Стенд для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами

Изобретение относится к области гидродинамики жидкостей, в частности к устройствам для изучения снижения гидродинамического сопротивления полимерными присадками, либо поверхностно-активными веществами, и может быть использовано для создания гидродинамических стендов для изучения углеводородных жидкостей и испытания присадок к ним, снижающих гидродинамическое сопротивление.

Для оценки эффективности методов воздействия на нефть (депрессорные присадки, нагрев, разбавление и т.д.) применяются реологические методы исследований с использованием ротационных вискозиметров. Реологические приборы ротационного типа, рабочим узлом которых служат коаксиальные цилиндры и вращающиеся диски, будучи компактными и удобными в обращении, не позволяют в полной мере прогнозировать поведение реологически сложных нефтей в условиях реального трубопровода, так как используют ротационное движение для моделирования процесса транспортировки нефтей, а не поступательное как в трубопроводе.

Кроме того, перенос результатов определения сдвиговых напряжений, полученных с применением ротационного движения, на магистральный трубопровод осуществляется по косвенным признакам моделирования процесса поступательного движения в трубопроводе.

Наиболее близкое техническое решение к заявленному изобретению раскрыто в патентном документе RU 151950 U1 «Гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов» (МПК G01N 11/08, 2015) в котором раскрыт гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов, характеризующийся тем, что он содержит расходную емкость для углеводородной жидкости, которая снабжена входным и выходным шаровыми кранами, термостат, соединенный с расходной емкостью, замкнутый контур движения углеводородной жидкости, узел ввода противотурбулентной присадки, винтовой насос, измерительный узел и расходомер, при этом измерительный узел включает в себя, по меньшей мере, один дифференциальный датчик давления, датчик температуры и таймер для измерения времени прохождения углеводородной жидкости по замкнутому контуру. Полезная модель относится к области гидродинамики жидкостей, в частности, к устройствам для изучения снижения гидродинамического сопротивления полимерными присадками, либо поверхностно-активными веществами (далее - ПАВ).

Недостатками наиболее близкого технического решения можно отнести следующее:

- отсутствие возможности моделировать процесс отложения (кристаллизации) парафинов при прохождении углеводородной жидкости по замкнутому контуру трубной обвязки;

- отсутствие возможности моделировать начальные сдвиговые напряжения «страгивания» углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами в остановленном трубопроводе;

- отсутствие возможности фиксировать, записывать и обрабатывать данные, полученные с датчиков при помощи персонального компьютера.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение недостатков, упомянутых выше, и состоит в создании модернизированного стенда с расширенными функциональными возможностями для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами.

Предлагаемое техническое решение позволяет разрабатывать и совершенствовать существующие методы и способы транспортировки тяжелых и битуминозных нефтей и других углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами по трубопроводам.

Конструктивное исполнение заявленного стенда для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами позволяет осуществлять следующие операции:

- моделировать процесс отложения парафинов;

- определять величины начальных сдвиговых напряжений;

- проводить испытания эффективности применения присадок (депрессорных, противотурбулентных и ПАВ).

Кроме того, обеспечивается повышение надежности и безопасности проведения исследовательских работ, за счет оснащения расходного бака дыхательным клапаном, а также выполнения трубной обвязки, измерительной секции, запорной арматуры, расходного бака и узла ввода присадок из коррозионностойкой стали, рассчитанной на рабочее давление не менее 4,0 МПа, причем внешние поверхности теплообменника, замкнутого контура трубной обвязки, измерительной секции, шаровых кранов, а также датчиков давления, температуры и расходомера покрыты негорючей теплоизоляцией.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение точности определения минимального давления, при котором происходит «страгивание» углеводородной жидкости в измерительной секции и сопоставление со значениями давлений, вычисленных на основе испытаний реологических свойств углеводородной жидкости, повышение точности прогнозирования условий отложения (кристаллизации) парафинов в измерительной секции в сопоставлении со значениями давлений, вычисленных на основе испытаний реологических свойств углеводородной жидкости, а также повышение безопасности проведения исследований.

Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что стенд для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами содержащий расходный бак для углеводородной жидкости, оборудованный теплообменником и циркуляционным термостатом, замкнутый контур трубной обвязки, узел ввода присадок, винтовой насос, датчики давления, температуры и расходомер, также содержит персональный компьютер и измерительную секцию, представляющую собой трубку, оснащенную теплообменником и по меньшей мере двумя датчиками давления и температуры.

