Область техники

Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газожидкостные смеси углеводородов в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена, перемешивания, эмульгирования, диспергирования, термообра- ботки. Уровень техники

В нефтедобыче для борьбы с отложениями парафинов на стенках насосно- компрессорных труб (НКТ) применяют в числе других методов обработку ультразвуком. При достаточной интенсивности и частоте ультразвук влияет на изменение физико- химических характеристик продукта, вплоть до разрушения молекулярных связей.

Известен способ ультразвукового воздействия на среду с целью диспергирования парафина в нефти до устойчивого состояния, при котором частицы парафина не налипают на стенки нефтепромышленного оборудования в процессах добычи и транспорта нефти (опубликованная заявка РФ Ne 93036942, 1996 г.).

К недостаткам этого способа относится необходимость звуковых преобразователей с определенными частотными и мощностными характеристиками, а также, сложность технической реализации «озвучивания» промышленных объемов продукта.

Известны способы интенсификации тепломассообмена методом акустического ре- зонансного возбуждения вихревых потоков взаимодействующих друг с другом. При этом вихревые потоки создаются с помощью тангенциально расположенных входных сопел (патенты РФ JY ^O 2268772, 2006 г.; jNb 2304261, 2007 г.; JN° 2310503, 2007 г.), в которых, кро- ме резонансного возбуждения конструкции устройства, используется кавитация (образо- вание и схлопывание пузырьков, приводящее к ультразвуковым колебаниям), возникаю- щая при соприкосновении двух или более вихревых потоков. Создание турбулентного по- тока соприкосновением вихрей достигается достаточно сложной конструкцией устройст- ва, в котором невозможно или очень сложно регулировать степень соприкосновения вих- рей, в результате чего большая часть энергии взаимодействия вихрей расходуется в на- чальной области соприкосновения потоков с быстрым убыванием вихревого процесса при равномерной геометрии области соприкосновения. Важным фактором эффективного оз- вучивания является частотная характеристика акустических волн. В устройствах для соз- дания турбулентного потока соприкосновением вихрей основной частотный диапазон акустических колебаний находится в области шума, являющегося следствием схлопыва- ния пузырьков при кавитации.

Наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату устройство для описано в патенте РФ на полезную модель Ν° 77176, 2008 г., где представлено устрой- ство с вихревой камерой, диаметр которой больше оптимального из-за необходимости по- вышения производительности. Однако в устройстве не предусмотрено использование не- скольких вихревых камер с синхронизацией их работы. Общие принципы разработки уст- ройства предотвращения образования асфальтено-смоло-парафиновых отложений (АСПО) описаны в патенте РФ j\° 2392046, 2008 г.

Предлагаемое изобретение позволяет оптимизировать рабочие параметры процесса в устройстве с несколькими вихревыми рабочими камерами, в которых синхронизированы волновые процессы кавитирующей жидкости за счет кластерных процессов [Нигматулш Р. И. Кавитационный кластер паровых микропузырьков как нано-термоядерная бомба. Доклад на конференции по механике сплошной среды, посвященная 100-летию академика Л.И. Седова 12-13 ноября 2007 г] и собственных колебаний элементов конструкции уст- ройства.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности такого аку- стического воздействия на поток нефти в скважине, при котором происходит необратимое изменение молекулярного состава углеводородов путем создания вихревых потоков с максимальной энергией акустического резонансного возбуждения потока компонентов нефти и элементов устройства в заданном частотном диапазоне. Это позволяет:

- обеспечить достаточные для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения продукта за счет оптимального деформационно-сдвигового взаимодействия потока с поверхностью вихревых труб и, как следствие, образование кавитационного про- цесса с возбуждением вынужденных виброакустических колебаний устройства;

- создать турбулентные вихри и кавитационный процесс в вихревом потоке, приво- дящий к акустической деструкции продукта и преобразованию химических связей;

- использовать вихревой поток для изменения состава компонентов;

- исключить необходимость проведения трудоемких и дорогостоящих работ по де- парафинизации скважин;

- увеличить срок службы и эффективность работы нефтепромыслового оборудова- ния. Поставленная задача решается с помощью разработанного погружного устройства - вихревого гидродинамического ультразвукового депарафинизатора (ВГУД), используе- мого для деструкции нефти и предотвращения отложения парафинов, асфальтенов и смол на стенках НКТ при нефтедобыче.

Устройство для деструкции нефти в скважине содержит цилиндрический корпус с запрессованной вставкой, в которых выполнены конические вихревые камеры, а также диск крепления стержневых вытеснителей и фиксирующую гайку. Вихревые камеры меньшим диаметром конусов соединены с общей акустической камерой, образованной корпусом и резонаторным диском. В толще запрессованной вставки выполнены часть ко- нуса вихревых камер и камера гидравлической связи, соединяющая вихревые камеры че- рез проходы в их стенках. Устройство имеет входной осевой канал, проходящий через фиксирующую гайку, диск крепления стержневых вытеснителей и заходящий во вставку на часть ее толщины. К каждой вихревой камере от осевого канала по вставке проходит радиальный канал, входящий в вихревую камеру тангенциально. Каждая вихревая камера имеет конический выход в акустическую камеру, а стержневые вытеснители проходят от диска крепления вытеснителей через конические вихревые камеры в акустическую камеру и закреплены вторым концом на резонаторном диске.

