Научные разработки

УДК 628.543.28: 315.777.613

Научно-технический журнал "Методы и приборы контроля качества", вып. № 9, Ивано-Франковск, 2002, с. 64-67.

Закономерности функционирования магнитно-ультразвуковой системы подготовки и контроля для нагнетания в продуктивные горизонты

Приведённые теоретические исследования влияния ультразвуковых колебаний и электромагнитного поля на образование отложений солей в пластовой воде, которая используется для закачки в нефтеносные пластов с целью повышения пластового давления. Показано, что при соответствующих параметрах ультразвуковых колебаний и электромагнитного поля можно достичь значительного уменьшения образования отложений солей. Описанная разработанная магнитно-ультразвуковая система (МУС), введена в НГДУ "Черниговнефтегаз", а также результаты анализа воды до и после обработки ее устройством МУС.

Одним из эффективных методов увеличения добычи нефти является поддержка пластовых давлений (ППТ) путём нагнетания в них воды. Для системы ППТ нецелесообразно присутствие в закачиваемой жидкости через нагнетающие буровые скважины, значительного количества механических примесей, глобул, нефти, растворов разных солей, элементов, которые образуют с кислотами нерастворимые соединения. Наиболее распространенное выпадение солей карбонатов кальция (СаСО₃) и магния (MgCO₃), а также сульфатов кальция (СаО₄) и бария (BaS₄) с сопутствующими нефти водами по реакциям [11].

Причиной отложения солей может служить нарушение термодинамического равновесия реакций, химические реагенты: поверхностно-активные вещества, деэмульгаторы и т.п. Фактором, который влияет на отложение солей, есть показатель рН раствора. Если рН раствора больше равновесного значения для данной жидкости, то углекислоты недостаточно и CaCO₃ может выпадать в осадок. Если рН меньше равновесного значения, то углекислоты достаточно для поддержания ионов кальция в растворимом соединении. Активные центры поверхности создают локальные электрические поля, которые способны вызвать электроадгезию электролитов и их капель.

Проблему образования осадка на трубопроводах предлагается решить с помощью использования внутренней энергии жидкой среды. Это достигается непосредственным влиянием управляемых потоков ультразвуковых, гравитационных и электромагнитных источников на внутренние электромагнитные связи молекул жидкости и примесей, которые её загрязняют. Для промышленной реализации создан способ подготовки и очистки жидкости и магнитно-ультразвуковой системы (МУС) [1, 2]. Внешним источником энергии в МУС является генератор акустических колебаний и блок знакопеременного магнитного поля. Функции внутреннего источника энергии выполняют кавитационные пузырьки и электромагнитные поля в обрабатываемой жидкости. Таким образом, создан физический трансформатор частот, который обеспечивает работу МУС в субрезонансных режимах со средой. Обработка потока ультразвуковыми и магнитными энергетическими потоками обеспечивает уменьшение и дальнейшее предотвращение отложения примесей на стенках технологических трубопроводов.

Реструктуризация среды при ультразвуковой кавитации достигается адиабатическим сжатием пустот и образованием режима низкотемпературной плазмы при схлопывании кавитационных пузырьков. Такой режим оказывает содействие разрушению макромолекул примесей, загрязняющих жидкость. Значение интенсивности акустического и электромагнитного поля в среде существенно зависит от его исходного термодинамического состояния. Если система находится в состоянии, близком к термодинамической нестойкости (метастабильное состояние), то внешнее влияние даже малой интенсивности способно привести её в качественно новое состояние. Система переходит в состояние нестойкости тогда, когда значение любого характеристического параметра (например, давление, температура) близко к критическому. Результаты влияния определяются соотношением между энергией влияния и энергией, которая необходима для перехода системы в качественно новое состояние. За счёт тепловой флуктуации при схлопывании кавитационных пузырьков возрастает локальная температура до 10000 °С, а локальное давление разрыва молекул среды достигает 10 ГПа. В редкой среде кавитационные явления сопровождаются уменьшением в 3...5 раз сопротивления излучения сравнительно с соответствующим значением при отсутствии кавитации [3]. Для отрыва от поверхности уже образованных кристаллов необходимы интенсивности колебаний больше (50...80) кВт/м². Акустическое поле создает возле твёрдых поверхностей акустические потоки, которые отторгают локальные перенасыщения жидкости и мелкие кристаллики из поверхности и выносят их. Они изменяют также рН раствора, повышая его кислотность, предупреждая выпадение солей. Находясь в звуковом поле кавитационные пузырьки пульсируют в соответствии с колебаниями давления звукового поля. Для наибольших амплитуд колебаний пузырька, когда Р_ат « Р (Р_ат - амплитуда звукового давления) его резонансная частота может быть определена из выражения [3].Для наибольших амплитуд колебаний пузырька, когда Р_ат « Р (Р_ат - амплитуда звукового давления ) его резонансная частота может быть определена из выражения [3]:

   (1)

де γ - отношение удельных теплоёмкостей для газа в пузырьке; Р - атмосферное давление, σ - поверхностное натяжение, R - радиус пузырька [10], р - Плотность пластовой воды.

