УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО, НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД И РЕАГЕНТОВ ДЛЯ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКИ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR MAGNETOACOUSTIC TREATMENT OF WATER SYSTEMS FOR VARIOUS TECHNOLOGICAL PURPOSES, MAINLY OIL-FIELD WASTE WATER AND WELL ACIDIFICATION REAGENTS

Изобретение относится к области обработки и активизации текучих водных систем, например нефтепромысловых сточных вод, и может быть использовано в нефтедобывающей, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности для комплексной обработки жидкости (с целью активизации, снижения коррозионной активности и гомогенизации) с любым содержанием мехпримесей, причем особенно эффективно в процессах, связанных с эмульгированием и диспергированием примесей, например, в системах подготовки и транспорта сточной воды.
В нефтяной промышленности изобретение также может быть использовано при кислотной обработке призабойной зоны пласта как добывающих, так и нагнетательных скважин и при промывке скважин водой. Установка применима как для магнитоакустической обработки рабочего агента в скважинах системы поддержания пластового давления (ППД), так и в скважинах, сбрасывающих сточную воду.
Изобретение также может быть использовано в теплоэнергетике, например в водоснабжении для предотвращения накипеобразования, на водоочистных сооружениях предприятий пищевой, текстильной, химической и других отраслей промышленности.
Известно устройство для магнитной обработки жидкости проточного типа по патенту РФ №2127708, кл. C02F 1/50, от 1995 г., содержащее в своем составе ферромагнитную трубу, выполняющую роль корпуса устройства, по которой протекает поток обрабатываемой водной системы, и охваченный герметично кожухом магнитный блок из постоянных магнитов с аксиальным магнитным полем в рабочем канале, установленный на указанной трубе и обеспечивающий омагничивание протекающей по указанной трубе водной системы.
Недостатком омагничивания водной системы указанным известным устройством является низкая эффективность магнитной обработки. Это обусловлено тем, что водная система - жидкость, проходящая по рабочему каналу ферромагнитной трубы и находящаяся в магнитном поле устройства, имеет небольшой градиент скорости (по радиусу трубы), а значит, при этом не обеспечивается высокая эффективность магнитной обработки жидкости. Также низкая эффективность омагничивания жидкости объясняется тем, что в обрабатываемой магнитным полем жидкости (водной системе) находится недостаточно большое количество носителей заряда, которое определяется лишь естественным количеством мехпримесей, пузырьков газа и т.д. А как известно, именно перераспределением поверхностного заряда микропримесей и обеспечивается изменение структуры жидкости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для магнитоакустической обработки водной системы технологического назначения - бурового раствора (Патент РФ №2255199, Кл. E21B 21/06, от 2003 г.). Устройство включает магнитный аппарат проточного типа и ультразвуковой излучатель, установленный перед магнитным аппаратом по ходу протекания бурового раствора. При этом указанный магнитный аппарат выполнен в виде П-образных постоянных магнитов и размещен снаружи полихлорвиниловой трубы, предназначенной для пропускания бурового раствора, а внутри указанной трубы установлены отражатели и ультразвуковой излучатель. Ультразвуковой излучатель установлен перед постоянными магнитами.
Недостатками этого известного устройства является то, что в качестве источника звука используется ультразвуковой излучатель. Использование ультразвука приводит лишь к локальной обработке водной системы - бурового раствора, т.е. не всего объема жидкости, поступающего в последующем в магнитный аппарат для обработки. С целью усиления эффекта звукового воздействия на буровой раствор в известном устройстве использованы отражатели, что еще более ухудшает эффективность обработки жидкости, но уже магнитным полем. Наличие отражателей приводит к тому, что вблизи отражателя формируется застойная зона (это крайне существенно в случае вязких жидкостей), в которой практически не происходит обмена жидкости с основным потоком. Учитывая, что максимальное значение напряженности магнитного поля приходится на пристеночную область трубы, то становится ясным, что в результате застойных явлений обработка бурового раствора магнитным полем происходит лишь в наиболее слабой, центральной области, магнитного аппарата. Указанные явления существенно снижают эффективность обработки водной системы известным устройством.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности обработки водной системы, путем улучшения ее технологически требуемых свойств за счет обеспечения ее движения тонким слоем в области с максимальным значением напряженности магнитного поля по винтовой линии вдоль стенки трубы магнитного аппарата и увеличения градиента ее скорости в магнитном поле аппарата, при одновременном создании мощных пульсаций скорости водной системы и по длине рабочего канала магнитного аппарата, за счет образования и последующего схлопывания газовой полости, образующейся как в центральном цилиндрическом канале вихревой камеры излучателя, так и частично в рабочем канале магнитного аппарата.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности обработки водной системы также за счет обеспечения увеличения носителей заряда, продуцируемых вихревым излучателем путем диспергирования им мехпримесей и порождения пузырьков газа, возникающих при работе вихревого излучателя, и тем самым усиления им эффекта омагничивания.
Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством для магнитоакустической обработки водных систем различного технологического назначения, преимущественно, нефтепромысловых сточных вод и реагентов для кислотной обработки скважины, включающим магнитный аппарат проточного типа для обработки водных систем и волновой излучатель, установленный перед магнитным аппаратом по ходу протекания водной системы, при этом новым является то, что магнитный аппарат проточного типа для обработки водных систем содержит в своем составе ферромагнитную трубу, выполняющую роль корпуса аппарата, по которой протекает поток обрабатываемой водной системы, и охваченный герметично кожухом магнитный блок, установленный на указанной трубе и обеспечивающий омагничивание протекающей по указанной трубе водной системы, а в качестве волнового излучателя устройство содержит вихревой гидродинамический звуковой излучатель, жестко связанный с магнитным аппаратом, и состоящий из вихревой камеры, выполненной в виде стакана, с центральным цилиндрическим каналом, сообщающимся с полостью ферромагнитной трубы магнитного аппарата, и с размещенным со стороны глухого перекрытого торца, по меньшей мере, одним тангенциальным входным отверстием, предназначенным для ввода водной системы в центральный канал указанного излучателя и далее - в полость ферромагнитной трубы магнитного аппарата.
Жесткая связь вихревого гидродинамического звукового излучателя с магнитным аппаратом выполнена в виде резьбового соединения.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Использование вихревого излучателя предложенной конструкции приведет к тому, что при поступлении водной системы (жидкости) через тангенциальное отверстие в канал вихревой камеры излучателя и в последующем в рабочий канал (ферромагнитную трубу) в магнитном аппарате будет происходить закрученное движение жидкости. Причем периодически в вихревой камере излучателя и частично рабочем канале магнитного аппарата будет возникать газовая полость, что существенно уменьшает площадь сечения канала, заполненного жидкостью. Таким образом, при омагничивании жидкость периодически будет двигаться тонким слоем в области с максимальным значением напряженности магнитного поля по винтовой линии вдоль стенки рабочего канала магнитного аппарата, что существенно увеличивает градиент скорости жидкости в магнитном поле аппарата, а тем самым и эффективность магнитной обработки. Кроме того, поскольку при работе излучателя звука заявляемой конструкции наблюдается периодическое запирание вихревого излучателя с схлопыванием газовой полости, то кроме градиента скорости по радиусу трубы будут наблюдаться и мощные пульсации скорости и по длине рабочего канала.
Кроме того, как оказалось, звуковое воздействие может изменять эффект омагничивания на противоположный, благодаря чему снижается обработанная предполагаемым аппаратом коррозионная активность жидкости.
Физика явлений, происходящих при прокачке различных технологических жидкостей (водных систем) через предлагаемое устройство, заключается в следующем.
Эффект защиты трубопроводов от коррозии проявляется при пропускании через устройство сточных вод системы ППД. В результате чего коррозионная активность вод уменьшается, а отсюда увеличивается срок службы водоводов и насосно-компрессорных труб (НКТ).
При обработке предлагаемым устройством реагентов для кислотной обработки пласта и воды, закачиваемой в пласт, происходит следующее. В закачиваемой в пласт воде или кислотном растворе имеются мелкие механические частицы, пузырьки газа, которые и являются носителями зарядов. Воздействуя на эти частички, магнитное поле магнитного аппарата изменяет структуру жидкости. Вследствие этого при закачке омагниченной жидкости набухаемость глин уменьшается в 1,5-2 раза (в 1,5 раза для каолиновых глин и в 2 - для монтмориллонитовых).
Известно, что скорость растворения пород и соответственно время нейтрализации кислотного реагента является одним из основополагающих факторов, обуславливающих эффективность применения тех или иных кислотных растворов. Замедление скорости растворения коллекторов позволяет увеличить время реагирования кислоты с породой. За счет этого при той же скорости закачки реагента в пласт увеличивается площадь охвата призабойной зоны активной непрореагированной жидкостью. При этом кислотой обрабатывается большая зона по простиранию призабойной зоны скважин, что способствует увеличению радиуса поровых каналов и ширины трещин. Увеличивается проницаемость призабойной зоны. Скорость растворения породы в омагниченном предлагаемым устройством кислотном реагенте снижается на 15-20%.
