СПОСОБ ПОДАЧИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ
METHOD FOR FLUID MEDIUM SUPPLY

Изобретение относится к технологиям и оборудованию по обработке и подаче жидких сред и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, химической, медицинской и в других отраслях промышленности.
Подача жидких сред к потребителю, как правило, осуществляется по трубопроводной системе и в результате наличия вязкости самих жидких сред и неоднородности их состава сопровождается большими энергетическими затратами. А в случае высоковязких жидких сред с большим количеством примесей и неоднородной структурой, на стенках труб постепенно накапливаются отложения, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления трубопроводов и даже к их полной закупорке.
Известен способ подачи жидкой среды от источника к потребителю путем определения физико-химических параметров жидкой среды в источнике, организации транспортного канала и обеспечения требуемого перепада давления вдоль упомянутого канала. Патент России №2003784, МПК Е21В 43/00, опубл. 1992 г.
Согласно указанному способу перепад давления вдоль рабочего канала осуществляют насосом, а в зазоре между насосом и стенками транспортного канала формируют высокоскоростные эжекторные струи для охлаждения электродвигателя насоса.
Недостатками указанного способа являются высокие энергетические затраты, образование постоянно увеличивающихся отложений из жидкой среды на стенках канала, повышение гидравлического сопротивления самого канала, уменьшение расхода прокачиваемой через него жидкой среды и снижение технологичности процесса в целом.
Ближайшим техническим решением является способ подачи высоковязкой нефти при эксплуатации нефтяных месторождений к потребителю путем определения физико-химических параметров нефти в месторождении, организации транспортного канала и обеспечения требуемого перепада давления вдоль упомянутого канала. Патент России №2088749, МПК Е21В 43/00, опубл. 1997 г.
В указанном техническом решении одновременно с подачей высоковязкой нефти по транспортному каналу организуют пленочное течение по стенкам канала маловязкой технологической жидкости, которая препятствует контакту нефти непосредственно со стенками и тем самым снижает трение течения нефти в транспортном канале.
Недостатком указанного технического решения является то, что для его обеспечения требуется дополнительная технологическая оснастка, постоянная подача посторонней технологической жидкости в значительных количествах, увеличение подаваемой через канал общего количества жидкой среды, снижение подачи непосредственно самой нефти и снижение технологичности процесса подачи нефти к потребителю в целом.
Целью изобретения является уменьшение вязкости подаваемой жидкой среды, снижение отложений из нее на стенки транспортного канала, повышение пропускной способности самого канала, уменьшение материальных и энергетических затрат на прокачку жидкой среды и повышение технологичности процесса в целом.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе подачи жидкой среды, преимущественно смеси жидких углеводородов, от источника к потребителю путем определения физико-химических параметров жидкой среды в источнике, организации транспортного канала и обеспечения требуемого перепада давления вдоль упомянутого канала по ходу движения жидкой среды устанавливают значения ее давления вдоль транспортного канала, выбирают по ходу ее движения первое и второе заданные значения давления, на первом из которых создают в канале дополнительное сопротивление, преобразуют движение жидкой среды во вращательно-винтовое с приданием ей определенного соотношения угловой и поступательной скоростей и формируют кавитационную область, а второе заданное значение давления принудительно снижают до требуемого уровня и постоянно поддерживают указанный уровень с образованием зоны за дополнительным сопротивлением.
Кроме того, могут вести контроль значения вязкости жидкой среды за управляемой зоной кавитации и осуществлять регулировку зоны кавитации в соответствии с упомянутым значением вязкости, а при использовании смеси жидких углеводородов могут дополнительно определять наноструктуру упомянутой смеси в источнике, в соответствии с которой выбирают значение соотношения угловой и поступательной скоростей смеси.
Описываемый способ подачи жидкой среды от источника к потребителю может быть реализован при использовании любой жидкости, например воды, смеси жидких углеводородов (нефти и нефтепродуктов), эмульсий и т.д., как при транспортировке ее по надземной трубопроводной системе, так и при ее скважинной добыче.
