Особенности применения присадок различного типа для снижения гидравлического сопротивления водонефтяных потоков в процессах трубопроводного транспорта

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 
ПРИСАДОК РАЗЛИЧНОГО ТИПА 
ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО 
СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ 
ПОТОКОВ В ПРОЦЕССАХ 
ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА 
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

 
УДК 621.892.099.6 
ББК 30.82 
 
О-75 
 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
д-р хим. наук, проф. Э. Р. Зверева 
канд. хим. наук С. В. Снигирев 
 
 
 
 
 
Авторы: А. В. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, Г. И. Дусметова,  
Е. В. Харитонов 
 
О-75 
Особенности применения присадок различного типа для снижения гидравлического сопротивления водонефтяных потоков в процессах трубопроводного транспорта : монография / А. В. Шарифуллин, Л. Р. Байбекова, Г. И. Дусметова, Е. В. Харитонов; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 144 с. 
 
ISBN 978-5-7882-3272-0 
 
Приведены данные об особенностях перемещения однофазных и двухфазных водонефтяных потоков, а также рассмотрены ключевые факторы, влияющие 
на снижение гидравлического сопротивления (эффект Томса), и их трактовка 
с точки зрения современных знаний. Представлены результаты исследований, 
проведенных с использованием различных типов реагентов, а также методы 
оценки противотурбулентного эффекта на разных объектах нефтепромысла. 
Предложены механизмы работы реагентов с учетом возникающих синергетических эффектов. 
Предназначена для широкого круга специалистов в области транспортировки углеводородов, а также для обучающихся направления 21.03.01 «Нефтегазовое дело». 
Подготовлена на кафедре химической технологии переработки нефти 
и газа. 
 
УДК 621.892.099.6 
ББК 30.82 
 
ISBN 978-5-7882-3272-0 
© Шарифуллин А. В., Байбекова Л. Р., Дусметова Г. И., 
Харитонов Е. В., 2022 
 
© Казанский национальный исследовательский  
технологический университет, 2022 
 
2 

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Список сокращений и условных обозначений 
................................................................. 5 
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 6 
Глава 1. ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ НЕФТИ: ПРОБЛЕМЫ 
И ПЕРСПЕКТИВЫ 
........................................................................................................................... 7 
1.1. Определение и снижение гидравлического сопротивления с точки 
зрения гидродинамики ........................................................................................................... 8 
1.2. Методы снижения гидравлического сопротивления, или эффект 
Томса ............................................................................................................................................ 
11 
1.3. Требования к полимерам, используемым для снижения 
гидравлического сопротивления ...................................................................................... 
17 
1.4. Основные факторы, влияющие на снижение гидравлического 
сопротивления при течении жидкости по трубе 
........................................................ 
19 
1.5. Практическое применение противотурбулентных присадок 
....................... 
28 
Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ТОМСА 
...................................................................... 
33 
2.1. Группы присадок в зависимости от среды применения 
и требований к ним ................................................................................................................ 
33 
2.2. Методы определения эффекта Томса .................................................................... 
36 
2.3. Расчет эффекта Томса 
................................................................................................... 
42 
Глава 3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТ ТОМСА В ВОДНЫХ СРЕДАХ 
...... 
53 
3.1. Влияние турбулентности потока жидкости на величину эффекта 
Томса ............................................................................................................................................ 
53 
3.2. Влияние водной фазы на эффект Томса ............................................................... 
58 
3.3. Влияние деструктивных факторов на величину эффекта Томса 
................ 
61 
3.4. Влияние коллоидно-химических свойств водных растворов ПАВ 
и полимеров на эффект Томса .......................................................................................... 
64 
3 

