ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕПАРАФИНИЗАТОР НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газовые, газожидкостные смеси углеводородов в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена перемешивания, эмульгирования, диспергирования, термообработки и подобным им.
Уровень техники
Разработка месторождений с высоким содержанием парафинов в нефти осложнена отложением последних на внутрискважинной поверхности подземного и наземного оборудования и труб. В настоящее время для борьбы с отложениями парафинов на стенках насосно-компрессорных труб (НКТ) применяют механические фрезы, ингибиторы, обработку горячими нефтепродуктами, электрообогрев скважины, использование НКТ с внутренней поверхностью с гидрофильными свойствами. Применяют другие методы борьбы с отложениями парафинов, основанные на применении постоянных магнитов, ультразвука, однако использование известных устройств на основе этих методов не эффективно из-за недостаточной мощности воздействия.
n
2n+2
2
2
Известно, что временная, с последующим восстановлением первоначального состояния, деструкция молекул углеводородов гомологического ряда состава СН на более легкие молекулы наблюдается при плотности облучения до 10 Вт/см, и безвозвратная деструкция при плотности более 10 Вт/см в течении нескольких часов. Ультразвук влияет на изменение вязкости продукта, разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул.
Известны способы изменения физико-химических свойств потоков продуктов путем передачи жидкости энергии колебательных процессов различных гидродинамических ультразвуковых излучателей с пластинчатыми, стержневыми, мембранными резонансными колебательными устройствами, в вихревых, струйных и роторно-пульсационных кавитационных аппаратах (в дальнейшем кавитаторах), в которых гидродинамическая кавитация ведет к генерации акустических, в т.ч. и ультразвуковых колебаний [1]. Однако достигаемая плотность ультразвукового облучения с помощью этих аппаратов недостаточна для деструкции парафинов.
Известен способ интенсификации химических реакций: патент РФ 2232629, 7 B01J 19/10, опубликован 20.07.04, в котором звуковую энергию - источник ионизации молекул продукта, вводят в жидкую среду в области контакта реагентов в реакционной камере, а звуковые преобразователи заданных частот и энергий расположены в потоке реагентов.
Известен способ ультразвукового воздействия на среду с целью диспергирования частиц парафина в нефти до устойчивого состояния, при котором эти частицы не налипают на стенки нефтепромышленного оборудования в процессах добычи и транспорта нефти - патент РФ 93036942, Е21В 43/25, опубликован 27.10.1996.
К недостаткам этих способов относится необходимость звуковых преобразователей с определенными частотными и мощностными характеристиками, а также, сложность технической реализации «озвучивания» промышленных объемов продукта.
Известны способы интенсификации тепломассоэнергообмена методом акустического резонансного возбуждения вихревых потоков взаимодействующих друг с другом. При этом вихревые потоки создаются с помощью тангенциально расположенных входных сопел. Наиболее близкий по технической сущности и достигнутому результату способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления (прототип) - патент РФ 2268772, 7 B01F 11/02, опубликован 27.01.2006 г.(а также аналогичные - РФ 2304261, 7 B01F 11/02, опубликован 10.08.2007, РФ 2310503, B01J 19/10, опубликован 20.11.2007), в котором кроме резонансного возбуждения конструкции устройства используется возбуждение кавитационного процесса (образование и всхлопывание пузырьков, приводящее к ультразвуковым колебаниям) методом соприкосновения двух или более вихревых потоков. Недостатком этих способов является сложность достижения высокой плотности облучения продукта в заданном частотном диапазоне при заданной производительности. Метод создания турбулентного потока соприкосновением вихрей достигается достаточно сложной механической конструкцией прибора с невозможной или сложной регулировкой величины соприкосновения вихрей, в результате чего большая часть энергии взаимодействия вихрей расходуется в начальной области соприкосновения потоков с быстрым убыванием вихревого процесса при равномерной геометрии области соприкосновения. Важным фактором эффективного озвучивания является частотная характеристика акустических волн. В устройствах на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей основной частотный диапазоном акустических колебаний находится в области шума, являющимся следствием всхлопывания пузырьков при кавитации. Этот частотный диапазон озвучивания является не управляемым, так как зависит от физических свойств самого продукта. Утверждение, что по мере продвижения
