Комплексное исследование процессов сдвига застывшей парафиновой нефти в трубопроводе

Аннотация

Представлен системный подход к синтезу пусковых давлений сдвига, основанный на экспериментальных данных.

Полный текст

Постоянно растущий спрос на нефть и иссякающие запасы легкой нефти привели к увеличению добычи высокопарафиновых застывающих нефтей. При плановых или аварийных остановках трубопроводов, когда температура нефти опускается до температуры ее застывания и ниже, она начинает представлять собой структурированную жидкость, проявляющую свойства твердых тел. Это обусловлено высокой прочностью объемной решетки парафина. При остановке перекачки прочность парафиновой решетки за счет тиксотропии вырастает, нефть теряет «текучесть» и застывает. Для пуска трубопроводов с застывшей парафиновой нефтью необходимо приложить к ней определенное давление, обеспечивающее ее сдвиг и частичное разрушение решетки парафина в нефти. Такая ситуация может возникнуть как на изотермических, так и на «горячих» нефтепроводах, где застывание высокопарафиновой нефти происходит на конечных участках трубопровода (перед промежуточными станциями подогрева нефти). Вопросами возобновления перекачки застывших парафиновых нефтей занимались В.И. Черникин, П.И. Тугунов, М.В. Лурье, С.Н. Челинцев, В.Ф. Новоселов, В.Е. Губин, Л.С. Абрамзон, К.В. Мукук, В.Н. Дегтярев, А.Ф. Юкин и другие исследователи. Был внесен существенный вклад в проблему оценки возможных механизмов сдвига застывшей нефти, получены эмпирические формулы для расчета пускового давления как для изотермических, так и для «горячих» трубопроводов с учетом охлаждения их после остановки. Однако проблема совершенствования технологии и надежности пуска «замороженных» трубопроводов с парафиновыми высокозастывающими нефтями после их длительной остановки остается актуальной [1]. Для достижения поставленной цели были проведены экспериментальные исследования застывающей нефти в лабораторных условиях на специальном трубном стенде (рис. 1). Величина пускового давления ограничена прочностными характеристиками насоса и трубы. Поэтому стоит задача нахождения оптимальной программы изменения во времени пускового давления с ограниченной скоростью его нарастания. Рис. 1. Схема экспериментального стенда Нахождение оптимального решения связано с получением математических зависимостей величины пускового давления от температуры нефти и времени тиксотропного упрочнения парафина в ней на основании экспериментальных зависимостей, полученных на трубном стенде. На рис. 2 представлена зависимость начального напряжения сдвига от температуры нефти. Рис. 2. Зависимость начального напряжения сдвига от температуры нефти Как следует из рис. 2, приведенная зависимость носит линейный характер в рассмотренном диапазоне температур и позволяет определить минимальные пусковые давления. Также линейный характер имеет зависимость начального напряжения сдвига от времени нахождения нефти в покое (рис. 3). Для определения оптимальных сдвиговых давлений адекватной и удобной формой описания застывшей нефти, передающей сдвиговые давления вдоль трубы, являются математические модели типа «вход - выход». Как показывают результаты идентификации объектов управления - объемов нефти между двумя последовательными датчиками давления, они с высокой точностью описываются апериодическими звеньями первого порядка [2, 3]. Очевидно, что давление сдвига в виде единичной функции с максимальной амплитудой, близкой к предельной, определяемой прочностными свойствами трубопроводной арматуры, является наиболее эффективным для создания первоначального сдвига. Но, с другой стороны, скачкообразное давление является критическим предельно допустимым с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации магистрального трубопровода. Рис. 3. Зависимость начального напряжения сдвига от времени нахождения нефти в покое (при 24 С) Возникает необходимость формирования давления сдвига на входе трубы, отличного от прямоугольной волны, но вызывающего такую же реакцию. Таким образом, должна быть решена следующая обратная задача: по заданной реакции ОУ на единичную ступенчатую функцию, т. е. по переходной функции, определить входной сигнал иной формы, но вызывающий ту же реакцию. Сформулированная обратная задача решена с использованием представления обратной передаточной функции в виде фундаментальной структуры (ФС) [4] (рис. 4). Рис. 4. Представление обратной передаточной матрицы в виде фундаментальной структуры Искомый сигнал формируется на выходе ФС при подаче на ее вход требуемой переходной функции ОУ. Сравнение реакции ОУ на синтезированный сигнал с его переходной функцией (разница не превышает 0,1 %) подтверждает правильность решения сформулированной обратной задачи. Таким образом, возможна реализация давлений сдвига застывшей парафиновой нефти, не являющихся критическими в указанном выше смысле, но по эффективности им не уступающих.