Устройство для магнитной обработки тяжелых и смолистых нефтей при нефтедобыче

Полезная модель относится к области нефтедобычи, в частности, к устройствам для магнитной обработки высоковязких, смолистых и тяжелых нефтей, с целью предотвращения отложения асфальтосмолопарафиновых веществ (далее - АСПВ) на скважинном нефтепромысловом оборудовании. Отложения смол, асфальтенов и парафинов создают большие проблемы в нефтяной промышленности. Образование этих нежелательных отложений на глубинно-насосном оборудовании при добыче нефти и в углеводородных эксплуатационных трубопроводах может приводить к различным осложнениям, в том числе к снижению добычи и к тяжелым, часто дорогостоящим работам по запуску скважины после прекращения работы оборудования. Причем одними из самых сложных в обработке являются тяжелые и смолистые нефтепродукты.
Из уровня техники уже известны устройства на основе работы постоянных магнитов из различных композитных материалов, используемых при нефтедобыче. Эти устройства очень удобны, т.к. не требуют подведения электроэнергии и практически не требуют обслуживания. Уже были сделаны различные попытки использования устройств с постоянными магнитами для снижения образования отложений в скважинах.
В качестве примера можно привести устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее последовательно установленные намагниченные аксиально кольцевые постоянные магниты, разделенные шайбами из магнитомягкого материала, образующие внутренний прямоточный гидропривод, и экран (кожух), охватывающий снаружи магнитную систему (Авт. свид. СССР №1134550).
Недостатком указанного известного устройства является низкая эффективность обработки пластовой жидкости из-за того, что созданное постоянными кольцевыми магнитами магнитное поле в рабочем зазоре по длине этого зазора имеет малую амплитуду напряженности. В таком устройстве нет однородности концентрации магнитного поля по всей ширине зазора в рабочем канале гидропривода. А значит, обработка таким известным устройством при добыче тяжелой и смолистой нефти будет малоэффективной.
Из области энергетики (Патент РФ №2364792) известно устройство магнитной обработки текучей среды, которое содержит, по меньшей мере, один проточный канал, причем этот или каждый проточный канал имеет, по меньшей мере, два периферийно расположенных магнита, а устройство приспособлено взаимодействовать с подающим текучую среду трубопроводом так, что при использовании протекающая через проточный канал текучая среда подвергается воздействию магнитного поля, при этом упомянутые, по меньшей мере, два магнита расположены на противоположных сторонах упомянутого или каждого проточного канала и разделены расстоянием менее примерно 90 мм. Причем указанное устройство применяется и для обработки смолистых сред.
Недостатком указанного известного устройства является конфигурация трубопровода, большего по размеру, чем топливопровод, а также расположение магнитов вдоль тела трубопровода без его кольцевого охвата. Данная конструкция подходит для магнитной обработки топлива и подвижных легких нефтей, прошедших первичную очистку. И совершенно не подходит для омагничивания тяжелых и смолистых нефтей, которые в своем движении по расширенному трубопроводу еще более замедляют свое течение и увеличивают скорость осаждения асфальто-смоло-парафиновых веществ. При этом снижение турбулентности потока жидкости не позволяет произвести магнитную обработку известным устройством всего объема тяжелой и смолистой нефти.
Также известно устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным экраном и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы (Патент США №5122277). Поскольку постоянные магниты обращены к оси трубы главными поверхностями, то протекающая по трубе жидкость обрабатывается магнитным полем заданной аксиальной составляющей напряженности.
Недостатком указанного устройства является малая эффективность магнитной обработки пластовой жидкости, относящейся по физико-химическим свойствам к тяжелым, обводненным и смолистым нефтям. Это объясняется тем, что при использовании в известном устройстве одиночных кольцевых магнитов образуемое аксиальное магнитное поле каждого кольцевого магнита распределяется на две части с противоположным направлением силовых линий, поэтому напряженность магнитного поля каждого магнита снижается вдвое. При этом аксиальное поле каждого такого магнита характеризуется размытыми границами, что свидетельствует о низких градиентах напряженности этих полей, что не позволяет получить высокую эффективность при магнитной обработке нефтесодержащих жидкостей.
Также известно устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным кожухом и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы, при этом с торца каждого кольцевого магнита установлены без зазора ферромагнитные кольца, а внешние полюса всех кольцевых магнитов зашунтированы ферромагнитными пластинами (Патент РФ №2127708).