вихря в вихревой камере и уменьшения его энергии уменьшается и частота генерируемых ультразвуковых колебаний неверно, так как известно, что частота кавитационной составляющей зависит только от физических параметров жидкости, поэтому по мере уменьшения кинетической энергии вихревого потока уменьшается и энергия ультразвуковых колебаний при сохранении частотного диапазона спектра (для воды 42-50 кГц). Это подтверждается прямыми измерениями спектра вибро-акустических колебаний устройства на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей (фиг.5) и осциллограммой гармоники с максимальной амплитудой (фиг.7, где несущая частота биений 46 кГц). Невозможность достижения высокой плотности облучения в заданных частотных диапазонах при заданной производительности приводит к ограничению возможности использования способа ультразвукового воздействия для эффективных тепломассооэнергообменных процессов при обработки нефти ультразвуковыми устройствами.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа акустического воздействия на поток углеводородов (например нефти - смеси углеводородов) при котором осуществляется временное или безвозвратное изменение молекулярного состава углеводородов на более легкие молекулы за счет создания вихревого потока с максимальной энергией акустического резонансного возбуждения потока продуктов в заданном частотном диапазоне, что позволяет:
- создать достаточную для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения продукта за счет оптимального деформационно-сдвигового взаимодействия потока с поверхностью вихревых труб и, как следствие, возбуждением вынужденных вибро-акустических колебаний;
- создать турбулентные вихри и кавитационный процесс в вихревом потоке приводящий к акустической деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей;
- использовать тепломассоэнергообменный процесс вихревого потока для проведения преобразований продукта;
- исключить необходимость проведения трудоемких и дорогостоящих работ по депарафинизации скважин;
увеличить срок службы и эффективность работы оборудования;
достигается чистая поверхность ствола скважины и резервуаров;
- достичь стабильной работы скважины.
Поставленная задача решается с помощью погружного инструмента -гидродинамического ультразвукового депарафинизатора, используемого для предотвращения отложений на стенках труб парафинов, асфальтенов и смол при нефтедобыче. Устройство может быть установлено в скважине (фиг.6), состыковываясь с колонной НКТ с помощью резьбового соединения. Устройство работает на основе тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения одного или нескольких вихревых потоков создаваемых в вихревых трубах переменного сечения. В углеводородах нефти под воздействием ультразвука большой интенсивности «озвучивания» нарушаются связи в молекулах парафина, смол и других составляющих нефти, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава (изменение молекулярного веса, температуры кристаллизации и др.). Деструкция нефти происходит как в рабочих цилиндрах, так и в специальной камере озвучивания, в которую попадает нефть после рабочих цилиндров. Возбуждение кавитационных процессов осуществляется за счет конструкции рабочего цилиндра с завихрителями потока. Неустойчивые турбулентные течения центров вихрей взаимодействуют с расположенными в центрах рабочих цилиндров специальных центральных стержней с дополнительными завихрителями потоков, благодаря чему стержни вместе с корпусом находятся в резонансных колебаниях собственных частот. Положение центральных стержней настраивается из условия максимальной мощности виброакустических колебаний устройства.
