Анализ применимости магнитогидродинамического эффекта для добычи углеводородов

16. Цырук С.А., Янченко С.А., Рыжкова Е.Н. Моделирование основных источников несинусоидальности в бытовых электросетях // Вестник МЭИ. 2013. № 3. C. 67-71.

17. Пантель О. В. Методика расчета параметров асинхронного двигателя для моделирования режимов его работы в среде MATLAB/SIMULINK // Academy. 2015. № 2 (2). С. 7-11.

18. Belodedov A. E., Lysenko O. A. Model design of a controlled DC drive with a supercapacitor ипкт // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2016. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818978.

19. Пустоветов М. Ю. О параметрах фильтров для частотно-регулируемого электропривода с асинхронными двигателями // Электричество. 2013. № 5. С. 41-44.

20. ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения // Межгосударственный стандарт. М.: Стандартинформ. 2014. 20 с.

21. Ded A. V., Maltsev V. N., Sikorski S. P. Comparative analysis of the specifications on the power quality of the European union and the Russian Federation // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 998. DOI: 10.1088/1742-6596/998/1/012007.

22. Зырянов В. М., Митрофанов Н. А., Соколовский Ю. Б. Анализ гармонического состава тока и напряжения на шинах 0,4 кВ КТПН и применение устройств ограничения высших гармоник // Вестник ИрГТУ. 2016. № 2 (109). С. 61-67.

УДК 621.31

АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ

ANALYSIS OF THE APPLICATION FOR THE MAGNETOHYDRODYNAMIC EFFECT I N THE HYDROCARBON PRODUCTION

А. В. Логунов, А. Л. Портнягин, В. А. Копырин, М. В. Денеко

Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, Россия

A. V. Logunov, A. L. Portnyagin, V. A. Kopyrin, M. V. Deneko

Industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia

Аннотация. В настоящее время основная доля нефтяных месторождений находится на поздней стадии эксплуатации, характеризующейся высокой обводненностью добываемой продукции. Соли, содержащиеся в пластовой жидкости, при определенных термобарических условиях оседают на технологическом оборудовании и способствуют выходу его из строя. Выход из строя технологического оборудования влечет за собой простой скважины и высокие материальные затраты. Водорастворимые соли, содержащиеся в пластовой жидкости подвержены электролизу, при котором молекулы вещества разлагаются на ионы. При воздействии магнитного поля на ионы действует сила Лоренца, а в пластовой жидкости проявляется магнитогидродинамический эффект. Целью публикации является анализ применимости магнитогидродинамического эффекта для добычи углеводородов. Приведен химический состав пластовых вод некоторых месторождений, на основе которого построена химическая модель электролиза основных солей хлористого натрия и хлористого калия, содержащихся в пластовой жидкости. Рассмотрена конструкция и принцип работы простейшего магнитогидродинамического насоса. Приведено описание разработанного лабораторного образца магнитогидродинамического насоса. Отражены основные выводы по статье.

Ключевые слова: добыча нефти, ионы, магнитное поле, магнитогидродинамический эффект, сила Лоренца, химическая модель.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-50-56

I. Введение

В настоящее время неуклонно возрастает доля трудноизвлекаемых запасов углеводородов, к которым относятся запасы, находящиеся в нефтеносных пластах с низкой проницаемостью, высокой обводненностью, запасы с пониженным нефтенасыщением, а также расположенные в малых толщинах, тяжелые и сверхтяжелые нефти. На современном этапе разработки и эксплуатации нефтяных месторождений для поддержания требуемого объема добытой нефти нефтедобывающие компании вынуждены извлекать на поверхность огромный объем попутных вод. В некоторых случаях обводненность нефти может достигать 98%, что снижает рентабельность ее добычи. Другим негативным фактором высокой обводненности является повышенное солеотложение

на технологическом оборудовании. Эксплуатация нефтяных скважин в таких условиях влечет за собой повышенные материальные затраты и недоотпуск продукции при выходе оборудования из строя.

В нефтедобывающей отрасли при эксплуатации нефтяных скважин наибольшее распространение получили установки погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН), которыми оснащено свыше 65% мирового фонда нефтедобывающих скважин [1-4]. Наработка на отказ УЭЦН в среднем составляет 500-700 суток и может снижаться в ряде случаев до 30-90 суток при эксплуатации в скважинах с высоким солеотложением, что в условиях труднодоступности нефтедобывающих объектов неприемлемо в связи с высокими затратами на логистику при осуществлении ремонтов [5].