Недостатком указанного устройства является низкая эффективность магнитной обработки тяжелой и смолистой нефтесодержащей жидкости с трудным разделением фаз вода-нефть.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для магнитной обработки пластовой жидкости, содержащее ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным кожухом и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы, с торца кольцевого магнита установлено без зазора ферромагнитное кольцо и внешние полюса кольцевых магнитов зашунтированы ферромагнитными пластинами, при этом постоянные кольцевые магниты установлены на ферромагнитной трубе двумя парами с образованием каждой парой магнитного модуля и расположены в каждом модуле с зазором между ними, с торца кольцевых магнитов, обращенных друг к другу в различных магнитных модулях, установлены без зазора ферромагнитные кольца, внешние полюса всех магнитов в магнитных модулях зашунтированы установленными вдоль продольной оси ферромагнитной трубы без зазора к полюсам ферромагнитными пластинами, при этом магнитные модули установлены вдоль трубы без зазора друг к другу, соприкасаясь ферромагнитными кольцами, а магнитная масса первого кольцевого магнита в первом магнитном модуле соотносится с магнитной массой второго кольцевого магнита в этом же модуле и с магнитной массой первого кольцевого магнита во втором магнитном модуле как 1:1÷2, и соотносится с магнитной массой второго кольцевого магнита во втором магнитном модуле как 1:2÷3 (Патент РФ №95330).
Однако указанное известное устройство является недостаточно эффективным при выполнении магнитной обработки высоковязких и смолистых нефтей. Это объясняется тем, что указанное устройство ориентировано на обработку, преимущественно, обводненных скважинных флюидов, которые обычно характеризуются незначительным содержанием смол и асфальтенов в нефти. Конструкция известного устройства обеспечивает создание локального импульса напряженности магнитного поля, которое эффективно влияет на перестройку на молекулярном уровне именно высообводненных флюидов, в то время как для тяжелых и смолистых нефтей требуется более протяженное во времени воздействие физическими полями, в том числе магнитным.
Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, заключается в повышении эффективности обработки смолистых, тяжелых нефтей за счет создания оптимального по протяженности и по конструкции модульного магнитного средства.
1
2
2=
1
3
3
2
Поставленный технический результат достигается предлагаемым устройством для магнитной обработки тяжелых и смолистых нефтей при нефтедобыче, включающим ферромагнитную трубу, и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным кожухом, и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы, внешние полюса кольцевых магнитов зашунтированы ферромагнитными пластинами, при этом новым является то, что кольцевые магниты выполнены составленными из магнитных пластин и размещены в виде трех магнитных модулей, установленных с зазором друг к другу, первый из которых выполнен в виде одиночного кольцевого магнита, внешние полюса которого зашунтированы ферромагнитными пластинами, второй магнитный модуль выполнен также в виде одиночного кольцевого магнита, внешние полюса которого зашунтированы ферромагнитными пластинами, и дополнительно снабжен с торца, обращенного к третьему модулю, ферромагнитным кольцом, установленным у кольцевого магнита без зазора, третий магнитный модуль выполнен в виде четырех кольцевых магнитов, установленных с зазором друг к другу, при этом четвертый кольцевой магнит выполнен двойным, а остальные одинарными, первый кольцевой магнит третьего модуля дополнительно снабжен установленным без зазора ферромагнитным кольцом, обращенным ко второму магнитному модулю, между вторым и третьим кольцевыми магнитами третьего модуля установлено без зазора ферромагнитное кольцо, при этом внешние полюсы всех магнитов в третьем магнитном модуле зашунтированы установленными вдоль продольной оси ферромагнитной трубы без зазора к полюсам ферромагнитными пластинами, причем зазор S между кольцевыми магнитами первого и второго модуля равен 90 мм, зазор Sмежду первым и вторым кольцевыми магнитами третьего модуля равен S1,45⋅S, а зазор S между третьим и четвертым кольцевым магнитом третьего модуля равен S=1,45⋅S.
Ферромагнитные кольца и охватывающий их кожух выполнены разъемными в виде, по меньшей мере, двух продольных частей.
Поставленный технический результат обеспечивается за счет следующего.
Благодаря тому, что предлагаемое устройство имеет три магнитных модуля, каждый из которых конструктивно отличается друг от друга, обеспечивается не только наличие у такого устройства протяженного магнитного поля обработки тяжелой нефти, но и различные по локальности магнитные воздействия на всем пути прохождения указанной нефти.