Глава 4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТ ТОМСА 
В УГЛЕВОДОРОДНЫХ СРЕДАХ 
.............................................................................................. 
69 
4.1. Гидродинамика движения углеводородных сред. Влияние  
компонентов нефти (парафинов, смол, асфальтенов) на коэффициент 
гидравлического сопротивления ...................................................................................... 
69 
4.2. Влияние вида маслорастворимых присадок на эффект Томса 
в углеводородных потоках 
.................................................................................................. 
83 
4.3. Влияние коллоидно-химических свойств углеводородных 
растворов ПАВ и полимеров на эффект Томса .......................................................... 
91 
Глава 5. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТ ТОМСА В МНОГОФАЗНЫХ 
СРЕДАХ ТИПА «НЕФТЬ В ВОДЕ» И «ВОДА В НЕФТИ» 
............................................. 100 
5.1. Влияние воды в составе нефтяной эмульсии на гидравлическое 
сопротивление потока 
........................................................................................................ 103 
5.2. Снижение гидравлического сопротивления в многофазных 
водонефтяных потоках ...................................................................................................... 110 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................ 131 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
........................................................................................................... 134 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ
ОБОЗНАЧЕНИЙ 
АСВ ‒ асфальтено-смолистые вещества 
АПАВ ‒ анионное поверхностно-активное вещество 
АСПО ‒ асфальтосмолопарафиновые отложения 
ВКТС ‒ верхняя критическая температура смешения 
ВЭТ ‒ величина эффекта Томса 
ГЗУ ‒ групповая замерная установка 
ДНС ‒ дожимная насосная станция 
ДФ ‒ дизельная фракция 
КМЦ ‒ карбоксиметилцеллюлоза 
ККМ ‒ критическая концентрация мицеллообразования 
КПАВ ‒ катионное поверхностно-активное вещество 
КСП ‒ конечный пункт сбора 
МН ‒ магистральный нефтепровод 
ММ ‒ молекулярная масса 
МЭА ‒ моноэтаноламин 
НГДУ ‒ нефтегазодобывающее управление 
НМПЭ ‒ низкомолекулярный полиэтилен 
НПАВ ‒ неионогенное поверхностно-активное вещество 
ОЭДФК ‒ оксиэтилиден-дифосфоновая кислота 
ПАА ‒ полиакриламид 
ПАБС ‒ полиалкилбензольная смола 
ПАВ ‒ поверхностно-активное вещество 
ПН ‒ пальматат натрия 
ПСП ‒ приемо-сдаточный пункт 
ПТП ‒ противотурбулентная присадка 
ПТБС ‒ печное топливо бытовое светлое 
ПТБТ ‒ печное топливо бытовое темное 
ПЭГ ‒ полиэтиленгликоль 
СИКН ‒ станция контроля качества и измерения нефти 
СК ‒ стеарат калия 
ССЕ ‒ сложные структурные единицы 
ТНФ ‒ тринатрийфосфат 
УПН ‒ установка подготовки нефти 
5 

ВВЕДЕНИЕ
В результате длительной разработки нефтяных месторождений 
исчерпываются запасы легких нефтей с малой вязкостью и плотностью. 
Происходит постепенный переход на добычу высоковязких нефтей 
с повышенным содержанием асфальтено-смолистых веществ (АСВ) 
и твердых парафинов. 
Ввиду увеличения нефтеотдачи с помощью процесса заводнения 
добыча нефти сопровождается увеличением содержания пластовых вод 
в продукте скважин. В результате образуются высоковязкие устойчивые эмульсии, что, в свою очередь, приводит к сильному снижению 
производительности транспорта нефти трубопроводами. 
Метод применения реагентов для снижения энергозатрат на перекачку является более эффективным. Суть его заключается в том, что 
в поток эмульсии вводятся присадки, снижающие гидравлическое сопротивление. Реагентный метод основан на снижении турбулентного 
трения при транспорте жидкостей с добавлением высокомолекулярных 
полимеров (эффект Томса). Эффект Томса может проявляться как 
в снижении энергозатрат на транспортировку при неизменности расхода, так и в увеличении расхода (пропускной способности) при сохранении затрат на транспортировку. 
Научные изыскания в данной области в основном посвящены вопросам транспортировки однофазных потоков (воды, дизельного топлива, легкой нефти и т. д.). Для нефтей с повышенным содержанием 
АСВ и твердых парафинов, а также для двухфазных систем типа 
«нефть–вода» исследования проводились фрагментарно на отдельных 
эмульсиях, поэтому не выявлено четких закономерностей и практических рекомендаций. 
В качестве присадок, снижающих гидравлическое сопротивление, в основном предлагались высокомолекулярные полимеры и композиции на их основе. Однако они имеют ряд недостатков: низкую 
устойчивость к механической деструкции, малую эффективность 
в эмульсиях. Для решения вышеназванных проблем необходимы новые 
типы реагентов комплексного действия, не только снижающие энергетические и материальные затраты на перекачку, но и предотвращающие 
образование стойких эмульсий. 
6 