При реализации описываемого способа в каждом конкретном случае, в зависимости от физико-химических параметров подаваемой жидкой среды и от вида самого источника, может быть использовано то или иное конкретное устройство.
На Фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предложенный способ подачи жидкой среды к потребителю по надземной трубопроводной системе,
на Фиг.2 схематично изображено устройство, реализующее предложенный способ подачи жидкой среды к потребителю при ее скважинной добыче,
на Фиг.3 - вариант выполнения системы преобразования потока в виде пульсационного аппарата роторного типа,
на Фиг.4 - вариант выполнения системы преобразования потока в виде динамического сопла.
При подаче жидкой среды 1 от источника 2 к потребителю 3 организуют транспортный канал 4. Если источник 2 обладает необходимым значением давления для подачи среды, например напором скважины, то в качестве движущей силы используют его собственное давление. Если же давление в источнике 2 отсутствует или же его значения недостаточно для подачи среды 1 к потребителю 3, то необходимое значение давления в источнике 2 обеспечивают любым известным образом, например установкой насоса 5. В общем случае определяют физико-химические параметры жидкой среды 1 и расчетным либо опытным путем определяют значения давления среды вдоль всего транспортного канала 4 при возможной прокачке среды под давлением источника 2. Определяют местонахождение в канале 4 первого и второго заранее заданных значений давления и в месте канала с первым заданным значением давления в канале размещают местное сопротивление, а в месте со вторым заданным значением давления в канале устанавливают понижающее устройство 6, позволяющее принудительно снизить второе заданное значение давления до требуемого уровня с образованием управляемой зоны кавитации 7. В качестве местного сопротивления выбирают систему 8 преобразования потока, обеспечивающую вращательно-винтовое движение среды 1 с приданием ей определенного соотношения угловой и поступательной скоростей и одновременно формирующую кавитационную область 9.
Следует отметить, что при использовании предложенного способа существует жесткая зависимость объема и месторасположения управляемой зоны кавитации 7 относительно источника 2, величин задаваемых первого и второго значений давления и значения уровня, до которого снижается второе давление, с физико-химическими параметрами жидкой среды, ее расходом, протяженностью транспортного канала 4 и используемым оборудованием.
В каждом конкретном случае, для каждой конкретной жидкой среды в соответствии с ее физико-химическими параметрами, первое и второе заданные значения давления предварительно вычисляются и задаются из условия создания управляемой зоны кавитации 7 с необходимым объемом в требуемом месте относительно источника 2 и с учетом возможности создания необходимых рабочих условий с используемым оборудованием. Значение первого заданного давления и его местонахождение определяется из необходимости создания оптимального рабочего давления на входе в используемую систему 8 преобразования потока. И при выборе той или иной системы 8 соответственно изменяется и оптимальное рабочее давление на входе в нее и, отсюда, значение и местонахождение первого заданного давления. Значение второго заданного давления определяется, в свою очередь, как техническими характеристиками выбранного понижающего устройства 6, так и необходимостью обеспечения оптимальности работы выбранной системы 8 преобразования потока.
В то же время в своей совокупности первое и второе заданные значения давления должны обеспечить создание управляемой зоны кавитации 7 с требуемым значением объема.
В каждом конкретном случае в качестве системы 8 преобразования потока может быть использовано любое известное устройство, например, пульсационный аппарат роторного типа со статором 10 и ротором 11, динамическое сопло с элементами 12 и 13, формирующими соответственно вихревую и кавитационную области, или же любое другое известное техническое решение.
В качестве понижающего устройства может быть использована, например, разомкнутая полость, или же насос 14, при этом технические характеристики насоса 14 должны быть согласованы с давлением источника, расходом жидкой среды и требуемым уровнем давления, до которого необходимо понизить значение второго заданного давления, или же любое другое известное техническое решение.
