Статья посвящена вопросам эффективности применения противотурбулентных присадок при перекачке газоконденсата, описаны механизм действия присадки, факторы, обуславливающие эффективность ее применения. Авторы обосновывают преимущества использования противотурбулентных присадок.
Ключевые слова: противотурбулентная присадка, гидравлическое сопротивление, газоконденсат, деструкция, турбулизация, экономия энeргозатрат.
В Западной территории Казахстана разрабатывается месторождение Карачаганак. Карачаганакское месторождение является одним из крупнейших нефтегазоконденсатных месторождений в мире. Трубопровод «Карачаганак — Атырау» соединяет Карачаганакский Перерабатывающий Комплекс с населенным пунктом БольшойЧаган (1 секция) и далее до НПС «Атырау» (2 секция), где производится его подключение к трубопроводу КТК. Данная транспортная система длиной 635,5 км является экспортным трубопроводом, поставляющий газовый конденсат.
Проблему повышения производительности трубопроводного транспорта можно решить увеличением мощности силовых установок, используемых на насосных станциях. Однако это обуславливается техническими трудностями и большими объёмами капиталовложений. Поэтому снижение гидродинамических затрат при перекачке нефти и конденсата, приводящие к увеличению производительности трубопровода при тех же мощностях силовых установок, представляет значительный интерес.
Потери напора на трение являются основной причиной затрат электроэнергии на перекачку жидкостей и газов по трубопроводам. Они обусловлены силами внутреннего трения между слоями движущейся жидкости. И в ламинарном и в турбулентном потоке происходит диссипация (рассеивание) механической энергии упорядоченного движения и переход ее в энергию хаотичного движения частиц жидкости. Для турбулентных течений этот переход носит многостадийных характер.
Механическая энергия движения переходит сначала в энергию крупномасштабных вихрей турбулизованной среды, затем в энергию пульсационного движения мелкомасштабных вихрей и, наконец, за счет сил вязкости — в тепловую энергию жидкости. Поэтому важной задачей является вмешательство в структуру турбулентных течений с целью снижения потерь энергии.
Противотурбулентные присадки — высокомолекулярные полимерные вещества, позволяющие уменьшить коэффициент гидравлического сопротивления перекачиваемой при турбулентном режиме жидкости.
В настоящее время областью применения противотурбулентных присадок являются трубопроводные системы с ограничением по пропускной способности или по давлению.
Их использование позволяет экономить капиталовложения, необходимые для строительства лупингов или дополнительных насосных станций. Применение противотурбулентных присадок при заданном расходе дает возможность снизить рабочее давление в трубопроводе, а это — повышение эксплуатационной надежности и экономия затрат на перекачки.
Принцип действия противотурбулентных присадок основан на эффекте Б. А. Томса [3], проявляющегося при введении в турбулентный поток жидкости очень малых количеств высокомолекулярных полимеров.
Пропускная способность страдает также при добыче и перекачке тяжелых, высоковязких нефтей. Увеличиваются энергозатраты на подъем и дальнейшую транспортировку жидкости, возможна полная остановка потока при застывании продукции.
Однако даже в отсутствие перечисленных выше факторов пропускная способность нефтепроводов и нефтепродуктопроводов может в ряде случаев значительно снижаться за счет турбулизации потока безводной нефти, вызывающей резкий рост гидравлического сопротивления и повышение энергозатрат. Применение специальных противотурбулентных присадок (ПТП) позволяет увеличить объем прокачки и снизить рабочее давление на большинстве трубопроводов, транспортирующих нефть и в том числе газовый конденсат в турбулентном режиме.
Как правило, турбулизация потока жидкости в трубопроводе возникает при определенных условиях. В первую очередь это плотность и вязкость перекачиваемой жидкости. Чем ниже плотность и вязкость углеводородной фазы, тем проще потоку перейти из ламинарного в турбулентный режим, что и происходит при перекачке легких нефтей и нефтепродуктов.
Во-вторых, важную роль играют объем перекачиваемой жидкости и скорость движения потока. Чем выше объем и скорость потока, тем выше число Рейнольдса.
И, наконец, характеристики самого трубопровода. Основной фактор в данном случае — это диаметр трубопровода: чем он меньше, тем больше вероятность турбулизации потока.
При наличии условий турбулизации потока (например, при перекачке газового конденсата по трубам недостаточного диаметра с большим расходным коэффициентом) в пристеночной области возникают пульсации, направленные не вдоль потока, а преимущественно перпендикулярно ему. Когда ламинарное течение переходит в турбулентное, резко возрастает дополнительное гидравлическое сопротивление (до 80 % от общего), что требует повышенных затрат энергии на перекачку.
