СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВЯЗКОСТИ СЫРОЙ НЕФТИ Российский патент 2012 года по МПК F17D1/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к текучим средам на нефтяной основе. Более конкретно, оно относится к способу уменьшения вязкости и облегчения протекания текучих сред на нефтяной основе.

Уровень техники

Из общего уровня техники известно, что текучие среды на нефтяной основе, такие как сырая нефть, имеют характеристики вязкости жидких суспензий или эмульсий. В результате три основных типа сырой нефти - на основе парафина, на основе битума и на смешанной основе (смесь на основе парафина и на основе битума) - все проявляют характеристику повышенной вязкости, аналогичную пониженным температурам текучих сред. В сырой нефти на основе парафина, когда температура текучей среды снижается, в частности когда температура падает до температуры, при которой воск начинает выпадать в осадок (называемой температурой появления воска), парафин в текучей среде кристаллизуется во множество наномерных частиц, которые находятся в подвешенном состоянии в растворителе и увеличивают кажущуюся вязкость текучей среды. В сырой нефти на основе битума битум в текучей среде затвердевает с увеличением количества битумных частиц, когда температура понижается, приводя к непрерывному увеличению кажущейся вязкости. Смешанная сырая нефть аналогично демонстрирует обратную зависимость вязкости/температуры, подобную характеристикам сырой нефти и на основе битума, и на основе парафина. Эта обратная зависимость вязкости/температуры является особенно проблематичной, когда увеличение вязкости засоряет трубопроводы, по которым транспортируют сырую нефть.

В дополнение к увеличению вязкости при более низких температурах сырая нефть выделяет частицы воска или битума при более низких температурах, что является особенно проблематичным из-за их вредного воздействия на транспортировку сырой нефти по трубопроводам. В результате осаждения воска или битума сырой нефти трубопроводы необходимо часто закрывать и вычищать воск или битум, накапливающийся в трубопроводе, для предотвращения препятствий протеканию сырой нефти.

С увеличением потребностей в общих запасах нефти на мировом рынке и из-за низких климатических температур, например нефтяных скважин морских месторождений в арктических и субарктических районах, в которых добывают нефть или через которые ее транспортируют, все более и более важно развивать способы улучшения протекания сырой нефти по трубопроводам при более низких температурах.

По описанным выше причинам способ уменьшения вязкости и облегчения протекания текучей среды на нефтяной основе, такой как сырая нефть, является желательным.

Сущность изобретения

Согласно способу настоящего изобретения обеспечивается уменьшение вязкости текучих сред на нефтяной основе. Способ включает в себя прикладывание к текучей среде электрического поля достаточной напряженности и в течение достаточного периода времени для уменьшения вязкости текучей среды и прикладывание такого поля в течение времени, достаточного для содействия улучшенному протеканию текучей среды. Выбор электрического поля соответствующей напряженности и подходящего периода времени для прикладывания поля необходим, чтобы создавать желаемое уменьшение вязкости текучей среды на нефтяной основе и улучшения ее протекания. Настоящее изобретение, в частности, полезно при транспортировке сырой нефти по трубопроводам, в которых необходимо улучшить протекание текучей среды, и, более конкретно, в которых низкие температуры текучей среды вызывают увеличение вязкости текучей среды, а увеличение температуры текучей среды для уменьшения вязкости в предлагаемых условиях затруднительно.

Описание чертежей

На фигуре 1 представлен конденсатор, который включает в себя по меньшей мере две металлических сетки.

На фигуре 2 представлено изменение вязкости от времени согласно примеру 1 настоящего изобретения.

На фигуре 3 представлено изменение вязкости от времени согласно примеру 2 настоящего изобретения.

На фигуру 4 представлено изменение вязкости от длительности прикладывания электрического поля согласно примеру 3 настоящего изобретения.

На фигуру 5 представлено изменение вязкости от длительности прикладывания электрического поля согласно примеру 4 настоящего изобретения.

Фигура 6 является графиком результатов для образца в примере 2.

На фигуре 7 представлено изменение вязкости от времени согласно примеру 7 настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу уменьшения вязкости и улучшения протекания текучих сред на нефтяной основе с помощью прикладывания к текучей среде электрического поля достаточной напряженности и в течение периода времени, достаточного для уменьшения вязкости текучей среды.

Способ относится к текучим средам на нефтяной основе, таким как сырая нефть, но не ограничен этой конкретной текучей средой на нефтяной основе. Таким образом, способ применим, например, к сырой нефти, включающей в себя сырую нефть на основе парафина, сырую нефть на основе битума, сырую нефть на смешанной основе (комбинацию сырой нефти и на основе парафина, и на основе битума) и их смеси, но не ограничен этим. Более конкретно, настоящее изобретение относится к текучим средам, которые являются слишком вязкими из-за изменения температуры, подлежащим легкой транспортировке или передаче по трубам от одного местоположения к другому.