Уровень давления, до которого понижают значение второго заданного давления, определяется выбором конкретной системы 8 преобразования потока, ее рабочими характеристиками и должен обеспечивать ее оптимальную работу.
Выбор того или иного оборудования, реализующего описываемый способ, с той или иной технологической оснасткой, оказывает влияние на степень снижения вязкости жидкой среды и оптимальность выбора оборудования обусловлена физико-химическими параметрами подаваемой среды и необходимой степенью снижения ее вязкости.
Реализация предложенного способа подачи жидкой среды описывается при использовании наиболее эффективного оборудования, наиболее эффективно и гарантированно обеспечивающего снижение вязкости жидкой среды. В качестве системы 8 преобразования потока выбирается динамическое сопло, а в качестве понижающего устройства - насос 14.
Предварительно, перед подачей жидкой среды 1, определяют ее физико-химические параметры, а также необходимое значение давления в источнике 2 для обеспечения заданного расхода среды 1 по организованному транспортному каналу 4 и расчетным либо опытным путем устанавливают значения ее давления вдоль канала 4.
В соответствии со свойствами жидкой среды 1 и ее потребного расхода выбирают динамическое сопло с соответствующими рабочими и техническими характеристиками и понижающий насос 14. Определяют значения рабочего давления на входе и выходе из динамического сопла для его оптимальной работы. И с учетом рабочих характеристик насоса 14 задают первое и второе значения давлений, а также уровень давления, до которого снижают значение второго заданного давления. Определяют местонахождение первого и второго заданного значения давления в транспортном канале 4 и в соответствующих местах размещают динамическое сопло и насос 14. По завершении предварительных работ начинается подача жидкой среды 1.
Жидкая среда 1 подается на вход сопла и при ее прохождении через сопло поток закручивается на элементе 12, приобретая форму спирали с заданным значением соотношения угловой и поступательной скоростей, а элемент 13 обеспечивает непрерывное зарождение кавитационных пузырьков, которые выстраиваются по ходу движения обрабатываемого потока среды с формированием кавитационной области 9, которая далее переходит в управляемую зону кавитации 7.
В процессе обработки жидкая среда при прохождении через зону кавитации 7 подвергается воздействию ударных волн, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков. Кроме того, происходит частичный «микрокрекинг» - разрыв химических связей с образованием радикалов и углеводородов с меньшей молекулярной массой. Вращение потока обеспечивает полноту кавитационной обработки всего потока.
Выбором конструктивных особенностей элементов 12 и 13, а также заданием соответствующих радиальной и поступательной скоростей обрабатываемого потока обеспечивают определенный объем управляемой зоны кавитации 7, ее интенсивность и, соответственно, степень воздействия кавитации на состояние жидкой среды. В результате комплексной обработки потока жидкой среды в вихревом и кавитационном полях вязкость ее снижается и отложения на стенках канала 4 уменьшаются.
В процессе обработки среды могут вести контроль значения ее вязкости и, при необходимости, осуществлять регулировку размера управляемой зоны кавитации через управление параметрами потока жидкой среды до системы 8 преобразования потока или же регулировкой степени снижения значения второго заданного давления с помощью насоса 14.
При подаче смеси жидких углеводородов (нефти и нефтепродуктов) в дополнение к физико-химическим параметрам могут определять также и наноструктуру смеси (мицеллы, конгломераты и т.д.), в соответствии с которой и выбирают ту или иную конструкцию элементов 12 и 13 динамического сопла, обеспечивающую оптимальное соотношение угловой и поступательной скоростей для обработки смеси с определенной наноструктурой.
Таким образом, предложенное техническое решение уменьшает вязкость подаваемой жидкой среды, снижает отложения из нее на стенки транспортного канала, повышает пропускную способность самого канала, уменьшает материальные и энергетические затраты на прокачку жидкой среды и повышает технологичность процесса в целом.