Результат интеллектуальной деятельности: ПРОТИВОТУРБУЛЕНТНАЯ ПРИСАДКА

Изобретение относится к противотурбулентным присадкам для углеводородных жидкостей и может быть использовано при транспортировке в трубопроводном транспорте нефти, нефтепродуктов и газового конденсата с целью увеличения пропускной способности трубопроводов.

Известна противотурбулентная присадка FLO МХА (ТУ 2548-002-17642043-2010), состоящая из суспензии полимера со сверхмолекулярным весом, диспергированным в алкиловом спирте.

Недостатками данной присадки является высокая стоимость, необходимость дополнительного перемешивания присадки перед применением.

Известен состав для уменьшения гидравлического сопротивления, содержащий полимер, например поли-α-олефин, в количестве 1-60% и натуральный жир или масло в количестве 40-99%. Состав предпочтительно содержит также диспергирующе-стабилизирующий агент, например мыло жирной кислоты, в количестве 0,1-50% от общего веса (EA 5628, МПК C08L 23/18, опубликовано 28.04.2005 г.).

Недостатком данной присадки является высокая стоимость состава и низкая стабильность, связанная со склонностью натуральных масел к окислительным процессам при контакте с кислородом воздуха.

Известна жидкая присадка к углеводородной жидкости, содержащая высокомолекулярный полиизобутилен, имеющий молекулярную массу (3,7-4,9)⋅10⁶ а.е.м. (патент РФ №2343187, опубликован 10.01.2009 г.).

К недостаткам изобретения можно отнести низкую растворимость присадки в углеводородной жидкости и высокую длительность ее приготовления, поскольку при получении присадки используют полиизобутилен со сверхвысокой молекулярной массой, кроме того, известная присадка имеет недостаточную продолжительность действия.

Известна противотурбулентная присадка (патент РФ №2277103, опубликован 27.05.2006 г.), получаемая полимеризацией высших α-олефинов в растворе углеводорода, и представляющая собой вязкий раствор. Противотурбулентные присадки на основе высокомолекулярных полимеров α-олефинов, растворимых в углеводородных жидкостях, вследствие возможности получения относительно недорогих сверхвысокомолекулярных, а значит, эффективных в качестве противотурбулентных присадок, полимеров получили широкое распространение. Полиальфаолефины, получаемые из альфаолефиновых мономеров, как правило, включают в себя мономеры от С₄ до С₁₆. Установлено, что именно такой состав альфаолефиновых мономеров позволяет получить полимеры, характеризующиеся наивысшим качеством и наибольшей эффективностью.

К недостаткам данного изобретения следует отнести следующее. Сверхвысокомолекулярный полимер получается лишь на начальной стадии полимеризации, и ее приходится прерывать при 20%-ной конверсии мономера, так как дальнейшая полимеризация приводит к образованию балластного полимера, не активного в снижении сопротивления (Г.В. Несын, Ю.В. Сулейманова, Н.М. Полякова, Г.П. Филатов. Антитурбулентная присадка суспензионного типа на основе полимеров высших альфаолефинов. Известия Томского политехнического университета. 2006. т. 309. №3).

Известна противотурбулентная присадка суспензионного типа (Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №3. с. 112-115; Г.В. Несын, Ю.В. Сулейманова и др. Антитурбулентная присадка суспензионного типа на основе высших α-олефинов), приготовление которой включает полимеризацию высших α-олефинов в массе, затем полученный полимер измельчают при криогенных температурах и готовят суспензию измельченного полимера в водной или неводной среде. Однако при криогенном измельчении идет процесс деструкции полимера, что снижает его молекулярную массу и его эффективность как антитурбулентной присадки.

Известна противотурбулентная присадка (патент РФ №2579583, МПК C08F 10/14, опубликовано 10.04.2016 г.), содержащая полиолефин (смесь полиолефинов) и дисперсионную среду в соотношении, равном 1:10÷1:2. В качестве дисперсионной среды используются триглицериды жирных кислот, обладающие низкой стабильностью в связи со склонностью к окислительным процессам при контакте с кислородом воздуха.