Основным фактором достижения максимальной мощности виброакустических колебаний в устройстве является достижение максимальных линейных скоростей вихревых потоков и создания в нем зон неустойчивой турбулентности. Для этого поперечное сечение вихревых труб делается переменным, так, что в зоне максимальных линейных скоростей потока помещены завихрители потока, которые воспринимают механические импульсы, вызывающие вибро-акустические колебания элементов устройства. Сопротивление стенок вихревых труб также учитывается при расчете переменного сечения при решении вариационной задачи расчета наилучшей геометрии рабочих цилиндров. Образующие центральных стержней рассчитываются в общей с цилиндрами задаче гидродинамики вихревых потоков. Центральные стержни находятся в зоне повышенной неустойчивости течений, усиливаемых завихрителями потока, расположенных в зонах максимальных линейных скоростей. Наиболее близкими изученными математическими моделями вихревых потоков в заявляемом устройстве является модель гидроциклона [2]. Известно, что в центре гидроциклона возникает газовый столб по причине разрыва сплошности потока жидкости из-за большой величины
центробежной силы вблизи оси гидроциклона и выделение газа из жидкости в результате интенсивного вихреобразования. Таким образом, центральные стержни от потока принимают сложные гидромеханические переменные импульсы и, вместе с этим, находятся в области гидроакустической кавитации. В результате все элементы вихревого реактора и, больше всего, стержни находятся в вынужденных колебаниях.
Подземное нефтепромысловое оборудование, в отличие от наземного, имеет существенное отличие в условиях решаемых задач связанное с большим давлением, относительно малым размером, небольшой производительностью. Временная или безвозвратная деструкция углеводородов нефти непосредственно в скважине с помощью эффективного кавитационного генератора решает проблему уменьшения или полное устранение парафиноотложений. При этом эффективно используется большое давление в скважине, достигающее сотен атмосфер, кавитационный процесс, деформационно-сдвиговые взаимодействия продукта и его акустическая обработка при таких давлениях приводят к деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей, что приводит к упрощению дальнейших технологий переработки углеводородного сырья.
Особенности изобретения будут дополнительно понятны из нижеследующего описания прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
Для описания изобретения прилагаются чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема цилиндра вихревой трубы с центральным стержнем переменного сечения;
Фиг.2 - чертеж депарафинизатора насосно-компрессорных труб без концентратора акустической энергии;
Фиг.3 - схема элемента потока вихря в вихревой трубе;
Фиг.4 - частотная характеристика вихревого депарафинизатора;
Фиг.5 - частотная характеристика устройства на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей;
Фиг.6 - схема расположения вихревого депарафинизатора в стволе скважины;
Фиг.7 - осциллограмма вибро-акустических колебаний (биений) устройства на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей.
Осуществление полезной модели
Интенсификация тепломассоэнергообмена в физико-химическом процессе превращений методом акустического резонансного возбуждения вихревых потоков осуществляется с помощью вихревых труб переменного сечения с завихрителями потока, расположенных в зонах максимальных скоростей. На чертеже фиг.1 показана схема одной из вихревых труб, образованной внешней поверхностью 2 и внутренней стержневой 3 с выходным отверстием 5. В трубе создается турбулентный каветирующий вихревой поток, подвергающийся деформационно-сдвиговым воздействиям при взаимодействии с поверхностью трубы на которой располагаются специальные турбулирующие поток конструктивы 1 - завихрители потока. Количество и расположение завихрителей может быть различное. Вихревой поток формируется с помощью тангенциально расположенного входного сопла 4, в которое продукт поступает под давлением от внешнего источника, например, насоса, компрессора. Количество входов может быть различным и их расположение может быть распределено как по длине трубы, так и в плоскости, перпендикулярной оси трубы. На фиг.2 приведен чертеж депарафинизатора с вихревой трубой 3, корпуса с резьбовым соединением 5, стержня 2 с завихрителями потока, крышки с тангенциальным вводом продукта 1, резонатора 4 с собственной частотой равной заданной.
