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Verfahren zur Herabsetzung der Reibungsverluste beim Durchpumpen einer
Flüssigkeit durch eine Rohrleitung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur IIerabsetzung
der Reibungsverluste beim Durchpumpen einer Flüssigkeit durch eine Rohrleitung mit
einer hohen Strömungsgeschwindigkeit; sie betrifft insbesondere die dabei verwendete
wäßrige Zubereitung mit einem verminderter, Abbau durch Scherkräfte.
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Um eine Flüssigkeit durch eine Rohrleitung oder ein Rohr von einem
Ort zu einem anderen zu bewegen, muß Energie aufgewendet werden. Plenn eine Flüssigkeit
durch eine Rohrleitung gepumpt wird, entsteht an der positiven oder Austrittsseite
der Pumpe ein Druck. Der Druck in der Rohrleitung in unmittelbarer Nähe der Austrittsseite
der Pumpe ist dabei größer als der Druck in der Rohrleitung au einem von der Pumpe
weiter entfernten Ort. Diese Druckdifferenz, häufig als "Druckabfall", "Reibungsverlust"
oder " "Strömungswiderstand" bezeichnet, ist im allgemeinen
um
so ausgeprägter, je schneller die Flüssigkeit fließt.
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Bei vielen großtechnischen Operationen, bei denen ein großes Flüssigkeitsvolijuen
schnell bewegt wird, beispielsweise beim hydraulischen Aufbrechen von unterirdischen
Formationen, die ein Bohrloch (Bohrschacht) durchdringt, und beim Transport von
Flüssigkeiten über lange Entfernungen durch Rohrleitungen wird zum Bewegen der Flüssigkeit
eine große Energie auf gewendet.
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Wenn der Druckabf all herabgesetzt werden könnte, könnten mit der
gleichen Pumpenkapazität größere Flüssigkeitsvolumina bewegt werden oder der Druck-
und/oder Erergieaufwand zum Bewegen eines gegebenen Fit\1ss£gkeit svö lumens könnte
herabgesetzt werden.
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Es sind bereits Zusätze bekannt, mit deren Hilfe es möglich ist, die
Reibungsverluste oder den Fließwiderstand von durch Rohre strömenden Flüssigkeiten
herabzusetzen. Beispiele für solche Zusaze für Flüssigkeiten auf wäfriger Basis
sind Gummi, wie Guargummi, Hydroxyäthylcellulose, Polyäthylenoxyd, Polyacrylamid,
Polyätbyienoxy'd, hydrolysiertes Polyacrylamid und Acrylamid/Methylenbisacrylamid-Mischpelymerisate.
Beispiele für solche Zusätze für Flüssigkeiten auf Ölbasis sind Polymerisate, wie
Polyisobutylen, und Mischpolymerisate von Äthylen mit einem a-Olefin mit einem höheren
Molekulargewicht.
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Im allgemeinen werden diese Zusätze in Form von feinteiligen Feststoffen
der Basisflüssigkeit zugesetzt, die sich in der Flüssigkeit leicht lösen oder dispergieren.
Alternativ werden die Zusätze zuerst zu einem Teil des Lösungsmittels zugegeben
unter Bildung einer konzentrierten Lösung des Zusatzes, die sich dann leicht in
der Grundflüssigkeit löst.
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Viele Zusätze zur Kontrolle der Reibungsverluste funktionieren gut,
so lange sie nicht übernäßig großen Scherkräften ausgesetzt sind. Der bloße Durchgang
der Flüssigkeit durch eine Rohrleitung führt selbst bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit,
bei der
die Flüssigkeit turbulent strömt, zu keinen besonders nachteiligen
Effekten. Beim Durchfließen von Flüssigkeiten durch Rohrleitungen müssen jedoch
einige Einrichtungen zum Bewegen der Flüssigkeiten vorgesehen werden. Deshalb werden
die Flüssigkeiten durch Pumpen geführt. Wenn die Rohrleitung @ang ist, wie z.B.
