Разработка перспективных технологий транспортировки казахстанских нефтей с аномальными свойствами по магистральным нефтепроводам

Нефтяная отрасль Казахстана переживает период активного роста. Объем добычи и транспортировки нефти в 2003 г. по сравнению с 1993 г. увеличился с 23 до 52 млн тонн. К 2015 г. в Казахстане планируется добыть 150 млн тонн нефти. При этом в последнее время наметилась устойчивая тенденция к увеличению объемов добычи и транспортировки так называемых «аномальных» нефтей с высоким содержанием парафина, которые имеют высокие температуры застывания и, соответственно, аномальные реологические свойства (кривые течения нефти не подчиняются закону Ньютона) в нормальных условиях. Перекачка высо-копарафинистых нефтей (ВПН) по магистральным нефтепроводам (МН) и транспортировка их в цистернах и танкерами затруднены, так как при температурах окружающей среды они обладают аномальной вязкостью и статическим напряжением сдвига, а таюке склонны к формированию ас-фальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) на внутренней поверхности труб, резервуаров, цистерн и другого оборудования.

Основными экспортными нефтепроводами для перекачки высоковязких и высокопарафинистых нефтей Казахстана в настоящее время являются МН Узень-Атырау-Самара и Кумколь-Каракоин-Шымкент. Отгрузка в КТК маловязкой низкозастывающей тенгизской нефти и прекращение поставок низкозастывающей западносибирской нефти в нефтепровод Омск-Павлодар-Шымкент существенно ограничили возможности применения метода смешения с маловязкими разбавителями на МН Узень-Атырау-Самара и Кумколь-Каракоин-Шымкент.

Применение депрессорной технологии для перекачки кумкольско-акшабулакской нефтесмеси в холодное время года на нефтепроводе Кумколь-Каракоин-Шымкент с использованием присадки ДМН-2005 фирмы «Депран» было удачным техническим решением, реализованным в 1998 году, когда прекратились поставки западносибирской нефти. Однако низкая эффективность присадки ДМН-2005, нестабильность перекачиваемых объемов и увеличение доли высокозастывающей акшабу-лакской нефти в составе нефтесмеси привели к проблемам при транспортировке на участке Кумколь-Каракоин-Шымкент и сделали невозможным перекачку в северном направлении Каракоин-Барсенгир-Атасу. Круглогодичная транспортировка в северном направлении в последнее время становится особенно актуальной в связи с включением участка Каракоин-Барсенгир-Атасу в состав строящегося экспортного нефтепровода Западный Казахстан-Китай.

Для МН Узень-Атырау-Самара, введенного в эксплуатацию в 1970;74 гг., основные проблемы при обеспечении транспортировки высоковязких высокопарафинистых западноказахстанских нефтей связаны с эксплуатацией устаревшего оборудования (труб, печей подогрева нефти, насосных агрегатов, резервуаров и т. д.), а таюке с ростом цен на газ, используемый печами, нестабильностью состава нефтесмеси и объемов перекачки. Последние две причины взаимосвязаны и обусловлены нестабильностью поставок нефти грузоотправителями и отсутствием баз смешения на НПС «Узень» и «Атырау», с помощью которых можно обеспечить возможность оперативного регулирования состава нефтесмеси для безопасной и эффективной работы нефтепровода.

Проблемы транспорта, связанные с эксплуатацией устаревшего оборудования, могут быть кардинально решены только путем его замены на новое оборудование. Однако данное решение требует больших капитальных затрат и трудно реализуемо в короткий промежуток времени.

Таким образом, для решения задачи АО «КазТрансОйл» по увеличению объема перекачки высоковязких высокопарафинистых нефтей Казахстана необходимы разработка новых и оптимизация применяемых технологий транспортировки нефтей с учетом их реологических свойств и эксплуатационных характеристик нефтепроводов.

Цель работы — разработка перспективных технологий транспортировки высокозастывающих парафинистых нефтей по магистральным нефтепроводам с использованием новых депрессорных и противотурбулент-ных присадок (ПТП).

Основные задачи исследования.

1. Анализ реологических характеристик кумколь-акшабулакской нефтесмеси и исследование при ее транспорте по трубопроводу КумкольКаракоинШымкент механизма образования АСПО.