вх
вых
τ
2
2
2
1
1
n
Энергия вихревого потока, пропорциональная расходу потока Q, разности давлений на входе и выходе устройства Р-Р, расходуется на деформационно-сдвиговые воздействия, разрывов сплошности в потоке и создания кавитационного процесса а, также, на преодоление сил трения потока со стенками вихревой трубы. При этом стержень находится в зоне неустойчивости центра вихря и воспринимает сложные переменные гидромеханические импульсы кавитационного процесса, что приводит к вынужденным виброакустическим колебаниям как стержней, так и суммарно всего устройства. Энергия и спектр акустического поля озвучивания потока в ультразвуковом диапазоне складываются из колебательных процессов в самой жидкости за счет кавитации и акустической энергии за счет вибро-акустических колебаний конструктивов устройства. Приближенно можно представить энергию кольца вихря длиной Δz, тангенциальной скоростью V=V(r/r) [2], внешним и внутренними радиусами кольца r=r(z), r=r(z), фиг.3, в виде
τ
z
2
z
1
z
2
1
T
T
k
z
T2
T1
n
где V - тангенциальная скорость у внешней границы элемента вихря массой Δm=ρΔzrdφdr, ρ - удельный вес продукта, n<1 - коэффициент, учитывающий вязкость жидкости и корректирующий условие Vr=const, получающееся из решения уравнения Стокса для вихря идеальной жидкости. Время продвижения продуктом пути Δz составит t=π()Δz/Q, откуда длина траектории торможения внешних элементов кольца составит l=tV, внутренних l=tV(r/r) • Кольцо испытывает торможение за счет трения о стенки вихревой трубы и соударения с конструктивом завихрителя потока, поэтому для построения приближенной математической модели гидродинамики турбулентного вихря удобно ввести эффективную площадь торможения за счет завихрителя SΔz=S(z,η)Δz, определяющаяся расстановкой завихрителей и их эффективной площадью торможения, η - коэффициент вязкости жидкости. Тогда величина уменьшения энергии кольца Е за время t составит , если SΔz,SΔz - эффективные площади завихрителей потока, расположенных соответственно на внешней и внутренней поверхности вихревой трубы. С учетом последнего соотношения и (1) уравнение баланса энергии кольца примет вид
, (2)
τ
2
2
T
1
2
n
2
где ΔV - величина изменения тангенциальной скорости. Коэффициент n=1 следует из решения уравнения гидродинамики для вихревого потока идеальной жидкости, при n<1 функция V(r) следует из экспериментальных исследований гидродинамики вихревого потока в гидроциклоне и зависит от числа Рейнольдса, которое для предлагаемой модели R=2rV(r/r)/v, v - коэффициент кинематической вязкости. По экспериментальным данным [2] для вязкой жидкости n≈0,6 и зависит от давления в вихревой трубе. Этот коэффициент уточняется в процессе проведения экспериментальных исследований. В уравнение (2) величины s для идеальной жидкости соответствует высоте завихрителя потока и изменяется пропорционально коэффициенту вязкости жидкости η. Уравнение (2) можно преобразовать к виду f(r,r)Δz=ΔV/V, решая следующее из этого соотношения дифференциальное уравнение для тангенциальной скорости внешней границы получается
0
c
c
2
1
где V=Q/s скорость на выходе тангенциально расположенного в точке z=0 входного сопла, S - площадь сечения сопла. Соотношение (3) получено из допущения преимущественной тангенциальной составляющей вектора скорости вихревого потока. В реальном установившемся потоке роль радиальной и осевой составляющих незначительная в начале потока и увеличивается по мере его продвижения в вихревой трубе при уменьшении r-r. В принятых допущениях выражение для тангенциальной скорости вихревого потока получается в виде
2
1
откуда образующие вихревой трубы r(z), r(z) можно получить из решения вариационной задачи
2
1
где L - длина вихревой трубы. Для более точной задачи можно вычислять критерий как интегральную величину скорости по линиям размещения вихреобразователей. Задача (5) решается численно при аппроксимации образующих r, r, кусочно-линейными функциями с помощью разработанной программы. Размещение вихреобразователей находится в процессе численного эксперимента.