eine Pipeline, kann die Flüssigkeit zwischen ihrem Ausgangspunkt und ihrem Bestimmungspunkt
eine Vielzahl von Pumpen durchlaufen. Es hat sich nun in der Praxis gezeigt, daß
die Reibungsverlustkontrollzusötze abgebaut werden, d.h. ihre Wirksamkeit z.T. verlieren,
wenn sie Scherkräften ausgesetzt sind, beispielsweise beim Durchgang durch eine
Pumpe. Der Grund für diesen Abbau ist noch nicht- völlig geklärt, es wird jedoch
angenommen, daß die Reibungsverlustkontrellzusätze in der Flüssigkeit in Forn von
langkettigen Aggregaten vorliegen, die unter der Scherwirkung einer Fumpe aufgebrochen
werden. Diesor veränderte Zusatz ist im allgemeinen in bezug auf die Kontrolle der
Reibungsverluste weniger wirksam als das ursprüngliche Material.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine flüssige Zubereitung
anzugeben, die beim Durch ang durch Rohrleitungen geringere Reibungsverluste erleidet
und einom geringeren Abban unten der Einwirkung von Scherkräften (Scherabbau) unterliegt.
Ziel der Erfindung iat es ferner, eine solche flüssige Zubereitung anzugeben, die
ohne übermäßigen Schernbbau durch eine Pumue geleitet werden kunn, d.h. die einen
wesentlichen Anteil ihrer niedrigen Reibungsverlusteigenschaften beibchält, wenn
sie durch eine Pumpe geftihft wird,und die daher in Pipelines verwendet werden kann.
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Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschr@ibung herver.
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Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch eine flüssige Zuberditung
mit niedrigen Reibungsverlusten, die ihre niedrigen
Reibungsverlusteigenschaften
auch dann beibehält, wenn sie Scherkräften ausgesetzt ist, die aus einer Flüssigkeit
auf wäßriger oder Ölbasis und einem geeigneten Reibungsverlustkontrollzusatz besteht,
wobei dieser Reibung-sverlustkontrollzusatz mindestens z.T. in stückiger oder körniger
Form vorliegt, Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein Verfahren zur Herabsetzung
der Reibungsverluste bein Durchpumpen einer Flüssigkeit durch eine Rohrleitung mit
einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in der
Flüssigkeit ein die Reibung herabsetzendes Mittel dispergiert wird, das mindestens
z.DO in Form von Partikeln mit einer Größe von etwa 4 bis etwa O,O mm (5 bis 300
mesh) vorliegt, und daß die dabei erhaltene Dispersion dadurch die Rohrleitung gepumpt
wird0 Bei den Flüssigkeiten, die durch die Rohrleitung transportiert oder geführt
werden, kann es sich um solche auf Wasserbasis oder um solche auf Ölbasis handeln.
Beispiele für Flüssigkeiten auf Wasserbasis sind Wasser, Sole, Gele, Säurelösungen
und dgl. Beispiele für Flüssigkeiten auf Ölbasis sind ölartige oder erdölhaltige
Flüssigkeiten sowie Emulsionen, Suspensionen und Dispersionen davon, insbesondere
Rohöl, raffinierte Erdölprodukte, wie kerosin, Pale Oil, Dieselöl, Heizöl und Asphalt
sowie Derivate solcher Erdölpredukte. Wenn es sich bei der Flüssigkeit um eine hydraulische
Flüssigkeit (Fluid) zum Aufbrechen von unterirdischen Bohrungsformationen handelt,
kann diese Flüssigkeit auch ein gegenüber dem System inertes festes teilchenförmiges
Material, wie z.B. Sand, als Versteifungsmittel, einen Fluiditätsverlustkontrollzusatz
und andere Materialien enthalten, wie sie üblicherweise Aufbrechfluids zusetzt werden.
Wenn die Flüssigkeit durch eine Pipeline von einem Ausgangspunkt zu irgend einem
Bestimmungspunkt transportiert werden soll, kann die )lüssigkeit gegenüber dem System
inerte Feststoffe, wie Kohle oder Erz, die transportiert weiden sollen, enthalten.
