способ транспортирования вязких продуктов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ транспортирования вязких продуктов, например, высокозастывающих и/или высоковязких нефтей, включающий совместную подачу в трубопровод вязкого продукта и газа, транспортирование образующейся при этом смеси или раствора и возобновление транспортирования после остановки путем разделения вязкого продукта по длине трубопровода на отдельные участки газовыми пробками и создания разности давлений на входе и выходе трубопровода, отличающийся тем, что разделяют вязкий продукт на отдельные участки длиной



где i - номер каждого участка от 1 до n;

L_i - длина каждого участка;

P - располагаемый перепад давлений при пуске трубопровода;

_o,i - предельное динамическое напряжение сдвига вязкого продукта для каждого участка;

_ст,i - статическое напряжение сдвига вязкого продукта для каждого участка;

D_i - диаметр трубопровода на соответствующем участке,

и газовые пробки создают за счет гравитационного разделения вязкого продукта и газа.

2. Трубопровод для транспортирования вязких продуктов по способу п.1, включающий собственно трубопровод с полостями, заполненными газом, отличающийся тем, что указанные полости-ловушки для газа выполнены в виде байпасов или глухих камер, сообщающихся с трубопроводом и размещенных в точках разделения вязкого продукта на отдельные участки, и объем ловушек для газа определяется соотношением



где V - объем ловушки;

L - длина предшествующего участка вязкого продукта после предыдущей ловушки;

I_кp - критическая величина сдвига вязкого продукта, при которой предельное напряжение сдвига снижается от статического до предельного динамического;

_o - предельное динамическое напряжение сдвига;

_ст - статическое напряжение сдвига;

D - диаметр трубопровода;

P_ст - установившееся в трубопроводе давление после остановки транспортирования до нового пуска,

или в виде П-, - или дугообразного компенсатора.

3. Трубопровод по п.2, отличающийся тем, что объем ловушек для газа в виде байпасов или глухих сообщающихся с трубопроводом камер определяют как объем, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через верхнюю точку верхней образующей внутренней полости основного трубопровода на данном участке.

4. Трубопровод по п.2, отличающийся тем, что участок трубопровода, выполненный в виде П-, - или дугообразного компенсатора, ориентированного преимущественно в вертикальной плоскости, и объем такой ловушки определяют как объем, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через верхнюю точку нижней образующей внутренней полости трубопровода на данном участке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а точнее, к транспортированию вязких продуктов, например нефти и продуктов ее переработки, и может быть использовано для снижения пускового давления и аварийности на трубопроводе.

Известен способ транспортирования нефти по трубопроводу, включающий подачу в него газа, воздуха или пара под давлением, тем самым создается в верхней части трубопровода спутный поток. При остановке нефтеподачи сохраняют свободное пространство нефтепровода, в котором затем перед повторным пуском разогревают газ и соответственно загустевшую нефть [1].

Недостатком указанного способа является высокий расход тепла, работоспособность технического решения реализуется только на идеально горизонтальном трубопроводе.

Известен также способ транспортирования нефтей, содержащих нерастворимые при температуре транспорта парафины, включающий растворение в нефти газа под давлением и прокачку раствора по трубопроводу. При этом в результате снижения давления по трассе из нефти выделяются пузырьки газа, которые предупреждают образование в нефти прочных парафиновых структур [2].

Недостатком этого способа является неизбежность образования парафиновых пробок после остановки трубопровода, стабилизации давления и охлаждения нефти.

Известна также трубопроводная система для транспортировки высоковязких структурообразующих нефтей, включающая магистральный трубопровод, перекачивающие насосные станции, импульсные генераторы давления и расположенные по трассе трубопровода устройства, аккумулирующие давление импульсных генераторов, выполненные в виде герметичных емкостей со сжатым газом, связанных с полостью трубопровода через запорную арматуру [3]. Для возобновления течения нефти сочетают воздействия на застывшую нефть импульсного генератора и поочередное открытие арматуры на емкостях-аккумуляторах, начиная с первой от насосной станции.

Недостатком указанного способа является сложность управления арматурой, особенно находящейся в удаленных точках трассы.

Наиболее близким к заявляемому объекту по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является способ восстановления течения нефти в трубопроводе, при котором пробку из охлажденной гелеобразной нефти, препятствующую прокачке жидкой нефти, разделяют на отдельные сегменты по длине трубопровода закачиванием газа или жидкости через отверстия в трубе, выполненные по предполагаемой длине пробки. При этом снижается давление повторного пуска нефтепровода [4].

