Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

Ким С.Ф. 1 Ушева Н.В. 1 Самборская М.А. 1 Мойзес О.Е. 1 Кузьменко Е.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
На основе модульного принципа сформирована математическая модель трехфазного сепаратора, составляющими которой являются модели процессов сепарации, каплеобразования и отстаивания. Адекватность модели оценивалась по средним значениям обводненности нефти на выходе из аппарата за определенный период работы промышленной установки. С применением математической модели исследовано влияние технологических параметров на процессы разделения водонефтяных эмульсий в трехфазных сепараторах на примере крупнотоннажной установки подготовки нефти Верхнечонского месторождения. Выявлены зависимости изменения остаточной обводненности нефти и параметров процесса коалесценции от расхода, температуры и физико-химических свойств водонефтяной эмульсии. Показано, например, что увеличение температуры до 35 °С при расходе 182 т/ч приводит к снижению обводненности на выходе аппарата до 1,5 масс %. Сформулированы рекомендации по выбору наиболее эффективных режимов работы трехфазного сепаратора.
математическое моделирование
промысловая подготовка нефти
обезвоживание нефти
1. Лутошкин Г.С., Дунюшкин М.И. Сборник задач по сбору и подготовке нефти, газа и воды на промыслах: учебное пособие для вузов. – 3-е изд., стереотип. – М.: ООО ИД «Альянс», 2007. – 135 с.
2. Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды: учебник для вузов. – 3-е изд., стер. – М.: Альянс, 2005. – 319 с.
3. Пергушев Л.И., Деникаев Р.Т. Расчет скорости транспортирования высокообводненной эмульсии по трубопроводу без ее расслоения // Нефтепромысловое дело. – 2001. – № 12. – С. 25–28.
4. Рид Р.С., Праусниц Д.М., Шервуд Т.К. Свойства газов и жидкостей. – Л.: Химия, 1982. – 592 с.
5. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. – Казань: ФЭН, 2000. – 416 с.
6. Ушева Н.В., Кравцов А.В., Мойзес О.Е., Кузьменко Е.А. Моделирование технологии промысловой подготовки нефти // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308, № 4. – С. 127–130.
7. Шилов В.И., Крикунов В.В. Прогнозирование фазового состояния природных нефтегазовых систем // Нефтяное хозяйство. – 2002. – № 8. – С. 100–103.

При промысловой подготовке нефти технологические параметры процессов сепарации, обезвоживания и обессоливания обеспечивают необходимое качество нефти, поступающей на дальнейшую переработку. Оптимальные технологические параметры можно определить с применением компьютерных моделирующих систем (МС). Нами разработана МС промысловой подготовки нефти [6], основанная на иерархическом подходе к построению математических моделей, который предполагает декомпозицию сложного процесса на элементарные составляющие. Элементами данной сложной системы являются процессы отделения газа и разрушения водонефтяных эмульсий. Объектом настоящего исследования являются процессы подготовки нефти крупнотоннажной установки Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения (УПН ВЧНГКМ).

Цель работы – выявление зависимостей изменения остаточной обводненности нефти и параметров процесса коалесценции от расхода, температуры и физико-химических свойств водонефтяной эмульсии методом математического моделирования.

Материал и методы исследования

Для исследования процессов промысловой подготовки нефти был применен метод математического моделирования. Расчеты выполнены с использованием моделирующей системы, разработанной на кафедре химической технологии топлива и химической кибернетики Томского политехнического университете, на примере процессов разделения водонефтяных эмульсий в трехфазном сепараторе УПН ВЧНГКМ (рис. 1).

Результаты исследования и их обсуждение

На основе модульного принципа была сформирована математическая модель трехфазного сепаратора (ТФС) как одного из ключевых аппаратов технологической схемы, составляющими которой являются математические модели процессов сепарации, каплеобразования и отстаивания.

Математическое описание процесса сепарации основано на уравнениях, характеризующих фазовое равновесие в системах газ-жидкость [4, 7].

В процессе каплеобразования формируются капли воды определенного размера. На данный момент известно достаточно много формул для расчета размера капель [3, 5]. Диаметр капель рассчитывался по методике Тронова В.П. [6]:

Eqn81.wmf

где dmax – максимальный размер устойчивых капель;  – поверхностное натяжение; μв, μн – динамическая вязкость воды и нефти соответственно; u – средняя линейная скорость потока; νсм – кинематическая вязкость смеси; ρн – плотность нефти.

pic_79.tif

Рис. 1. Блок-схема установки подготовки нефти УПН ВЧНГКМ:С-1 – сепараторы первой ступени; С-2 – аппараты «Хитер-Тритер» I и II типа; ТФС – трехфазные сепараторы; ПТБ – печи трубчатые блочные; БЕ – буферная емкость; ЭДГ – электродегидраторы; С-3 – концевые сепараторы; РВС – резервуарный парк товарной нефти; ПНГ – попутный нефтяной газ

Расчет процесса отстаивания основывается на законах осаждения капель воды под действием силы тяжести, с учетом скорости стесненного осаждения, а также эмпирических и полуэмпирических уравнениях, описывающих физико-химические свойства материальных потоков как функции технологических параметров процесса обезвоживания нефти [1, 2, 5].

