Бырлар бойымен ньютондық емес сұйықтарды (тұтқырлығы жоғары және парафинді мұнайлар) тасымалдау

Қазақстан Республикасында құрамында парафині көп бірқатар кен орындары ашылып, игерілуде. Бұндай мұнайлар құбыр бойымен қозғалғанда гидравликаның белгілі заңдарына бағынбайды. Осы кен орындарының кейбірінің мұнайы құрамындағы парафиннің мөлшері 25%-ға, ал шайыры 55%-ға жетеді. Құбырлармен мұндай мұнайларды тасымалдаудың өзіне тән ерекшелігі бар және көп қиындықтар тудырады.

Ньютондық емес сұйықтардың (бұларға парафинді мұнайларды жатқызамыз) реологиялық қасиеттері туралы негізгі түсінікті қарастырамыз.

Мұнайдың реологиялық қасиеттері деп - мұнайға әсер етушi сыртқы күштердiң және осы күштер тудыратын деформация арасындағы өзара байланысты айтуға болады, яғни тұтқырлықтың құбырдағы жылдамдық градиентi мен ығысу кернеуiне тәуелдiлігін айтамыз.

Парафинді мұнайларға тән қасиет, бұл мұнай тұтқырлығының өзгерісі қысым құлауына (немесе, ығысу кернеуiне - ) және құбырдағы жылдамдық градиентiне тәуелділігі.

Шеңберлі құбырдағы сұйықтардың қозғалысы кезінде тұтқырлықты үйкеліс жөніндегі Ньютон заңына сәйкес жанама кернеуiнің теңдеуі мына түрде жазылады:

(5.10)

мұнда - сұйықтың екi қабатшасы (слойы) арасындағы жанама ығысу кернеуi, Па; S- сұйықтың екi қабатшасы арасындағы беттесу ауданы, м²;

- динамикалық тұтқырлық коэффициентi, Па×с; r- құбыр өсінен есептегендегі радиус, м. (5.10) теңдеуіндегі теріс таңба, бұл радиус үлкейген сайын жылдамдықтың баяулайтынын көрсетеді, яғни dw/dr теріс болса, онда ығысу кернеуінің шамасы оң болады.

5.1- Суретте құрылымды ағындағы кернеу мен жылдамдықтың таралуы бейнеленген. Егер сұйықтардың барлық ағын қозғалысын барлық көлденең қимасы бойынша бірдей жылдамдықпен жүретін қатты дененің қозғалысы деп қарастырсақ, онда мұны құрылымды ағын режимі деп түсінеміз. Қысым құлауы (өзгерісі ) DР өскен сайын сұйықтардың қозғалыс жылдамдығы артады және құбыр қабырғаларына жақын ағын бөліктерінде ламинарлық режим дамып, ал орталық ядро қатты дене түріндегі қозғалысын жалғастырады, яғни ламинарлықтың орнына құрылымды ағын қозғалысы жүреді.

5.1- Суретте. Құрылымды ағындағы кернеу мен жылдамдықтың таралуы.

Ньютон теңдеуiн сұйықтың ламинарлық ағыны кезiнде қолданған жөн, яғни сұйық, ағынның жәй жылдамдығы кезiнде бiр-бiрiмен араласпайтын қабатшалар түрiнде ламинарлы қозғалады. (5.10) формуланы мына түрде жазуымызға болады:

бұл жағдайда түзу сызық түріндегі тәуелділікті аламыз. (5.2 сурет. 1-ші қисық) мұнайдың абсолютті тұтқырлығын сипаттайды.

Турбуленттi қозғалыс кезiнде тұтқырлық коэффициенті - өз мәнін жоғалтады және ағын жылдамдығының функциясы болып қалыптасады. Мүмкiн тұтқырлық - (m^*) түсiнiгiн енгіземіз.

Ығысу кернеуi - мен жылдамдықтар градиентіне- dw/dr байланысты, тұтқырлығы түзу сызықтық заңы бойынша ( ) өзгеретін сұйықтарды ньютондық сұйықтар деп атайды.