Недостатком указанного способа является сложность как определения локализации пробки, так и инжекции в трубопровод, особенно на отдаленных участках.

Целью изобретения является снижение давления пуска после остановки и повышение надежности транспортирования.

Поставленная цель достигается тем, что при транспортировании вязких продуктов, например высоковязких или высокозастывающих нефтей, включающем совместную подачу в трубопровод вязкого продукта и газа, транспортирование образующейся при этом смеси или раствора и возобновление его после плановой или аварийной остановки путем разделения объема вязкого продукта по длине трубопровода на отдельные участки газовыми пробками и создания разности давлений на входе и выходе трубопровода, разделяют вязкий продукт на отдельные участки длиной



где

i - номер каждого участка от 1 до n; L_i - длина каждого участка;

P - - располагаемый перепад давлений при пуске трубопровода;

_o,i- - предельное динамическое напряжение сдвига вязкого продукта для каждого участка;

_ст,i- - статическое напряжение сдвига вязкого продукта для каждого участка;

D₁ - диаметр трубопровода на соответствующем участке

и газовые пробки между участками создают за счет гравитационного разделения вязкого продукта и газа, а трубопровод для транспортирования вязких продуктов дополнительно содержит ловушки для газов в виде байпасов или глухих камер, сообщающихся с трубопроводом и размещенных в точках разделения вязкого продукта на отдельные участки, и объем ловушек для газа определяется соотношением



где

V - объем ловушки;

L - длина предшествующего участка вязкого продукта после предыдущей ловушки;

l_кр - критическая величина сдвига вязкого продукта, при которой предельное напряжение сдвига снижается от статического до предельного динамического;

_o- - предельное динамическое напряжение сдвига;

_ст- - статическое напряжение сдвига;

D - диаметр трубопровода;

F_ст - установившееся в трубопроводе давление после остановки транспортирования до нового пуска,

причем объем ловушек для газа в виде байпасов или глухих сообщающихся с трубопроводом камер определяется как объем, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через верхнюю точку верхней образующей основного трубопровода на данном участке, а объем ловушек для газа, представляющих собой участок трубопровода, выполненные в виде П-, Л- или дугообразных компенсаторов, ориентированных преимущественно в вертикальной плоскости, определяется как объем, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через верхнюю точку нижней образующей трубопровода на данном участке.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявителем не установлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованиям изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения. Результаты поиска показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем; не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразователей на достижение технического результата.

Известно, что многие высоковязкие вещества (суспензии, эмульсии, растворы и др.), включая некоторые нефти и нефтепродукты, имеют тиксотропные свойства при обычных температурах или приобретают их при изменении температуры, причем наиболее заметны тиксотропные свойства у нефтей с высоких содержанием парафинов и/или асфальто-смолистых веществ [5]. Например, при охлаждении парафинистых нефтей происходит выпадение кристаллов парафинов, образующих пространственную структуру, которая изменяет реологические свойства нефти. Нефть становится неньютоновской реологической системой, имеющей начальное сопротивление сдвигу при нулевой скорости сдвига. Одновременно нефть получает тиксотропные свойства. При движении такой нефти в пристеночном слое пространственная структура, образованная кристаллами парафинов разрушается, оставаясь, в основном, неразрушенной в ядре потока. Важнейшим количественным параметром тиксотропных свойств при этом является различие предельного динамического напряжения сдвига _o (при нулевой скорости сдвига и разрушенных структурах в пристеночном слое сразу после остановки движения) и статического напряжения сдвига _ст (при нулевой скорости сдвига и неразрушенных структурах после длительного периода покоя). В зависимости от содержания парафинов в нефти и температуры _ст может превышать _o в десятки и даже сотни раз.