Было обнаружено, что, прикладывая электрическое поле к текучей среде, вязкость текучей среды можно уменьшать для облегчения протекания текучей среды и/или предотвращения осаждения твердых частиц, которые могут вызывать засорение или уменьшение потока по трубопроводам или сосудам, по которым должна проходить текучая среда. Для получения желаемого уменьшения вязкости прикладываемое электрическое поле должно иметь напряженность, составляющую по меньшей мере приблизительно 10 В/мм, чтобы уменьшить вязкость текучей среды. Например, напряженность поля может подходящим образом находиться в диапазоне от, приблизительно, 10 В/мм до, приблизительно, 2000 В/мм, например в диапазоне от, приблизительно, 400 В/мм до, приблизительно, 1500 В/мм. Выбор конкретного значения внутри этого диапазона будет зависеть от состава текучей среды, желаемой степени уменьшения вязкости, температуры текучей среды и периода, в течение которого должно прикладываться поле. Следует учесть, что если напряженность поля слишком низкая или период прикладывания слишком короткий, никакого существенного изменения в вязкости не произойдет. Наоборот, если напряженность электрического поля слишком высокая или период прикладывания слишком долгий, вязкость текучей среды может фактически увеличиться.

Как обозначено выше, продолжительность воздействия электрическим полем на текучую среду является также важной для уменьшения вязкости. Период воздействия находится, соответственно, в диапазоне от, приблизительно, 1 секунды до, приблизительно, 300 секунд, например, от, приблизительно, 1 секунды до, приблизительно, 100 секунд.

Поскольку текучая среда продолжает свое движение в течение длительных периодов времени, после прикладывания поля, как описано выше, вязкость будет иметь тенденцию медленно увеличиваться обратно к своему первоначальному значению. Поэтому может быть необходимым поддерживать желаемый диапазон вязкости, периодически вновь прикладывая электрическое поле в точке или многочисленных точках, расположенных ниже по потоку от точки, в которой первоначально было приложено электрическое поле. Например, может быть желательно вновь прикладывать электрическое поле с интервалами, располагающимися в диапазоне, например, от, приблизительно, 15 минут до, приблизительно, 60 минут, когда текучая среда проходит по своему пути, чтобы обеспечивать вязкость всегда ниже предварительно определенного уровня. Таким образом, в отношении сырой нефти, может быть желательным располагать электрические поля в последовательных точках, расположенных ниже по потоку, от начальной точки до заданной точки. Поскольку сырая нефть в трубопроводе течет со скоростью несколько миль в час, прикладывая электрическое поле с интервалами, составляющими каждую пару миль, можно обеспечить возможность поддерживать вязкость ниже предварительно определенного значения. Вязкость все время будет приводиться к более низким значениям, противодействуя обратному процессу, который возникает, когда сырая нефть протекает через области трубы, не подвергаемые воздействию электрических полей.

Прикладывая электрическое поле внутри этих диапазонов напряженности и периода времени, близлежащие частицы парафина или частицы битума вынуждены соединяться в большие частицы, которые ограничены в своих размерах до микрометров, но, в то же время, не давая достаточного времени или напряженности, чтобы позволять этим частицам образовывать макроскопические группы. Когда средний размер частиц увеличивается, вязкость уменьшается. Как только электрическое поле удаляют, скорость, с которой вязкость возвращается к своему первоначальному значению, уменьшается в течение длительного времени, поскольку слипшиеся частицы постепенно разъединяются. Может пройти приблизительно 8-10 часов до того, как вязкость возвратится к своему начальному значению.

Используемое электрическое поле может быть электрическим полем постоянного тока (ПСТ) или переменного тока (ПМТ) . Когда прикладывают электрическое поле ПМТ, частота прикладываемого поля находится в диапазоне от, приблизительно, 1 до, приблизительно, 3000 Гц, например, от, приблизительно, 25 Гц до, приблизительно, 1500 Гц. Это поле можно прикладывать в направлении, параллельном направлению потока текучей среды, или его можно прикладывать в направлении, отличающемся от направления потока текучей среды.

Напряженность поля и продолжительность промежутка времени, в течение которого текучую среду подвергают воздействию поля, изменяются в зависимости от типа содержащейся сырой нефти, такой как сырая нефть на основе парафина, сырая нефть на основе битума, смешанная сырая нефть или их смесь. Было определено, что чем выше начальная вязкость текучей среды до того, как ее подвергнут воздействию электрического поля, тем больше уменьшается вязкость после воздействия электрическим полем.

