Влияния магнитного поля на реологические свойства нефти

Содержание

Введение
В настоящее время увеличивается добыча высокопарафинистых и высоковязких нефтей, характеризующиеся высокой температурой застывания и аномально высокой вязкостью. Такие нефти в процессе добычи, транспорта и хранения с понижением температуры значительно ухудшают свои реологические характеристики. Это приводит к повышенному износу оборудования, дополнительным материальным затратам и ухудшению экологической ситуации. Чтобы предотвратить проблемы, возникающие при добыче, хранении и трубопроводном транспорте высоковязких и высокозастывающих нефтей, обычно используются такие способы улучшения реологических параметров как смешение вязких и высокозастывающих нефтей с маловязкими, термообработка, газонасыщение нефти и смешение ее с водными растворами поверхностно-активных веществ. Эти методы предотвращения проблемы являются энергозатратными или требуют наличия развитой инфраструктуры на месторождениях. Для преодоления этих проблем в последние годы усилился интерес к малоэнергетическим воздействиям.
Актуальность исследования состоит в том, что энергия магнитного поля является одной из самых эффективных, экономичных и доступных видов энергии, с помощью которой возможно регулирование структурно -реологических свойств нефтей и нефтепродуктов. Установлено, что воздействие электромагнитного поля способствует существенному уменьшению парафиновых отложений. Такая возможность открыла бы качественно новую перспективу повышения эффективности, рентабельности газосепарационных установок, так как магнитные установки недорогостоящие, не требуют сколько-нибудь значительных затрат энергии и просты в практическом обслуживании.
Основной целью дипломной работы является изучение влияния магнитного поля на реологические свойства нефти. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• установить степень влияния магнитной обработки на вязкость, температуру потери текучести, образование асфальтосмолопарафиновых отложений;
• подобрать наиболее значение индукции магнитного поля для магнитной обработки при котором достигается максимальный эффект;
Объектами работы являлись Западно-Казахстанская нефтесмесь на выходе из ГНПС «Узень», депрессорная присадка ClearFlowTM605.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ. (литературный обзор)
1.1 Современное представление о природе НДС
Нефти, газоконденсаты и продукты из них характеризуются сложным химическим составом и агрегатным состоянием отдельных компонентов, строением и свойствами. Нефти и нефтепродукты содержат углеводородные и неуглеводородные компоненты различной природы, молекулярной массы и строения. По химическому составу условно выделяют четыре основных составляющих групп: низкомолекулярные и высокомолекулярные углеводороды, смолисто-асфальтеновые вещества неуглеводородного характера, гетероатомные соединения. Физико-химические свойства зависят от количественного содержания в них этих компонентов, их качественных характеристик и степени взаимодействия [5]. Углеводородными компонентами нефтяных систем являются в основном представители трех классов соединений: алканов, циклоалканов и аренов, а также значительное количество смешанного гибридного строения. Алкены и алкадиены в природных нефтяных системах обычно не встречаются, однако могут содержаться в продуктах переработки нефти. Неуглеводородные соединения нефти представляют собой смолы и асфальтены [2].
Реальные нефтяные системы являются полигетерофазными дисперсными системами различных типов из-за их сложного строения. Нефтяными дисперсными системами являются парафиносодержащие нефти и нефтепродукты. Содержание парафинов в разных нефтях колеблется от долей до 20%. С понижением температуры из нефти выделяются кристаллы парафина, которые образуют структуры, меняющие в объеме размеры и количество. Под действием адгезионных сил часть жидкой фазы ориентируется вокруг надмолекулярных структур в виде сольватных слоев определенной толщины. При определенной низкой температуре, кристаллы парафинов сцепляются, и это приводит к возникновению пространственной гелеобразной структуры, в ячейках которых иммобилизована часть дисперсионной среды. Система при этом приобретает структурно-механическую прочность. Установлено, что присутствие сложных асфальтеновых веществ способствует стабилизации устойчивости дисперсий парафина [4,7].
Нефти и нефтепродукты с высоким содержанием ароматических соединений также являются нефтяными дисперсными системами, в которых высокомолекулярные арены и смолисто-асфальтеновые вещества являются образующими структурами, состав, устойчивость, размер и количество которых зависит от внешних условий [1].
Существует непосредственная связь между условиями формирования и разрушения надмолекулярных структур (ассоциатов, мицелл, ассоциативных комбинаций и т.д.) в нефтяных дисперсных системах (НДС) и поведением смолисто-асфальтеновых компонентов в различных технологических процессах.