При этом наибольшие проблемы возникают во время повторного запуска трубопровода с такой нефтью после длительной его остановки, поскольку требуемое в этом случае давление определяется статическим напряжением сдвига и может находиться за пределами доступного. Поскольку нефть, или другой транспортируемый вязкий продукт, практически несжимаемы, постольку страгиваться с места, преодолевая структурное сопротивление, должен сразу весь объем нефти в трубопроводе. Наличие газовых пробок существенно изменяет механизм пуска трубопровода. При создании давления в начале трубопровода страгивается первый участок вязкой жидкости за счет сжимаемости газа в находящейся за этим участком газовой пробке (а в некоторых случаях и за счет растворения этого газа в жидкости). Далее по мере увеличения давления в газовой пробке, т.е. в начале следующего участка вязкой жидкости в трубе страгивается и этот участок, и так последовательно страгиваются все участки вязкой жидкости в трубопроводе. Проведенные авторами экспериментальные и расчетные исследования показали, что: 1) газовая пробка необязательно должна полностью перекрывать сечение трубопровода и разрывать загустевший вязкий продукт на несвязанные сегменты - достаточно наличия свободного объема, куда может двигаться вязкий продукт; 2) степень разрушения структур и соответственно снижения напряжения сдвига зависит в основном от безразмерной величины сдвига. Эта величина меняется при переходе от одной системы к другой и от термодинамических условий, т.к. она, по-видимому, связана с энергией образования структур. Для большинства исследованных систем, имеющих энергию структурирования порядка нескольких килокалорий на килограмм, безразмерная критическая величина сдвига, при которой предельное напряжение сдвига снижается от статического практически до динамического, находится в пределах 2 - 50. Как будет показано ниже на конкретном примере осуществления способа, это позволяет существенно снизить давление пуска трубопровода после его длительной остановки. Задача, следовательно, заключается в том, чтобы обеспечить создание газовых пробок трубопроводе и локализовать эти газовые пробки в определенных местах трубопровода.

По мнению авторов, было найдено неожиданное решение. Поскольку осуществляют транспортирование вязкого продукта совместно с газом в виде раствора последнего в жидкости или смеси жидкость-газ, и поскольку при остановке транспортирования неизбежно падение давления в системе, то неизбежно будет происходить выделение газа из раствора и/или расследование системы жидкость-газ. При этом газ под действием гравитации будет локализоваться в верхней части трубопровода на горизонтальных участках или образовывать газовые пробки в соответствующих участках трубопровода, проложенного на разных уровнях по геодезическому профилю. Участки трубопровода, в которых заведомо будет локализоваться газ, можно создать искусственно, причем именно в тех точках трубопровода, в которых необходимо разделить транспортируемый вязкий продукт на указанные участки. В расчетных точках трубопровода (местонахождение этих точек определяется по уравнению 1 реологическими характеристиками транспортируемого вязкого продукта, температурными условиями окружающей среды и геометрией трубопровода) устанавливают ловушки для газа в виде байпасов или глухих, сообщающихся в трубопроводом, камер. Форма байпасов или глухих камер не является определяющей и может быть произвольной в пределах разумного. Объем указанных ловушек для газа также определяется свойствами транспортируемого продукта, температурными условиями и геометрией трубопровода (по уравнению 2). Отсчет объема ловушек ведут по верхней образующей трубы.

Возможен также вариант выполнения ловушек, при котором участки трубопровода изогнуты в виде П-, Л- или дугообразных компенсаторов, изогнутых преимущественно в вертикальной плоскости. Отсчет объема таких ловушек ведут от нижней образующей трубы.

Описываемый способ транспортирования вязких продуктов может быть осуществлен следующим образом.

Определяют реологические характеристики вязкой жидкости (статическое и предельно динамическое напряжение сдвига, критический сдвиг разрушения структур), температурные условия транспорта (в стационарном режиме и ожидаемое охлаждение при остановках) и расходные характеристики трубопровода. По уравнению 1 рассчитывают длины отдельных участков, на которые требуется разделить вязкий продукт в трубопроводе с учетом располагаемой величины перепада давлений для возобновления транспортирования после длительной остановки. На границах указанных участков устанавливают ловушки для газа или, соответственно, формируют компенсаторы на трубопроводе, причем объемы ловушек определяют по уравнению 2.

Для лучшего понимания изобретение может быть проиллюстрировано, но не исчерпано следующим примером его конкретного осуществления.

Пример. Транспортирование высокозастывающей нефти одного из месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.

Условия транспорта: общая длина трубопровода - 20 км; внутренний диаметр - 0,2 м; расход нефти - 500 тыс.т/год; доля газа в транспортируемой газонефтяной смеси - 15% об.; температура транспорта в стационарном режиме - +70-50^oC; температура после остановки падает до +20^oC; номинальное давление трубопровода - 160 ати; располагаемый перепад давления для пуска - 127 ат = 12,4410⁶ Па; остаточное давление в трубопроводе перед повторным пуском - 1 ати.

Реологические характеристики нефти, определенные при 20^oC, статическое напряжение сдвига - 147,9 Па; предельное динамическое напряжение сдвига - 24,5 Па; критический сдвиг - 10. Температура застывания нефти - +31^oC.

