ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Закономерности формирования отложений в гидродинамических условиях из "Органические нефтяные отложения и их утилизация" Формирование отложений из движущегося потока нефти представляет собой значительно более сложное явление, чем осадкообразование в условиях покоя. Сложность этого явления объясняется рядом обстоятельств. Так, при движении нефти по трубе изменяются, как правило, такие физико-химические характеристики системы, как температура, давление, газонасыщенность и др., что приводит к изменению структуры нефти как дисперсной системы. Кроме того, в гидродинамических условиях на частицу дисперсной фазы оказывает воздействие в направлении потока определенная инерционная сила, величина которой зависит как от размера частицы, так и скорости потока, в результате не всякая частица, даже вступившая в контакт с поверхностью, может удержаться на ней и участвовать в формировании отложений. Все это усложняет понимание истинной картины протекающих процессов в целом, с одной стороны, и четко выделить влияние каждого конкретного фактора - с другой. [c.62] Для понимания процесса образования отложений при движении нефти по трубе необходимо прежде всего ответить на вопрос каково происхождение частиц, составляющих отложения Кристаллизуются ли они непосредственно на поверхности из-за более низких температур стенки или же образуются в объеме жидкости, а затем осаждаются на поверхность На этот вопрос имеются разные ответы. [c.62] В работе /30/ после исследования картины роста парафиновых отложений на поверхностях с применением микрокиносъемки, в том числе непосредственно в условиях скважины, автор приходит к выводу, что механизм формирования смоло - парафиновых отложений на поверхности оборудования не завиС1гг от режимных параметров работы скважинь и является, по существу, молекулярным процессом, связанным с возникновением и последующим ростом кристаллитов на контактирующей с нефтью поверхности . [c.63] Такое представление механизма формирования отложений предполагает наличие в нефти какого-то количества молекулярно растворенных избыточных парафиновых углеводородов, способных выделиться из раствора и формировать новую твердую фазу. Предполагаемая ситуация вполне вероятна, когда происходит непрерывное изменение термодинамических условий, приводящее к снижению растворимости твердых парафиновых углеводородов в нефти, которое имеет место в подземных трубах скважин. Однако этот механизм не может объяснить процесс формирования отложений в выкидных линиях скважин в таких случаях, когда в них не происходит изменения термодинамических условий, приводящею к ухудшению растворимости парафинов, и прокачиваемая дисперсная система находится в состоянии определенной агрега-тивной устойчивости. Применение указалного механизма к последнему случаю привело бы к необходимости допущения возможности перераспределения части парафиновых углеводородов из частиц дисперсной фазы в пользу вновь образующейся на поверхности стенки твердой фазы через стадию перехода в состояние молекулярного раствора. Однако имеющийся экспериментальный материал не указывает на правомерность такого допущения. [c.63] Для проверки такого допущения рассмотрим баланс сил, действующих на частицу в форме куба, закрепленную на поверхности стенки трубы, в потоке движущейся нефти. При зтом из-за ммости частицы кривизной поверхности можно пренебречь. Силы, действующие на частицу, показаны на рис. 2.1. [c.64] Выражение в левой части этого соотношения представляет собой сумму удерживающих сил. [c.64] Уравнение (2.2) позволяет анализировать вклады отдельных составляющих на удерживающую частицу силу. В случае отсутствия дополнительного нормального давления на частицу, т.е. при N=0, удерживающая сила будет определяться вьфажением Р , = S Рд, т.е. силой прилипания. Как видно из этой зависимости, величина удерживающей силы будет определяться структурой (щероховатостью) поверхности трущихся тел ( i), поверхностью соприкосгговения и природой межмолекулярного взаимодействия соприкасающихся тел (Р ). [c.65] Следовательно, движущая сила для частицы составит Рд = 3,17 10- 2,5 10- = 7,93 10 г/см с. [c.67] Полученное неравенство показывает принципиальную возможность образования начального поверхностного слоя макрофазы на стенке трубопровода за счет удерживания частиц, образующихся в объеме. Однако следует иметь в виду, что такой баланс справедлив лишь для параллелепипедов с четкими гранями. По мере приобретения частицей шарообразной формы резко