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Bei den bekannten Reibungsverminderungsmitteln handelt es sich im
allgemeinen um Feststoffe, die in der transportierten Flüssigkeit löslich, häufig
langsam löslich sind. Eines der Probleme, mit denen man früher befaßt war, war das
Auflösen des Reibun;sverminäerungsmittels in der Flüssigkeit innerhalb einer vernünftigen
Zeitspanne. Da das Auflösen manchmal langsam verläuft, wurde in der Praxis eine
verhältnismäßig große Menge des Reibungsverrlinderungsmittels in einem verhältnismäßig
kleinen Volumen eines geeigneten Lösungsmittels gelöst unter Bildung einer konzentrierten
Lösung. Die konzentrierte Lösung wurde dann der zu transportierenden Hauptmasse
der Flüssigkeit zugegeben.
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Das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt;, besteht
darin, daß die Wirksamkeit des Reibungsverìninderungszusatzes abnimmt, wenn die
diesen Zusatz enthaltende Flüssigkeit Scherkräften ausgesetzt wird, wenn sie beispielsweise
durch eine Pumpe geleitet wird. Diese Abnahme der Wirksamkeit tritt bei den meisten,
wenn nicht allen Reibungsverminderungszusätzen auf, die in der Hauptmasse der Flüssigkeit
gelöst oder gleichmäßig dispergiert sind. Es vurde nun ein System entwickelt, in
dem mindestens ein Teil des Reibungsverminderungsztisatzes in der zu transpor-tierenden
Flüssigkeit nicht gelöst, sondern dieser in Form von verhältnismäßig großen Stücken
oder Körnchen zugesetzt wird. Die dabei erhaltene Mischung wird dann mit einer hohen
Strömungsgeschwindigkeit durch eine Rohrleitung gepumpt.
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Dabei wurde gefunden, daß in einem solchen System der Anteil des Reioungsverminderungsmittels,
der in Form von Stücken zugesetzt worden ist, seine Wirksamkeit auch dann beibehält,
wenn er die Pumpe passiert hat. Eine Erklärung für dieses Phänomen ist die, daß
das sich langsam lösende reibungsvermindernde Mittel die Pumpe passiert, während
es mindestens teilweise in Form von Sticken oder Körnchen vorliegt. Stromabwärts
der Pumpe losen sich dann diese Stücke oder Körnchen weiter auf oder werden in der
Flüssigkeit dispergiert, so daß diese mit einem nicht-abgebauten reibungsvermindernden
Zusatz versehen wird.
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Als reibungsvermindernde Zusätze können beispielsweise die folgenden
typischen Arten verwendet werden: FRA-1 (für die Verwendung in einem Öl), ein Polyisobutylen
mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 5,2 x 106 FRA-2 (ffir die Verwendung
in einem Öl), ein 4-9 Mol-% Äthylen enthaltendes Äthylen/Propylen-Mischpolymerisat
mit einer reduzierten spezifischen Viskosität von 16,2 (gemessen mit 0,2 g in 100
ml Dekalin bei 135°C) und einem aus der reduzierten spezifischen Viskosität errechneten
Molekulargewicht von mehr als 106; FRA-3 (für die Verwendung in wäßrigen Medien),
ein durch Umsetzung mit Natriumhdroxyd zu 30 % hydrolysiertes Polyacrylamidpolymerisat
mit einem solchen Molekulargewicht, das eine 0,5 gew.-%ige Lösung des Polymerisats
in einer 4 gew.-%igen wäßrigen Natriumchloridlösung eine mit einem Ostwald-Viskosimeter
bei 25°C gemessene Viskosität von 35 cP aufweist; FRA-4 (für die Verwendung in wäßrigen
Medien), ein Guar-Gummi.
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Zur Bestimmung des Effektes der Form, in welcher die reibungsvermindernden
Zusätze den flüssigen Medien zugesetzt werden, auf den Fluiditätsverlust, wurde
eine Rohrviskosimetervorrichtung verwendet. Diese Vorrichtung bestand aus einem
6 m (20 feet) langen Abschnitt einer Rohrleitung mit einem Innendurchmesser von
0,775 cm (0,305 inches)O Die Rohrleitung hatte die Form einer eligen Schleife, so
daß beide Enden derselben in einen 18,9 1 (5 gallons)-Trog mündeten In der Rohrleitung
wurde in der Nähe eines Endes der Testschleife eine Ingersoll-Rand-Zentrifugalpumpe
mit 1,5 PS, 3455 UpM und einer Größe von 3/4 LIOS mit einer Kapazität von 75,7 l
(20 gallons) pro Minute angeordnet. In einem Abstand von 1,5 m (3 feet) von dem
Austrittsonde der Pumpe wurde in dem Rohr ein erstes Manometer, das von O,131 bis
2,11 kg/cm2 (30 ounces / s.i. bis 30 psi) Druck reichte, angebracht. 3 m (10 feet)
weiter stromabwärts von dem ersten Manometer wurde ein entsprechendes zweites Manomcter
angebracht.
