Обогрев трубопроводов высоковязкой нефти в сложных природно-климатических условиях

В ходе всестороннего анализа актуального состояния теоретических и практических аспектов транспортировки высоковязких нефтей в условиях сложного природного и климатического окружения было выявлено, что наиболее эффективной и доступной технологией представляется надземная прокладка нефтепровода с использованием пенных полиуретановых изоляционных материалов в сочетании с электрообогревом СКИН-системой. При выборе технических решений для прокладки нефтепроводов рекомендуется опираться на конкретные геокриологические условия, а также на результаты теплотехнических расчетов, которые позволяют адекватно оценить тепловые потери и необходимый уровень обогрева.

Несмотря на значительный опыт эксплуатации подобных транспортных систем, освоение удаленных месторождений высоковязких нефтей остается сложной задачей. Это связано в первую очередь с необходимостью обеспечения эффективной транспортировки нефти от точки добычи до пунктов подключения к магистральным нефтепроводам. Сложности возникают из-за особых реологических характеристик высоковязких нефтей и экстремальных климатических условий, которые могут существенно влиять на процесс перекачки.

Ключевой проблемой в этом сегменте, является отсутствие четких научных обоснований для принятия технических решений в условиях переменного объема добычи. На начальных этапах эксплуатации месторождения целесообразно использовать методы циклической перекачки, которые позволяют оптимизировать процессы транспортировки. Однако по мере увеличения объемов добычи возникает необходимость в организации дополнительных лупингов, что требует тщательного планирования и учета множества факторов, связанных с эксплуатацией и технологическими ограничениями.

Классические подходы к моделированию распределения температур в нефтепроводах с учетом электрообогрева описываются с помощью формулы Шухова [1]. Для выполнения теплового расчета необходимо определить тип грунтов, в которых будет установлен трубопровод, что требует проведения проектно-изыскательных работ и последующего анализа для вычисления коэффициента теплопередачи. Определить этот коэффициент достаточно сложно из-за разнообразия структур и составов грунтов. Кроме того, его значение изменяется в процессе эксплуатации магистрального нефтепровода. Так, при повышении температуры (как естественным образом, так и за счет перекачки нагревшейся нефти) происходит снижение влажности почвы, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи. Хотя можно провести качественную оценку тепловых процессов, выполнение численных расчетов становится гораздо более сложной задачей. Математическое моделирование было проведено с помощью системы MathCad. Общий вид расчетных формул приведен на рисунке 1. Здесь D – наружный диаметр нефтепровода (м); λn – коэффициент теплопроводности нефти (Вт/(м·К)); Nu – число Нуссельта для нефти; Δtr – толщина стенки трубы (м); Δiz – толщина слоя изоляции трубы (м); λtr , λiz и λgr − коэффициенты теплопроводности материала трубы, изоляции и грунта (Вт/(м·К)); h – глубина заложения нефтепровода от поверхности земли до оси трубы (м); T – температура нефти в трубопроводе, Тok – температура окружающей среды, N – удельная тепловая мощность системы электро-обогрева, v – скорость потока, c – удельная массовая теплоемкость нефти. Существует проблема определения толщины тепловой изоляции при прокладке в вечной мерзлоте и подходу к расчетам теплопередачи на стадии проектирования и эксплуатации [2, с. 256-259].

Рис. 1. Формулы расчета коэффициента теплопередачи и распределения температур по длине нефтепровода (фрагмент MathCad)

Объектом исследования был выбран нефтепровод 820х9 мм, СКИН-система электрообогрева работает в штатном режиме, линейная мощность нагрева составляет 3х150 Вт. Кривые распределения температуры при различных скоростях перекачки показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Распределение температуры по длине нефтепровода при перекачке нефти: красные линии – скорость потоков 1.5 м/с, синие – 2 м/с, непрерывные линии – сухой песчаник, пунктирные - влагонасыщенный

По причине нагрева трубопровода системой электрообогрева на основе СКИН-эффекта температура тяжелой нефти постепенно поднимается с увеличением длины трубопровода. На практическое распределение температуры в нефтепроводе существенно влияют различные факторы, такие как вид трубопровода, глубина его укладки, исходная температура, объем перекачиваемой нефти за единицу времени, вязкость сырой нефти, а также температура и давление окружающей среды. Теплопроводность грунта с учетом влажности может изменяться в интервале от 1 до 5 Вт/(м К), например у сухих песчаных грунтов – 2 Вт/(м К), а у водонасыщенных – 3.37 Вт/(м К) [3, с. 260-264].

Анализ результатов расчета показал, что из 4 составляющих в формуле для коэффициента теплопередачи основной вклад (примерно 90–95%) дают 3 и 4 слагаемые, связанные с теплоизоляцией и теплообменом с грунтом. Скорость перекачки тоже ощутимо влияет на распределение температуры.