЭТ. В разделе 3.2 представлены полученные нами данные на установке по оценке энергозатрат. В подразделах 3.2.1.1 и 3.2.1.2 приведены результаты опытов по влиянию концентрации и молекулярных параметров анионных водорастворимых (со)полимеров акриламида и композиций их с ПАВ на энергопотребление перекачивающего насоса в турбулентных потоках прямых эмульсий нефти.
#-