Обводненность нефти на выходе из аппарата (Wi) определяется из тождества [1]:

Eqn82.wmf

где dmax – максимальный размер устойчивых капель; W – обводненность нефти на входе в аппарат; ωодi – скорость стеснённого осаждения капли размером di; μн – динамическая вязкость нефти; ρв – плотность воды; ρy – плотность нефти; g – ускорение свободного падения.

Определение конечной обводненности осуществляется методом последовательных приближений. При выполнении условия, что разность правой и левой частей меньше заданной погрешности, расчёт конечной обводненности Wi считается законченным.

В качестве исходных данных при проведении расчетов использована информация о расходах потоков, усредненных значениях основных параметров работы аппаратов, составе и характеристиках нефти и газа однократного разгазирования установки подготовки нефти УПН ВЧНГКМ. Нагрузка установки по сырью (пластовой нефти) равна 1000 т/ч при средней обводненности 20,9 масс %.

В результате расчета процессов в сепараторах С-1 были получены состав и расход суммарного потока нефтяной эмульсии на вход последующих аппаратов технологической схемы (рис. 1). После сепараторов первой ступени поток нефтяной эмульсии распределяется между аппаратами «Хитер-Тритер» и ТФС в соотношении 4:6. ТФС представлены тремя параллельно работающими аппаратами объемом 200 м3. Рабочие условия в ТФС: давление 0,49 МПа, температура 15 °C и расход182 т/ч.

При расчете процессов в ТФС задействованы три модуля моделирующей системы: каплеобразование в подводящем трубопроводе, сепарация газа и обезвоживание (обессоливание) нефти в аппарате. Адекватность модели оценивалась по средним значениям обводненности нефти на выходе из аппарата за определенный период работы промышленной установки. Средняя относительная погрешность не превышает 10 %, что свидетельствует об удовлетворительном соответствии расчетных и экспериментальных данных и позволяет анализировать процессы в ТФС, варьируя технологические параметры.

Проведено исследование влияния расхода входного потока ТФС, температуры в аппарате и обводненности на процесс обезвоживания нефти. Результаты исследований приведены в таблице и на рис. 2, 3.

pic_80.wmf

Рис. 2. Зависимость диаметра капель воды от расхода водонефтяной эмульсии

pic_81.wmf

Рис. 3. Зависимость остаточной обводненности от расхода водонефтяной эмульсии

Исследование влияния температуры в интервале 5–35 °С (таблица) показало, что с ростом температуры наблюдается значительное снижение вязкости эмульсии и остаточной обводненности, при этом размеры капель изменяются незначительно.

На рис. 2, 3 приведены зависимости максимального диаметра капель воды и остаточной обводненности нефти от расхода водонефтяной эмульсии.

Показано, что при увеличении расхода нефти до 96 т/ч наблюдается значительный рост диаметра капель. Дальнейшее увеличение расхода нефти приводит к стабилизации размера капель, что, по-видимому, можно объяснить усилением процессов дробления капель.

С ростом расхода на входе в ТФС (рис. 3) остаточная обводненность возрастает до 4 масс %, при этом увеличение температуры в аппарате способствует повышению эффективности процесса разделения водонефтяной эмульсии. На основании анализа полученных результатов по остаточной обводненности можно в зависимости от нагрузки определять оптимальное количество параллельно работающих аппаратов, остальные ТФС могут находиться в резерве.

Заключение

Применение разработанной моделирующей системы позволило установить особенности процессов, протекающих в ТФС, и оценить влияние технологических параметров, таких как расход нефти, содержание воды на входе в аппарат и температуры потоков на остаточную обводненность нефти. Использование МС позволяет повысить эффективность установки за счет оптимизации технологических параметров и распределения потоков.

Влияние технологических параметров на процесс разделения водонефтяной эмульсии в ТФС

Параметры

Каплеобразователь

Обводненность на выходе ТФС, масс %

Диаметр капли, ∙10–2 см

Вязкость, МПа∙с

Температура, °С

Расход эмульсии: 182 т/ч.

Обводненность на входе в аппарат: 20,9 масс %

5

5,541

11,75

3,31

15

5,509

9,17

2,47

25

5,479

7,26

1,91

35

5,448

5,82

1,52

Обводненность на входе, масс %

Расход эмульсии: 182 т/ч.

Температура: 15 °С

5

5,108

5,94

0,65

10

5,240

6,81

1,22

15

5,374

7,87

1,82

20

5,509

9,17

2,47

Рецензенты:

Смирнов С.В., д.т.н., профессор кафедры физических методов исследования Томского университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск;

Ивашкина Е.Н., д.т.н., доцент кафедры химической технологии топлива Института природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.


Библиографическая ссылка

Ким С.Ф., Ушева Н.В., Самборская М.А., Мойзес О.Е., Кузьменко Е.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-3. – С. 626-629;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31970 (дата обращения: 30.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074