ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ

Тип работы: Реферат
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 27 страниц
В избранное:

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)
0.1 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.

0.2 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.
При нагревании асфальтены размягчаются, но не плавятся; при температуре выше 300 0С они переходят в кокс и газ. Полярные центры, возникающие в молекуле за счёт гетероатомов и сопряжённых систем-электронов ароматических фрагментов обуславливают склонность асфальтенов к ассоциации даже в разбавленных растворах. Эту способность асфальтены сохраняют и в нефтях. При достаточно большой концентрации асфальтенов они образуют коллоидную систему, которая определяет вязкость нефти.
Легкие нефти, бедные ароматическими углеводородами, содержат в растворенном состоянии лишь ничтожное количество асфальтенов, небольшое количество их находится иногда еще во взвешенном грубодисперсном состоянии. Напротив, тяжелые, богатые смолами нефти могут содержать значительное количество асфальтенов в виде устойчивого коллоидного раствора. Таким образом, число молекул в ассоциате, равновесное состояние ассоциатов в дисперсионной среде обусловлено соотношением в ней различных групп углеводородов.
С повышением температуры асфальтеновые ассоциаты склонны к физическому и даже к химическому агрегированию.
0.3 Структурообразование и реологические свойства нефтяных дисперсных систем. Реологические модели структурно- механических свойств нефти.
Основными факторами, определяющими структуру и реологические свойства дисперсной системы, являются концентрация частиц и потенциал их парного взаимодействия. Под структурообразованием понимают фиксацию пространственного положения частиц дисперсной системы, возникновение рыхлой пространственной сетки (коагуляционной структуры) за счет преобладания сил притяжения частиц. Образование коагуляционной структуры идет при концентрации частиц, достаточной для образования сплошной пространственной сетки. Обратимое изотермическое разрушение коагуляционной структуры при механических воздействиях до отдельных частиц и ее последующее восстановление в течение определенного промежутка времени называют тиксотропией.
Структура агрегативно устойчивых высококонцентрированных дисперсных систем подобна кристаллической решетке. При поляризации частиц магнитным полем образуется тиксотропная структура в виде цепочек связанных между собой частиц. При этом частицы теряют возможность свободно вращаться в потоке, что ведет к увеличению вязкости. Высокие скорости течения нарушают ориентацию частиц во внешнем поле, структура разрушается, и вязкость падает [57, 58].
По мнению ряда авторов, нефтяные системы, отличающиеся высоким содержанием парафиновых углеводородов, характеризуются механизмом структурообразования, который заключается в изменении фазового состояния содержащихся в нефти парафиновых углеводородов с выпадением твердой фазы [60-63].
Было показано, что при содержании асфальтенов 8% достигается состояние, когда все молекулы нефти оказываются в сфере действия комплексов САК. При достижении критической концентрации САК (≈35%) все молекулы нефти оказываются практически в равной степени связанными с комплексами САК. В этом случае система приобретает новое качественное состояние, отражающееся на изменении реологических параметров, состава и размера активных комплексов САК, что влияет на скорость протонной спин-решетчатой Т1 и спин- спиновой Т2 релаксации, характер которых меняется в области критической концентрации САК.
В результате измерения времен релаксации Т1 для высоковязких нефтей был сделан вывод, что переход нефтяной системы в "однокомпонентную" по своей подвижности наблюдается при содержании в нефти асфальтенов в пределах 18 - 20% и суммарном содержании САК на окружающие молекулы, результаты иммобилизующим взаимодействием САК на окружающие молекулы, снижающим их подвижность, что в свою очередь ведет к снижению времени Т1 .
Из этого следует, что концентрация парамагнитных центров в высоковязких нефтях и природных битумах для однотипных образцов зависит от содержания в них асфальтенов. Однако присутствие в нефтях в больших содержаниях ванадия затрудняет установление четкой зависимости интенсивности сигналов свободных радикалов с содержанием САК и вязкости из-за образования диамагнитных комплексов ванадия со свободными радикалами полиароматических структур, уменьшающих концентрацию ПМЦ.

