способ обработки нефти с помощью попутного газа

Формула изобретения

Способ обработки нефти с помощью попутного газа, включающий нагрев попутного природного газа под давлением 0,6-0,8 МПа до температуры 120°С, его разгон до сверхзвуковой скорости более 400 м/с в расширяющемся сопле Лаваля, ускорение потока нефти под давлением 1,6 МПа при температуре 80-90°С в профилированном канале и ее распыление в кавитационном струйном газожидкостном смесителе с образованием объемной кавитационной каверны, в которую соосно и сонаправленно с потоком нефти подают сверхзвуковой поток природного газа, посредством чего осуществляют взаимодействие и смешивание потоков нефти и газа в условиях двухфазной среды, движущейся с локально сверхзвуковой скоростью с получением смеси, в которой концентрация газа составляет не менее 10% от массы обрабатываемой нефти, полученную смесь направляют по профилированному расширяющемуся каналу, где ее скорость падает и при переходе через звуковой барьер возникает скачок уплотнения, в котором завершают растворение природного газа в нефти, при этом для стабилизации смеси и отвода избыточного количества природного газа через сепаратор на повторное использование производят повторную кавитационную обработку в пассивном кавитаторе-гомогенизаторе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтехимии и предназначено для обработки тяжелой нефти природным (попутным) газом с помощью струйно-кавитационного способа с целью улучшения потребительских свойств нефти перед ее транспортировкой по трубопроводам, в первую очередь для снижения вязкости и плотности нефти.

Известен способ обработки нефти, включающий нагрев природного газа и его смешение с ускоренным потоком обрабатываемой нефти (см. патент RU 2376340, опубл. 20.12.2009). Недостатками известного способа являются необходимость нагрева компонентов до высоких температур, недостаточно высокая гомогенность полученной смеси и, как следствие, относительно низкое качество обработки нефти.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и разработка эффективной и экономичной промышленной технологии для обработки тяжелой нефти с помощью попутного природного газа. Технический результат заключается в улучшении потребительских свойств нефти до приемлемых для транспортировки по трубопроводам. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что способ обработки нефти с помощью попутного газа включает нагрев попутного природного газа под давлением 0,6-0,8 МПа до температуры 120°С, его разгон до сверхзвуковой скорости более 400 м/с в расширяющемся сопле Лаваля, ускорение потока нефти под давлением 1,6 МПа при температуре 80-90°С в профилированном канале и ее распыление в кавитационном струйном газожидкостном смесителе с образованием объемной кавитационной каверны, в которую соосно и сонаправленно с потоком нефти подают сверхзвуковой поток природного газа, посредством чего осуществляют взаимодействие и смешивание потоков нефти и газа в условиях двухфазной среды, движущейся с локально сверхзвуковой скоростью с получением смеси, в которой концентрация газа составляет не менее 10% от массы обрабатываемой нефти, полученную смесь направляют по профилированному расширяющемуся каналу, где ее скорость падает и при переходе через звуковой барьер возникает скачок уплотнения, в котором завершают растворение природного газа в нефти, при этом для стабилизации смеси и отвода избыточного количества природного газа через сепаратор на повторное использование производят повторную кавитационную обработку в пассивном кавитаторе-гомогенизаторе.

На чертеже приведена принципиальная схема установки, осуществляющей предлагаемый способ.

Для обработки нефти попутным природным газом предлагается использовать струйно-кавитационный метод, который позволяет при минимальных энергетических затратах обеспечить модификацию молекулярного состава и межмолекулярных связей нефти, приводящую к значительному снижению вязкости нефти. Высокоэффективные гидродинамические струйно-кавитационные процессы позволяют при минимальных энергозатратах создать условия, необходимые для такого воздействия на молекулярную структуру нефти, при котором происходит механодеструкция крупноразмерных частиц в потоке нефти, модифицируется химический и корпускулярный состав нефти в части уменьшения содержания высокомолекулярных соединений, высших парафинов, смол и асфальтенов. Также изменяется структура межмолекулярных связей, определяющая вязкостные свойства нефти.