уменьшается поверхность контакта частицы с твердой поверхностью при практическом сохранении площади сечения частицы, поэтому баланс сил будет ухудшаться. [c.68] Таким образом, все сказанное позволяет считать, что первоначальное накопление твердой фазы на поверхности отложения происходит в общем случае за счет фиксаций наиболее диспергированной части твердой фазы из объема нефти, образование же кристаллов непосредственно на поверхности носит подчиненный характер и может наблюдаться лишь как частный случай при наличии резкого температурного градиента на стенке трубы. [c.71] Автомодельность от гравитационных сил, а также протекание процесса при ламинарном течении в трубе, когда отсутствуют заметные поперечные перемещения частиц в объеме трубы, заставляют предположить пограничный механизм протекания процесса формирования отложений на поверхности трубы при движении по ней нефти. Для представления картины протекающих процессов рассмотрим характер распределения скоростей по сечению трубы. Эпюры распределения скоростей в различных режимах течения показаны на рис.2.2 и 2.3. [c.73] При равенстве х = г скорость потока равна нулю, т.е. непосредственно у стенок жидкость как бы прилипает к поверхности и ее скорость обращается в нуль. [c.74] При турбулентном движении из-за хаотичности движения слоев происходит выравнивание скоростей в ядре потока и их распределение по сечению трубы характеризуется кривой, отличающейся по форме от параболы. Однако и в этом случае вблизи стенки трубы скорость резко снижается и образуется тонкий слой, в котором градиент скорости очень высок и у самой стенки скорость также равна ну/по. Структура потока и профиль концентраций у стенки трубы (по Ландау и Левичу) показаны на рис.2.3. [c.74] В ядре потока движение является развитым турбулентным. В турбулентном пограничном слое происходит переход турбулентного движения в ламинарное. В вязком подслое под действием сил -1рсния движение приближается к ламинарному и возрастает значение молекулярной диффузии. Однако на большей части толщины вязкого подслоя преобладает турбулентная диффузия. Лишь в самой глубине вязкого подслоя, внутри тонкого диффузионного подслоя, непосредственно примыкающего к самой стенке трубы, молекулярная диффузия становится преобладающей. [c.74] Для расчета X предложены различные полуэмпирические формулы, учитывающие качество поверхности стенки. При этом поверхность считается гидравлически гладкой, если микронеровности стенки не выступают за вязкий подслой, если выступают - то гидравлически шероховатой. В расчетах качество поверхности учитывается коэффивд1ентом (эквивалентная шероховатость), определяемым экспериментально. [c.75] Коэффициент Дарси можно вычислять по следующим формулам, каждая из которых справедлива только в пределах определенных значений критерия Рейнольдса. [c.75] Расчеты показывают, что при прохождении нефти с вязкостью 0,1193 Ст и плотностью 0,856 г/см по новой цельнотянутой стальной трубе с внутренним диаметром 5,08 см со скоростью I м/с толщина вязкого под- JЮЯ равна 0,18 см. При этом толщина диффузионного подслоя для частиц размером 1 мкм составляет лишь 0,0003 см и для частиц размером 0,25 мкм достигает 0,0025 см. Как видно, толщина диффузионного подслоя весьма мала, однако именно этот подслой является ответственным за образование отложений из нефти в гидродинамических условиях. [c.76] Все сказанное показывает, что интенсивность формирования твердых отложений на стенках -фубопроводов будет определяться толщиной диффузионного подслоя у поверхности и концентрацией в этом подслое частиц, способных к броуновскому движению. Такой вывод хорошо согласуется с практически наблюдаемой картиной приоритетного формирования первоначального слоя отложений из мелких частиц дисперсной фазы /22/. [c.76] Предположение об участии в формировании отложений только пограничного слоя, а не всей массы прокачиваемой по трубе нефти косвенно подтверждается также промысловыми данными, которые представлены в табл. 2.4. Как видно из таблицы, при увеличении диамс11 а трубы (при близких значениях остальных параметров) темпы роста количества отложений резко отстают от темпов роста количества прокачиваемой нефти и достаточно четко коррелируются с ростом площади стен трубы. Некоторое завышение количества отложений от ожидаемого в случае трехдюймовой трубы можно объяснить снижением линейной скорости прохождения нефти, что должно увеличивать толщину вязкого приграничного подслоя, следовательно, и количества осадка. [c.77] Вернуться к основной статье