В одном из вариантов осуществления изобретения электрическое поле прикладывают, используя конденсатор, в котором сырая нефть протекает через конденсатор, испытывая короткий импульс электрического поля, когда к конденсатору прикладывают постоянное напряжение. Конденсатор может быть такого типа, который включает в себя по меньшей мере две металлические сетки, присоединенные к большой трубе, как показано на фиг.1, в которой сырая нефть проходит сквозь сетку.

Специалистам в данной области техники следует учесть, что также можно использовать другие типы конденсаторов. В этом варианте осуществления изобретения электрическое поле прикладывают в направлении, параллельном направлению потока текучей среды. Эти типы конденсаторов можно использовать, чтобы создавать импульсные электрические поля, которые можно прикладывать к сырой нефти в трубопроводах.

В другом варианте осуществления изобретения электрическое поле создают с помощью конденсатора, через который прикладывают электрическое поле в направлении, отличающемся от направления потока текучей среды. Предполагается, что электрическое поле можно прикладывать почти в любом выполнимом направлении через текучую среду, и все же достигать уменьшения вязкости.

Ниже представлены примеры и диаграммы, которые иллюстрируют данное изобретение.

Пример 1

Электрическое поле постоянного тока 600 В/мм было приложено в течение 60 секунд к образцу сырой нефти на основе парафина, которая имела начальную вязкость 44,02 сП (сантипуаз) при 10°С. После воздействия электрическим полем вязкость снизилась до 35,21 сП, или приблизительно на 20% от своего начального значения. После того как электрическое поле было удалено, вязкость, как показано на фиг.2, постепенно увеличивалась. Приблизительно через 30 минут вязкость поднялась до 41 сП, то есть все еще на 7% ниже первоначальной вязкости. Скорость увеличения вязкости после первого 30-минутного периода значительно снизилась.

Пример 2

Образец сырой нефти на основе парафина с начальной вязкостью 33,05 сП при 10°С был подвергнут воздействию электрического поля 600 В/мм переменного тока 50 Гц в течение 30 секунд. Вязкость текучей среды снизилась приблизительно до 26,81 сП, или на 19% от начального значения. Через 30 минут вязкость поднялась только приблизительно до 30 сП, то есть все еще приблизительно на 10% ниже первоначального значения, как показано на фиг.3.

Результаты, как показано в примерах 1 и 2, указывают, что и электрические поля постоянного тока, и поля переменного тока низкой частоты эффективны в уменьшении кажущейся вязкости тестируемых образцов сырой нефти. Эксперименты также показали, что для того, чтобы вязкость, которая была уменьшена с помощью прикладываемого электрического поля, вернулась к своему первоначальному значению, потребовалось приблизительно 10 часов.

Пример 3

Продолжительность прикладываемого электрического поля к образцу была определена в виде оптимальной продолжительности электрического поля. Для тестируемого образца сырой нефти на основе парафина оптимальная продолжительность была определена равной 15 секундам для прикладываемого электрического поля ПСТ с напряженностью 600 В/мм. Самая низкая вязкость сразу после прикладывания электрического поля составляла 19,44 сП, на 17,1% ниже первоначального значения 23,45 сП вязкости перед тем, как электрическое поле было приложено, как показано на фиг.4.

Пример 4

Для образца сырой нефти, имеющего вязкость приблизительно 44,02 сП при 10°С до прикладывания электрического поля, оптимальная продолжительность, как было найдено, составляла приблизительно 60 секунд, при использовании электрического поля 600 В/мм. Вязкость образца снизилась в течение этого периода времени приблизительно до 35,21 сП, или на 20%, как показано на фиг.5. Этот результат показывает, что действие электрического поля становится более сильным, когда вязкость сырой нефти выше.

Пример 5

Фиг.6 является графиком результатов для образца в примере 2 при их оптимальной продолжительности. Сырая нефть первоначально имела вязкость 23,45 сП. После прикладывания поля ПСТ 600 В/мм в течение 15 секунд вязкость снизилась до 19,44 сП, то есть понизилась на 4,01 сП, уменьшение составило 17,10%. С другой стороны, как показано в примере 1, вязкость снизилась на 8,81 сП, уменьшение составило 20%.