Существенный вклад в решение проблемы солеобразования при добыче нефти внесли многие отечественные и зарубежные ученые: Д. М. Агаларов, К. Б. Аширов, М. Д. Валеев, Л. Х. Ибрагимов, В. П. Ильченко, С. Ф. Люшин, А. И. Пагуба, М. Х. Хуснуллин, А. И. Чистовский, C. W. Blount, J. E. Davis, R. W. MacDonald, R. C. Philips, H. A. Smith, M. B. Tompson и др. В опубликованных авторами работах подробно описаны методы борьбы с солеотложением, представлены теоретические и экспериментальные исследования выпадения солей в пласте, предложены методики прогнозирования солеобразования при добыче нефти и т. д.

По химическим свойствам пластовая жидкость в условиях повышенной обводненности представляет собой электролит, в котором под воздействием электрического тока происходит диссоциация водорастворимых солей на ионы. Под воздействием магнитного поля в электропроводящей жидкости будет проявляться магнито-гидродинамический эффект [6].

Исследованием магнитогидродинамического эффекта в разное время занимались: Э. Бааке, В. Н. Тимофеев, С. А. Бояков, А. И. Вольдек, Б. Н. Сипливый, А. И. Хожаинов, Л. Г. Васильев, Е. Г. Андреева, T. G. Cowling и т. д.

В опубликованных авторами работах рассмотрены вопросы исследования магнитогидродинамического эффекта в области астрофизики, ядерной энергетики, судовой техники и металлургии, общие и частные случаи решения уравнений магнитной гидродинамики, но не была рассмотрена возможность применения данного эффекта в нефтедобывающей промышленности. Поэтому актуальным является анализ применимости магнитогид-родинамического эффекта для добычи углеводородов в условиях повышенной обводненности и солеотложения.

II. Постановка задачи

Основным источником выделения солей является пластовая вода, которая добывается совместно с нефтью. Процесс солеотложения непосредственно связан со значительным перенасыщением водной среды трудно-растворимыми солями за счет изменения физико-химических параметров системы добычи нефти (температуры, давления, выделения газа, концентрации осадкообразующих ионов и т. д.) [7]. Интенсивное отложение солей на рабочих колесах электроцентробежного насоса происходит из-за повышения температуры потока добываемой жидкости, которое вызвано теплоотдачей работающего погружного электродвигателя. На рабочих частях и поверхностях электроцентробежного насоса образуется дисперсный плотный камнеобразный солевой осадок, что нарушает теплообмен, приводит к заклиниванию электродвигателя, поломке вала и выходу насоса из строя [8].

При интенсивном процессе солеотложения или при эксплуатации низкопроизводительных насосов с минимальным размером проходных каналов, а также при некачественном мониторинге работы скважин возможно возникновение механического клина насоса или отказа УЭЦН от перегрева погружного электродвигателя [9]. При отказе установки электроцентробежных насосов затраты на спускоподъемные операции и последующий ремонт могут достигать стоимости новых установок. Необходимо определить возможность добычи пластовой жидкости с помощью магнитогидродинамического эффекта.

III. Теория

Пусть в добываемой пластовой жидкости солевые отложения происходят с преобладанием следующих типов солей: кальцита - СаСО3, гипса - CaS04x2H20, ангидрита - CaS04, барита - BaS04, баритоцелестина -Ba(Sr)S04, галита - NaCI. На поздних стадиях разработки залежей проявляются отложения сульфидных солей, главным образом, сульфида железа. В целом осадки солевых отложений не являются мономинеральными и имеют сложный петрографический состав, включающий как минеральную, так и органическую часть, которая при химических анализах квалифицируется как потери при прокаливании.

Наряду с углеводородными компонентами и продуктами коррозии, по данным исследований, в составе солевых отложений могут присутствовать десятки и десятки различных минералов. Дополнительными компонентами в отложениях являются сульфаты и карбонаты магния, гидроксиды кальция и магния Са(0Н)2 и Mg(OH)2, гидроокислы железа, окислы (кварц, иоцит - FeO, магтемит - Fe203, магнезит Fe304, и др.), магнезиальный кальцит, менее растворимый по сравнению с кальцитом доломит - CaMg(CO3)2. Могут присутствовать такие минеральные образования, как бишофит - MgCl2x6H2O, кизерит - MgS04x2H20, эпсомит - MgSO4x7H2O и др.[8].

Органической составляющей солевых отложений в основном являются ароматические углеводороды, ас-фальтены, смолы, тонко рассеянный битум, тугоплавкие парафины, сернистые соединения. Было также отмечено, что в органической составляющей солеотложений незначительное место занимает водорастворимая органика.