Эффективность воздействия водой и кислотой также зависит от степени воздействия магнитного поля. Повышение эффективности омагничивания жидкости достигается с помощью вихревого гидродинамического излучателя, входящего в состав заявляемого устройства и установленного над магнитным аппаратом.
Размещение магнитного блока на внешней поверхности ферромагнитного корпуса (трубы) позволяет сформировать в рабочем канале (внутри трубы) аксиальное магнитное поле, состоящее из нескольких пучностей напряженности разной полярности, разнесенных вдоль рабочего канала (вдоль трубы), при этом каждая пучность напряженности заполняет полностью все поперечное сечение рабочего канала, обеспечивая магнитную обработку всего потока жидкости, проходящего через устройство.
Использование вихревого излучателя позволяет изменить характер движения жидкости в рабочем канале магнитного аппарата с ламинарного на турбулентный, что приводит к увеличению градиента скорости потока в рабочем канале магнитного аппарата. Любая часть потока при этом будет проходить через область большей напряженности магнитного поля (пристеночную часть сечения рабочего канала), тем самым увеличивая активность омагничивания. Кроме того, в воде или другой жидкости при работе излучателя в результате сжатия и разряжения возникают мелкие пузырьки газа, которые являются носителями зарядов в магнитном поле, их появление увеличивает действенность магнитного поля.
Также представляет интерес процесс диспергирования, происходящий при перепаде давления (вход/выход) потока через излучатель. Измельчение твердой фазы (мехпримесей) происходит до микрочастиц, соизмеримых с размерами пор коллектора, 95% продиспергированных предлагаемым устройством частиц имеют размеры менее 2 микрон. Частицы такого размера свободно мигрируют вместе с жидкостью, не вызывая кольматации продуктивного горизонта и также являются дополнительными носителями зарядов.
2
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - графическая зависимость влияния омагничивания (АМО-25) на коррозионную активность сточной воды Осинской УППН (установка предварительной подготовки нефти) (pH=6,95; HS=37,5 мг/л; V=1,5 м/с); на фиг.3 - графическая зависимость влияния физического воздействия (отдельно вихревым излучателем, магнитным аппаратом и предлагаемым устройством) на коррозионную активность сточной воды (Оса, УППН, РВС-6, рН=6,6); на фиг.4 - сравнительный график скоростей растворения карбонатного образца в соляной кислоте 15%-ной концентрации с обработкой ее гидродинамическим излучателем, магнитным аппаратом, предлагаемым устройством и без обработки.
Заявляемое устройство состоит из магнитного аппарата 1 проточного типа для обработки водных систем и из жестко связанного (например, посредством резьбового соединения) с ним вихревого гидродинамического звукового излучателя 2. Причем последний установлен перед магнитным аппаратом 1 по ходу протекания водной системы. Магнитный аппарат 1 содержит в своем составе ферромагнитную трубу 3, выполняющую роль корпуса аппарата, по которой протекает поток 4 обрабатываемой водной системы, и охваченный герметично кожухом 5 магнитный блок 6, установленный на указанной трубе 3 и состоящий, по меньшей мере, из двух постоянных кольцевых магнитов 7, составленных, например, из магнитных стержней или магнитных пластин, главные поверхности которых обращены к оси трубы, за счет чего обеспечивается возможность их магнитного воздействия на поток 4 обрабатываемой водной системы в трубе 3. В качестве такого магнитного аппарата могут быть использованы конструкции аппаратов, описанных в патентах РФ №39133, 2127708, 2242433 и другие. Основу всех этих аппаратов составляют конструктивные узлы, указанные выше. Отличие их друг от друга заключается в введении дополнительных элементов (шунтов для шунтирования по меньшей мере двух кольцевых магнитов; установка ферромагнитных колец у кольцевых магнитов без зазора или с зазором и прочее), позволяющих изменить магнитное воздействие и обеспечить работоспособность в условиях различных жидкостей. Для предлагаемого устройства не имеет значения различие в этих конструкциях, главное, чтобы происходило омагничивание потока 4, протекающего по трубе 3.
Вихревой гидродинамический звуковой излучатель 2 состоит из вихревой камеры 8, выполненной в виде стакана, с центральным цилиндрическим каналом, сообщающимся соплом 9 с полостью ферромагнитной трубы 3, и с размещенным со стороны глухого перекрытого торца 10, по меньшей мере, одним тангенциальным входным отверстием 11. Указанное отверстие 11 предназначено для ввода потока 4 водной системы в центральный канал указанного излучателя 2 и далее в полость ферромагнитной трубы 3 магнитного аппарата 1.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Предварительно следует пояснить, что указанное устройство в зависимости от технологического назначения обрабатываемых водных систем может быть размещено как на трубопроводе, так и в скважине.