Предлагается производить обработку потока нефти, транспортируемой по нефтепроводу, попутным природным газом в режиме взаимодействия направленного сверхзвукового потока нагретого природного газа с диспергированным двухфазным парожидкостным потоком нефти. Предварительно нагретый до температуры 120°С природный газ под давлением 0,6-0,8 МПа разгоняется до сверхзвуковой скорости (более 400 м/с) в расширяющемся сопле Лаваля. Поток нефти предварительно ускоряется в профилированном канале, а затем диспергируется (распыляется) в кавитационном струйном газожидкостном смесителе с образованием объемной кавитационной каверны, куда и подается соосно и сонаправленно с потоком нефти сверхзвуковой поток природного газа. Взаимодействие и смешивание потоков нефти и газа происходит в условиях двухфазной среды, движущейся с локально сверхзвуковой скоростью. Взаимодействие компонентов в условиях мелкодисперсной двухфазной среды происходит на молекулярном уровне и, как следствие, характеризуется большой эффективной площадью. По ходу движения смеси в профилированном расширяющемся канале ее скорость падает, и при переходе через звуковой барьер возникает скачок уплотнения, в котором в основном завершается конденсация паров и летучих компонентов, растворение природного газа в нефти. Процесс конденсации сопровождается возникновением локальных ударных волн в пределах объема конденсирующихся паровых пузырьков. Интенсивность развиваемых ударных взаимодействий достаточна для частичной деструкции молекул природного газа и компонентов нефти, имеющих близкий энергетический порог около 5эВ. При этом образуется повышенная концентрация таких компонентов, как атомарный водород и группа СН₃, что вызывает образование новых молекулярных связей, с увеличением относительного содержания низкомолекулярных компонентов, что способствует существенному снижению вязкости обрабатываемой нефти, а также некоторому уменьшению ее плотности.

После перехода потока смеси в дозвуковой режим восстанавливается в основном гидравлическое течение с наличием многочисленных парогазовых пузырьков, конденсация которых также сопровождается кавитационно-ударным взаимодействием и выделением избыточного количества природного газа в виде макропузырей. Для стабилизации полученного продукта и отвода избыточного количества природного газа на повторное использование в установке предусмотрена повторная кавитационная обработка в пассивном (без подвода каких-либо дополнительных агентов) кавитаторе-гомогенизаторе.

Отличительной особенностью предлагаемого способа подготовки нефти, определяющей его высокую эффективность, является то, что концентрация попутного газа создается предельно высокая, не менее 10% от массы обрабатываемой нефти (соответствующее соотношение объемных расходов газа и нефти - 15:1). При столь высокой концентрации газа резко повышается вероятность вышеописанных процессов столкновений с образованием низкомолекулярных компонентов. Избыточный попутный газ, не растворившийся в нефти и не затраченный на образование новых молекулярных связей, отводится через сепаратор на повторное использование при обработке нефти.

Для реализации предлагаемого способа обработки нефти разработана и создана экспериментальная установка УОН-6 производительностью по обрабатываемой нефти 6,3 м³/час. Установка для струйно-кавитационной обработки нефти включает линию обработки 1, байпасные линии 2, линию подачи газа 3 и линию циркуляции 4, а также запорно-регулирующую арматуру (стандартное обозначение, без нумерованной позиции). На линии обработки 1 последовательно расположены: насосная группа 5, блок подогрева нефти 6, блоки смешения 7, гомогенизации 8 и сепарации-рекуперации природного газа 9, а также блок измерения параметров нефти 10. Блоки 6-9 связаны с байпасными линиями. Вход линии обработки 1 связан с трубопроводом подачи исходной нефти, а выход - с транспортным трубопроводом. На линии подачи газа 3 последовательно расположены блок измерения 11 расхода газа и блок подогрева газа 12. Вход линии 3 соединен с трубопроводом подвода природного газа, а выход - со вторым входом блока смешения 7. Второй выход блока сепарации-рекуперации 9 соединен с линией подачи газа 3 перед блоком подогрева газа 12. Линия циркуляции 4 соединяет выход и вход линии обработки 1.