Пример 6

Дальнейшее экспериментирование, в котором образцы сырой нефти тестировали при 10° и 20°, показало, что действие электрического поля является более сильным, когда температура текучей среды ниже. Когда температура снижается, объемная доля частиц парафина становится выше; поэтому кажущаяся вязкость становится выше и воздействие электрического поля на вязкость текучей среды также становится более явным. В примере 6 сырую нефть на основе парафина тестировали и при 20°С, и при 10°С, и результаты показали, что действие электрического поля при 10°С более сильное, чем действие электрического поля при 20°С. Например, при 20°С наибольшее падение вязкости было меньше, чем 10%, в то время как при 10°С оно было значительно выше чем 10%.

Пример 7

Для образца сырой нефти на основе битума при 23,5°С, имеющего кинетическую вязкость 773,8 сСт (сантистокса), требовалось приблизительно 8 секунд воздействия прикладываемого электрического поля 1000 В/мм для уменьшения вязкости. В этом образце кинетическая вязкость мгновенно снизилась до 669,5 сСт, то есть понизилась на 104,3 сСт, или приблизительно на 13,5%. Приблизительно через 90 минут кинетическая вязкость составляла 706,8 сСт, все еще на 67 сСт ниже первоначального значения. В течение эксперимента температуру поддерживали при 23,5°С. Результаты показаны на фиг.7.

При сравнении воздействий прикладывания магнитного поля с воздействиями прикладывания электрического поля к сырой нефти на основе битума было определено, что магнитное поле имело только минимальное воздействие на вязкость образца, однако прикладывание электрического поля к такому же образцу значительно уменьшало вязкость сырой нефти на основе битума.

Другой признак настоящего изобретения состоит в том, что оно также замедляет осаждение воска из сырой нефти. Когда частицы парафина в наномасштабе собираются в частицы размером в микрометры, доступная площадь поверхности для кристаллизации эффективно уменьшается. Таким образом, осаждение воска из сырой нефти значительно снижается.

Хотя изобретение показано и описано в данном описании в отношении конкретных вариантов осуществления, изобретение не ограничивается представленными данными. Скорее, можно выполнять различные модификации в деталях в пределах объема и диапазона эквивалентов формулы изобретения и не отступая при этом от изобретения. Предполагается, что изобретение, хотя описано относительно сырой нефти, может быть полезным в других применениях, в которых увеличенная вязкость текучей среды на нефтяной основе является проблематичной и замедляет протекание текучей среды.

Изобретение относится трубопроводному транспорту. Способ включает в себя прикладывание электрического поля к текучей среде на нефтяной основе с напряженностью поля в диапазоне от 10 до 2000 В/мм для объединения частиц парафина или частиц битума в текучей среде на нефтяной основе для уменьшения вязкости текучей среды. 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ уменьшения вязкости текучей среды на нефтяной основе, включающий
прикладывание электрического поля к текучей среде на нефтяной основе с напряженностью поля в диапазоне от 10 до 2000 В/мм для объединения частиц парафина или частиц битума в текучей среде на нефтяной основе для уменьшения вязкости текучей среды.

2. Способ по п.1, в котором текучей средой на нефтяной основе является сырая нефть.

3. Способ по п.1, в котором текучей средой на нефтяной основе является сырая нефть на основе парафина, или сырая нефть на основе битума, или сырая нефть на смешанной основе.

4. Способ по п.1, в котором электрическое поле прикладывают в течение периода времени от, приблизительно, 1 до, приблизительно, 300 с, и этот период прикладывания является достаточным, чтобы уменьшать вязкость и облегчать протекание текучей среды.

5. Способ по п.1, в котором электрическое поле прикладывают в направлении, параллельном направлению потока текучей среды на нефтяной основе, или электрическое поле прикладывают в направлении, отличающемся от направления потока текучей среды.

6. Способ по п.5, в котором электрическое поле выбирают из группы, состоящей из электрического поля постоянного тока (ПСТ) и электрического поля переменного тока (ПМТ).

7. Способ по п.5, в котором электрическое поле прикладывают с напряженностью от 10 до 2000 В/мм и прикладывают в течение периода времени от, приблизительно, 1 до, приблизительно, 300 с.

8. Способ по п.1, в котором электрическое поле является полем ПМТ, имеющим частоту от, приблизительно, 1 до, приблизительно, 3000 Гц.

9. Способ по п.1, в котором электрическое поле создают с помощью конденсатора, к которому прикладывают электрическое поле в направлении, параллельном направлению потока текучей среды.

10. Способ по п.9, в котором конденсатор содержит по меньшей мере две металлические сетки, присоединенные к трубе.

11. Способ по п.6, в котором электрическое поле создают с помощью конденсатора, к которому прикладывают электрическое поле в направлении, отличающемся от направления потока текучей среды.

12. Способ по п.1, в котором вязкость текучей среды на нефтяной основе уменьшается при поддержании температуры текучей среды.