Наиболее близким аналогом является противотурбулентная присадка (патент РФ №2505551, опубликован 27.01.2014 г.), для которой приготавливают суспензию смешением высшего поли-α-олефина со средой присадки и антиагломератом. В качестве полимера берут полимер, полученный с использованием осадителя в виде вещества с температурой кипения выше температуры кипения исходного мономера не менее чем на 73°C, а компоненты суспензии противотурбулентной присадки берут в следующем количественном соотношении, мас. %:

Недостатком данного изобретения является возможность большого разброса молекулярных масс макромолекул полимера в процессе его изготовления, что сказывается на нестабильности показателей присадки по сравнению с использованием промышленно производимых полимеров.

Задачей изобретения является разработка состава противотурбулентной присадки с высокими эксплуатационными характеристиками для снижения затрат на транспортировку углеводородных жидкостей.

Технический результат заключается в увеличении пропускной способности трубопроводов, снижении перепада давления и энергетических затрат, возникающих при транспортировке углеводородных жидкостей.

Технический результат достигается противотурбулентной присадкой для углеводородных жидкостей, содержащей полимер высших α-олефинов Полидецен-1, метиловый эфир пропиленгликоля, BNX 1076 в качестве ингибитора окислительной деструкции, стеарат кальция в качестве ингибитора термической деструкции, при следующем соотношении компонентов, % масс.:

Технический результат достигается противотурбулентной присадкой, содержащей полимер высших α-олефинов Полидецен-1, метиловый эфир пропиленгликоля, BNX 1076 в качестве ингибитора окислительной деструкции, стеарат кальция в качестве ингибитора термической деструкции, синтерол АМФ-12 в качестве ингибитора асфальто-смолистых парафиновых отложений, при следующем соотношении компонентов, % масс.:

На фиг. 1 представлена зависимость относительного перепада давления на участке трубопровода опытной установки при перекачке газового конденсата от дозировки противотурбулентной присадки.

На фиг. 2 представлена зависимость относительного снижения потребляемой электроэнергии на участке трубопровода опытной установки при перекачке газового конденсата от дозировки противотурбулентной присадки.

На иллюстрациях обозначены следующие элементы:

1 - присадка без ингибитора АСПО;

2 - присадка с добавлением ингибитора АСПО.

Состав противотурбулентных присадок представлен в табл. 1 и табл. 2, величины снижения перепада давления на участке трубопровода опытной установки в табл. 3.

На движение жидкости по трубопроводу оказывают влияние такие факторы, как скорость движения, диаметр, материал трубопровода, степень шероховатости его поверхности, плотность и вязкость жидкостей. При этом режим движения жидкости, с учетом влияния перечисленных факторов, характеризуется безразмерным параметром - числом Рейнольдса (Re). С увеличением Re эффективность присадок возрастает, и при достаточно больших значениях (турбулентный режим) наблюдается режим максимального снижения сопротивления, когда эффект перестает зависеть от типа полимера присадки, размера трубы и Re. Максимальное снижение сопротивления трения в технически гладких трубах определяется только концентрацией раствора используемого полимера и не зависит от диаметра трубы (Новоселов В.Ф., Муфтахов Е.М. «Технологический расчет нефтепроводов», Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996 г. - 43 с., Бударин В.А. «Метод расчета движения жидкости», Одесса: «Астропринт», 2006 г. - 138 с.).

С увеличением вязкости система не переходит из ламинарного в турбулентный режим, поэтому присадки для снижения сопротивления можно применять для углеводородных жидкостей, имеющих кинематическую вязкость не более 15÷20⋅10^-6 м²/с.

С увеличением температуры жидкости уменьшается вязкость жидкости и увеличивается эффективность присадок, т.к. повышается их растворимость при введении в поток жидкости. Однако увеличение температуры выше 60-70°C иногда приводит к снижению эффективности присадок, что объясняется снижением растворимости и выпадением из раствора полимеров, имеющих верхнюю критическую температуру смешения.

Заданная величина эффекта снижения гидродинамического сопротивления определяется на основе технико-экономического расчета с учетом типа присадки, гидромеханических параметров, существующих затрат и т.д. После определения оптимальной величины снижения сопротивления с учетом молекулярных характеристик присадок определяется концентрация присадки в углеводородных жидкостях, которая обычно лежит в пределах 50-100 г/т («Композиционные составы для снижения гидравлического сопротивления в системах трубопроводного сбора и транспорта продукции нефтяных скважин», диссертация кандидата технических наук: 02.00.13/ Хуснуллин Руслан Ринатович, Казань, 2015 г. - 149 c.).