Трубопровод делят на 9 участков, представленных в таблице.

При стационарном режиме течения перепад на трубопроводе составляет 9 ат, после прекращения транспортирования несмотря на мощную теплоизоляцию начинается охлаждение трубопровода за счет теплоотдачи в окружающую среду. При понижении температуры нефти в трубопроводе ниже +35^oC начинают проявляться ее ненъютоновские и тиксотропные свойства. Это приводит к тому, что после длительной остановки (около двух-трех суток) давление страгивания для данной нефти составит не менее 670 ати при отсутствии газовых пробок или их неблагоприятной локализации.

На границах определенных в таблице участков трубопровода устанавливают ловушки для газа расчетного объема. В данном случае для упрощения ловушки для газа выполняют цилиндрическими (в виде отрезков трубы), размещенными поверх трубопровода (см. поз. 6 на фиг. 1). Таким образом внутреннюю полость трубопровода разделяют на 9 участков. В этом случае максимальное давление за период страгивания нефти в трубопроводе составляет 129 ати, что в пять раз меньше, чем при страгивании сплошного объема нефти по длине трубопровода.

На фиг. 1 и 2 представлены схематические изображения заявляемого трубопровода для транспортирования вязких продуктов после длительной остановки (жидкость и газ гравитационно разделились).

На трубопроводе 1 (фиг. 1) выполнены байпасы 2 и 3 в виде прямоугольного и дугообразного дополнительных участков трубопровода, соединенных с трубопроводом 1 входом и выходом, а также установлены глухие камеры 4, 5 и 6, сообщающиеся с трубопроводом 1. Форма как байпасов 2 и 3, так и глухих камер 4, 5 и 6 не ограничивается изображенной как пример на фиг. 1. Газовые пробки после гравитационного разделения с жидкостью занимают по крайней мере весь объем байпасов и глухих камер, расположенный выше верхней образующей внутренней поверхности трубопровода 1.

На фиг. 2 представлен другой вариант выполнения газовых ловушек. Трубопровод 1 в расчетных точках выполнен в виде П-образного 2, Л-образного 3 и дугообразного 4 компенсаторов. Газовые пробки после гравитационного разделения с жидкостью занимают в компенсаторе по крайней мере весь объем внутренней полости трубопровода, расположенный выше местного максимума нижней образующей внутренней поверхности.

Трубопровод, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.

После длительной остановки создают разность давлений в трубопроводе 1 на участке AB. При этом вязкий продукт страгивается на участке AC и начинает поступать в байпас 2, сжимая газ, находящийся в байпасе 2, далее страгивается участок вязкого продукта DE и вязкий продукт поступает в байпас 3, где процесс повторяется, вязкий продукт страгивается на участке FG трубопровода 1 и поступает в глухую камеру 4, где процесс сжатия газа происходит так же, как в байпасах 2 и 3, страгивается вязкий продукт на участке GH и так до конца трубопровода 1. Следует отметить, что последовательное страгивание вязкого продукта на каждом участке означает продолжение течения потока на предыдущих участках. Как видно, механизм восстановления течения не зависит от формы и очередности расположения конкретных ловушек для газа.

Трубопровод, изображенный на фиг. 2, работает следующим образом.

Вязкий продукт под действием перепада давлений между точками A и B трубопровода 1 страгивается на участке AC и поступает в П-образный компенсатор 2. При этом газ в компенсаторе 2 сжимается или растворяется в вязком продукте. При этом возрастает давление в точке C, что приводит к страгиванию вязкого продукта на участке CD и так далее последовательно до конца трубопровода 1. Таким образом восстанавливается движение нефти или другой вязкой жидкости по всей длине трубопровода.

Вязким продуктом, для транспортирования которого дает эффект применение предложенного способа и трубопровода, кроме высокопарафинистых и высокозастывающих нефтей, может быть любое вещество, имеющее при условиях транспорта и/или длительной остановки тиксотропные свойства, например: тяжелые нефтепродукты - мазут, гудрон, вакуумный дистиллят; глинистые растворы, применяемые в бурении и добыче нефти и газа; растворы и расплавы полимеров и т.д..

Как видно из приведенного примера и описания предлагаемый способ транспортирования вязких продуктов и трубопровод для его осуществления позволяют значительно снизить потребное давление пуска трубопровода после длительной остановки (то есть номинальное давление трубопровода и капитальные затраты на его строительство) и повысить надежность транспортирования.