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Es wurden 13,1 1 (4 gallons) eines flüssigen Mediums mit einer geringen
Menge an einem reibungsvermindernden Zusatz verwendet.
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Innerhalb der Apparatur wurde eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa
26,5 1 (7 gallons) pro Minute einestellt. Bei Verwendung von Dieselöl als Flüssigkeitsmedium
erhielt man eine Geschwindigkeit von 9,20 m (30,) feet) pro Sekunde und eine Reynold'sche
Zahl von etwa 20 000. Die Messungen wurden durch Zugabe von 15,1 l (4 gallons) der
Flüssigkeitsmedien in den 18,9 1 (5 gallons)-Trog, Starten der Pumpe zum Zirkulieren
der Flüssigkeit durch die Rohrleitung, Feststellen der Druckdifferenz (des Druckabfalls),
wie sie an den beiden Manometern auftrat, Zugeben eines reibungsvermindernden Zusatzes
zu dem 18,9 1 (5 gallons)-Trog und erneutes Feststellen des Druckabfalles durchgeführt.
Der Prozentsatz der Reibungsverminderung wurde wie folgt errechnet: (Druckabfalls
des Flüssig]reistsediums) -(Druckabfall der Lösung mit dem reibungs-Reibungsverlust
(%) = vermindernden Zusatz) x100 (Druckabfall des Flüssigkeitsmediums) Es wuroen
Messungen durchgeführt, nachdem das Testfluid (die Testflüssigkeit) die Zentrifugalpumpe
einmal durchlaufen hatte, und dann wieder, nachdem es die Zentrifugalpumpe mehrmals
durchlaufen hatte. Jeder Abfall der Reibungsverminderung mit der Zeit zeigte einen
Abbau des reibungsvermindernden Zusatzes an. Die dabei erhaltenen Ergebnisse zeigen,
daß dann, wenn der reibunjsvermindernde Zusatz in Partikelform zugesetzt wird, die
Reibungsverminderung zu Beginn etwas geringer ist als wenn der Zusatz zuerst in
einem Teil des Lösungsmittel gelöst wird, bevor er der Testlösung zugegeben vrird.
Wenn Jedoch der Zusatz in Partikelform verwendet wird, wird ein verhältnismäßig
hoher Anteil der Reibungsverminderung auch nach mehreren Durchgängen durch die Pumpe
beibehvlten, während die den vorher gelösten Zusatz enthaltenden Test lösungen nach
einer entsprechenden Behandlung einen starken Abfall der Reibungsverminderung aufwiesen.
Dies zeigt, daß die Verwendung des Zusatzes in Partikelform sehr vorteilhaft ist.
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zugegeben als Anzahl Reibungsreibungsvermin- verwendete d.Durch- vermindernder
Zusatz Flüssigkeitsgänge derung (Konzentration medien durch die (%) in Gew.-%) Pumpe
0,1 FRA-1 Dieselöl 10 %ige Lösung in 1 45 Dieselöl 0,1 FRA-1 " 10 %-ige Lösung in
5 7 Dieselöl 0,1 FRA-1 " 0,34 mm (20 mesh)* 1 4-0 große Partikel 0,1 FRA-1 " 0,84
mm (20 mesh)* 5 32 große Partikel 0,1 FRA-2 " 10 %-ige Lösung in 1 53 Dieselöl 0,1
FRA-2 " 10 %-ige Löaung in 5 9 Dieselül 0,1 FRA-2 " 0,84 mm (20 meah)* 1 50 große
Partikel 0,1 FRA-2 " 0,84 mm (20 mesh)* 5 39 große Partikel 0,1 FRA-3 Wasser 10
%-ige Lösung in 1 35 Wasser 0,1 FRA-3 " 10 %-ige Lösung in 5 4 Wasser 0,1 FRA-3
" 0,84- mm (20 mesh)* 1 33 große Partikel 0,1 FRA-3" " 0,84 mm (20 mesh)* 5 23 große
Partikel 0,1 FRA-4 " 10 %-ige Lösung in 1 67 Wasser 0,1 FRA-4 " 10 %-ige Lösung
in 5 11 Wasser 0,1 FRA-4 " 0,84 mm (20 mesh)* 1 55 große Partikel 0,1 FRA-4 " 0,84
mm (20 mesh)* 5 42 große Partikel US-Standard-Siebreihe
Die Partikelgröße,
in der der reibungsvermindernde Zusatz verwendet wird, hängt von seiner Lösungsgeschwindigkeit
in der Flüssigkeit ab, der er zugesetzt wird. Die untere Grenze ist die minimale
Größe, die nach dem Durchgang des Systems durch die erste Pumpe stromabwärts des
Punktes der Einführung des Zusatzes noch in Partikelform vorliegt. Diese Partikel
passieren die Pumpe und lösen sich stromabwärts weiter auf.