Важной особенностью воды является свойство растворения в определенной мере твердых веществ, в частности неорганических солей, и их кристаллизации в зависимости от термобарических условий и химического состава растворов. С понижением температуры и давления снижается растворимость сульфатных солей, например барита и гипса, и происходит их выпадение, за исключением ангидрита (безводный гипс), который выпадает при высоких температурах. В противоположность сульфатным солям при низких температурах повышается растворимость кальцита и осадкообразование происходит при высоких температурах с частичным понижением парциального давления СО2. Присутствие диоксида углерода (С02) в воде повышает растворимость карбоната кальция. Существенное влияние на растворимость солей оказывает наличие в растворе хлористого натрия.

Наряду с термобарическими условиями важной причиной образования осадков неорганических солей является смешение химически несовместимых вод, что, как и вышеуказанные свойства растворимости солей, требует сложных гидрохимических расчетов. Ниже приводятся основные положения, которые необходимо учитывать при подобного рода расчетах, в связи с решением проблемы солеобразования.

Твердое вещество в определенных термобарических условиях (при постоянном давлении и температуре) растворяется в воде до тех пор, пока не достигнет предельной или равновесной концентрации его в растворе, т. е. когда за равные промежутки времени растворяется и осаждается одинаковое количество вещества.

В табл. 1 приведена растворимость имеющих отношение к нефтяным водам неорганических соединений в граммах безводного вещества на 100 г воды при температуре 20 °С.

ТАБЛИЦА 1

РАСТВОРИМОСТЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА 100 Г ВОДЫ

Неорганическое соединение Растворимость вещества на 100 г воды при 20 °С

Углекислый калий (К2СО3) 111.5

Гидроокись натрия (№ОН) 107.0

Хлористый кальций (СаС12) 74.5

Хлористый магний (MgQ2) 54.3

Хлористый аммоний (КН4С1) 37.4

Хлористый натрий (№С1) 35.9

Хлористый барий (ВаС12) 35.7

Сернокислый магний (MgSO4) 35.6

Хлористый калий (КС1) 34.4

Углекислый натрий (№2С03) 21.6

Сернокислый натрий (№2804) 19.1

Сернокислый кальций (CaSO4) 2.0

Гидроокись бария Ва(ОН)2 3.5

Гидроокись кальция Са(ОН)2 0.17

Карбонат кальция (СаСО3) 0.06

Для оценки качественного и количественного анализов состава солей в пластовой жидкости рассмотрим химический состав вод из скважин, эксплуатирующийся в условиях солеотложения (табл. 2) [8].

ТАБЛИЦА 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПЛАСТОВЫХ ВОД

Химический состав воды, г/л м, г/л рН Т, °С Р, МПа

С1- 8042- НСО3- Са2+ Mg2+ К+ Ва2+

Скважина 520 башкирского яруса Ярино-Каменноложского месторождения

120,6 1,13 0,117 13,95 3,24 56,66 0,0 196 6,66 20,5 13,7

Скважина 75 Ромашкинское месторождение

172,6 0,014 0,025 24,08 4,3 76,19 0,21 277,2 6,0 38 18

Скважина 4910 Ромашкинское месторождение

165,7 0,121 0,049 23,89 2,23 75,89 0,005 267,8 6,2 0,1

Скважина 1828 Ромашкинское месторождение

135,4 1,045 0,165 19,92 - 65,54 0,0 222,1 6,8 25

Скважина 5012 Самотлорское месторождение

1,773 0,009 0,178 0,17 0,10 7,477 0,0 27,02 8,57 70 17,3

Анализ таблицы показал, что во всех рассматриваемых пластовых водах основную долю занимают анионы хлора (С1-) и катионы натрия (№+) и калия (К+), что свидетельствует о преобладании хлористого натрия (№С1) и хлористого калия (КС1). Данные соли относятся к водорастворимым и они подвержены процессу электролиза.

В процессе электролиза водорастворимые соли хлористого натрия (№С1) и хлористого калия (КС1) расщепляется на анионы хлора (С1-) и катионы натрия (№+) и калия (К+) соответственно. В присутствии магнитного поля на ионы солей будет действовать магнитогидродинамический эффект.

Запишем окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах при пропускании электрического тока через раствор электролита (раствор солей в пластовой жидкости), для каждой соли в отдельности.