2. Разработка теоретических и экспериментальных основ применения депрессорных присадок при магистральном транспорте высокозасты-вающих парафинистых нефтесмесей Западного Казахстана.

3. Разработка депрессорной технологии транспорта западноказах-станской нефтесмеси по магистральному трубопроводу Кумколь — КаракоинШымкент.

4. Создание научно-методической базы для решения технологических и технико-экономических вопросов транспорта нефти с использованием противотурбулентной присадки.

5. Усовершенствование технологии горячей перекачки западноказах-станской нефтесмеси на участке нефтепровода Узень — Атырау — Самара.

Методы решения поставленных задач — экспериментальные лабораторные и промышленные исследования, методы математической статистики в области тепломассообмена и гидродинамики течения реологически сложных жидкостей.

Научная новизна:

• установлен механизм парафиноотложения кумколь-акшабулакской нефтесмеси при ее транспортировке по трубопроводу Кумколь — КаракоинШымкент;

• создан лабораторный стенд «Модельный трубопровод», предназначенный для определения статического и динамического напряжений сдвига в режимах, моделирующих реальные трубопроводы;

• разработаны теоретические и экспериментальные основы технологии применения депрессорных присадок на магистральном трубопроводе Кумколь — КаракоинШымкент;

• получена функциональная зависимость параметров гидравлической эффективности от концентрации противотурбулентной присадки на нефтепроводе Узень — Атырау — Самара.

На защиту выносятся результаты экспериментальных лабораторных и промысловых исследований, теоретические обобщения и практические рекомендации по транспортировке высокопарафинистых нефтесме-сей по магистральным нефтепроводам Кумколь-Каракоин-Шымкент и Узень-Атырау-Самара в осложненных условиях эксплуатации.

Достоверность и степень обоснованности полученных результатов <

Результаты, представленные в диссертации, получены на основе большого числа экспериментов с применением современных приборов, которые обеспечивают высокую точность измерения и автоматическую обработку данных. Выводы и рекомендации подтверждены экспериментальными данными, полученными в условиях лабораторных и опытно-промышленных испытаний, и они не противоречат общепринятым научным представлениям, одобрены на международных конференциях.

Связь с научно-исследовательскими государственными и международными программами. Основные результаты, включенные в диссертацию, получены при выполнении научных программ АО «КазТран-сОйл» за 2001;2003 гг. по темам: «Комплексные исследования по улучшению реологических свойств западноказахстанских нефтей и нефтесмесей, транспортируемых по МН Узень-Атырау-Самара с использованием проти-вотурбулентных и депрессорных присадок" — «Комплексные исследования по изучению реологических свойств и процессов выпадения парафинов, асфальтосмолистых веществ при перекачке смеси нефтей группы кумколь-ских месторождений по нефтепроводу Кумколь-Каракоин-Шымкент с применением депрессорной присадки «Прошинор АР-174» фирмы «Ато-фина-Сека" — «Опытно-промышленные испытания депрессорной присадки АР-174 на участке нефтепровода Кумколь-Каракоин-Шымкент. Исследование парафиноотложений, вытесненных из трубопровода в процессе проведения ОПИ на участке Кумколь-Каракоин-Шымкент МН Павлодар-Шымкент" — «Исследование гидравлической и технико-экономической эффективности ПТП FLO-XL™ при транспортировке нефтесмесей по МН Узень-Атырау-Самара (участок Атырау-Самара)».

Практическая ценность результатов работы.

В качестве эффективного депрессанта и ингибитора парафиноотло-жений рекомендована для промышленного применения на всем протяжении МН Кумколь-Каракоин-Шымкент присадка АР-174, позволяющая надежно и экологически безопасно транспортировать кумколь-акшабулакскую нефтесмесь в холодный период года.

Усовершенствована технология горячей перекачки нефтесмеси на участке МН Атырау-Самара путем оптимизации дозировки ПТП FLO-XL™ в зависимости от состава нефтесмеси и производительности нефтепровода. Применение присадки позволяет увеличить пропускную способность нефтепровода с 12,5 до 16,5 млн т/годснизить удельные энергозатраты на 10% и болееполучить экономический эффект в размере 28,4 млн долларов в год.