В теории НДС существует понятие о сложных структурных частицах (ССЕ). Сложная структурная единица – это элемент дисперсной структуры нефтяных систем преимущественно сферической формы, способный к самостоятельному существованию при данных неизменных условиях и построенный из компонентов нефтяной системы в соответствии с их значением потенциала межмолекулярного взаимодействия. В составе ССЕ различают более упорядоченную внутреннюю область (или ядро), которая в большинстве случаев образована из высокомолекулярных алканов и полиареновых углеводородов и смолисто-асфальтеновых веществ, и сольватную оболочку, окружающую ядро и образованную из менее склонных к межмолекулярным взаимодействиям соединений (рис.1).
Рис. 1. Разновидности сложной структурной единицы:
а- пора (адсорбционно-сольватный слой на ее внутренней поверхности); б,в,г – ССЕ с ядром из пузырька, комплекса, агрегата соответственно (адсорбционно-сольватный слой на поверхности ядра); r и h – величины радиуса и адсорбционно-сольватного слоя ССЕ
Общие закономерности присущие адсорбционно-сольватным слоям в НДС:
1. Толщина адсорбционно-сольватного слоя h зависит от природы ядра, кривизны его поверхности и качества дисперсионной среды. В одной и той же дисперсионной среде при равных значениях размера ядра (r=const) h растет в ряду газ→жидкость→твердое тело. В такой же последовательности растет значение силового поля вокруг ядра ССЕ.
2. При изменении внешними воздействиями баланса сил в НДС представляется возможным регулировать геометрические размеры адсорбционно-сольватных слоев.
3. Изменение геометрических размеров адсорбционно-сольватного слоя влияет на свойства ССЕ и НДС. В связи с этим одни и те же соединения, находящиеся в адсорбционно-сольватном слое и дисперсной среде, принципиально отличаются по своим физико-химическим свойствам.
4. Избирательный период в результате внешних воздействи й соединений из дисперсионной среды в адсорбционно-сольватный слой и, наоборот, приводит к перераспределению углеводородов между фазами, что имеет важное значение для практики.
5. Наличие и значение толщины адсорбционно-сольватных слоев вокруг ядер ССЕ влияет на температуру фазовых переходов в НДС (температуры кипения, застывания, кристаллизации и др.).
Регулируя внешними воздействиями баланс сил в НДС, можно в широких пределах изменять размеры ССЕ и степень упорядоченности молекул в ней и существенно влиять на качество получаемых нефтепродуктов, на степень их кристалличности, что весьма важно при решении поставленных задач.
Было экспериментально подтверждено, что нефтяные системы являются термодинамически подвижными системами, и что именно парамагнитные молекулы и гомолитические процессы вызывают переорганизацию надмолекулярных структур НДС, т.е. определяют поведение системы целиком.
В работах доказывается существование в НДС молекул, которые при использовании внешних воздействий достаточно легко переходят из диамагнитного состояния в парамагнитное, а при снятии воздействий возвращаются в исходное. Ученые указывают, что процессы в НДС основаны на межмолекулярных взаимодействиях между парамагнитными молекулами (радикалами) и диамагнитными, благодаря их способности притягиваться или отталкивать.
С позиций коллоидной химии, нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы. В ряде работ, нефти и нефтепродукты рассматриваются как коллоидно – дисперсные системы, характеризующиеся сложной структурой, которая способна изменять свою внутреннюю организацию не только под влиянием внешних воздействий, но и с течением времени. При этом любой дисперсной системе, даже находящейся в состоянии равновесия, постоянно протекают процессы агрегации и дезагрегации.
Согласно представлениям профессора Ф.Г.Унгера дисперсная частица может быть представлена как центрально-симметрическое образование с плотным ядром, содержащим парамагнитные молекулы, вокруг которых группируются ароматические, нафтеновые и парафиновые углеводороды в соответствии со значениями потенциалов парного взаимодействия, с постепенным снижением плотности потенциала межмолекулярного взаимодействия от центра частицы к ее переферии. При этом дисперсная среда является также многокомпонентным нефтяным раствором.
Таким образом, можно констатировать, что, в связи с чрезвычайной сложностью строения НДС, на настоящий момент еще окончательно не сформировано единого мнения по этому вопросу. Дальнейшие исследования ученых в данном направлении могут внести определенный вклад в создание единой концепции формирования, строения, развития и преобразования нефтяных систем.
1.2 Смолисто-асфальтеновые компоненты нефти
Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ) – высокомолекулярные гетероциклические соединения. Их содержание в нефти может доходить до 25-50% . Смолисто- асфальтеновые компоненты (САК) представляют собой не углеводородные высокомолекулярные соединения нефти, которые содержат до 88% углерода, до 10% водорода, и до 14% гетероатомов. В смолисто-асфальтеновой части сконцентрированы полностью все металлы (V, Ni, Fe, Cu, Mg, Ca, Ti, Mo и др). Считается, что асфальтены являются продуктами конденсации смол. Смолы и асфальтены, выделенные из одной и той же нефти, содержат одинаковые структурные элементы, различие носит количественный характер. При переходе от смол к асфальтенам возрастает ароматичность, снижается доля циклоалканового и алифатического углерода, увеличиваются доли алифатических групп. Существенное отличие смол от асфальтенов заключается в их растворимости и молекулярно-массовом распределении. Обычно к смолам относятся растворимые в углеводородах нефти высокомолекулярные гетероатомные полидисперсные бесструктурные соединения нефти, которые можно разделит на узкие фракции однотипных соединений.