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Die obere Grenze hängt von wirtschaftlicaen Erwägungen und der Fähigkeit
der Pumpe, große Partikel zu verarbeiten, ab. Im algemeinden kann die Partikelgröße
innerhalb des Bereiches von 4 bis 0,05 mm (5 bis 300 mesh, US-Standard-Siehreihe)
liegen.
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Für viele Pumpen ist es schwierig, Losunf-en zu verarbeiten, die Partikel
enthalten, die größer als etwa 4 mm (5 mesh) sie.
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Wenn Partikel mit einer Größe von weniger als 0,05 mm (300 mesh) verwendet
werden, ist selbst dann, wenn die Zusätze, die in dem Flüssigkeitsmcdium verhältnismäßig
langsam löslich sind, der Abfall der Reibungsverminderung nach Durchgang durch die
Pumpe noch ausgeprägt. Eine bevorzugte Partikelgröße liegt innerhalb des Bereiches
von 2 bis 0,15 mm (10 bis 100 mesh).
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Wenn der reibungsvermindernde Zusatz in Partikelform verviendet wird,
muß während des Transportzeitraums, während/dessen die Grundflüssigkeit durch die
Rohrleitung gepumpt wird, eine wirksame Menge des Zusatzes in einer die Flüssigkeitsreibung
vermindernden Form gelöst oder gut dispergiert vorhanden sein.
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Wenn dieser Zeitraum verlängert wird, wie beispielsweise in einer
langen Pipeline, ist es häufig zweckmäßig, den reibungsvermindernden Zusatz in eine
Bereich mit variierender Partikelgröße zu verwenden. Dabei haben die kleineren Partikel
die Neigung, sich schneller zu lösen oder zu dispergieren, wobei sie unmittelbar
nach dem Mischen des reibungsvermindernden Zusat¢.es mit der Grundflüssigkeit dieser
die Reibung vermindernden Eigenschaften verleihen. Die größeren Partikel werden
zu einem späteren Zeitpunl.t langsjiii gelöst und vollstiindig dispergiert, so daß
sie eine
beträchtliche Zeit nach dem Mischen der Flüssigkeit reibungsvermindernde
Eigenschaften verleihen. Dadurch wird eine mehr oder minder gleichmäßige abgabe
des Zusatzes an die Grundflüssigkeit während des Trensportzeitraumes erzielt. Ein
bevorzugter reibungsvermindernder Zusatz mit einer variierenden Partikelgröße ist
ein solcher, in dem mindestens 20 Gew.-% der Partikel eine Größe innerhalb des Bereiches
von 4 bis 0,6 mm (5 bis 30 mesh), mindestens 20 Gew.-% der Partikel eine Größe innehalb
des Bereiches von 0,42 bis 0,16 mm (40 bis 90 mesh) und mindestens 20 Gew.-% der
Partikel eine Größe innerhalb des Bereiches von 0,15 bis 0,074 mm (100 bis 200 mesh)
aufweisen. Der restliche Prozentsatz bis 100 % kann irgendeine Partikelgröße innerhalb
des Bereiches von 4 bis 0,05 mm (5 bis 300 mesh) haben.
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Patentansprüche: