СОСТАВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕЛЕВОГО ПОРШНЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти, нефтепродуктов и газового конденсата и предназначено для очистки трубопроводов переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90 градусов, как с подкладными кольцами, так и без них, от асфальтосмолопарафиновых отложений, водонефтяных эмульсий и пластовой воды.

При транспортировании нефти или нефтепродуктов вследствие выпадения осадков, образования внутренних газовоздушных скоплений и воды уменьшается пропускная способность трубопроводов, в результате чего увеличивается их гидравлическое сопротивление и увеличивается вероятность механического разрушения.

Особенно страдают участки труб, имеющих сложную конфигурацию и переменное сечение, а также трубопроводы большого диаметра с подкладными кольцами.

Водяные и газовоздушные скопления снижают качество перекачиваемого продукта, способствуют образованию устойчивых к разрушению эмульсионных систем.

Используемые для очистки механические устройства в большинстве случаев малоэффективны, особенно применительно к трубопроводам переменного диаметра.

Высокое качество удаления парафиновых и битуминозных отложений на стенках труб можно достичь лишь при использовании гелевых поршней с высокими значениями показателей упругих свойств. Благодаря этому гарантирована требуемая герметичность прилегания композиции к внутренней поверхности трубопровода.

Известен состав гелевого разделительного поршня, включающий полиакриламид (ПАА), алифатический спирт С₂-С₃, сшивающий агент, смесь минеральных солей и вода - остальное [RU №2115858, 6F 17D 3/08].

Его недостатком является низкий уровень герметизации полости трубы, особенно для трубопровода диаметром 300 мм и более.

Известен состав гелевого разделительного поршня на основе полиакриламида, углеводородной жидкости, сшивающего агента, соли щелочного или щелочноземельного металла и вода - остальное [RU №2209364 B08B 9/027, F17D 1/12, оп. 2003 г.].

Для данной композиции характерен невысокий уровень герметизации полости трубы, особенно для трубопровода переменного диаметра с крутыми поворотами при его очистке, так как при этом происходит нарушение сплошности гелевого разделительного поршня.

Известен состав разделительного поршня для очистки трубопровода и разделения сред, содержащий полиакриламид, нефтепродукт, соль минеральной кислоты, сшивающий агент, порошкообразное производное формальдегида и пресную воду [RU №2271879, B08B 9/027, оп. 2004 г.].

Его существенным недостатком является невысокий уровень упругих характеристик гелевой композиции и недостаточная герметизация полости трубы гелевым поршнем в трубопроводах диаметром 300 мм и более с подкладными кольцами.

Наиболее близким по технической сущности является состав гелевого поршня, описанный в [RU №2619682, В08В 9/027; В08В 9/053; F17D 1/12]. Он включает водорастворимый полимер, углеводородную жидкость, органический и неорганический сшивающие агенты и воду, причем в качестве полимерной основы используют высокомолекулярные продукты разных классов, в роли органического сшивающего агента - полиметилольные производные мочевины при следующем содержании компонентов, масс. %: водорастворимый полимер - 8,0-10,0; углеводородная жидкость - 6,0-8,0; полиметилольные производные мочевины - 0,5-3,0; неорганический сшивающий агент - 0,001-0,003; вода - остальное.

К его недостаткам следует отнести повышенный разброс степени очистки поверхности труб в зависимости от варьируемого состава очищающего поршня.

Целью изобретения является оптимизация состава гелевого поршня, обеспечивающая улучшение его упругих характеристик и достижение более высокой степени очистки полости трубы переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90°, как с подкладными кольцами, так и без них.

Поставленная задача достигается тем, что состав многофункционального гелевого поршня для применения на магистральных трубопроводах с целью их очистки от асфальтосмолопарафинистых сред и других видов отложений, включает полимер, формальдегидсодержащий реагент, углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент, воду и дополнительно второй амид, причем в качестве полимера используют водорастворимый или частично сшитый полиакриламид, в роли формальдегидсодержащего реагента - продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида марки КФК-85, а вторым амидом является карбамид, меламин или их смесь, при следующем содержании компонентов, масс. %:

Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является состав многофункционального гелевого поршня, получаемый последовательным смешением перечисленных компонентов с формированием очищающего поршня в производственных условиях.

В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении существенно увеличено содержание формальдегидсодержащего реагента и дополнительно введен второй амид.

В качестве полимера используют порошкообразный гидролизованный полиакриламид с ММ=(8-18)*10⁶ и степенью гидролиза 5-20% или частично сшитый ПАА с аналогичными характеристиками.

Наиболее подходящей углеводородной жидкостью является легкая нефть, керосин или дизельное топливо. Ее назначение состоит в предотвращении слипание частиц полиакриламида в более крупные агломераты при добавлении воды или неорганического сшивающего агента.

В качестве формальдегидсодержащего реагента применяют продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида, выпускаемый под торговой маркой КФК-85 по ТУ 2223 - 009 00206492-2007 и представляющий водную композицию, содержащую смесь моно-, ди- и триметилолмочевин с метиленгликолем:

Неорганическим сшивающим агентом является алюмохромфосфатное связующее (АХФС), выпускаемое по ТУ 2149-150-10964029-01 на ЗАО «ФК» г. Буй Костромской области или соли поливалентных металлов: хлорид или сульфат хрома, или хромо-калиевые квасцы.

АХФС представляет собой вязкую жидкость темно-зеленого цвета с удельной массой 1550-1770 кг/м³ при 20°C и содержит 6,5-9,0% массовой доли алюминия в пересчете на Al₂O₃, 3,5-4,5% массовой доли хрома в пересчете на Cr₂O₃, 35-40% массовой доли фосфатов в пересчете на P₂O₅, является пожаро- и взрывобезопасным продуктом.

Минерализация применяемой воды не должна превышать 100 г/л.

В качестве регулятора кислотности, обеспечивающего pH состава гелевого поршня в диапазоне 3-6, при необходимости используют соляную и лимонную кислоты.

Входящий в состав гелевого поршня формальдегидсодержащий реагент выступает в качестве модификатора полиакриламида в результате протекания следующих реакций.

Образовавшееся модифицированное производное полиакриламида (~CONHCH₂OH) способно далее конденсироваться в кислой среде с формированием пространственной сетки благодаря взаимодействию метилольных и амидных групп.

2 ~CONHCH₂OH→~CONHCH₂NHCO~+CH₂O+H₂O

~CONHCH₂OH+~CONH₂ (ПАА)→~CONHCH₂NHCO~+H₂O

При этом в реакцию способен вступать не только ПАА, но и карбамид, меламин, добавляемые в состав гелевого поршня. Благодаря вводу второго амида регулируется густота сшивки состава гелевого поршня, то есть его упругие свойства.

Входящий в состав гелевого поршня кислый алюмохромфосфат, способен образовывать с метилолмочевинами карбамидоформальдегидного концентрата сложный эфир.

Применительно к диметилолмочевине его химическое строение может быть представлено следующей структурной формулой

где Ме - Al, Cr.

В результате реализации этого механизма также формируется полимерная разветвленная сетка, термическая и гидролитическая стабильность которой повышается благодаря наличию в ней фосфатных неорганических мостиков.

Образование упрочняющих солевых звеньев подтверждено и в случае

хлорида и сульфата хрома, а также хромо-калиевых квасцов.

Параллельно со сшивкой метилольных производных ПАА становится возможной их соконденсация с добавляемым амидом, например, карбамидом, согласно нижеприведенной реакции. В результате ее протекания, подтвержденной методом ЯМР-спектроскопии, формируются требуемые вязкоупругие характеристики полимерного резиноподобного гелевого поршня.

где R - H, CH₂OH.

Технология изготовления состава гелевого поршня достаточно проста и включает последовательную загрузку компонентов в смесительный аппарат и ее перекачку в трубопровод при помощи агрегата ЦА-320 после достижения вязкости в (1,5-3) μ.

μ=d²*(ρ₁-ρ₂)*g/v, где

μ - вязкость раствора, пуаз;

d - диаметр набухшей частицы ПАА, м;

ρ₁ - плотность набухшего полиакриламида в присутствии добавки КФК-85, кг/м³;

ρ₂ - плотность солевого отверждающего раствора, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

v - скорость седиментации, м/с.

Если принять d=0,003 м, ρ₁=1100 кг/м³, ρ₂ - 1050 кг/м³, V=0, 0001 м/c, то μ=0,25 пуаз.

В дальнейшем процесс протекает с автоускорением и в зависимости от температуры завершается в течение 2-4 часов.

Схема размещения гелевого поршня в очищаемом трубопроводе (устройство вытесняющей технологической цепочки) представлена на фиг. 1.

Обозначения на фиг. 1:

1 - нефтепродукт (водонефтяная эмульсия); 2 - герметизатор резинокордный; 3 - поршень поролоновый №1; 4 - гелевый разделительный поршень; 5 - поршень поролоновый №2; 6 - вытесняющая среда (вода или инертная газовая смесь).

Продавливание готового поршня в полость очищаемого трубопровода осуществляется под давлением с помощью баллонов с азотом без использования камеры приема-пуска, что обеспечивает высокую степень безопасности при выполнении работ. Перемещение гелевого поршня по трубе достигается с использованием инертного газа, либо потоком воды, подаваемой насосом.

Чем выше упругие свойства гелевого поршня, тем плотнее его прилегание к стенкам очищаемой трубы.

Получаемые по заявленному составу гелевые поршни можно использовать для очистки трубопровода переменного диаметра до 1200 мм и с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90°, как с подкладными кольцами, так и без них.

Эксперименты по оценке эффективности гелевого состава по сравнению с прототипом проводили на стенде, который представляет собой трубопровод переменного диаметра 15-25 мм и длиной 30 м и включает в себя повороты под углом 90°.

На внутреннюю поверхность трубы перед началом эксперимента наносили предварительно взвешенные грязепарафиновые отложения, которые были отобраны из реальных магистральных трубопроводов. Затем готовили гелевые составы для формирования поршней по прототипу и примерам осуществления технического решения.

Силу упругости F и жесткость материала k на основе изготовленных гелевых композиций определяли на образцах диаметром 5,2 см и высотой 4,5 см с приложенной статической нагрузкой в 2 кг.

Составы поршней и результаты их исследования приведены в таблице.

Из нее видно, что, регулируя состав гелевого поршня можно добиться существенного улучшения его упругих рабочих характеристик по сравнению с прототипом, что позитивно отразится на удалении различных отложений на внутренней поверхности труб при прохождении по ним гелевого поршня.

По прототипу эффективность очистки трубопровода варьирует от 69%, а по заявленному техническому решению она превышает 80%.

При изменении массового содержания компонентов состава или несоблюдении условий его приготовления отмеченный результат не будет достигнут.

Таким образом, только предложенный состав многофункционального гелевого поршня обеспечит получение материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками и достижение более высокого уровня очистки полости трубы переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90 градусов, как с подкладными кольцами, так и без них.