Классификация асфальто-смолистых веществ:
1. Нейтральные смолы - соединения, растворимые в петролейном эфире и нефтяных фракциях, обладающие жидкой или полужидкой консистенцией; плотность их около 1,0.
2. Асфальтены - твердые вещества, нерастворимые в петролейном эфире, но растворимые в бензоле и соединениях ряда бензола, хлороформе, сероуглероде; плотность их более 1.
3. Карбены - вещества, нерастворимые в обычных растворителях и лишь частично растворимые в пиридине и сероуглероде.
4. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - отличаются от нейтральных смол кислым характером, нерастворимостью в петролейном эфире и растворимостью в спирте.
5. Карбоиды – вещества, нерастворимые ни в одном растворителе.
В состав смол входит от 70 до 90 % всех гетероорганических соединений нефти. Смолы представляют собой темноокрашенные вещества, отличающиеся по консистенции (от смолообразных пластичной массы до хрупкого вещества), молекулярной массе, содержанию микроэлементов и гетероатомов, что определяется месторождением нефти.
Асфальтены и нейтральные смолы представляют собой кислородсодержащие полициклические соединения, имеющие не более одной двойной связи. Специфические реакции позволили определить в составе смол ароматические ядра, серу и азот, на основании чего их относят к нейтральным полициклическим гетеросоединениям.
Асфальтены – это наиболее высокомолекулярные гетероорганические вещества нефти, представляющие собой твердые продукты от черно-бурого до черного цвета. Свежевыделенные асфальтены хорошо растворяются в сероуглероде, хлороформе, четыреххлористом углероде, бензоле и его гомологах, циклогексане и ряде других растворителей, но не растворимы в низкомолекулярных алканах, диэтиловом эфире, ацетоне и др. Однако со временем, особенно под действием солнечного света, асфальтены теряют способность растворяться и в бензоле.
Смолы и асфальтены являются наиболее полярными составными частями нефти, что обусловлено наличием и гетероатомов и функциональных групп. Существенный вклад в поверхностную активность асфальтенов и смол вносят фенольногидроксильные и карбоксильные группы.
Превращение смол в асфальтены происходит также при сравнительно небольшом нагревании (300-350 ͦ С), но при условии, что содержание смол в смеси не ниже определенной критической концентрации (около 20-25 %).
Состав и свойства нефтяных смол зависят от химической природы нефти. Несмотря на различную природу нефтей различных месторождений, содержание углерода и водорода в смолах колеблется в сравнительно узких пределах (в % масс.) С – от 79 до 87, Н – от 9–11. В смолах нефтей различных месторождений неодинаковое количество гетероатомов. Так, содержание кислорода колеблется от 1 до 7% масс., серы от десятых долей процента до 7–10%. В некоторых смолах содержится азот (до 2%). Нефти алканового основания (парафинистые нефти) характеризуются высоким содержанием смол (46%) нейтрального характера. Основными структурными элементами молекулы нефтяных смол являются конденсированные циклические системы, в состав которых входят ароматические, циклоалкановые и гетероциклические кольца, соединённые между собой короткими алифатическими мостиками и имеющие по несколько алифатических, реже циклических заместителей в цикле. По Сергиенко С.Р., строение молекул смол можно представить одной из следующих формул (рис. 1):
Рис. 1. Строение молекул смол
Смолистые вещества термически и химически нестабильны, легко окисляются и конденсируются, превращаясь при этом в асфальтены.
Асфальтены являются более высокомолекулярными соединениями, чем смолы. Они отличаются от смол не только несколько меньшим содержанием водорода, но и более высоким содержанием гетероатомов. Предполагают, что асфальтены являются продуктами конденсации смол. На основании многочисленных исследований химического строения молекул асфальтенов считают, что последние представляют собой полициклическую, ароматическую, сильно конденсированную систему с короткими алифатическими заместителями у ароматических ядер. В молекулах асфальтенов присутствуют также пяти- и шестичленные гетероциклы. В зависимости от природы нефти количественное соотношение ароматических, нафтеновых и гетероциклических структурных элементов может меняться в широких пределах. Предложены следующие типы полициклических структур – звенья молекул смол и асфальтенов (рис. 2):
Рис.4. Типы полициклических структур
Кислород в асфальтенах входит не только в состав гетероциклов, но и в различные функциональные группы: гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и сложноэфирные......