УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности, к устройствам магнитной обработки нефти для предотвращения асфальтосмолистых и парафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах и снижения коррозионной активности.
Устройство содержит внешнюю ферромагнитную трубу и внутреннюю немагнитную трубу для протекания жидкости с установленными на ее внешней поверхности в кольцевом зазоре не менее двух кольцевых магнитов, каждый из которых выполнен из двух полуколец, намагниченных радиально противоположно и составленных из прилегающих друг к другу нерабочими поверхностями стержневых постоянных магнитов. Магнитные полукольца, ориентированные южными полюсами к немагнитной трубе, смещены вдоль трубы по направлению против потока жидкости, а магнитные полукольца, ориентированные северными полюсами к немагнитной трубе, смещены вдоль трубы по направлению потока жидкости, при этом сдвинутые магнитные полукольца соседних магнитных колец установлены на внутренней поверхности ферромагнитных втулок на расстоянии, не меньшем внутреннего диаметра данных втулок, образуя модули с возможностью их свободного поступательного и вращательного смещения на центральной немагнитной трубе, а с обоих торцев магнитные модули разделены распорными немагнитными втулками и закреплены на центральной немагнитной трубе торцевыми фланцами, имеющими резьбовые соединения с внешней ферромагнитной трубой и герметизирующие уплотнительные кольца между фланцами и контактными поверхностями центральной немагнитной и внешней ферромагнитной труб.
Изобретение относится к нефтепромышленности, в частности, к устройствам магнитной обработки нефти с целью предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в насосно-компрессорных трубах (НКТ) и в трубопроводах, а также для снижения коррозионной активности добываемой жидкости.
Устройство может быть использовано в системах тепловодоэнергетики, химических технологиях, строительстве, сельском хозяйстве, медицине и т.п.
Известен ряд устройств [1-2] для магнитной обработки жидкости, включающих ферромагнитный корпус и размещенные внутри него по пути тока жидкости постоянные магниты с различными конструкциями их магнитных систем и способов крепления. Омагничивание жидкости достигается при ее прохождении между магнитами.
Главный недостаток этих устройств - снижение проходного отверстия трубопровода и невозможность использования их при наличии в трубе насосной штанги.
Известен ряд устройств [3-4], содержащих ферромагнитную трубу и установленные на ее внешнюю поверхность постоянные кольцевые магниты попарно, охваченные герметично ферромагнитным экраном и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы. Постоянные кольцевые магниты составлены из стержней прямоугольного сечения.
Магнитная система в данных устройствах не эффективна для магнитной обработки жидкостей. Так, в устройстве для магнитной обработки жидкости [5], принятом за аналог, имеются следующие недостатки:
1. Постоянные магниты со всех сторон зашунтированы ферромагнитным материалом, поэтому в рабочей зоне существуют низкие значения индукции магнитного поля. Экспериментально установлено, например, что ферромагнитная труба внутренним диаметром 60 мм и толщиной стенки 5 мм, на поверхности которой установлены постоянные магниты, ослабляет магнитное поле внутри трубы в зоне протекания
жидкости в три раза.
2. В радиально намагниченных кольцевых магнитах, а именно такие составные магниты используются в данном устройстве, существует зона в центре кольца (порядка 1/3 внутреннего диаметра), где индукция магнитного поля близка к нулю, поэтому значительная часть потока жидкости проходит без обработки магнитным полем.
Наиболее близким к предполагаемому техническому решению по технической сущности является устройство для магнитной обработки жидкости, выбранное в качестве прототипа, содержащее ферромагнитую трубу и не менее двух кольцевых магнитов, расположенных вдоль нее, каждый из которых составлен из прилегающих друг к другу нерабочими поверхностями стержневых постоянных магнитов. Магнит выполнен из двух полуколец, намагниченных радиально противоположно, и установлен между ферромагнитной трубой и внутренней немагнитной трубой для прохода жидкости вплотную к ним главными поверхностями [5].
Недостатком указанного устройства является низкая эффективность магнитной обработки жидкости. Это объясняется тем, что в данном устройстве аксиальное магнитное поле резко ослаблено по сечению трубы с потоком жидкости, особенно в центральной части. При этом аксиальное поле характеризуется размытыми границами, что свидетельствует о низких градиентах напряженности этого поля. Все это не позволяет получить высокую эффективность при магнитной обработке жидкостей с различными физико-химическими свойствами (например, нефти, воды и т.д.) и с различными скоростями движения по рабочему зазору.
Проведенный анализ показал, что существующие устройства для магнитной обработки жидкости работают либо с аксиальными, либо с радиальными магнитными полями. Так, в рассмотренном аналоге [4] практически отсутствует радиальная составляющая напряженности магнитного поля. В устройстве [5], принятом за прототип, практически отсутствует аксиальная составляющая магнитного поля. Общим недостатком рассмотренных устройств является их низкая надежность при работе в агрессивной среде с высоким давлением, например, в скважине.