Электролиз электролита хлористого натрия:

N01 — №++С1-

Н20 -о- И++ОИ"

Суммарное уравнение:

Катод(-): 2Н20+2е ^ Н2 t +20Н-Анод(+): 2С1"-2ё ^ 2С1 ^ С12 Т

электролиз

2№С1+2Н20 ^ Н2 Т +2№0Н+С12 Т

Электролиз электролита хлористого калия:

КС1 — К++С1-

Н20 — Н++0Н-

Суммарное уравнение:

Катод(-): 2Н20+2е ^ Н2 Т +20Н-Анод(+): 2С1--2е ^ 2С1 ^ С12 Т

электролиз

2КС1+2Н20 ^ Н2 Т +2К0Н+С12 Т

Электролиз электролита углекислого натрия (карбонат натрия):

Катод(-): 2Н20+2е ^ Н2 Т +20Н-

2- 2-

Анод(+): 2С03 -2е ^ С206

Суммарное уравнение:

электролиз

2№2С03+2Н20 ^ Н2 Т +№2С203+2№0Н Электролиз электролита хлористого бария:

Катод (-): Ба2 + +2е ^ Ба°

2Н20+2е ^ Н2 Т +20Н-Анод (+): 2С1--2е ^ С12° Т

Суммарное уравнение:

электролиз

БаС12+2Н20 ^ Н2 Т +Ба (0Н)2 +С12 Т

Анализ химических реакций показал, что в процессе электролиза во всех случаях будут выделяться газы (водород и хлор). Данные фактор производит положительный эффект подъема жидкости за счет энергии смешанного с ней газа под давлением (газлифт).

Рассмотрим работу простейшего магнитогидродинамического насоса (МГД насос), который включает по меньшей мере два электрода (разной полярности) и постоянные магниты. При этом электроды по отношению к магнитам расположены таким образом, чтобы линии магнитной индукции были направлены перпендикулярно протеканию электрического тока между электродами, при данном расположении обеспечивается максимальное значение силы, действующей на заряженные частицы (рис. 1).

1

/ v

9-=>

в

Рис. 1. Простейшая конструкция магнитогидродинамического насоса,

где 1 - постоянные магниты; 2 - электроды; /' у - сила Лоренца; В - вектор магнитной индукции;

V - вектор скорости потока электропроводящей жидкости

МГД-насос работает следующим образом. При подаче постоянного напряжения на электроды в пластовой жидкости, представляющей раствор солей, кислот, нефти и т. д., происходит диссоциация солей на ионы (в качестве примера принимается водорастворимая соль хлорид натрия №С1). Под действием напряженности электрического поля отрицательно заряженные анионы хлора С1- двигаются в сторону положительно заряженного электрода (анода), а положительно заряженные катионы натрия №+ в сторону отрицательно заряженного электрода (катода).

При движении анионов хлора к положительно заряженному электроду (аноду) на них действует сила Лоренца, определяемая по выражению:

Рл = д-у-Л-вта,

где д - заряд, Кл; V - вектор скорости потока электропроводящей жидкости, м/с; В - вектор магнитной индукции, Тл; а - угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Согласно правилу левой руки, сила Лоренца направлена перпендикулярно линиям магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами [10]. Под ее воздействием траектория движения анионов хлора изменяется, и они движутся вдоль канала, увлекая за собой пластовую жидкость.

IV. Результаты экспериментов

В ходе модернизации простейшей конструкции магнитогидродинамического насоса с учетом скважин-ных условий в центре робототехники разработан лабораторный образец магнитогидродинамического насоса для добычи нефти. Лабораторный образец магнитогидродинамического насоса состоит из корпуса, выполненного из abs пластика (рис. 2). Внутри корпуса установлен вкладыш для размещения источников магнитного поля, в нашем случае использованы неодимовые магниты в количестве 8 единиц. В верхней и нижней части вкладыша установлены электроды, на которые подается постоянное напряжение. Электроды по отношению к неодимовым магнитам расположены перпендикулярно, что обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия согласно (1). В нижней части корпуса имеется канал для перемещения добываемой пластовой жидкости [11].

Рис. 2. Вкладыш (слева) и корпус (справа) магнитогидродинамического насоса

Рис. 3. Ступень магнитогидродинамического насоса в сборе

V. Обсуждение результатов

Анализ характеристик пластовых вод (табл. 2) показал, что основная доля солей в пластовой жидкости приходится на хлористый натрий (№С1) и хлористый калий (КС1), которые являются водорастворимыми солями и подвержены электролизу.

В ходе анализа химической модели установлено, что в процессе электролиза водорастворимых солей происходит выделение водорода и хлора. Выделяемые газы в скважине создают дополнительную подъемную силу, что является положительным моментом при электролизе.

Разработанный лабораторный образец магнитогидродинамического насоса за счет использования кольцевой конструкции позволяет эффективно использовать скважинное пространство по сравнению с конструкцией простейшего магнитогидродинамического насоса. Также использование отдельных ступеней позволяет получить гибкую установку для добычи нефти и подбирать ее параметры (напор, производительность и т. д.) индивидуально для каждой скважины.