С увеличением молекулярной массы полимера при прочих равных условиях эффект снижения сопротивления растет, что связано с увеличением линейного размера молекул с ростом молекулярной массы. Характерным свойством высокомолекулярных полимеров является деструкция (разрушение макромолекул), которая приводит к резкому снижению или полному прекращению их влияния на гидравлическое сопротивление. Деструкция полимеров, как правило, происходит при механическом давяще-трущем воздействии. С увеличением концентрации присадок влияние деструкции на гидродинамическое сопротивление снижается, с ростом температуры раствора - повышается.

Предложенный состав противотурбулентной присадки включает полимер высших α-олефинов - Полидецен-1, который обладает высокой детурбулизирующей способностью, и в сочетании с указанными компонентами обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики присадки. Соотношение компонентов определяется необходимой эффективностью присадки, а также требованиями технологичности изготовления, условиями хранения и эксплуатации. В частности, концентрация Полидецена -1 менее 30% приводит к увеличению удельного расхода присадки для достижения необходимой эффективности, концентрация более 40% приводит к повышению вязкости, что вызывает сложности при изготовлении, дозировании и хранении реагентов при низкой температуре окружающей среды. Ингибитор окислительной деструкции - BNX 1076 представляет собой пространственно-затрудненные фенолы. Его содержание менее 0,05% не обеспечивает достаточной эффективности, а более 0,1% использовать нецелесообразно. Аналогично, ингибитор термической деструкции - стеарат кальция, при содержании менее 1% не обеспечивает достаточной эффективности, более 1,5 % использовать нецелесообразно. Метиловый эфир пропиленгликоля - это растворитель, его процентное содержание в составе присадки определяется по остаточному принципу и, в общем, обусловлено предельным значением вязкости и устойчивости суспензии при низких температурах.

Допускается добавка к присадке ингибитора асфальто-смолистых парафиновых отложений (АСПО) на трубах, например синтерола АМФ-12 (оксиэтилированный неонол), который представляет собой натриевую (калиевую) соль карбоксиметилата оксиэтилированного изононилфенола - имеет структурную формулу: C₉H₁₉-C₆H₄-O(-CH₂-CH₂O)₉-CH₂-COO-Na. Получают реакцией конденсации оксиэтилированных алкилфенолов, в качестве которых используют соединения марок "неонол" с монохлорацетатом натрия. Синтерол АФМ-12 марки А выпускают по ТУ 2481-007-14331137-2009.

При содержании в количестве менее 5% добавка не проявляет достаточной ингибирующей эффективности, в количестве более 10% использовать нежелательно, т.к. при этом снижается содержание активных компонентов самой противотурбулентной присадки.

Оценка эффективности действия противотурбулентных присадок в композиции с ингибитором АСПО и без него в газовом конденсате Ачимовских отложений Уренгойского НГКМ проводилась на лабораторной установке ООО «НТЦ Салаватнефтеоргсинтез» путем количественного определения:

1) относительного перепада давления на участке трубопровода при перекачке нефти/газового конденсата без и с использованием присадки;

2) относительного изменения потребляемой электроэнергии электроприводом насоса для перекачки 1 м³ нефти/газового конденсата (кВт⋅ч/м³) без и с использованием присадки.

Относительное снижение перепада давления рассчитывается по формуле

где - перепад давления в трубопроводе при перекачке продукта в отсутствии присадки, МПа;

- перепад давления в трубопроводе при перекачке продукта в присутствии присадки, МПа.

Относительное снижение потребляемой энергии электродвигателем насоса для перекачки нефти/газового конденсата рассчитывается по формуле (2): DRe(%)=(Е₀-Е_θ)⋅100/Е₀,

где E₀ - потребляемая энергия для перекачки жидкости объемом 1 м³ в отсутствии присадки, кВт⋅ч/м³;

Е_θ - потребляемая энергия для перекачки жидкости объемом 1 м³ в присутствии присадки, кВт⋅ч/м³.

Требуемая скорость потока жидкости была предварительно рассчитана при помощи системы точного моделирования технологических процессов Aspen HYSYS.