Основная идея предлагаемого устройства состоит в формировании магнитной системы с двумя примерно равными составляющими напряженности магнитного поля: аксиальной и радиальной.
Целью изобретения является повышении эффективности магнитной обработки потока жидкости с любыми скоростями движения и любыми физико-химическими свойствами путем усиления напряженности аксиального магнитного поля в рабочем зазоре и обработки потока жидкости как радиальным, так и аксиальным магнитным полем.
Дополнительной целью является упрощение монтажа устройства и повышение надежности герметизации магнитной системы для обеспечения возможности работы в агрессивной среде с высоким давлением, например, в скважине.
Поставленная задача реализована в устройстве для магнитной обработки жидкости, содержащем внешнюю ферромагнитную трубу и внутреннюю немагнитную трубу для протекающей жидкости с установленными по ее внешней поверхности в кольцевом зазоре не менее двух кольцевых магнитов, каждый из которых выполнен из двух полуколец, намагниченных радиально противоположно, составленных из прилегающих друг к другу нерабочими поверхностями стержневых постоянных магнитов, образующих общее диаметральное магнитное поле в одном кольце и магнитное поле с диаметрально противоположным направлением в соседнем кольце.
Новым является то, что магнитные полукольца соседних магнитных колец, ориентированные южными полюсами к немагнитной трубе, смещены от начального положения противостояния магнитных полуколец вдоль трубы по направлению против потока жидкости, а магнитные полукольца, ориентированные северными полюсами к немагнитной трубе, смещены вдоль трубы по направлению потока жидкости, при этом
сдвинутые магнитные полукольца соседних магнитных колец установлены на внутренней поверхности ферромагнитной втулки на расстоянии друг от друга, не меньшем внутреннего диаметра втулки, которая имеет возможность как осевого, так и вращательного смещения по центральной диамагнитной трубе, при этом с торцев ферромагнитных втулок на диамагнитной трубе установлены распорные диэлектрические втулки, а с торцев устройства - магнитная система, собранная на центральной диэлектрической трубе, зафиксирована герметизирующими фланцами, имеющими резьбовое соединение с внешней ферромагнитной трубой и уплотнительные кольца.
Известно, что эффективность магнитной обработки жидкости и защита НКТ от АСПО осуществляется в результате значительного увеличения числа центров кристаллизации парафинов путем превращения грубодисперсной взвеси кристаллов парафина в тонко дисперсную устойчивую в объеме взвесь путем создания в скважинной жидкости взвешенного слоя гидрофобных частиц - центров кристаллизации парафинов и выноса их потоком жидкости на поверхность.
На разрушение грубодисперсных агрегатов парафина, кроме их ориентации во внешнем магнитном поле, дополнительно влияют градиент магнитного поля, сила Лоренца, эффект перемагничивания с вращением частиц, которые совместно многократно усиливают действие постоянного магнитного поля при правильном выборе распределения поля в зазоре, где протекает нефть.
Известно, что магнитное поле, в котором движется жидкость, изменяет угловую скорость движения электронов вокруг атомного ядра. Это изменение угловых скоростей электронов происходит в процессе нарастания того магнитного поля (градиента), в которое попадают атомы вещества, и является результатом возникновения вихревого электрического поля, действующего на электрон.
Согласно теореме Лармора единственньм результатом влияния магнитного поля на электронную орбиту является прецессия орбиты и вектора магнитного момента, создаваемого движением электрона по орбите (орбитального магнитного момента) с угловой скоростью Лармора вокруг оси, проходящей через центр орбиты и параллельной вектору напряженности магнитного поля.
Поскольку ориентация осей электронных орбит атомов жидкости, движущейся в постоянном магнитном поле, хаотична, для эффективного воздействия магнитного поля на вещество необходимо наличие как радиальной, так и аксиальной составляющих внешнего магнитного поля во всех точках сечения потока жидкости.
Однако аксиальная составляющая магнитного поля в устройстве, принятого за прототип, незначительна, вследствие чего и эффект воздействия полем на жидкость является недостаточно высоким.
Для эффективного воздействия магнитного поля на обрабатываемую жидкость необходимо выполнение следующих условий, предъявляемых к устройству для магнитной обработки жидкости:
1. Наличие как радиальной, так и продольной составляющих магнитного поля во всех точках сечения потока жидкости.
2. Максимальный магнитный поток должен быть направлен через рабочий зазор магнитного аппарата с протекающей жидкостью.
3. Максимальная напряженность магнитного поля в каждой пучности.
4. Максимальный градиент магнитного поля в каждой пучности.
5. Возможность и удобство юстировки магнитного поля магнитной системы магнитного аппарата в процессе сборки и тестирования магнитных полей.