0.4 Влияние магнитного поля на рекомбинационные и структурообразующие процессы.
Реакционная способность молекул зависит от величины их колебательной энергии, которая может изменяться при изменении температуры и при поглощении относительно длинноволнового излучения. Изменение электронного состояния молекул может происходить при неупругих столкновениях с заряженными частицами или при поглощении электромагнитного излучения [84-87].
Стабильными парамагнитными свойствами обладают асфальтены или конденсированные соединения, составляющие ядро дисперсной частицы. Близлежайший к ядру слой молекул, преимущественно смолы, обладают в целом диамагнитными характеристиками. Однако именно они являются потенциальным источником образования радикалов под влиянием внешних воздействий.
Существует несколько теории о механизме влиянии магнитного поля на нефтяную дисперсную систему.
В работах Я.М.Кагана механизм действия магнитных полей на нефть основывается на различии электрической поляризуемости и магнитной восприимчивости основных компонентов нефти. Под действием магнитного поля в нефти происходит изменение внутренней структуры нефтяных ассоциатов, разрушение их оболочки и появление в объеме потока многочисленных субмикроскопических центров кристаллизации. При движении нефтяного потока в меняющихся термодинамических условиях это обеспечивает кристаллизацию нефтяных отложений в объеме, а не на стенках труб. При переводе процесса кристаллизации в объем, в нем поддерживается высокая концентрация смолисто-асфальтеновых компонентов и создаются условия для сдвига температур начала кристаллизации в сторону более низких значений [8, 106].
В.И.Лесиным был предложен свой механизм действия магнитного поля. После прохождения нефтяной жидкости в зазоре между стенкой трубы и поверхностью магнитного утройства в нефтегазовом потоке за счет физико-химической модификации металлосодержащих микропримесей образуется огромное число дополнительных центров кристаллизации и флотационного выноса асфальтосмолопарафиновых отложений, представляющих собой газовые электрически заряженные микропузырьки, сформированные на коллоидных микропримесях [109, 110].

Согласно Ф.Г.Унгеру, ввиду положительного потенциала парного взаимодействия, в жидкой углеводородной среде парамагнитные молекулы НДС имеют наименьшую контактную зону с парафино-нафтеновыми углеводородами, которые ориентируются при этом относительно центра в виде игл ежа. При попадании нефтяной системы в трубу начинается рост скорости слипания ассоциатов из-за увеличения вероятности их столкновения за счет увеличения скорости потока. Скорость слипания коллоидных частиц замедляется, если в трубопровод помещено достаточно интенсивное магнитное, ориентирующее спины в одном направлении. Омагниченная струя жидкости обладает другими энергетическими свойствами до тех пор, пока броуновское движение не изменит направление спинов всех молекул. За пределами действия ориентирующего магнитного поля магнитоактиватора вновь начинается слипание частиц, и его можно предотвратить, вновь ориентируя спины новым магнитным полем [111].
В отсутствии внешнего ориентирующего фактора система малоориентированна. Локальные образования и надмолекулярные структуры находятся в хаотичном расположении, и их инфрастуктура в целом неориентированна и подобна поликристаллическому образцу, состоящего из множества хаотически расположенных анизотропных участков. Под воздействием определенных внешних факторов система становится ориентированной более однородно.
При наложении магнитного поля на такую систему происходит ориентация спинов в направлении вектора поля или против него. Воздействие магнитного поля вызывает магнитоупорядочение, приводящее к возникновению сильнокоррелированных систем, проявляющие коллективные свойства.
Под действием магнитного поля происходит возникновение новых радикалов или бирадикалов вследствие синглет-триплетного перехода. Магнитный эффект синглет-триплетных переходов (S-T) порождает химическую поляризацию электронов (ХПЭ) и ядер (ХПЯ). Спиновая поляризация и магнитные эффекты в радикальных реакциях - два тесно взаимосвязанных явления, базирующихся на общем физическом механизме. Процессы квантового возбуждения частиц и межчастичных образований в структуре конденсированных сред и последующая релаксация возбужденных состояний в сильной степени опосредованных сред и последующая релаксация возбужденных состояний в сильной степени опосредованы межчастичными, которые носят коллективный характер.
Влияние магнитного поля на систему связано с такими превращениями системы, при которых ее энергия изменяется незначительно. Для преодоления энергетического барьера необходимы энергия активации, которая может быть изменена ничтожно малым воздействием на систему, а таким воздействием может стать магнитное поле.

Рис.2.Спиновая модель взаимодействия молекулярных систем под воздействием постоянного магнитного поля
В условиях динамического воздействия магнитного поля энергия перекачивания жидкости, возможно, является некоторым добавочным источником изменения изобарно-изотермического потенциала ситемы. Образование новых радикалов способствует перестройке НДС и усиливает влияние магнитного поля на систему.
Воздействие постоянного магнитного поля фиксирует новую структуру НДС, характеризующуюся большой гомогенностью и парамагнитной активностью, меньшей вязкостью и поверхностным натяжением

0.5 Влияние депрессорных присадок на реологические свойства нефти.
Депрессорные присадки представляют собой ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.