Развитием и уточнением предлагаемого изобретения являются следующие признаки:

- расходный бак выполнен с конусообразным дном и оснащен дыхательным клапаном и датчиком температуры;

- замкнутый контур трубной обвязки представляет собой трубку диаметром не менее 25 мм и длиной не менее 13 м;

- внутренний диаметр трубки измерительной секции составляет не менее 10 мм, при этом длина трубки составляет не менее 20 м;

- узел ввода присадок содержит линию промывки емкости ввода присадок и шаровые краны;

- углеводородная жидкость со сложными реологическими свойствами представляет собой нефть или нефтепродукты с вязкостью не боле 100 сСт и плотностью не более 950 кг/м³;

- трубная обвязка, расходный бак, узел ввода присадок и измерительная секция выполнены из коррозионностойкой стали и рассчитаны на рабочее давление не более 4,0 МПа;

- внешние поверхности трубной обвязки, расходного бака, теплообменника, шаровых кранов, а также датчиков давления, температуры и расходомера покрыты негорючей теплоизоляцией.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг. 1 - принципиальная схема стенда для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами;

фиг. 2 - внешний вид измерительной секции.

Позициями на чертежах фиг. 1 и фиг. 2 обозначены:

1 - расходный бак;

2 - теплообменник;

3 - дыхательный клапан;

4 - датчик температуры;

5 - циркуляционный термостат;

6 - винтовой насос;

7 - всасывающий участок;

8 - напорный участок;

9 - узел ввода присадок;

10 - емкость ввода присадок;

11 - линия промывки емкости ввода присадок;

12 - датчик давления;

13 - датчик измерения частоты вращения (тахометр);

14 - расходомер;

15 - измерительная секция;

16 - теплообменник измерительной секции;

17 - шаровой кран;

18 - шаровой кран измерительной секции;

19 - шаровой кран напорного участка;

20 - персональный компьютер

Стенд для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами, схема которого показана на фиг. 1, содержит расходный бак с конусообразным дном 1 для загрузки исследуемой углеводородной жидкости, оснащенный теплообменником 2, дыхательным клапаном 3 и датчиком температуры 4. Теплообменник 2 соединен с циркуляционным термостатом 5, предназначенным для поддержания заданной температуры в расходном баке 1 и в замкнутом контуре трубной обвязки по которому движется исследуемая углеводородная жидкость со сложными реологическими свойствами. Трубная обвязка замкнутого контура разделяется на всасывающий участок 7 и напорный участок 8 с винтовым насосом 6, при помощи которого задают необходимую скорость движения углеводородной жидкости. Параметры работы винтового насоса 6 контролируются при помощи показаний датчиков давления 12, датчика измерения частоты вращения (тахометра) 13, и расходомера 14. На всасывающем участке 7 смонтирован узел ввода присадок 9, который состоит из линии ввода, содержащей емкость для ввода присадок 10, и линии промывки емкости ввода присадки 11, причем каждая линия узла ввода присадок 9 оборудована шаровым краном 17. К напорному участку 8 замкнутого контура трубной обвязки через шаровой кран 18 подключена измерительная секция 15, представляющая собой трубку диаметром 10 мм и длиной 20 м, оснащенную теплообменником 16, и с установленными на обоих концах трубки по одному датчику давления 12 и температуры 4 для регистрации параметров экспериментов.

Измерительная секция 15 предназначена для проведения исследований процессов отложения (кристаллизации) парафинов и моделирования начальных сдвиговых напряжения «страгивания» углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами в остановленном трубопроводе. Для охлаждения и поддержания заданной температуры испытуемой углеводородной жидкости в измерительной секции 15 имеется теплообменник 16, подключенный к циркуляционному термостату 5 (на чертеже фиг. 1 подключение условно не показано). Сигналы, измеряемые датчиками давления 12, температуры 4, датчика измерения частоты вращения 13 и расходомера 14, выводятся на экран персонального компьютера 20 автоматизированного рабочего места (далее - АРМ) оператора стенда и записываются не реже чем один раз в одну секунду.

Заявленное изобретение работает следующим образом.

Расходный бак 1 заполняют исследуемой углеводородной жидкостью со сложными реологическими свойствами и при помощи циркуляционного термостата 5 задают необходимую температуру в зависимости от целей исследования. Циркуляционный термостат 5 позволяет задавать температуры исследуемой углеводородной жидкости в диапазоне от минус 5°С до плюс 60°С. Затем включают персональный компьютер 20 и через АРМ оператора стенда запускают винтовой насос 6, который обеспечивает циркуляцию исследуемой углеводородной жидкости в замкнутом контуре трубной обвязки и измерительной секции 15 стенда. Посредством датчиков давления 12, датчиков температуры 4 и расходомера 14 следят за изменением параметров протекающей исследуемой углеводородной жидкости по замкнутому контуру трубной обвязки и измерительной секции 15.