Устройство устанавливается в скважине и соединяется с колонной НКТ резьбовым соединением. Устройство работает, создавая акустическое резонансное возбуждение не- скольких вихревых потоков в вихревых трубах переменного сечения. В углеводородах нефти под воздействием ультразвука большой интенсивности нарушаются связи в моле- кулах парафинов, смол и других компонентов нефти, вследствие чего происходят измене- ния физико-химических характеристик (молекулярного веса, температуры кристаллиза- ции и др.).

Подземное нефтепромысловое оборудование, в отличие от наземного, работает в условиях большого статического давления. Статическое давление кавитирующей жидко- сти пропорционально давлению парогазовой смеси внутри полости пузырей и, таким об- разом, пропорционально активности кавитации. Поэтому, для увеличения эффективности кавитации необходим вихревой процесс, приводящий к увеличению давления в жидкости за счет центробежной силы. Однако вихревой процесс, замедляется по мере продвижения вихря. Сохранение линейной скорости на внешней стороне вихря возможно в конической вихревой камере.

Временная или необратимая деструкция углеводородов нефти непосредственно в скважине с помощью эффективного кавитационного генератора решает проблему умень- шения или полного устранения отложений парафинов. При этом эффективно используется большое давление в скважине, достигающее сотен атмосфер, кавитационный процесс, де- формационно-сдвиговые взаимодействия продукта и его акустическая обработка при та- ких давлениях приводят к деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и пре- образованию химических связей, что приводит к упрощению дальнейших технологий пе- реработки углеводородного сырья.

Оптимальная интенсивность кавитационного процесса достигается в вихревой ка- мере при ее геометрических размерах, как правило, меньших, чем те, которые могут обес- печить требуемую производительность устройства. Для достижения заданной производи- тельности и наилучшей геометрии вихревых камер необходимы многокамерные устройст- ва. Для многокамерного устройства появляется дополнительная задача синхронизации волновых процессов. Эта задача может быть решена с помощью гидравлической связи вихревых камер.

Краткое описание чертежей

Особенности изобретения будут более понятны из прилагаемых чертежей, на кото- рых:

Фиг. 1 - Устройство для деструкции нефти в скважине (ВГУР), вид с торца и в продольном разрезе.

Фиг. 2 - поперечное сечение ВГУР плоскостью, проходящей через вихревые каме- ры и радиальные каналы. _*

Фиг. 3 - поперечное сечение ВГУР плоскостью, проходящей через камеру гидрав- лической связи.

Фиг. 4 - Осциллограмма вибро-акустических колебаний поверхности ВГУР на час- тоте 46 кГц.

Фиг. 5 - Схема установки ВГУР на НКТ.

Фиг. 6 - Частотная характеристика ВГУР.

Подробное описание изобретения

Устройство для деструкции нефти в скважине содержит цилиндрический корпус 1 с запрессованной вставкой 9, в которых выполнены конические вихревые камеры 5 с ци- линдрической частью малой высоты со стороны основания конуса. Наиболее предпочти- тельное количество вихревых камер - от двух до четырех. На чертежах показано устрой- ство с тремя вихревыми камерами 5. Под вставкой 9 находится диск 7 крепления стержне- вых вытеснителей 2 и фиксирующая гайка 8. Вихревые камеры 5 меньшим диаметром ко- нусов соединены с общей акустической камерой 4, образованной корпусом 1 и резонатор- ным диском 6. Нижние части вихревых камер выполнены в корпусе 1 , верхние части вих- ревых камер выполнены в запрессованной вставке 9. В толще вставки 9 выполнены часть конуса вихревых камер 5 и камера 10 гидравлической связи, соединяющая вихревые ка- меры 5 через проходы 11 в их стенках. Устройство имеет входной осевой канал 12, прохо- дящий через фиксирующую гайку 8, диск 7 крепления стержневых вытеснителей 2 и захо- дящий во вставку 9 на часть ее толщины. К каждой вихревой камере 5 от осевого канала 12 по вставке 9 проходит радиальный канал 3, входящий в вихревую камеру 5 тангенци- ально. Каждая вихревая камера 5 имеет конический выход в акустическую камеру 4, а стержневые вытеснители 2 проходят от диска 7 крепления вытеснителей 2 через кониче- ские вихревые камеры 5 в акустическую камеру 4 и закреплены вторым концом на резона- торном диске 6.