Решение указанных проблем позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты на транспортировку нефти, увеличить производительность оборудования и за счет этого добиться повышения технико-экономических показателей работы и прибыли АО «КазТрансОйл».

Апробация работы и публикации.

Результаты работы доложены на конференции «Наука, -производству. Развитие прикладных исследований и внедрение их в производство в современных условиях. Экономика и опыт, практика и управление», Алматы, 2003; на IV Конгрессе нефтегазопромышленников России, Уфа, 2003; на 14th International Conference «New Methods and Technologies in Petroleum Geology, Drilling and Reservoir Engineering», Cracow, Poland, 2003; Международном семинаре «Техническое обеспечение функционирования промысловых и магистральных трубопроводов в ТЭК», Алматы, 2004.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, получен патент.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Ввод присадки Danox PSPERSE-501 в количестве 300 г/т в буза-чи-маигышлакские нефтесмеси составов 35:65, 20:80 и 10:90 (вес. %) существенно понижает значения температуры потери текучести, кинематической и пластической вязкости, динамического и статического напряжений сдвига, а также ингибирует процессы выделения АСПО в нефтесмеси в течение 1,5−2,0 месяцев.

2. Присадка Danox PSPERSE-501 рекомендуется для опытно-промышленных испытаний при транспортировке бузачи-мангышлакских нефтесмесей4 на участке Узень-Агырау МН Узень-Атырау-Самара. Альтернативной присадкой может служить R-140 с дозировкой 100 г/т.

3. Лимитирующим участком-МН Узень-Атырау-Самара как по профилю трассы, так и посоставу нефтесмеси являетсяучасток Узень-Сай-Утес. Добавление эмбинских и актюбинских нефтей к нефтесмесям Бузачи-Мангышлак составов 10:90, 20:80 и 35:65 (вес. %), обработанным присадками Danox PSPERSE-501 и R-140, при 20.23 °С существенно понижает температуру потери текучести, динамическое и статическое напряжения сдвига, что позволяет исключить дополнительный подогрев при транспортировке на участке Атырау-Самара.

4. На основании результатов лабораторных и опытно-промышленных-испытаний с привлечением теплогидравлических расчетов показано, что присадка АР-174 позволяет надежно и безопасно перекачивать кумкольско-акшабулакскую нефтесмесь в холодный период года на всех участках МН Кумколь-Каракоин-Шымкент.

5. Присадка Прошинор АР-174 как эффективный депрессант и ингибитор парафиноотложений рекомендуется для промышленного применения при транспортировке нефти месторождений Кумколь-Акшабулак на МН Кумколь-Каракоин-Шымкент.

6. Установлена зависимость гидравлической эффективности противотурбулентной^ присадки FLO-XL™ от концентрации присадки (от 5 до 20 г/т) на участках НПС «Индер» — НПС «Б. Чаган» и НПС «Б. Чаган» -НПС «Черниговка».

7. Установлены величины экономического эффекта увеличения пропускной способности нефтепровода и снижения удельных энергозатрат в диапазоне производительности 12,5 млн т/год — 16,5 млн т/год от ввода ПТП FLO-XL™ на НПС «Индер» и НПС «Б. Чаган». В частности, при объеме перекачки 16,5 млн т/год годовой экономический эффект от применения присадки составит порядка 28,4 млн долларов, а снижение удельных энергозатрат — более 10%.

8. Показано, что максимальная производительность нефтепровода на участке НПС «Индер» -НПС «Б. Чаган» при концентрации присадки.

FLO-XL™ 20 г/т, составе смеси 87:13 (западноказахстанская смесь: смесь легких нефтей) и максимальном использовании оборудования может дос fpi / тигнуть 17,3 млн. т/год. Определена дозировка ПТП FLO-XL для различной производительности нефтепровода и с учетом изменения состава нефтесмеси.

9. Для улучшения режима транспортировки нефти на участке Аты-рау-Самара необходимо создать базу смешения на НПС «Атырау», т.к. нефтесмесь, формируемая на НПС «Атырау», не стабильна по составу и физико-химическим параметрам.

10.Для снижения потерь напора на трение и повышения эффективности действия ПТП требуется поддерживать температуру не менее 30 °C на всем участке НПС «Атырау" — НПС «Б. Чаган».