Способ управления процессом внутритрубного разделения водонефтяной эмульсии акустическим воздействием
WAY TO MANAGE THE PROCESS OF INTRAUTERINE SEPARATION OF OIL-WATER EMULSION BY ACOUSTIC IMPACT

Изобретение относится к нефтяной промышленности, и в частности к способам обезвоживания нефти.
Известен способ управления процессом растворения сильвинитовых руд (Патент РФ 2398620 C1, B01F 1/00, C01D 3/08, G05D 27/00, 2009), заключающийся в том, что подачу руды регулируют в зависимости от содержания полезного компонента во входных потоках, при этом управление весовым дозатором осуществляется заданием в систему его управления следующей зависимости:
руды
гот.р-р
KClгCl.р-р
KClруды
KClгCl.р-р
где ±G - расход руды, позволяющий корректировать ее основной поток, G - расход осветленного раствора, т, С - содержание хлористого кальция в осветленном растворе, %, С - содержание хлористого калия в сильвинитовой руде, %, α - степень насыщения осветленного раствора по хлористому калию.
Недостатком известного способа можно считать то, что процесс растворения хлористого кальция в насыщенном растворе замедляется, в связи с чем точное определение содержания KCl в руде затруднено.
Известен способ управления технологическими процессами газового промысла (Патент РФ 2344339 C1, F17D 3/00, 2007), состоящий в том, что из шлейфов кустовых скважин создают межпромысловый коллектор, откуда газ направляется на установку комплексной подготовки газа (УКПГ). При этом осуществляется контроль давления и расхода газа на всем его пути от выхода из скважины до выхода из УКПГ с целью оптимизации режима разработки газового месторождения. При этом расход газа по каждой из технологических ниток УКПГ поддерживают в пределах заданных значений , контролируют давление газа в каждом шлейфе, проверяя выполнение условия , а также контролируют работу клапана-регулятора в запорной арматуре каждого шлейфа через обратную связь, определяя разность .
Известные способы не могут применяться для внутритрубного разделения водонефтяной эмульсии, т.к. нет необходимости в дозировании каких-либо реагентов, а также в измерении и контроле давления в шлейфе скважины.
Процесс добычи нефти из нефтеносных пластов сопровождается непрерывным перемешиванием нефти с водой и образованием водонефтяных эмульсий (ВНЭ). Смешение нефти с водой и образование ВНЭ часто происходит еще в пластовых условиях в процессе вытеснения нефти водой. Этот процесс происходит и при подъеме обводненной нефти от забоя скважин до ее устья и далее в промысловых коммуникациях. Наличие воды в нефти приводит к удорожанию транспорта в связи с возрастающими объемами транспортируемой жидкости и увеличением ее вязкости. Присутствие агрессивных водных растворов минеральных солей приводит к быстрому износу как нефтеперекачивающего, так и нефтеперерабатывающего оборудования. Высокообводненная продукция перегружает промысловые трубопроводы, а также повышает их капиталоемкость в виду затрат на борьбу с коррозией и эмульгированием нефтей. В связи с этим целесообразно производить разделение нефти и воды непосредственно вблизи устья скважины.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа оптимального управления процессом разделения водонефтяной эмульсии.
Техническим результатом является увеличение степени флокуляции глобул нефти.
1
1
2
1
2
1
2
2
1
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе управления внутритрубным разделением водонефтяной эмульсии акустическим воздействием выбирают частоту колебания ƒ от первого источника ультразвукового воздействия с направлением распространения волны, совпадающим с направлением движения потока, таким образом, чтобы на участке L, равном расстоянию между источниками, выполнялось условие затухания  и , причем A(0)=А(L), где A(0) и A(L) - амплитуда акустических колебаний в эмульсии непосредственно вблизи источников, А(L) и A(0) - амплитуда акустических колебаний на расстоянии L от источников, измеряют скорость потока и создают частоту колебаний ƒ, меньшую ƒ, и направлением распространения волны, противоположным направлению движения потока, таким образом, чтобы , где с - скорость звука, w - скорость потока эмульсии.
Технический результат достигается за счет одновременного существования двух волновых движений в среде потока. Их суперпозиция приводит к тому, что в потоке устанавливается интерференционная картина, состоящая из узлов - там, где амплитуда колебаний наименьшая, и пучностей - там, где амплитуда колебаний наибольшая и движущаяся со скоростью, равной скорости движения потока. Относительная скорость движения потока и интерференционной картины, таким образом, равна нулю и поэтому частицы эмульсии находятся в узлах (там, где их концентрация наибольшая) достаточное для их коагуляции время. Опыты показывают, что с увеличением частоты эффективность флокуляции возрастает, однако возрастает и поглощение ультразвука в потоке, что накладывает ограничение на длину L и частоту, ограничена также и интенсивность ультразвука в потоке величиной  из-за обратного дробления глобул скоагулировавшей эмульсии.