При частоте звука выше резонансной схлопывание пузырька не происходит и его движение носит сложный характер.

Интенсивность акустического поля определяется так:

   (2)

де ν - скорость распространения звука в жидкости [4], А - амплитуда колебаний звука [5].

По формуле Релея [6] время схлопывания кавитационного пузырька в поле давления окружающей жидкости Р₀, при радиусе пузырька R₀ -> 0 определяется так:

   (3)

где P_о = р*с² - давление окружающей жидкости к моменту образования кумулятивной струйки; R - начальный радиус кавитационного пузырька [7], R₀ - конечный радиус кавитационного пузырька[7].

Скорость распространения кумулятивной струйки при схлопывании кавитационного пузырька с учётом коэффициента кумуляции К может быть расчитанна так [7]:

   (4)

Энергия кавитационного пузырька состоит из кинетической энергии Т и потенциальной энергии U [8]:

   (5)

где Р=Р_o - Р_п - парциальное давление газа в кавитационном пузырьке, Р_п - давление пара [8], γ - показатель политропы, равный 1 в случае изотермических пульсаций и 4/3 - в случае адиабатических [8].

На основании (5) и ряда преобразований, которые более детально приведены в [8], энергию схлопывания можно представить в таком виде:

   (6)

де dR = R-R₀.

Мощность, которая рассеивается при схлопывании кавитационного пузырька, может быть рассчитана так:

N = E / τ   (7)

Кроме озвучивания потока МУС предусматривает также омагничивание пластовой воды. Изменение свойств намагниченной воды достигается реструктуризацией водородных связей и структуры воды. Расположение молекул в пространстве характеризуется образованием наибольшего числа водородных связей. Такое расположение ближайших друг к другу молекул создает "рыхлую" структуру воды [9]. Внешнее магнитное поле вызывает ларморовую прецессию отдельных оболочек, т.е. дополнительное обращение как сплошного (прецессия) стойкой системы одинаковых заряженных частиц, например электронов атома, которые возникают при наложении на систему однородного постоянного, довольно слабого магнитного поля, направление которого и служит осью обращения; поляризация электронных облаков; индуктирует в молекулах противоположно направленный магнитный момент, который изменяет энергию водородных связей и приводит к их частичному разрыву.

В соответствии с теоремой Лармора магнитное поле вызывает прецессию орбиты каждого атомного электрона с частотой ω_L вокруг направления поля. Прецессия Лармора обусловлена действием на заряженные частицы магнитной части силы Лоренца и аналогичная прецессии оси волчка (гироскопа) под действием силы, которая стремится изменить направление оси его обращения. В результате дополнительного обращения электронов системы в магнитном поле возникает магнитный момент системы. Поэтому на основе прецессии можно объяснить явление диамагнетизма, нормальный эффект Зеемана, магнитное обращение плоскости поляризации.

Действие магнитного поля разрушает структуру воды. Молекулы с разорванными водородными связями заполняют пустоты, обуславливая тем самым более плотную упаковку молекул воды. Нарушением структуры и водородных связей молекул воды и обеспечиваются изменения плотности, вязкости и других свойств под влиянием магнитного поля [10].

При наложении внешнего магнитного поля на воду электроны из двух пар спаренных электронов кислорода распариваются. При этом молекулы воды возбуждаются и связываются с ионами водорода в воде. В результате образуются комплексы с водородной связью по реакции [11]:

  

где H₂0* - возбуждённая молекула воды.

Образование комплексов (H₂0...H)⁺ ведет к изменению физико-химических свойств намагниченной воды. Кроме ионов водорода, возбуждённые молекулы воды могут связываться водородными связями и с другими молекулами воды. Однако образование заряженных комплексов (H₂О...H)* в воде не является образования гидроксония H₃O⁺, где имеет место химическая связь. [9]. Связывание ионов водорода из водного раствора солей в комплексы (H₂О...H)⁺ должно привести к уменьшению электропроводности, рост рН, вязкости и поверхностному натяжению в растворе. Гидратация ионов раскрытых солей изменится вследствие отталкивания катионов от (H₂О...H)+ , что отразится при изменении теплоты гидратации ионов [12].

Вода, многократно пересекая поле, химически активизируется и образовывает комплексы (H₂О...H)⁺, что:

• отталкивают от себя катионы кальция, магния и т.п., что приводит к изменению их растворимости;
• повышают щелочность воды, вызывающей густое выделение гидроокиси железа, алюминия и магния.