Глава 1. ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ 
НЕФТИ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ 
Трубопроводный транспорт, по сравнению с другими видами 
транспорта, обладает преимуществами: наиболее низкая себестоимость 
перекачки; бесперебойная поставка в течение года, практически не зависящая от климатических условий; незначительные потери нефти при 
перекачке; возможность перекачки нефти нескольких сортов и нефтепродуктов по одному трубопроводу; возможность наращивания пропускной способности трубопровода за счет строительства дополнительных насосных станций и прокладки параллельных участков [1–2]. 
В понятие «трубопроводный транспорт» обычно включают магистральные трубопроводы, предназначенные для перекачки нефти 
и нефтепродуктов. Эксплуатация таких трубопроводов является предметом изучения многих научно-исследовательских институтов. В случае с нефтепродуктами, представляющими собой однофазные потоки, 
основные принципы транспортировки практически полностью разработаны. Однако при транспортировке товарных нефтей проводятся постоянные исследования, направленные на снижение капитальных затрат на 
транспортировку. Сложности транспортировки связаны с изменяющимся составом и структурой товарных нефтей в разных регионах – от 
районов Западной Сибири до европейских границ России. 
Продукцией скважин являются эмульсии с различным содержанием пластовых вод. При этом минерализация этих вод также различна. 
Перекачка нефтяной продукции от скважины до пункта подготовки 
нефти происходит с помощью промысловых трубопроводов. 
Основная энергетическая нагрузка приходится на промысловые 
трубопроводы, которые в отличие от магистральных, помимо транспортировки нефти, перекачивают пластовую воду с содержанием нефти 
до 98 %, которая перекачивается обратно для поддержания пластового 
давления. В последние десятилетия в связи с постоянным увеличением 
содержания воды в добываемой нефти эмульсии первого типа (нефть 
в воде) становятся все более распространенными. Это обстоятельство 
является дополнительным осложняющим фактором, поскольку вязкость эмульсии в несколько раз выше, чем вязкость самой нефти. Высокоскоростная транспортировка таких эмульсий по трубопроводам 
также связана с высокими затратами энергии из-за наличия высокого 
гидравлического сопротивления в турбулентном потоке. 
 
7 

В последние годы в нефтедобывающих регионах наметилась тенденция к увеличению добычи тяжелых нефтей, на долю которых приходится около 80 % запасов. Отдельные месторождения полностью относятся к залежам с трудноизвлекаемыми запасами вязкой нефти. Таким образом, будет идти интенсивная разработка месторождений высоковязких нефтей, что приведет к осложнению проблем, связанных с их 
транспортировкой. 
Повысив мощность силовых установок насосных станций, также 
можно добиться повышения производительности нефтяных трубопроводов. Но это потребовало бы высоких капитальных затрат и вызвало 
бы дополнительные технические трудности. Именно поэтому способ 
повышения производительности трубопроводов за счет снижения гидродинамических затрат является наиболее целесообразным. 
1.1. Определение и снижение гидравлического 
сопротивления с точки зрения гидродинамики 
Одна из основных задач практической гидравлики – оценка потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при движении реальных жидкостей в трубопроводах. Точный учет 
этих потерь во многом определяет надежность технических расчетов, 
степень совершенства и экономическую целесообразность инженерных 
решений, принимаемых при проектировании [3]. 
Прежде всего, необходимо составить ясное представление о механизме самого движения жидкости. О. Рейнольдс в 1883 г. доказал существование двух различных режимов движения жидкостей: ламинарного и турбулентного. 
Ламинарное (слоистое) движение можно рассматривать как движение отдельных слоев жидкости, происходящее без перемешивания 
частиц. Вторым видом движения жидкости, наблюдаемым при больших скоростях, является турбулентный (вихревой). В этом случае 
в движении жидкости нет видимой закономерности. Отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, 
в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном 
направлении. В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, 
8 