Учитывая, что компоненты тяжелой нефти, включающие смолы, парафин и асфальтены, обеспечивают не только высокую вязкость такой нефти, но и обладают высокой адгезией к металлической поверхности нефтяного оборудования, требуется неоднократное локальное магнитное воздействие на такие компоненты. Благодаря тому, что в предлагаемом устройстве сила такого локального воздействия нарастает в каждом последующем магнитном модуле, обеспечивается максимально полное перестраивание межмолекулярных связей в асфальтено-смолистом комплексе добываемой нефти. Изменение напряженности магнитного поля на пути прохождения тяжелой и смолистой нефти достигается конструктивными особенностями этих модулей.
Первый модуль, состоящий из одиночного кольцевого магнита, внешние поверхности которого зашунтированы, создает первичный толчок воздействия физическим полем на межмолекулярные связи нефти, после которого флюиду необходимо некоторое время для образования новых внутримолекулярных связей. Для более тяжелых и смолистых нефтей требуется больше времени для образования новых связей, чем для нефтей средних и легких.
Кольцевой магнит во втором модуле, который, помимо шунта внешних полюсов, еще дополнительно снабжен ферромагнитным кольцом, установленным направленным в сторону третьего модуля, обеспечивает изменение напряженности магнитного поля для последующего воздействия на нефтяной флюид, уже выведенный из равновесного состояния первым магнитным модулем.
Установка с торца кольцевого магнита без зазора ферромагнитного кольца, как во втором, так и в третьем модулях, за счет сдвига аксиальной составляющей напряженности магнитного поля, позволяет значительно усиливать физическое воздействие на флюид одной пучности напряженностей магнитного поля за счет ослабления другой.
А при прохождении нефтесодержащего флюида через третий модуль, который уже состоит из ряда кольцевых магнитов, причем именно разнесенных друг от друга, чтобы дать возможность усилить с каждым последующим кольцевым магнитом магнитное воздействие на асфальтены и смолы в нефти, происходит закрепление результата воздействия магнитным полем на вновь образованные внутримолекулярные связи.
Кроме того, благодаря тому, что внешние полюса кольцевых магнитов в третьем магнитном модуле зашунтированы установленными вдоль оси ферромагнитной трубы без зазора, равномерно по внешней поверхности магнитов ферромагнитными пластинами, создаются условия перетекания магнитного поля с образованием его благоприятной конфигурации для еще в большей степени усиления максимума напряженности магнитного поля при незначительном перераспределении между ними энергии. Кроме того, установка таких пластин позволяет практически направлять требуемую для эффективной обработки данной жидкости конфигурацию магнитного поля в рабочий зазор, что позволяет осуществлять высокоэффективную магнитную обработку тяжелых и смолистых нефтесодержащих жидкостей с различными скоростями течения.
К тому же, внешний ферромагнитный кожух, герметично охватывающий магнитные модули, выполняя роль концентратора магнитного потока, усиливает пучности магнитного поля в рабочем зазоре (т.е. внутри ферромагнитной трубы) за счет сокращения его потока рассеяния. Присутствие дополнительных ферромагнитных элементов под ферромагнитным экраном в значительной мере способствует концентрации магнитного потока от каждого из кольцевых магнитов в однополюсную пучность на границе контакта постоянных магнитов с ферромагнитными кольцами. Благодаря этому внутри трубы, по которой протекает жидкость, формируется серия локальных пучностей напряженности аксиального магнитного поля.
Причем экспериментально было установлено, что произвольная установка модулей относительно друг друга не позволяет добиться высокой эффективности магнитной обработки нефтесодержащего флюида, а только благодаря определенному расстоянию между магнитными кольцами в модулях эффективность воздействия магнитного поля на тяжелые и смолистые нефти повышается. Эти расстояния составляют:
1
S=90 мм между кольцевыми магнитами первого и второго модуля,
2
1
S=1,45⋅S между первым и вторым кольцевыми магнитами третьего модуля;
3
2
S=1,45⋅S между третьим и четвертым кольцевым магнитом третьего модуля.
Причем следует отметить, что только в совокупности с заявляемыми конструктивными признаками магнитных модулей эти расстояния будут обеспечивать эффективное функционирование предлагаемого устройства.
По-видимому, именно при указанных расстояниях между кольцевыми магнитами в модулях появляется возможность создания таких локальных пучностей магнитного поля, направленных в рабочий канал, которые на всей протяженности устройства будут обеспечивать максимально эффективное воздействие на разрыв межмолекулярных связей смол и асфальтенов в тяжелых и смолистых нефтях, без возможности их восстановления.
1
2
3
1
2
3
Изменение этих расстояний S, S, S в большую сторону негативно сказывается на конфигурации магнитного поля в сторону уменьшения его максимальной напряженности, что снижает эффективность воздействия физических полей на нефти на молекулярном уровне, а уменьшение указанных расстояний S, S, S не обеспечивает достаточно времени для промежуточной стабилизации межмолекулярных связей.