Удовлетворение вышеперечисленных условий эффективного воздействия магнитным полем на обрабатываемую жидкость обеспечивается предложенными в заявляемом устройстве конструктивными признаками. Благодаря тому, что южные полюса магнитных полуколец, прилегающие к трубе с жидкостью, смещены по направлению против потока жидкости, а северные полюса магнитных полуколец смещены
вдоль трубы по направлению потока жидкости, достигнута более оптимальная, регулируемая конфигурация магнитного поля в рабочем зазоре жидкости, имеющего как радиальную, так и аксиальную составляющие, соотношение между которыми определяется углом наклона магнитного потока между смещенными полюсами к потоку жидкости, при этом аксиальный магнитный поток ориентирован встречно потоку жидкости.
Экспериментальные исследования магнитных полей в рабочем зазоре предложенного устройства с использованием датчиков Холла показали наличие интенсивных магнитных полей как аксиального, так и радиального направлений, при этом магнитное поле распределено по всему сечению рабочего канала, достигая пучностей в подполюсных зонах рабочего канала. Вследствие максимального снижения потоков рассеяния магнитного поля через шунтирующие ферромагнитные элементы конструкции и более оптимального расположения магнитных полюсов по длине рабочего канала получены максимальные значения напряженности магнитного поля и градиента магнитного поля в каждой пучности, что является основной предпосылкой эффективного воздействия магнитного поля на обрабатываемую жидкость. Благодаря тому, что магнитные полукольца соседних магнитных колец установлены на внутренней поверхности ферромагнитных втулок с диаметрально противоположными, продольными щелевыми перфорациями и перемычками не менее, чем в двух точках, образованы магнитные модули с возможностью их свободного поступательного и вращательного смещения по центральной трубе, при этом наличие продольных щелевых перфораций во втулке предотвращает шунтирование магнитного потока вокруг центральной трубы с жидкостью по стенкам ферромагнитной втулки, а возможность свободного поступательного и вращательного перемещения модуля снижает трудоемкость монтажа устройства и обеспечивает возможность оптимального размещения магнитных модулей по центральной трубе в процессе юстировки магнитной системы.
Благодаря тому, что магнитные модули, разделенные распорными немагнитными втулками, закреплены по центральной немагнитной трубе торцевыми фланцами, имеющими резьбовое соединение с внешней ферромагнитной трубой и герметизирующие уплотнительные кольца между фланцами и контактными поверхностями центральной немагнитной и внешней ферромагнитными трубами, конструкция устройства имеет высокую надежность при работе в условиях скважины, так как постоянные магниты магнитных модулей защищены от коррозионного разрушения при контакте с минерализованной скважинной жидкостью.
Таким образом, цель, поставленная в изобретении, достигается благодаря созданию магнитного поля в рабочем зазоре с регулируемой аксиальной и радиальной составляющими, снижению магнитных потоков рассеяния, получению максимальной напряженности магнитного поля и максимального градиента магнитного поля в каждой пучности, формированию магнитной системы из магнитных модулей с возможностью их свободного поступательного и вращательного перемещения по центральной немагнитной трубе с рабочим каналом; фиксации и герметизации магнитных модулей на центральной трубе торцевыми фланцами, имеющими резьбовое соединение с внешней ферромагнитной трубой, и герметизирующими уплотнительными кольцами между фланцами и контактными поверхностями центральной немагнитной и внешней ферромагнитными трубами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено заявляемое устройство, продольный разрез; на фиг.2 - сечение по АА на фиг.1; на фиг.3 - схема расположения магнитных полуколец в магнитном трехрядном модуле с чередованием полярности S-N-S, N-S-N; на фиг.4, 5 - схемы расположения магнитных полуколец в двухрядном магнитном модуле с продольным противоположным смещением магнитных пар S-N; на фиг.6 представлено распределение радиальной составляющей напряженности магнитного поля по длине магнитного устройства; на фиг.7 - распределение аксиальной
составляющей напряженности магнитного поля по длине магнитного устройства, представленного на фиг.1.
Устройство для магнитной обработки жидкости (по фиг.1) содержит немагнитную трубу 1, предназначенную для транспортировки потока обрабатываемой жидкости, и установленные на ее поверхности магнитные модули 2, состоящие из ферромагнитных втулок 3 с установленными на их внутренней поверхности без зазора магнитных полуколец 4. По торцам каждого магнитного модуля установлены диэлектрические распорные втулки 5, состоящие из двух полувтулок. Снаружи магнитные модули охвачены ферромагнитной трубой, на которую с каждого из торцев навинчены фланцы 7, фиксирующие магнитную систему, состоящую из магнитных модулей 2 и герметизирующую ее кольцевыми уплотнениями 8,9 между фланцами и коаксиально расположенными центральной немагнитной с внешней ферромагнитой трубами.