под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают также поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению и требующие, 
соответственно, большей затраты энергии на движение жидкости, чем 
в ламинарном потоке [4–5]. 
Рейнольдс установил, что основными факторами, определяющими характер режима, являются средняя скорость движения v, диаметр трубопровода d, плотность ρ и вязкость η жидкостей. 
Для характеристики режима движения жидкости введен безразмерный параметр Re, учитывающий влияние перечисленных факторов 
и называемый числом Рейнольдса: 
/5.
(1.1) 
(
) h
r
vd
=
Re
Формулу (I.I) можно записать в виде 
/5.
(1.2) 
(
) n
vd
=
Re
При значении числа Рейнольдса (Re) меньше 2300 наблюдается 
ламинарное течение потока, при значении числа Рейнольдса больше 
2300 – турбулентное. Значение числа Рейнольдса (2300), при котором 
происходит переход из ламинарного течения в турбулентное, называется критическим значением числа Рейнольдса. 
Усредненные скорости для турбулентного потока в любых точках фактически постоянны и направлены вдоль оси потока. В связи 
с этим турбулентное движение жидкости условно можно рассматривать как движение установившееся. 
Помимо пульсации скорости в турбулентном потоке возникает 
также и пульсация давления. Под воздействием пульсации частицы 
жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении потока, получают, кроме того, и поперечные перемещения, вследствие чего между 
соседними слоями жидкости возникает обмен частицами, вызывающий 
перемешивание жидкости. Профиль усредненной скорости турбулентного течения в трубах (рис. 1.1) отличается от параболического профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения. За исключением скорости тонкого слоя около стенки, профиль 
скорости описывается логарифмическим законом. В отличие от лами9 

нарного режима, турбулентный пограничный слой обычно имеет отчетливую беспорядочно колеблющуюся во времени границу. По схеме, 
предложенной Л. Прандтлем, пограничный слой турбулентного течения состоит из вязкого подслоя и переходной зоны. 
Рис. 1.1. Схема модели турбулентного потока 
Наличие вязкого подслоя доказано экспериментально, толщина 
его очень мала и обычно определяется долями миллиметра. Она зависит 
от Re и тем меньше, чем больше это число. 
На турбулентный поток большое влияние оказывает состояние 
стенок, обладающих в той или иной степени известной шероховатостью, 
которая характеризуется величиной и формой различных выступов и неровностей, имеющихся на стенках. В качестве основной характеристики 
шероховатости служит абсолютная шероховатость к, представляющая 
собой среднюю величину указанных выступов и неровностей. Кроме 
того, в расчетах используется относительная шероховатость ε, равная отношению абсолютной шероховатости к радиусу трубы: 
ε = k/R. 
(1.3) 
В гидравлике различают гидравлически гладкие (k < δвс) и шероховатые (k > δвс) трубы. 
Прандтль предложил следующее распределение скоростей 
в круглой трубе при турбулентном режиме: 
– в случае гладких труб
/5,
       (1.4) 
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
×
=
*
*
5
.
5
lg
75
.
5
n
a
v
v
v
– в случае шероховатых труб
/5,
          (1.5) 
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
×
=
*
5
.
8
lg
75
.
5
k
a
v
v
10