Благодаря тому, что кольцевые магниты выполнены составленными из магнитных пластин с помощью шунтирования обеспечивается концентрация магнитного поля во внутрь рабочего канала устройства.
Выполнение ферромагнитных колец и экрана разъемными, по меньшей мере, на две продольные части, позволяет проводить монтаж и демонтаж заявляемого устройства без остановки технологического процесса для врезания ферромагнитной трубы в трубопровод на участке, где нужна магнитная обработка, что значительно упрощает использование данного устройства в труднодоступных условиях.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства; на фиг. 2 - кривая релаксации, т.е. магнитной памяти тяжелой нефти, обработанной предлагаемым устройством; на фиг. 3 - кривая релаксации, т.е. магнитной памяти тяжелой нефти, обработанной известным по прототипу устройством.
Заявляемое устройство для магнитной обработки смолистых тяжелых нефтей содержит ферромагнитную трубу 1, например, диаметром 62 мм, предназначенную для транспортировки потока обрабатываемой нефти, и расположенные на ней три магнитных модуля 2, 3 и 4 соответственно. Первый магнитный модуль 2 содержит установленный на внешней поверхности трубы 1 одиночный постоянный кольцевой магнит 5, внешние полюса которого зашунтированы ферромагнитными пластинами 6. Второй магнитный модуль 3 выполнен также в виде одиночного кольцевого магнита 7, внешние полюса которого зашунтированы ферромагнитными пластинами 8, и дополнительно снабжен с торца, обращенного к третьему модулю 4, ферромагнитным кольцом 9, установленным у магнитного кольца 7 без зазора. Третий магнитный модуль 4 выполнен в виде четырех магнитных колец 10, 11, 12 и 13, установленных с зазором друг к другу. При этом четвертое магнитное кольцо 13 выполнено двойным, а остальные магнитные кольца 10, 11 и 12 выполнены одинарными. При этом под указанными одинарными кольцевыми магнитами понимается серия магнитных пластин, обращенные одноименными зарядами в сторону рабочего канала ферромагнитной трубы 1. А под двойным кольцевым магнитом 13 понимается два кольца из магнитных пластин, обращенных одноименными зарядами в сторону рабочего канала ферромагнитной трубы 1, при этом в двойном кольцевом магните 13 полярности первого кольца из магнитных пластин являются отличными от полярности второго кольца.
Первое магнитное кольцо 10 третьего модуля 4 снабжено установленным без зазора к нему ферромагнитным кольцом 14, обращенным ко второму магнитному модулю 3. Между вторым 11 и третьим 12 магнитными кольцами третьего модуля 4 установлено без зазора ферромагнитное кольцо 15. При этом внешние полюсы всех кольцевых магнитов 10, 11, 12 и 13 в третьем магнитном модуле 4 зашунтированы установленными вдоль продольной оси ферромагнитной трубы 1 без зазора к полюсам ферромагнитными пластинами 16.
1
2
2
1
3
3
2
Кольцевые магниты в предлагаемом устройстве установлены с определенными зазорами друг с другом. Зазор S между кольцевым магнитом 5 первого модуля 2 и кольцевым магнитом 7 второго модуля 3 равен 90 мм. Зазор S между первым кольцевым магнитом 10 и вторым кольцевым магнитом 11 третьего модуля 4 равен S=1,45⋅S=130,3 мм. А зазор S между третьим кольцевым магнитом 12 и четвертым кольцевым магнитом 13 третьего модуля 4 равен S=1,45⋅S=189,2 мм.
Снаружи магнитные модули 2, 3 и 4 герметично охвачены ферромагнитным кожухом 17.
При этом главные поверхности кольцевых магнитов первого и второго модулей, обращенные к оси ферромагнитной трубы, выполнены с одноименными полюсами, а в третьем модуле идет чередование полюсов кольцевых магнитов.
Кольцевые магниты во всех модулях составлены из магнитных пластин, например, прямоугольной или трапециевидной формы (выпускаются, например, ООО «Полимагнит», Россия; китайскими производителями и др.).
Ферромагнитные кольца 9, 14 и охватывающий ферромагнитный кожух 17 могут быть выполнены разъемными в виде, по меньшей мере, двух продольных частей.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для магнитной обработки тяжелой и смолистой нефти (пластового флюида), с целью предотвращения отложений АСПВ заявляемое устройство монтируют на насосно-компрессорных трубах добывающей нефтяной скважины. При прохождении пластового флюида по рабочему каналу ферромагнитной трубы 1 нефть обрабатывается равномерно нарастающим магнитным полем, в результате чего осуществляется перераспределение межмолекулярных связей смол, асфальтенов и парафина в нефтяном флюиде, их частичная промежуточная стабилизация и повторное перераспределение межмолекулярных связей, что способствует предотвращению отложений АСПВ на поверхности нефтепромыслового оборудования.
