Эффекты ультразвукового воздействия на высоковязкую нефть

Нефть имеет ключевое значение в мировой экономике, особенно в регионах с высоким спросом на топливо, промышленность, энергетику и транспорт. С учетом истощения «легкой» нефти, нетрадиционные запасы нефти, включающие тяжелую высоковязкую нефть, могут стать важной альтернативой в будущем [1]. Тяжелая нефть является важным ресурсом для мировой энергетической и химической промышленности. Однако ее высокая вязкость и сложный состав создают серьезные проблемы при добыче, переработке и транспортировке [2, 3]. Вязкость тяжелой нефти, обусловленная в значительной степени наличием асфальтенов и других высокомолекулярных соединений [4-6], требует эффективных методов ее снижения [7-9]. Традиционные подходы, такие как нагревание и добавление растворителей, часто недостаточно эффективны и могут привести к дополнительным расходам и экологическим рискам. Вместе с тем большинство мировых месторождений углеводородов находятся на поздних стадиях разработки, при этом эффективность извлечения нефти составляет менее 40% [10-11]. Извлечение высоковязкой нефти требует специальных условий, влияющих на этот процесс.

В последние годы ультразвуковые технологии привлекают значительное внимание исследователей как перспективный метод изменения физических и химических свойств тяжелой нефти [12-14]. Ультразвук способен вызывать кавитацию - процесс, при котором в жидкости образуются и быстро разрушаются пузырьки, что может привести к существенным изменениям в структуре и вязкости нефти [15-17]. Исследования показывают, что ультразвуковое воздействие может способствовать разрушению асфальтеновых агрегатов и повышению текучести нефти, что открывает новые возможности для эффективной переработки [18-20]. В нефтяной промышленности ультразвук также применяется для эмульгирования, деэмульсации и изменения состава нефти, что оказывает существенное влияние на процессы добычи, транспортировки и переработки [21, 22].

Несмотря на обнадеживающие результаты, полученные до сих пор, механизмы, лежащие в основе наблюдаемых изменений вязкости при воздействии ультразвука, еще предстоит полностью выяснить [23, 24]. Важной задачей является установление влияния различных параметров ультразвуковой обработки, таких как частота, интенсивность и продолжительность обработки, на конечные результаты. Кроме того, необходимо исследовать долгосрочные эффекты ультразвуковой обработки и их влияние на стабильность модифицированных свойств тяжелой нефти. Целью настоящего исследования является изучение влияния ультразвуковой обработки на высоковязкую нефть. Результаты этого исследования могут способствовать разработке новых технологий для эффективной переработки тяжелой нефти и улучшения ее транспортабельности, что важно для энергетической безопасности и устойчивого развития.

2.    Материал

Объектами исследования в работе были образцы высоковязкой нефти. В качестве основного образца использовалась обезвоженная и дегазированная нефть Ново-Елховского месторождения Республики Татарстан, обозначенная как Н. Для получения более высоковязких образцов к исходной нефти добавляли мазут, который представляет собой остаточный продукт нефтепереработки, содержащий высоковязкие компоненты, такие как высокомолекулярные парафины, смолы и ароматические соединения. Эти вещества характеризуются высокой молекулярной массой и способствуют увеличению вязкости нефтяных смесей. Добавление мазута было специально использовано для моделирования более вязкой нефтяной смеси с целью изучения влияния ультразвукового воздействия на изменение ее вязкости. Это позволяет лучше понять, как ультразвуковая обработка воздействует на нефти с разной вязкостью и составом. Подобный подход оправдан еще и тем, что часто нефти с различных месторождений смешиваются для транспортировки по трубопроводам. В данной работе образцы высоковязкой нефти были получены путем смешивания нефти Н с мазутом марки М-100 в пропорции 80/20 по массе, обозначенные как НМ. В таблице 1 представлены некоторые физические свойства исследованных образцов нефти и мазута.

Таблица!