При выборе противотурбулентной присадки необходимо принимать во внимание такие ее эксплуатационные характеристики как товарная форма, деструкция в турбулентном потоке, скорость растворения в нефтяных системах и ее эффективность.
Для снижения гидравлического сопротивления турбулентного потока нефти используются два типа товарных форм противотурбулентных присадок — гелеобразные и дисперсионные.
В присадках первого типа высокомолекулярный полимер растворен в углеводородном растворителе. Это такие присадки, как CDR-102, Виол, FLО (Бейкер Пайплайн Продактс) и Necаdd-547 (АО «Фортум Ойл энд Гэз»).
В дисперсионных присадках Liquid Pоwer (Коноко Спешиалити Продактс Инк.), M-FLОWTREАT (ООО «Миррико Ceрвиc»), FLО XL (Бейкер Пайплайн Продактс) и Necаdd-447 (АО «Фортум Ойл энд Гэз») гидравлически активная часть находится в виде суспензии на водной или углеводородной основе. Такая товарная форма позволяет получить добавки с большим содержанием полимера (до 25 %). Однако в их состав входят стабилизаторы и другие химические добавки (10–15 %).
В качестве ПТП применяют карбоцепные полимеры (полиметилметакрилаты, полиметоакрилаты, поли-α-олефины, полибутадиены, полистиролы) молекулярной массой более 106, которые при вводе в нефть в количестве 10–50 г/т уменьшают турбулентность потока, что снижает гидравлическое сопротивление нефтепровода. Эффективность присадки определяется природой молекулярной массой полимера эксплуатационными параметрами работы трубопровода (скоростью течения, диаметром трубопровода, температурой и вязкостью нефти и др.) [1].
При экcплуатации магиcтральных трубопроводов рeшаeтcя задача по опрeдeлeнию эффeктивноcти противотурбулeнтной приcадки в завиcимоcти от ee концeнтрации. В качестве ПТП предлагается выбрать M-FLОWTREАT, как наиболее приемлемую в условиях эксплуатации трубопроводной системы.
В уcловиях промышлeнного примeнeния ПТП «M-FLОWTREАT» ee эффeктивноcть (отноcитeльноe cнижeниe турбулeнтного cопротивлeния) опрeдeляeтcя по формулe [2]:
гдe 
, 
— коэффициeнты гидравличecкого cопротивлeния потока c приcадкой и бeз нee (базовый рeжим соответственно)
Риc. 1. Завиcимоcть cнижeния cопротивлeния потока кондeнcата от концeнтрации приcадки «М-FLОWTREАT»
Риc. 2. Графичecкоe опрeдeлeниe эффeктивноcти противотурбулeнтной приcадки «М-FLОWTREАT»
Таким образом, без технологии введения ПТП не обойтись как минимум в трех случаях. Во-первых, при перекачке газоконденсата на предпиковых и пиковых уровнях добычи природного газа. В данном случае применение противотурбулентных присадок дает существенную экономию капитальных затрат за счет отказа от строительства дополнительных трубопроводов, мощности которых не будут востребованы после прохождения пика добычи.
Во-вторых, при перекачке газоконденсата по магистральным трубопроводам. Применение противотурбулентных присадок дает экономию энергозатрат для перекачки больших объемов газоконденсата.
И в-третьих, при перекачке газоконденсата по промысловым трубопроводам, эксплуатирующимся на предельном давлении. Применение противотурбулентных присадок для снижения рабочего давления снижает риск наступления аварии и экологических катастроф, а также предотвращает потери газоконденсата.
Литература:
1. Прохоров, А. А. Подбор наилучшей эмпирической зависимости/ А. А. Прохоров //Тезисы докладов на 53ой Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и Газ-99». М. — 1999. — с.23.
2. Результаты применения противотурбулентной присадки «M-FLОWTREАT» при трубопроводном транспорте газового конденсата / А. Г. Егоров, К. А. Лосев, Ю. В. Сулейманова и др. //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. — 2013. –№ 1. — С.34–35
3. Муратова В. И. Оценка влияния противотурбулентных присадок на гидравлическую эффективность нефтепродуктопроводов: автореф. дисс. — Уфа, 2014. — 23 с.
4. Прохоров, А. А. Оптимизация режимов перекачки дизельных топлив с антифрикционными полимерными присадками/А. А. Прохоров //Тезисы докладов 56 межвузовской студенческой научной конференции. М., РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. М. — 2002.- С.26.