Для исследования процессов отложения (кристаллизации) парафинов измерительную секцию 15 подключают последовательно к замкнутому контуру трубной обвязки, открывая шаровые краны 18 на входе и выходе измерительной секции 15, закрывая шаровой кран 19 напорного участка 8. После установления в контуре трубной обвязки и измерительной секции заданной температуры, давления и расхода в АРМ оператора стенда фиксируют параметры режима перекачки. Далее теплообменником 16 и циркуляционным термостатом 5 начинают охлаждать исследуемую углеводородную жидкость в измерительной секции 15, создавая температурный градиент. Ввиду создаваемой разницы температур углеводородной жидкости и стенкой теплообменника 16 на внутренней стенке трубки измерительной секции 15 начинается процесс осаждения парафиновых отложений. Осаждение парафина на внутренней стенке трубки измерительной линии 15 приводит к уменьшению внутреннего диаметра трубки, что в свою очередь увеличивает сопротивление замкнутого контура трубной обвязки и измерительной секции 15. По величине перепада давления и изменению расхода при различных значениях градиентов температур и времени проведения экспериментов можно судить об интенсивности выпадения парафина.

Для моделирования начальных сдвиговых напряжений «страгивания» углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами в остановленном трубопроводе измерительную секцию 15 подключают последовательно к замкнутому контуру трубной обвязки открывая шаровые краны 18 измерительной секции. Для проведения эксперимента после заполнения измерительной секции 15 исследуемой углеводородной жидкостью закрывают шаровой кран 18 на выходе измерительной секции 15, тем самым останавливают поток в измерительной секции 15 и далее теплообменником 16 и циркуляционным термостатом 5 начинают охлаждать исследуемую углеводородную жидкость в измерительной секции до температуры застывания. Застывание углеводородной жидкости в измерительной секции контролируется по показаниям датчика давления 12 на выходе измерительной секции. После застывания углеводородной жидкости открывают шаровой кран 18 на выходе измерительной секции 15 и постепенно закрывают шаровой кран 19 напорного участка, тем самым увеличивая давление на входе в измерительную секцию 15. Шаровой кран 19 напорного участка закрывают до момента поступления исследуемой углеводородной жидкости на выходе измерительной секции 15. В процессе испытания показания датчиков давления и температуры, установленные по краям измерительной секции, фиксируются в АРМ оператора стенда. По величине перепада давления на входе и выходе измерительной секции 15 можно судить о требуемых начальных сдвиговых напряжениях, необходимых для «страгивания» углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами в остановленном трубопроводе.

Через узел ввода присадок 9 в поток углеводородной жидкости вводят добавки изменяющие свойства исследуемой жидкости и повторяют эксперименты по исследованию процессов отложения парафинов и моделирования начальных сдвиговых напряжений. По разнице между результатами экспериментов, полученных с присадками и с необработанной исследуемой углеводородной жидкостью, делают вывод об эффективности работы присадок по улучшению требуемых качеств исследуемых углеводородных жидкостей.

По окончании проведения исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами производят отключение термостата 5 и персонального компьютера 20, далее осуществляют слив исследуемой углеводородной жидкости из расходного бака 1 через дренажный шаровой кран 17, установленный между расходным баком 1 и всасывающим участком 7.

Технический результат предлагаемой конструкции стенда для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами достигается за счет:

- использования измерительной секции для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами;

- использования термостата, позволяющего задавать температуру исследуемой углеводородной жидкости в широком диапазоне и проводить оценку скорости выпадения парафина при пониженной температуре;

- использования персонального компьютера для регистрации и обработки показаний датчиков давления, температуры и расхода, а также показаний тахометра;

- конструкции расходного бака, выполненного с конусообразным дном и оснащенного дыхательным клапаном;

- использования узла ввода присадок с линией промывки для исключения осаждения частиц присадок на стенках узла ввода;

- применения коррозионностойкой стали, из которой изготовлены трубная обвязка, расходный бак, узел ввода присадок и измерительная секция;

- применения негорючей теплоизоляции в качестве покрытия внешних поверхностей трубной обвязки, расходного бака, теплообменника, шаровых кранов, а также датчиков давления, температуры и расходомера.