Устройство работает следующим образом - нефть по осевому каналу 12 под давле- нием подается в радиальные каналы 3 вихревых камер 5 и формируют вихревое движение жидкости в камерах. Камера 10 гидравлической связи образует отверстия 11 в стенках вихревых камер 5, которые расположены в начале конической части вихревых камер 5. В начальной цилиндрической части вихревых камер 5, куда выходят радиальные каналы 3, формируются вихревые потоки жидкости. Отверстия 11 в вихревых камерах 5 формируют турбулентный кавитирующий поток, и за счет гидравлической связи рабочих вихревых камер 5 синхронизируются акустические волновые процессы. В результате акустические колебания устройства в области частот кавитационных пузырей (40-50 кГц) идут син- хронно. На Фиг. 4 представлена осциллограмма вибро-акустических колебаний поверхно- сти ВГУР на частоте 46 кГц, полученная с помощью цифрового измерительного устройст- ва, которое выделяет максимальную амплитуду колебательных процессов. Наблюдаются биения колебательного процесса за счет отдельных кратковременных рассогласований. Вихревые камеры имеют коническую полость, в результате чего достигается сохранение тангенциальной скорости, на внешней стороне вихрей и, таким образом, достигается мак- симальная энергия кавитационного процесса и взаимодействия неустойчивой центральной части вихрей со стержневыми вытеснителями 2. Жидкость из вихревых камер 5 поступает в общую акустическую камеру 4, которая образована корпусом 1 и резонаторным диском 6. Собственная резонансная частота диска выбирается ¹ А средней частоты кавитации 22-24 кГц, так что в акустической камере 4 достигаются синхронные собственные колебания системы стержневые вытеснители 2 - резонаторный диск 6, поскольку диск 6 крепится непосредственно к стержневым вытеснителям 2. В камере 4 достигается стоячая волна на собственной частоте резонаторного диска 6. Жидкость через кольцевую щель, образован- ную между корпусом 1 и резонаторным диском 6, поступает в НКТ. Производительность ВГУР пропорциональна общей площади сечений радиальных каналов 3. Однако значительное увеличение числа вихревых камер ведет к уменьшению площади сечения каждого из радиальных каналов и, таким образом, к увеличению вероят- ности их засорения в случае появления механических примесей в жидкости. В зависимо- сти от производительности число вихревых камер может составлять от двух до четырех.

В подземном нефтепромысловом оборудовании возможно применение устройства ВГУР как погружного инструмента для деструкции нефти и депарафинизации НКТ, кото- рое расположено непосредственно в скважине по схеме на Фиг. 5, где насос 13 подает нефть в устройство 1 для деструкции нефти и, далее, обработанная нефть по насосно- компрессорным трубам 14 подается на поверхность земли и отводится наземным путем 15 в накопительные емкости. Деструкция нефти и депарафинизация НКТ с помощью за- являемого устройства с изменением физико-химических свойств парафинов в скважине решает проблему ликвидации отложений парафинов на стенках НКТ.

Деструкция нефти подтверждается данными из двух нижеследующих таблиц. В Таблице 1 представлены результаты хроматографического анализа нефти из скважины без установки заявляемого устройства. В Таблице 2 - результаты анализа нефти из той же скважины с установленным заявляемым устройством (Самотлорское месторождение куст 4086 скважина 75296).

Таблица 1.

Вес.% N-P I-P N А Всего

С-1 0,001 0,001

С-2 0,020 0,02

С-3 0,697 0,70

С-4 2,390 0,728 3,12

С-5 2,911 1 ,751 0,358 5,02

С-6 2,615 2,261 2,419 0,026 7,32

С-7 2,472 2,821 1 ,006 0,344 6,64

С-8 2,246 2,827 4,361 0,878 10,31

С-9 1 ,897 1 ,288 2,441 1 ,020 6,65

С-10 1 ,721 2,370 0,884 4, 153 9, 13

С-1 1 2,255 3,214 0,230 8,720 14,42

С-12 2,595 5,661 11 ,743 20,00

С-13 3,621 6,025 9,65

С-14 1 ,736 5,296 7,03

С-15 0,00

С-16 0,00

С-17 0,00

С-18 0,00

С-19 0,00

С-20 0,00

Всего 27, 18 34,24 1 1 ,70 26,88 100 Таблица 2.

В таблицах обозначено N-P - нормальные парафины, I-P - изопарафины, N - наф- тены, А - ароматические углеводороды. Из таблиц видно значительное изменение состав- ляющих смеси углеводородов нефти, что характеризуется как необратимая ее деструкция. Изменение заключается в уменьшении содержания более тяжелых углеводородов и уве- личении содержания более легких углеводородов. Содержание углеводородов бензиновой группы увеличено более 20%.

Изготовленные опытные образцы устройства проходили испытания в пилотных проектах в качестве устройства депарафинизации. В течении длительного периода работы скважины отложения парафинов не наблюдались. Кроме этого, фракционный состав неф- ти изменился в сторону увеличения выхода светлых фракций. Тяжелые фракции асфаль- тены, селикагелевые смолы выделились в виде отдельных образований, отделяемых с по- мощью фильтра грубой очистки. Без предлагаемого устройства требовалась механическая прочистка скважины фрезой с периодом 3-15 дней.