Образец Массовая доля мазута, % Массовая доля нефти, % Плотность при 20 °C, кг/м3 Вязкость при 20 °C, мПаю Н 0 100 855,5 131,5 М-100 100 0 967,6 6691,2* нм 20 80 891,6 223,1 при температуре 40 °C

3.    Методы

Общая схема экспериментальных исследований представлена на рисунке 1. Были подготовлены четыре образца нефти Н массой 50 грамм. Для получения образцов НМ были отдельно приготовлены образцы нефти Н и мазута необходимого количества. Эти жидкости помещали в разные емкости и нагревали на водяной бане до температуры 90 °C. Затем нагретые нефть и мазут смешивали в одной емкости в пропорции 80/20 и непрерывно перемешивали в течение 10 минут для получения однородной смеси. Для проведения экспериментальных исследований было приготовлено четыре образца нефти НМ массой 50 грамм каждый.

Рис. 1. Схема экспериментальных исследований: 1 - подготовка образцов нефти, 2 - нагрев и смешивание образцов нефти, 3 - SARA-аиализ, 4 - ультразвуковая обработка образцов нефти, 5 - измерение вязкости, 6 - электронный термометр, 7 - контактный микрофон, 8 - микрофонный усилитель, 9 - компьютер

Температура измерялась лабораторным электронным термометром LT-300 (ООО «ТЕРМЭКС», Россия) с точностью до ±0,05 °C. Масса образцов нефти измерялась лабораторными весами Масса-К ВК-300 (АО «Масса-К», Россия), с точностью 0,01 грамма. Групповой состав образцов нефти (SARA-анализ) определялся методом импульсной низкочастотной ЯМР-релаксации на ЯМР-анализаторе «Хроматэк Протон 20М» (ЗАО ОКБ Хроматэк, Россия).

Температурную зависимость вязкости можно описать уравнением Френкеля [25]:

ц = А • exp

'

RI ’

где А - предэкспоненциальный коэффициент, Паю; W - энергия активации вязкого течения. Дж моль: R=8.31446262 - универсальная газовая постоянная. Дж (моль-К): Т - абсолютная температура, К. По наклону зависимости логарифма вязкости от обратной температуры определяются параметры А и W.

4.    Результаты и обсуждение

Вязкость мазута значительно выше, чем у нефти, что объясняется повышенной концентрацией в нем асфальтенов, смол и парафинов. На рисунке 2 показаны температурные зависимости вязкость образцов Н и НМ. Видно, что добавление 20% мазута к нефти Н приводит к заметному увеличению вязкости в 1,7-2,4 раза в диапазоне температур от 50 до 20 °C. Смешивая нефть и мазут в различных пропорциях, можно создавать образцы высоковязкой нефти для будущих исследований с широким спектром реологических свойств.

Рис. 2. Температурные зависимости вязкости образцов нефти

С помощью уравнения (1) были проанализированы полученные зависимости (рис. 2) и определены значения энергии активации вязкого течения. Для образца Н в диапазоне температур от 20 до 50 °C ее значение составило Wh = 42,847кДж/моль, а для образца НМ ~ Wh\i = 50,282 кДж/моль. Эти данные свидетельствуют о том, что чем менее подвижная нефть, тем больше у нее значение энергии активации вязкого течения. Поскольку ультразвуковая обработка, как показано ниже, приводит к нагреву жидкости, для корректного сравнения вязкости исходной и обработанной нефти достаточно просто нагреть исходную нефть, например, на водяной бане до температуры, которой она достигает при ультразвуковом воздействии. Повторный нагрев образца нефти после приготовления приводит к тому, что ее вязкость становится выше первоначальной. Это подтверждают результаты других авторов, отраженные в работе [26]. Значения энергии активации вязкого течения при этом также повысились до Wh = 46,693 кДж/моль и Wh\i = 52,447кДж/моль для образцов Н и НМ соответственно.

Эксперименты с воздействием ультразвука на жидкости, проведенные в том числе и ранее [27-28], выявили одну интересную особенность. А именно то, что при включении ультразвука в жидкости возникали источники слышимого звука. Для исследования этого явления были проведены акустические измерения с помощью контактного микрофона 7, показанного на схеме (рис. 1). Данные исследования проводились с водой и нефтью. В начальный момент микрофоном отчетливо регистрировался сильный тон ультразвука с высокой добротностью на частоте 21 кГц. И практически сразу, через секунду-две, микрофон стал регистрировать шум в акустическом диапазоне. На рисунке 2 представлены спектры таких регистрируемых колебаний. С течением времени спектр этих шумов немного менялся.

Рис. 3. Спектр звуковых колебаний при ультразвуковом воздействии

Энергетические оценки распределения интенсивности колебаний по частотным диапазонам, представленные на рис. 3, показывают, что большая часть звуковой энергии сосредоточена в диапазоне частот до 10 кГц. Причем с увеличением длительности воздействия интенсивность в диапазоне частот от 2,5 до 5 кГц возрастает. Полученные данные дают основание для следующего объяснения. Ультразвуковые колебания высокой амплитуды приводят к образованию кавитации. Некоторые образующиеся пузырьки растворенного газа или насыщенных паров не успевают схлопываться и выступают в качестве резонаторов или сферических излучателей со своими характерными частотами, которые генерируют звуковые колебания. По мере изменения свойств жидкости при воздействии параметры этих пузырьков меняются, чем и объясняется изменение спектра шума. Для подтверждения этой гипотезы необходима постановка и проведение соответствующих теоретических и экспериментальных исследований. Появление колебаний звукового диапазона под воздействием ультразвука открывает новое направление для исследований, поскольку результаты промышленных испытаний волнового воздействия в этом частотном диапазоне, представленные, например, в работе [29], показывают возможность увеличения добычи нефти.

Кавитация и поглощение ультразвуковых и звуковых колебаний в жидкости приводят к ее нагреву. Измерения температуры жидкости в процессе воздействия показывают, что характер нагрева для разных жидкостей отличается. Для сравнения на рисунке 5 показаны графики нагрева дистиллированной воды и образца нефти Н. Вода практически сразу начинает нагреваться, в то время как у нефти заметный нагрев начинается только через 20-25 секунд. Это объясняется тем, что вязкость нефти значительно выше вязкости воды и соответственно перемешивание жидкости, вызванное акустическим течением под действием ультразвука, в разных жидкостях неодинаковое. При нагреве нефти ее вязкость снижается и соответственно перемешивание жидкости происходит более интенсивно. При этом характер нагрева от длительности воздействия становится, как у воды, моно- тонный. Следует отметить, что значения температуры, до которой за одинаковое время нагреваются вода и нефть, отличаются. Очевидно, что это определяется главным образом теплоемкостью жидкостей. На основании полученных данных и учитывая, что теплоемкость дистиллированной воды равна Свода = 4200 Дж/(кг-°С), можно примерно оценить теплоемкость нефти, значение которой составило около 2490 Дж/(кг-°С).

Рис. 4. Распределение интенсивности колебаний по частоте при ультразвуковом воздействии нефти

Рис. 5. Повышение температуры жидкости при ультразвуковом воздействии

Распространяющиеся ультразвуковые колебания приводят к явлению кавитации, при котором локальное снижение давления ниже критического в жидкости приводит к образованию полостей, заполненных паром или растворенными газами. Далее по мере повышения давления (при прохождении упругой волны) некоторые пузырьки схлопываются, в результате чего образуются сходящиеся микроскопические ударные волны. Факт проявления кавитации был подтвержден не только характерным шумом, но и образованием в жидкости пузырьков растворенного газа и паров. В прозрачной воде эти пузырьки были видны невооруженным глазом как внутри, так и на поверхности, а в непрозрачной нефти также наблюдалось, как пузырьки поднимались и всплывали на поверхность. По некоторым оценкам, давление и температура в центре пузырька в момент схлопывания достигают чрезвычайно высоких значений [30]. Этой энергии может быть достаточно для изменения структуры жидкости, что проявляется в изменении температурных зависимостей вязкости. На рисунке б показаны изменения вязкости, наблюдаемые в образце Н, после ультразвуковой обработки различной длительностью.

Рис. 6. Зависимости изменения вязкости образца нефти Н от температуры после ультразвукового воздействия

На этом и следующем рисунках представлено относительное изменение вязкости нефти, обработанной ультразвуком, по сравнению с вязкостью необработанной, но предварительно нагретой, нефти при одинаковой температуре. Для этого образца нефти Н вязкость снизилась после всех режимов обработки. Максимальное снижение составило 13% после 3-минутной обработки. После прекращения ультразвуковой обработки в течение 1 и 2 минут наблюдается монотонное снижение вязкости, в то время как после 3-минутной обработки изменение вязкости изменяется с -13% до -3%, а затем увеличивается до -7%i. Значения энергии активации вязкого течения, рассчитанные по полученным кривым, составили 42,838, 44,02 и 44,24 кДж/моль для 1, 2 и 3 минут ультразвукового воздействия соответственно.

Характер изменения вязкости для высоковязкой нефти, содержащей мазут, отличается от образца Н. Хотя и максимальное снижение вязкости до 10% также было после 3-х минутной обработки, после прекращения воздействия вязкость восстанавливается и увеличивается на 12% (см. рис. 7). После 2-минутной обработки вязкость практически не меняется - изменения в пределах погрешности измерения вязкости. После 1-минутной обработки вязкость сперва увеличивается, а затем снижается до 5%i. Значения энергии активации вязкого течения образцов нефти НМ, рассчитанные по полученным кривым, составили 49,897, 52,098 и 50,092 кДж/моль для 1, 2 и 3 минут ультразвукового воздействия соответственно.

Рис. 7. Зависимости изменения вязкости образца нефти НМ от температуры после ультразвукового воздействия

Помимо изменения вязкости образцов нефти после ультразвуковой обработки произошли также изменения состава нефти. На рисунке 8 представлены результаты SARA анализа группового состава образцов нефти до и после 3-минутной обработки. В частности, видно, что у образца Н ультразвуковое воздействие приводит к снижению доли смол и увеличению содержания ароматических соединений. У образца НМ, несмотря на то, что снижение вязкости не такое заметное, как у образца Н, изменения группового состава более значительны. За счет снижения содержания смол и ароматических соединений возрастает содержание насыщенных углеводородов.

звукового воздействия

Рис. 8. Изменение группового состава образцов нефти Н (а) и НМ (б) после 3-мипутпого ультра

5.    Заключение

Ультразвуковое воздействие представляет собой эффективную и экологически безопасную технологию, позволяющую повысить нефтеотдачу, снизить эксплуатационные расходы и энергопотребление. Научная новизна проведенной экспериментальной работы заключается в том, что впервые подробно изучен эффект ультразвука на вязкость и состав высоковязкой нефти. Результаты исследования показывают, что ультразвуковая обработка снижает вязкость нефти до 13% и изменяет её химический состав, что открывает новые возможности для улучшения процессов её переработки и транспортировки. Основным механизмом ультразвукового воздействия является кавитация, которая разрушат большие молекулы углеводородов, что способствует снижению вязкости и изменению состава нефти. Вместе с тем кавитация приводит к генерации звуковых колебаний, и такие механические вибрации могут дополнительно способствовать снижению вязкости нефти, что требует дальнейших исследований. Также было установлено, что добавление в нефть высоковязких компонентов снижает эффективность ультразвуковой обработки. Кроме того, ультразвуковая обработка привела к изменениям в химическом составе нефти: для одного образца уменьшилась доля смол и увеличилось содержание ароматических углеводородов, в то время как для другого наблюдалось увеличение содержания насыщенных углеводородов. Таким образом, полученные результаты демонстрируют высокий потенциал ультразвуковых технологий для повышения эффективности добычи, переработки и транспортировки нефти, а также открывают новые перспективы для дальнейших исследований в этой области.

Работа выполнена за счет гранта Академии наук Республики Татарстан, предоставленного молодым кандидатам наук (постдокторантам) с целью защиты докторской диссертации, выполнения научно-исследовательских работ, а также выполнения трудовых функций в научных и образовательных организациях Республики Татарстан в рамках Государственной программы Республики Татарстан «Научно-технологическое развитие Республики Татарстан» (соглашение №71/2024-ПД).