Тұтқырлығы ығысу кернеуi мен жылдамдықтар градиентіне байланысты өзгеретін ( ) сұйықтарды ньютондық емес сұйықтар деп атайды. (5.2 сурет. 2-3-ші қисықтар)

2-ші қисық, нашар қозғалатын ньютондық емес сұйықтарға тән (мысалы, қату температурасына жақын парафинді мұнай немесе сумұнай эмульсиясы, олардың тұтқырлығы жылдамдықтар градиентіне байланысты)

5.2- Сурет. Ньютондық және ньютондық емес сұйықтар үшін ығысу кернеуiнің тәуелділігі. 1-ньютондық сұйықтар; 2-баяу қозғалатын ньютондық емес сұйықтар (қату температурасына жақын парафинді мұнайлар немесе эмульсиялар); 3- кристалды құрылымдық торлары бар жұмсақ (пластикалық) ньютондық емес сұйықтар.

3-ші қисық, мұнайдағы парафин кристалдарына негiзделген құрылымдық торлары бар жұмсақ (пластикалық) ньютондық емес сұйықтарға (парафиндi мұнайларға) тән. Құрылымдық торлардың түзілуіне байланысты бастапқы ығысу кернеуi - пайда болады, бұдан төмен мұнай ағынының болуы мүмкін емес. 3-ші қисық үшін үш шекті (критикалық) ығысу кернеуін қарастырамыз:

1) t₀- аққыштықтың ең төменгі шегі,

2) t_д - түзу сызықты участкенің жалғасын қиятын, абсцисса өсіндегі қимаға сәйкесті аққыштық шегi,

3) - аққыштықтың ең жоғарғы шегі, бұл кезде қисық сызық түзу сызыққа ауысады. Бұл кезде сұйықтағы құрылым кернеуі бұзылады да, ядро (яғни ағынның орталық бөлігі) жоғалады.

Құрылымдық режим Шведов-Бингам теңдеуімен сипатталады:

(5.11)

немесе (5.12)

Парафиндi мұнайлар уақыт өте құрылым берiктiгiн өздiгiнен арттыруға және оның бұзылудан соң қайтадан қалпына келу қасиеттерiне ие болады. Бұл қасиетін тиксотропия деп атайды. Құрылым бұзылғаннан соң, оның қайтадан тиксотроптық қалпына келу уақыты әр түрлi мұнайлар үшiн әр түрлi аралықта (0,5-20 сағат ) болады.

Парафинді және жоғары тұтқырлықты мұнайларды айдау барысында құбырларда үлкен гидравликалық кедергі пайда болады, олардан өту ұшін артық қуатты сораптар қажет болады. Құбырларды “ қатырып тастау” қаупі туады. Мұнай ағымына көмірсутекті ертінділерді қосу арқылы, сондай-ақ, әртүрлі конструкциялы пештерде жергілікті жерде қыздыру жолымен - тұтқырлықты азайтуға болады.

Қату температурасы жоғары, парафинді мұнайлардың айдалуын жақсарту үшін көмірсутекті конденсат, керосин, сонымен қатар, мұнайдың реологиялық қасиеттерін айтарлықтай жақсартатын присадкалар қолданады.

Осындай присадкалар ретінде Өзен мұнайы үшін мұнай массасының 0,15 % мөлшерінде ЕСА –4242 қолданылады. Құмкөл кен орнында Sepaflux ES 3137 және Separar ES 3284 ( соңғысы көп функционалды қызмет атқарады және парафин шөгінділерінің ингибиторы ретінде қолданылады) қолданылады.

Мұнайы парафинді кен орындарында әрбір өндіру ұңғысының сағасында, кәсіпшілік жинау коллекторларының бойында және магистралды мұнай құбырларының әрбір 100-150 км-не арнайы орнатылған пештерде (қыздырғыштарда) мұнай қыздырылады.