VI. Выводы и заключение

Рассмотрена химическая модель основных солей, растворенных в пластовой жидкости и участвующих в процессе электролиза. В ходе анализа химической модели выявлено выделение водорода и хлора, которые должны создавать дополнительную подъемную силу в процессе добычи.

С учетом скважинных условий разработан лабораторный образец магнитогидродинамического насоса для добычи нефти, включающий корпус, вкладыш для размещения постоянных магнитов и электроды.

Целесообразно провести дальнейшие исследования в целях определения гидравлических и электрических характеристик лабораторного образца магнитогидродинамического насоса.

Источник финансирования. Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям) и федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Тюменский индустриальный университет».

Авторы благодарят центр робототехники Студенческой инновационной платформы ТИУ.

Список литературы

1. Ануфриев С. Н., Погорелов С. В. Опыт эксплуатации УЭЦН в условиях повышенного содержания мехпримесей // Производственно-технический нефтегазовый журнал «Инженерная практика». 2010. № 2. С. 6672.

2. Копырин В. А., Смирнов О. В., Портнягин А. Л., Хамитов Р. Н. Влияние внутрискважинного компенсатора на падение напряжения в элементах электротехнического комплекса добывающей скважины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 9. С. 117-124.

3. Боловин Е. В., Глазырин А. С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 1. С. 123-131.

4. Bolovin E. V., Glazyrin A. S., Brendakov V. N., The influence of the design method for induction motor with stationary rotor on identification of its parameters // 2015 International Siberian Conference On Control And Communications (Sibcon), 21-23 May 2014, Omsk, Russia. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147006.

5. Сысоев А. А., Разумов А. И. Определение природы отложения солей на подземном насосном оборудовании скважин пластов группы ЮС после ГРП // Инженерная практика. 2017. № 3. С. 36-42.

6. Cheng C., Wu K., Mai1 C., Hsu Yu., Yan B. Magnetic field-assisted electrochemical discharge machining // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2010. Vol. 20, no. 7. DOI:10.1088/0960-1317/20/7/075019.

7. Кудряшов С. И. Менеджмент солеотложения на месторождениях ОАО «НК «Роснефть» // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2006. URL : ogbus.ru/authors/Kudryashov/Kudryashovl.pdf.

8. Кашавцев В. Е., Мищенко И. Т. Солеобразование при добыче. М.: Орбита-М, 2004. 432 с.

9. Хасанов И. Г. Итоги работы с механизированным фондом скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» за 2012-2016 годы // Инженерная практика. 2017. № 11. С. 14-21.

10. Azimi J., Zakeri M, Javidfard M. A numerical study on characteristics of the magnetohydrodynamic micropumps // 2015 3rd RSI International Conference on Robotics and Mechatronics (ICROM), 7-9 October 2015, Tehran, Iran. DOI: 10.1109/ICRoM.2015.7367818.

11. Пат. 187858 Российская федерация, МПК Н02К 44/02. Устройство для подъема пластовой жидкости / Логунов А. В., Портнягин А. Л., Копырин В. А. №201847012; заявл. 26.12.2018; опубл. 21.03.2019, Бюл. № 9.

УДК 621.3

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ STABILITY ASSESSMENT OF RESPONSIBLE OIL-FIELD POWER CONSUMER

Ф. А. Лосев1, И. А. Прокопчук1, В. В. Сушков2

1 Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, Россия 2 Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия

F. A. Losev1, I. A. Prokopchuk1, V. V. Sushkov2

industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia Nizhnevartovsk State University, Nizhnevartovsk, Russia

Аннотация. Для нефтепромысловых потребителей наиболее опасными нарушениями электроснабжения являются провалы и прерывания напряжения, которые могут вызвать потерю устойчивости узла нагрузки. Цель работы заключается в оценке устойчивости ответственных нефтепромысловых потребителей путем разработки коэффициента запаса устойчивости, учитывающего коэффициент зависимости источников питания. В работе на основании метода площадей предложен коэффициент запаса устойчивости и проанализировано влияние на него коэффициента зависимости источников питания и уставки по времени автоматического ввода резерва.

Ключевые слова: коэффициент запаса устойчивости, ответственные нефтепромысловые потребители, коэффициент зависимости источников питания

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-56-61

I. Введение

Нефтепромысловые электрические сети характеризуются большой протяженностью, что ведет к большому количеству нарушений электроснабжения. Для электродвигательной нагрузки наиболее опасными являются провалы и прерывания напряжения, которые могут вызвать потерю устойчивости.