Щелочная вода будет химически разрушать старые отложения на стенках труб, их компоненты не будут растворяться в воде, а в виде шлама и кусков будут отделяться от стенок [9].

Соответственно магнитным свойствам вещества, во всех телах, размещенных в магнитном поле, возникает магнитный момент сил M [13].

   (8)

где i - сила тока в контуре, S - площадь контура, В - индукция поля, α - угол между нормалью к плоскости витка и вектором индукции.

Под действием магнитного поля магнитные моменты молекул ориентируются преимущественно вдоль поля, вследствие чего вещество намагничивается. Мерой намагничивания вещества является вектор намагничивания М_І. Вектор намагничивания равняется векторной сумме всех магнитных моментов молекул, заключенных в единице объёма вещества V:

   (9)

где рm - магнитный момент молекулы; q - величина заряда; v = U-E - линейная скорость носителей заряда; Е - напряженность электрического поля внутри проводника; R = r*А^1/3 - радиус круговой орбиты, по которой двигается частица [13]; r=1,2 размер атомного ядра элемента; А - массовое число (сумма нейтронов и протонов в ядре).

Ускоренно двигаясь, заряженные частицы излучают электромагнитные волны. Элемент тока і-ЛІ, который изменяется по гармоническому закону і=lysmcot, создает на расстоянии r от него, много большей длины волны излучение Я и длины элемента ЛІ, электромагнитное поле с напряженностью электрического поля Еи и напряженностью магнитного поля Нυ [13]:

    (10)

   (11)

где μ₀ - магнитная проницаемость вакуума; ε ₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость; ν - угол между прямой, которая соединяет элемент тока і*Δl с точкой наблюдения и направлением проводника; k=2π/λ - волновое число,

Из (11) получается, что

   (12)

С учётом (12) виражение (10) будет таким:

   (13)

Подставим (13) в (1.9) и получим:

   (14)

Исследовательский образец системы МУС с апреля 2001 года проходит испытание на третьем нефтедобывающем промысле НГДУ "Черниговнефтегаз". В результате совместное использование акустических и электромагнитных потоков энергии обеспечило разрушение старых отложений на внутренних поверхностях трубопроводов с 4 см до 1,5 см после 6 месяцев эксплуатации МУС. Результаты независимого анализа проб жидкости до и после обработки МУС проведены специалистами ГПУ "Полтавагаздобыча" приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты анализа воды до и после обработки в МУС

Содержание ионов, мг/л	Хлор	Кальций	Fe+2/Fe+3	Свободный CO2	Нефтепродукты	Мех. примеси	Зависшие вещества
До МУС	251075	21534	97,7	431,2	4	66	156
После МУС	138294	11523	94,4	202,4	3	47	148

Плотность воды до и после обработки МУСС соответственно 1,163 і 1,157 г/см³ при рН 5,0.

---

1. Гаркот В.С., Гаркот О.В., Терентьев О.М, Синяков Ю.Б. Технология, подготовки жидких сред в системе поддержания пластового давлення нефтяных месторождений // Газ й нефть. Знергетический бюллетень. o № 4 (64), 2001. - С. 38-39.
2. Пат. 48863. Україна, МКВ C02F 1/36. Спосіб підготовки та очистки рідини - № 2002010807; Заявл. 31.01.2002. Видано 15.08.2002. Бюл. № 8 - Зс.
3. Кузнецов О. Л. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. - М.: Недра, 1983. - 193 с.
4. Бражнев Н.И. Ультразвуковьіе методи. - М.: Знергия, 1965. - 269 с.
5. Агранат Б.А., Бронин Ф.А. Определение максимального радиуса кавитационной попости в звуковом поле. Акустический журнал. - М.: Машиностроение, 1969. - 31 с.
6. Терентьев А. Г. Математические вопросы кавитации. Учебн. пос. - Чебоксари: ЧГУ, 1981. - 131 с.
7. Федоткин И. М, Гулий И.С. Кавитация. Ч. 1. - К.: Полиграфкнига, 1997. - 840 с.
8. Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. - М: Наука, 1978. - 279с.
9. Стукалов П. С, Васильев Е. В., Глебов Н. А. Магнитная обработка воды. - Л.: Судостроение, 1969. - 192 с.
10. Минц Д.М. Теоретические основи технологии очистки воды. - М.: Высшая школа, 1979. - 223 с.
11. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1986. - 704 с.
12. Ильинский Ю.А. Взаимодействие злектромагнитного излучения с веществом. - К.: Наукова думка, 1989. - 262 с.
13. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по злементарной физике. - М.: Наука, 1975. - 255 с.
14. Пятин Ю. М. Лостоянные магниты. Справочник. - М.: Знергия, 1980. - 485 с. 15. Енохович А. С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа, 1976.- 288с.