Эффективность предлагаемой противотурбулентной присадки без добавления ингибитора АСПО (пример 1) и с добавлением (пример 2) подтверждена испытаниями на лабораторной установке, результаты представлены в таблице 1.

Результаты испытаний показали, что после ввода присадки в газовый конденсат как с добавлением ингибитора АСПО, так и без него происходит снижение перепада давления до (20,3-20,5) % и энергозатрат до (13,6-13,8) %. Снижение данных показателей указывает на повышение пропускной способности трубопровода после введения в поток присадки.

На иллюстрациях представлены зависимости относительного перепада давления (фиг. 1) и относительного снижения потребляемой электроэнергии (фиг. 2) от дозировки опытных образцов противотурбулентных присадок.

Эффективность ингибирования АСПО проводилась над используемым ингибитором АСПО и его смесью с противотурбулентной присадкой методом «холодного стержня» («cold finger test»). Суть эксперимента заключалась в следующем: в газовый конденсат добавляли ингибиторы парафиноотложений в дозировке 1000 г/т, охлаждали до температуры 10°C, затем на 30 секунд вносили предварительно взвешенные на аналитических весах металлические пластинки, охлажденные до 0°C. Пластинки вынимали, давали стечь конденсату и взвешивали. Аналогичный опыт проделывали с газовым конденсатом, не содержащим ингибитор парафиноотложений (холостой опыт), и с ингибитором, смешанным с противотурбулентной присадкой.

Эффективность действия ингибитора (Э,%) рассчитывали по формуле (3):Э(%)=(m₁-m₂)⋅100/m₁,

где m₁ - масса парафина, отложившегося на пластинке, погруженной в холостую пробу, г;

m₂ - масса парафина, отложившегося на пластинке, погруженной в пробу с ингибитором, г.

Полученные данные представлены в таблице 2.

Пример 1 соответствует опыту с использованием противотурбулентной присадки (ПТП) без ингибитора АСПО, пример 2-е использованием смеси противотурбулентной присадки и ингибитора АСПО.

Из полученных данных следует, что действие ингибитора наиболее эффективно при дозировке присадки (300-500) г/т.

Готовят присадку следующим образом.

Полидецен-1 в виде полимерных гранул смешивают растворителем - метиловым эфиром пропиленгликоля. Смесь нагревают до температуры 70°C, затем добавляют ингибитор окислительной деструкции - BNX 1076 и ингибитор термической деструкции - стеарат кальция. При этом используют следующее соотношение компонентов, % масс.: Полидецен-1 - 30-40; BNX 1076 - 0,05-0,1; стеарат кальция - 1,0-1,5; метиловый эфир пропиленгликоля - до 100. Далее осуществляют постепенное охлаждение и слабое перемешивание до снижения температуры до 25°C. При этом образуется маловязкая суспензия полимера - противотурбулентной присадки.

Пример 1. Полидецен-1 в количестве 30 г смешали с 68,95 г метилового эфира пропиленгликоля, смесь нагрели до температуры 70°C, затем добавили ингибиторы окислительной и термической деструкции - BNX 1076 и стеарат кальция, соответственно 50 мг и 1 г. Далее, используя поэтапное охлаждение и слабое перемешивание, снизили температуру до 25°C, при этом образовалась маловязкая суспензия полимера.

Пример 2. При указанной в примере 1 последовательности действий используют следующие количества компонентов: Полидецен-1 - 35 г; метиловый эфир пропиленгликоля 63,73 г, BNX 1076 - 70 мг, стеарат кальция - 1,2 г. Получают присадку в виде маловязкой суспензии полимера.

Пример 3. При указанной в примере последовательности действий используют следующие количества компонентов: Полидецен-1 - 40 г; метиловый эфир пропиленгликоля 58,4 г, BNX 1076 - 100 мг, стеарат кальция - 1,5 г. Получают присадку в виде маловязкой суспензии полимера.

Пример 4. Готовят присадку по примеру 1, отмеряют 92 г полученной суспензии и добавляют в нее 8 г ингибитора АСПО - синтерола АМФ-12. После перемешивания получают готовый продукт.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет при невысоких затратах и достаточно простой технологии получить противотурбулентную присадку с высокими эксплуатационными характеристиками.