Осевой сдвиг полукольцевых постоянных магнитов с радиально направленными магнитными полями обеспечивает создание как радиальной, так и аксиальной составляющих напряженности магнитного поля, что является одним из условий эффективного воздействия магнитного поля на обрабатываемую жидкость.
Экспериментально исследовано распределение магнитного поля заявляемого устройства в рабочем зазоре, при этом замерялись аксиальная и радиальная составляющая напряженности магнитного поля в центре и у внутренней стенки центральной немагнитной трубы. Как видно из графиков (фиг.6, 7), фактически зарегистрировано сильное магнитное поле как радиального, так и аксиального направлений с ярко выраженными пучностями в подполюсных зонах и максимальными градиентом магнитного поля в каждой пучности. Магнитное поле присутствует во всем сечении рабочего канала, увеличивается по направлению от центра к стенке центральной трубы. Таким образом, магнитное поле меняет величину напряженности как по длине трубы, так и по ее радиусу. Следствием этого является наличие как продольного, так и радиального градиента напряженности магнитного поля. Продольный и радиальный градиенты напряженности магнитного поля достигают максимальных значений в пучностях в подполюсных зонах. Таким образом, заявляемое устройство удовлетворяет условиям, выполнение которых необходимо для эффективной обработки жидкости.
Модульная структура магнитной системы устройства упрощает монтаж устройства и его ремонт в случае необходимости, а также облегчает точную юстировку магнитной системы в процессе сборки, при этом юстировка магнитного полумодуля осуществляется смещением магнитных полуколец на внутренней поверхности полувтулки, юстировка магнитного модуля осуществляется продольным смещением верхнего полумодуля относительно нижнего полумодуля, а юстировка магнитной системы осуществляется продольным смещением модулей друг относительно друга и поворотом одного модуля относительно другого.
Устройство имеет надежную герметизацию и адаптировано для монтажа в колонну насосно-компрессорных труб в процессе спуско-подъемных операций с использованием стандартного оборудования бригад по подъемному ремонту скважин.
Устройство работает следующим образом. Для магнитной обработки жидкости, например, нефти, с целью предотвращения отложений АСПВ заявляемой устройство монтируют в колонну НКТ и опускают в скважину на 100-150 метров ниже уровня начала отложений парафина. При прохождении нефти по рабочему зазору немагнитной трубы 1 нефть обрабатывается аксиальными магнитными полями, направленными вдоль и навстречу потоку жидкости, а также радиальными магнитными полями, перпендикулярными потоку жидкости. Поскольку ориентация осей электронных орбит атомов жидкости, движущейся в постоянном магнитном поле, хаотична, для эффективного воздействия магнитного поля на вещество необходимо наличие как радиальной, так и продольной составляющей внешнего магнитного поля во всех точках сечения потока жидкости, что и достигнуто в заявляемом устройстве.
На разрушение грубодисперсных агрегатов парафина, кроме их ориентации во внешнем магнитном поле, дополнительно влияют градиент магнитного поля, сила Лоренца, эффект перемагничивания с вращением частиц, которые совместно многократно усиливают действие постоянного магнитного поля при правильном выборе распределения поля в зазоре, где протекает нефть.
В результате значительного увеличения числа центров кристаллизации парафинов путем превращения грубодисперсной взвеси кристаллов парафина в тонкодисперсную устойчивую в объеме взвесь, что обусловлено созданием в скважинной жидкости взвешенного слоя гидрофобных частиц - центров кристаллизации парафинов и их выносом потоком жидкости на поверхность.
Вследствие снижения потоков рассеяния через шунтирующие ферромагнитные элементы конструкции повышена напряженность магнитного поля в рабочем зазоре и образована необходимая для эффективной работы устройства аксиальная составляющая напряженности магнитного поля, направленная против потока жидкости и практически отсутствующая в аналоге.
Наблюдается рост амплитуды аксиальной составляющей напряженности магнитного поля в рабочем зазоре в 10 и более раз и резкий рост ее градиентов по сравнению с прототипом.
Данное устройство можно использовать как в нефтяных скважинах, так и в трубопроводах систем сбора и транспорта нефти для предотвращения отложений АСПВ, снижения вязкости высоковязких эмульсий, снижения коррозионной активности жидкости.
Лабораторные и промысловые испытания опытных образцов показали их высокую эффективность, заключающейся в повышении межочистного периода скважин в пять раз и более.
Источники информации
1. RU, патент 2091323, кл. С 02 F 1/48, 1997.
2. RU, патент 2133710, кл. С 02 F 1/48, 1999.
3. RU, патент 2085507, кл. С 02 F 1/48, 1997.
4. RU, патент 2127708, кл. С 02 F 1/48, 1999.
5. RU, патент 2198849, кл. С 02 F 1/48, 2001.