1
2
1
2
Для реализации способа непосредственно в шлейф скважины на расстоянии L друг от друга устанавливают источники акустических воздействий. Источник волн с большей частотой ƒ располагают в начале потока, а с меньшей ƒ - в конце. Частоты колебаний ƒ и ƒ подбирают в зависимости от скорости потока и величины L.
1
2
1
2
В узлах суммарная амплитуда колебаний наименьшая, а в пучностях - наибольшая. Необходимо обеспечить перемещение узлов вместе с потоком с одинаковой скоростью. В этом случае узлы относительно потока будут неподвижны, а время нахождения частиц в узлах будет максимальным и определяется длинной L и скоростью потока w. Частоты колебаний ƒ и ƒ подбирают такими, чтобы на длине L укладывалось несколько (больше 100) узлов интерференционной картины. Колебания волн частотой ƒ и ƒ должны иметь одинаковую амплитуду.
1
2
1
1
2
2
Можно показать, что плоскости узлов движутся в направлении движения потока, если ƒ>ƒ. Амплитуда продольных колебаний эмульсии, если в ней распространяются навстречу друг другу волны с частотой ƒ и амплитудой А и частотой ƒ и амплитудой А, определяется суперпозицией двух этих колебаний.
Волна вдоль потока: ;
против потока: ,
где x - координата узловой плоскости вдоль трубы,
с - скорость звука,
t - длительность момента времени от начала воздействия ультразвука.
1
1
1
1
2
2
2
Амплитуда А=А(х) - наибольшая в месте расположения источника А=(0) и затухает вдоль трубы вследствие диссипации энергии колебаний и становится равной А=А(L) в конце рабочего участка. Аналогично А=А(L) наибольшая в точке L и уменьшается до А=0.
х
2
Складывая выражения, произведя преобразования, получим для А=А:
.
1
2
Видно, что в эмульсии в этих условиях распространяется волна с частотой (ƒ+ƒ), при этом ее амплитуда изменяется вдоль трубы по закону, определяемому
,
положение узловых плоскостей: , где n - 0, 1, 2, 3 … ∞, а скорость движения узловых плоскостей определяется формулой: .
1
2
На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая влияние суммарной амплитуды колебаний на концентрацию глобул нефти в потоке; 1 - источник акустических колебаний с частотой ƒ; 2 - источник акустических колебаний с частотой ƒ; суммарная амплитуда колебаний.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
2
1
Покажем, что концентрация глобул нефти в узлах больше, чем в пучностях. Выберем некоторую плоскость Z (фиг. 1), расположенную между пучностью и узлом и движущуюся вместе с потоком, и рассмотрим зону 1 и зону 2 (в зоне 1 амплитуда колебаний больше, чем в зоне 2). Соответственно, концентрация глобул нефти С и С, скорость их из-за воздействия колебаний эмульсии потока V и V. Т.к. поток глобул от пучности к узлу равен их обратному потоку в установившемся режиме: С⋅V=С⋅V, поэтому , и поскольку скорость частиц в пучностях V больше скорости частиц в узлах V, то и С больше С. Так как концентрация глобул нефти в плоскости узлов возрастает, расстояние между ними уменьшается, глобулы слипаются (концентрационная коагуляция) и эмульсия теряет свою устойчивость.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
Эффективность флокуляции увеличивается с увеличением количества узловых плоскостей, которое пропорционально частотам ƒ и ƒ. Однако известно, что с увеличением ƒ и ƒ увеличивается затухание колебаний, а для образования узловых поверхностей при интерференции колебаний необходимо, чтобы их амплитуды A и А были близки по величине на всем протяжении рабочего участка L. Величина ƒ зависит от затухания колебаний в эмульсии и выбирается максимальной при учете соотношений:  и  причем А(0)=А(L).
Реализация способа иллюстрируется примером.
ПРИМЕР
1
2
1
1
2
В трубе 5 (фиг. 2) движется поток эмульсии. Для частоты 50000 Гц условие затухания  и  выполняется на 10-ти метрах. На расстоянии L=10 м друг от друга устанавливают источники ультразвуковых колебаний 1 и 2, в поток устанавливают также датчик скорости потока 3. Скорость потока эмульсии в трубе w=1 м/с, скорость звука с=1000 м/с. Сигнал от датчика скорости потока 3 проходит на генератор колебаний 4, вырабатывающий колебания с частотами ƒ и ƒ. В состав генератора 4 входит средство обработки информации, например компьютер, работающий по заданной программе и связанный с датчиком скорости потока. T.к. ƒ=50000 Гц, то . Далее колебания частотой ƒ и ƒ проходят на усилители мощности, входящих в генератор 4 и далее на источники акустических колебаний 1 и 2, генерирующих колебательный процесс уже в среде движущегося потока эмульсии и представляющие собой магнитострикционные преобразователи. При реализации данного способа степень флокуляции глобул нефти увеличивается на 30%.