2
вх
вых
3
Максимальная мощность ультразвуковых колебаний кавитационной и вынужденных вибро-акустических колебаний конструктивов устройства достигается в вихревой трубе с образующими, полученными при решении вариационной задачи (5). Регулирование частотного спектра может быть только за счет вибро-акустической составляющей. Спектр колебаний кавитационной составляющей зависит от физических параметров продукта. На фиг.4, где ордината пропорциональна амплитуде виброакустических колебаний, представлен частотный спектр устройства, вихревые трубы которого изготовлены с параметрами r(0)=0,03 метра, Q=1,7 м/час, Р-Р=4 атмосфер. На фиг.4, 5 ординаты нормированы максимальным значением спектральной составляющей. Диапазон 42-50 кГц соответствует спектру кавитационной составляющей для воды и не меняется в любом устройстве с гидродинамическим процессом. Больший интерес представляют колебания в диапазоне 20-25 килогерц, где наблюдаются
наибольшие физико-химические преобразования продукта. В подземном нефтепромысловом оборудовании возможно применение устройства как погружного инструмента депарафинизации НКТ, которое расположено непосредственно в скважине по схеме фиг.6, где насос 1 подает нефть в заявляемое устройство 2 и, далее, обработанная нефть по НКТ 3 подается на поверхность земли 4 и отводится наземным путем 5 в накопительные емкости. Успешное решение задачи депарафинизации НКТ с помощью заявляемого устройства с изменением физико-химических свойств парафинов в скважине решает проблему ликвидации отложений парафинов на стенках НКТ.
В литературе до настоящего времени авторами не обнаружены описания устройств, вихревые трубы которых выполнены с образующими, полученными из решения вариационной задачи достижения максимальных вынужденных вибро-акустических колебаний в устройстве. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решение соответствует первому признаку изобретения - новизна. Исследования, проведенные авторами в поисках аналогов, экспериментов с аналогами вихревых устройств, промышленными испытаниями устройств интенсификации тепломассообменных процессов и прототипа, позволяют сделать заключение, что известные способы интенсификации тепломассообмена и устройства их осуществляющие не в полной мере могут обеспечить заданные мощность, частотный диапазон акустической обработки продукта. Так на фиг.5 представлена частотная характеристика вибро-акустических колебаний устройства, выполненного соприкосновения шести встречно направленных вихревых потоков (прототипа). Как видно преимущественным спектром является диапазон кавитационного шума 42-50 кГц, аналогичного устройствам с противоструйной схемой. На фиг.7 приведена осциллограмма вибро-акустических колебаний реального устройства выполненного по схеме встречно направленных вихревых потоков. Очевидно наблюдаются биения на частотах, близких к 46 кГц, поскольку, как видно из фиг.5, эта частота является преимущественной. В отличие от этого, как видно из фиг.4, заявляемое устройство имеет преимущественный энергетический спектр акустических колебаний в заданном диапазоне, технические решения, достигающие этот результат, не вытекают явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует второму признаку изобретения - изобретательский уровень. Изготовленные опытные образцы проходили испытания в пилотных проектах в качестве устройства депарафинизации НКТ путем акустического резонансного возбуждения вихревых потоков продукта при добыче нефти с устройством, расположенным по схеме, представленной на фиг.6. В течении длительного периода работы скважины парафиноотложений не
наблюдалось, без устройства скважина подвергается механической прочистки фрезой с периодом 3-5 дней. Кроме этого, фракционный состав нефти изменился в сторону увеличения выхода светлых фракций. Тяжелые фракции асфальтены, селикагелевые смолы выделились в виде отдельных образований, отделяемых с помощью фильтра грубой очистки. Поэтому, заявляемое техническое решение соответствует третьему признаку изобретения - промышленная применимость.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет интенсифицировать тепломассоэнергообменный процесс, приводящий к депарафинизации НКТ, проводить деструкцию углеводородов при меньших энергетических и трудовых затратах.
Библиографические данные
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд. М, 1957. 368 с.
2. Шестов Р.Н. Гидроциклоны. Л, "Машиностроение", 1966. 79 с.