В предлагаемой установке для обработки нефти реализовано последовательное струйно-кавитационное воздействие путем насыщения нефти природным газом в концентрации, значительно превышающей (в 100 и более раз) равновесную растворимость, в струйно-смесительном аппарате первой ступени и кавитационная обработка смеси в кавитаторе-гомогенизаторе (аппарате второй ступени), а также сепарация с направлением избыточного газа на повторную обработку. После струйно-кавитационной обработки производится контроль плотности, вязкости, температуры и давления в режиме он-лайн перед подачей нефти на транспортировку. Установка, в зависимости от параметров исходной нефти, работает либо в режиме однократной обработки, либо (для особо тяжелых и высокопарафинистых нефтей) в режиме многократной обработки (работает линия циркуляции 4). Установка укомплектована запорно-регулирующей арматурой и контрольно-измерительными приборами. Технологические контуры в схеме скомпонованы таким образом, что позволяют оперативно поддерживать различные режимы обработки нефти в зависимости от возможного изменения ее свойств.

Давление нефти на входе в блок смешения - до 1,6 МПа и расход нефти 6,3 м ³/час поддерживает насосная группа 5 (шестеренные насосы НШ-6,3-25). Блоки смешения 7 и гомогенизации 8 установлены в трубопроводе на напоре насоса последовательно. Блок смешения 7 выполнен на основе струйно-кавитационного трансзвукового смесителя АФТ-НК, на один вход которого поступает нефть с напора насоса, а на второй подается природный газ. Оба компонента предварительно подогреваются до температур, необходимых для возникновения интенсивной парогазовой кавитации в смеси, получаемой на выходе смесителя. Попутный природный газ под давлением 0,6 МПа из газопровода поступает в подогреватель и с температурой до 120°С в расширяющееся сопло Лаваля, благодаря чему его скорость возрастает до 400-600 м/с и более. Массовый расход газа составляет от 300 до 600 кг/час. Далее газ поступает в камеру смешения с нефтью. Поток нефти под давлением 1,6 МПа при температуре 80-90°С ускоряется в сужающемся сопловом канале конической формы и поступает в камеру смешения со скоростью более 30 м/с, образуя в камере смешения объемную вакуумную кавитационную каверну, при этом поток нефти в значительной мере диспергируется. Именно в эту вакуумную кавитационную каверну подается попутный газ. Расширяющийся диффузорный профилированный канал на выходе блока смешения 7 обеспечивает снижение скорости нефтегазового потока с переходом в дозвуковую область со скоростью 1-3 м/с, при этом возникает скачок уплотнения, в основном завершается схлопывание парогазовых кавитационных пузырьков.

Выход блока смешения 7 связан с входом блока гомогенизации 8, выполненного на основе струйно-кавитационного устройства Т-КЭМ с внутренними профилированными сопловыми каналами. Т-КЭМ обеспечивает равномерную по сечению потока кавитационную обработку на множественных кавитационных кавернах, гомогенизируя нефтегазовый поток и создавая условия для дополнительного насыщения нефти легкими компонентами.

Блок сепарации-рекуперации 9 обеспечивает отделение избыточного природного газа, не растворившегося в нефти и не вошедшего в состав новообразовавшихся молекул. Отделение газа происходит в газожидкостном сепараторе циклонного типа с последующим отделителем капельной фазы. Возврат отделенного газа на вход блока смешения 7 для повторной обработки нефти осуществляется через автоматический газоотводчик поплавкового типа, за счет избыточного давления, возникающего в результате сжатия газовой среды в блоке смешения 7. На повторную обработку направляется до 97% первоначального расхода газа. После прохождения бока сепарации-рекуперации обработанная нефть поступает в транспортный трубопровод.

В трубопроводы подачи нефти и газа установлены подогреватели 6 и 12 (электротэновые подогреватели и парожидкостные рекуперативные теплообменники) смешиваемых сред для получения оптимальной температуры, при которой процесс насыщения и модификации внутренней структуры нефти будет происходить наиболее эффективно. Для контроля над процессом обработки нефти схема укомплектована блоком измерения параметров нефти с приборами контроля плотности, вязкости, температуры и давления в режиме он-лайн.

Обработка нефти природным газом на предлагаемой установке позволяет достигнуть путем применения статических струйно-кавитационных устройств гидродинамического типа максимально возможного улучшения технологических характеристик исходной нефти (снижение плотности и вязкости) при минимальных энергозатратах, безвозвратная часть которых не превышает 1,5 кВт·час на 1 м³ обрабатываемой нефти. Проведенные испытания показали, что в зависимости от состава исходной нефти вязкость ее после обработки снижается на 30% и более, а плотность уменьшается на 2-3%.

Установка размещается на открытой площадке непосредственно на месте добычи нефти.