Вначале собирают предлагаемое устройство путем жесткого соединения магнитного аппарата 1 и излучателя 2. Далее, в случае необходимости обработки, например, водных жидкостей в системах подготовки и транспорта сточной воды, или в теплоэнергетике, в водоснабжении для предотвращения накипеобразования, или на водоочистных сооружениях предприятий пищевой, текстильной, химической отраслей промышленности, встраивают это устройство в трубопровод. Или размещают заявляемое устройство в скважине путем его спуска на насосно-компрессорных трубах до уровня пласта. Причем установка устройства производится таким образом, чтобы излучатель 2 всегда находился перед магнитным аппаратом 1 по ходу протекания потока 4 водной системы.
После указанной установки предлагаемого устройства производят подачу через него потока 4 водной системы. При этом при подаче под давлением водной системы через тангенциальное отверстие 11 внутри камеры завихрения 8 излучателя 2 образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры 8 движется, так называемый, первичный вихрь, имеющий в поперечном сечении форму кольца. Этот поток состоит из рабочего вещества (водной системы), подаваемого в вихревую камеру 8. Если истечение закрученной струи затопленное, то в потоке 4 генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров вихревой камеры 8. Возникающее вращательное движение водной системы в вихревой камере 8 приводит к генерации звуковых волн. Вращательное движение водной системы на выходе из центрального канала вихревой камеры 8 излучателя 2 через сопло 9 приводит к тому, что в магнитный аппарат 1 поступает закрученный поток жидкости. Поскольку работа вихревого излучателя 2 сопровождается периодическим появлением газовой полости, то движение водной системы в рабочем канале - в трубе 3 магнитного аппарата 1 будет происходить по винтовой линии в тонком пристеночном слое. Это, во-первых, приводит к увеличению градиента скорости потока в рабочем канале - внутри трубы 3 магнитного аппарата 1, а во-вторых, поскольку максимальная напряженность магнитного поля в магнитном аппарате 1 приурочена к стенкам рабочего канала - трубы 3, поэтому такое движение водной системы позволяет обработать водную систему магнитным полем с максимальным значением напряженности.
Кроме того, пульсация водной системы в излучателе 2 приводит к диспергированию мехпримеси, находящейся в водной системе, и к генерации микро- и макропузырьков газа и звукохимическим реакциям в водной системе, что увеличивает число носителей заряда. Все это в совокупности повышает эффективность последующей магнитной обработки водной системы.
Предлагаемое устройство было испытано в лабораторных условиях. В качестве обрабатываемой водной системы были использованы:
- сточная вода Осинской УППН (рН=6,95; содержание сероводорода - 376,5 мг/л; скорость пропускания по магнитному аппарату 1,5 м/с). При этом по известной методике определяли возникающий при пропускании через устройство защитный эффект от коррозии указанной сточной воды при различной напряженности магнитного поля (фиг.2) и защитный эффект от коррозии (т.е. это является технологически требуемым свойством для водной системы - сточной воды для ППД, или для систем водоснабжения или пр.) при различных условиях воздействия (пропусканием только через вихревой гидродинамический звуковой излучатель, только через магнитный аппарат и через заявляемое устройство) (фиг.3);
- реагент для кислотной обработки представлял собой 15%-ный водный раствор соляной кислоты (HCl). При этом определяли скорость растворения карбонатной породы (т.е. это является технологически требуемым свойством для водной системы - реагента для кислотной обработки пласта) указанным реагентом до и после пропускания его через предлагаемое устройство (фиг.4).
Данные, полученные в ходе испытаний по обработке предлагаемым устройством водных систем различного технологического назначения, показывают:
- коррозионная активность обработанной сточной воды снизилась на 33-50% в сравнении с обработкой воды только гидродинамическим излучателем и на 30-200% в сравнении с обработкой этой воды только магнитным полем магнитного аппарата;
- скорость растворения карбонатных пород кислотным реагентом снизилась на 15-20% в сравнении с реагентом, обработанным только магнитным полем, и на 35-40% в сравнении с обработкой только вихревым гидродинамическим излучателем;
- измельчение мехпримесей в обрабатываемой сточной воде происходит до микрочастиц, соизмеримых с размерами пор коллектора, т.к. 95% продиспергированных предлагаемым устройством частиц имеют размеры менее 2 микрон, что позволяет им свободно мигрировать вместе со сточной водой или другой системой, не вызывая кольматации продуктивного горизонта.
Все вышеизложенное позволяет повысить эффективность обработки водных систем предлагаемым устройством.