Для обоснования существенности признаков предлагаемой полезной модели и для доказательства эффективности предлагаемого устройства были проведены лабораторные исследования. Исследования проводились на нефтях Пермского края Москудьинского и Шагиртско-Гожанского месторождений.
Замер магнитного поля производился «Измерителем напряженности МФ-207А» фирмы «Микроаккустика».
Тип нефти определялся согласно ГОСТ Р51858-02. По плотности нефти: до 840 кг/м3 - легкая; 840-880 кг/3 - средняя; выше 880 кг/м3 - тяжелая. По содержанию смол: 0-8% - малосмолистая; 8-28% - среднесмолистая; выше 28% - высокосмолистая. По содержанию парафина: 0-1,5% - малопарафинистая; 1,5-6% - среднепарафинистая; выше 6% - высокопарафинистая.
Состав исследуемого флюида (нефти) определялся по «Методике ускоренного определения асфальто-смолистых веществ и парафина в нефти путем комплексообразования с четыреххлористым титаном», Пермь, ПермНИПинефть, 2007 г. В основе метода определения асфальто-смолистых веществ и парафина в нефти лежит способность высокомолекулярных соединений, содержащих гетероатомы: серу, азот, кислород, образовывать достаточно устойчивые комплексы с тетрахлоридом титана. Систематический ход анализа сырой нефти на содержание в ней асфальто-смолистых веществ и парафина предусматривает поэтапное определение асфальтенов, силикагелевых смол и кристаллического парафина в одной навеске нефти. В основе определения асфальтенов лежит известный способ осаждения их из нефти петролейным эфиром (фракция 40-70°С) или гексаном с последующим отделением, очисткой и взвешиванием осадка. После определения асфальтенов из деасфальтированного раствора нефти высаживают смолы с помощью тетрахлорида титана. Затем из деасфальтированного и обесмоленного раствора нефти высаживают кристаллический парафин.
Эффективность магнитной обработки нефтяного флюида предлагаемым устройством определялась согласно методическим указаниям «Метод проведения лабораторного анализа пробы нефти на эффективность магнитной обработки, 2011 г.», разработанным ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть», г. Пермь. Метод основан на изменении весового количества отложений, выпавших на поверхность немагнитных пятиугольных пластин с течением времени после магнитной обработки скважинного флюида в сравнении с количеством отложений, выпавших из необработанного флюида.
Свойства исследованных нефтей представлены в таблице 1.
1
2
3
Результаты омагничивания нефтей на моделях магнитных аппаратов с различным количеством кольцевых магнитов и различным расстоянием S; S; S между ними представлены в таблице 2.
В таблице 2 положительный результат лабораторного анализа на эффективность магнитной обработки нефти обозначен знаком «+», который показывает, что магнитная память обработанной нефти остается стабильной на протяжении 9 и более часов после проведения магнитной обработки. Нулевой или отрицательный результат обозначен знаком «-», который показывает, что магнитная память обработанной нефти является не стабильной и перераспределение внутримолекулярных связей внутри флюида не происходит или исходные молекулярные связи восстанавливаются менее, чем за 9 часов после магнитной обработки.
Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что только предлагаемое устройство обеспечивает эффективную обработку тяжелых и смолистых нефтей, что позволит в промысловых условиях успешно предотвращать отложения АСПВ на нефтепромысловом оборудовании. Эффективность обработки других типов нефти (легких и средних) значительно ниже.
На фиг. 2 и фиг. 3 представлены кривые релаксации (кривые «магнитной памяти») добываемой смолистой тяжелой нефти, обработанной предлагаемым устройством и известным по прототипу соответственно.
Кривая на фиг. 2 показывает, что тяжелая смолистая нефть, подвергнутая магнитной обработке предлагаемым устройством, имеет магнитную память более 9 часов, что говорит о сохранении в нефти новых внутримолекулярных связей продолжительное время после воздействия на нее магнитным полем.
Кривая релаксации на фиг. 3 (обработка известным по прототипу устройством) показывает практически нулевую динамику процесса, т.е. магнитная обработка слабо влияет на межмолекулярные связи добываемого тяжелого нефтяного флюида, при этом магнитная память обработанной жидкости является кратковременной, а кривая релаксации стремится к исходному состоянию.