Підвищення ефективності функціонування нафтопроводів шляхом урахування реологічних особливостей нафт Прикарпаття

Abstract

Дисертація присвячена підвищенню ефективності функціонування нафтопроводів шляхом розробки методів прогнозування теплогідравлічних параметрів їх роботи, які враховують реологічні особливості високов'язких нафт Прикарпаття. Виконані багатосерійні експериментальні дослідження реологічних характеристик високов'язкої швидкозастигаючої нафти Долинського родовища у широкому діапазоні температур. Обґрунтований вибір реологічної моделі долинської нафти у різних діапазонах температур. Розроблені емпіричні моделі залежності граничного динамічного напруження зсуву і пластичної в'язкості від температури. Розроблена універсальна математична модель для коефіцієнта гідравлічного опору в не-ізотермічному нафтопроводі, яка забезпечує одержання адекватних результатів у всіх зонах тертя турбулентного режиму і дає змогу врахувати зміну коефіцієнтів режиму руху рідини у кожному перерізі трубопроводу. Запропонована математична модель усталеного неізотермічного руху рідини у трубопроводі, яка враховує вплив тепла тертя потоку, прихованої теплоти кристалізації парафіну, зміну коефіцієнтів режиму руху рідини і реологічні властивості нафти. Створено пакет методик і програмного забезпечення для проведення теплогідравлічного розрахунку неізотермічного нафтопроводу при перекачуванні рідин, які характеризуються ньютонівськими і неньютонівськими властивостями. Запропоновано методику теплогідравлічного розрахунку неізотермічного нафтопроводу при послідовному перекачуванні нафт із суттєвою різницею реологічних властивостей. Виконана апробація розробок шляхом виконання технологічних розрахунків і порівняння їх результатів з фактичними режимами роботи нафтопроводу Долина-Дрогобич.

В первом разделе приведен анализ существующих работ по вопросам перекачивания высоковязких нефтей и нефтепродуктов с подогревом, выявлены нерешенные вопросы и сформулированы задачи исследований. Показано, что актуальность проблемы повышения эффективности транспортирования высоковязких нефтей с подогревом по трубопроводам не исчерпана и предоставляет широкие возможности для научной деятельности. Второй раздел содержит методику проведения и анализ результатов экспериментальных исследований реологических свойств высоковязкой высокозасты-вающей долинской нефти. Исследования проводились на структурном ротационном вискозиметре «Реотест-2». На основании опытов построены графические зависимости динамического напряжения сдвига от градиента скорости для значений градиентов от 0 до 1312 1/с в диапазоне температур от 65 до 5 °С. Доказано, что долинская нефть при температурах, ниже 50 °С, проявляет свойства вязко-пластичной жидкости и ее движение может быть описано уравнением Шведова-Бингама. На основании экспериментов определены значения коэффициентов реологической модели - граничное динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость нефти. Получены полиномиальные зависимости этих коэффициентов от температуры. Третий раздел посвящен созданию математической модели установившегося теплогидравлического режима работы неизотермического нефтепровода при перекачивании ньютоновских и неньютоновских жидкостей. В качестве исходных выражений использована система дифференциальных уравнений в виде, предложенным М.В. Лурье. Система дополнена слагаемыми, учитывающими тепло трения потока и скрытую теплоту кристаллизации парафина. Для коэффициента гидравлического сопротивления предложена универсальная модель Лейбензона, в которой число Рейнольдса и коэффициенты режима в отличие от существующих методик являются переменными для каждого сечения трубопровода. Для определения переменных коэффициентов режима предложен адаптивный метод, основанный на использования формулы Колбрука. Четвертый раздел посвящен разработке методов и компьютерных программ для теплогидравлических расчетов неизотермических нефтепроводов при перекачивании ньютоновских жидкостей. Пятый раздел содержит результаты разработки методов и компьютерных программ для теплогидравлических расчетов неизотермических нефтепроводов при перекачивании неньютоновских жидкостей. Предложена также методика теплогидравлического расчета нефтепровода при последовательной перекачке жидкостей, существенно отличающихся реологическими свойствами. Апробация методик произведена путем выполнения технологических расчетов и сравнения полученных результатов с фактическими параметрами работы нефтепровода Долина-Дрогобыч. Максимальное отклонение результатов не превышает ± 8 %.

The thesis is devoted to the increase of oil pipeline effective operation by the development of methods to forecast thermo-hydraulic parameters of the pipelines' work taking into account the rheological peculiarities of high-viscosity oils in the Precarpathia. Serial experimental research of rheological characteristics of highly solidifying oil from Dolyna deposit has been conducted in a wide temperature span. It has been acknowledged the selection of rheological model of Dolyna oil in different temperature spans. An analytical method has been applied to determine, according to the research data, the coefficient values of the rheological model of Shwedow-Bingam. The empirical models of the dependence of boundary dynamic stress fault and rigidity on temperature have been offered as well. Besides, there has been developed a universal mathematical model for the hydraulic resistance coefficient in the anisothermic pipeline with the help of which we can receive appropriate results in all friction zones of turbulent condition and get the possibility to calculate the change of liquid flow regime coefficients in every pipeline cross-section. Moreover, the author offers a mathematical model of the fixed anisothermic liquid flow in a pipeline, which includes the influence of friction heat flow, hidden heat of paraffin crystallization, coefficients change of the liquid flow regime and oil rheological peculiarities. To make thermo-hydraulic calculations of anisothermic pipeline during the process of oil pumping there have been created a pack of methods and software which can be characterized by the Newtonian and non-Newtonian properties. It has been offered the method of thermo-hydraulic calculation of anisothermic pipeline during batching of oils with the essential difference of rheological properties. The developments have been approved by technological calculations and comparison of their results with the real operation regimes of Dolyna-Drohobych pipeline.