Экспериментальные исследования электромагнитных свойств нефти и нефтяных отложений в диапазоне частот 8-18 ГГц Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 621.365.55: 536.331

В. А. МАИСТРЕНКО И. В. БОГАЧКОВ А. И. ЕЛЕЦКИЙ Е. А. КАТУНСКИЙ

2 |

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НЕФТИ И НЕФТЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 8-18 ГГЦ_

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных свойств нефти и нефтяных отложений в диапазоне частот 8—18 ГГц.

Известно, что эффективность нагрева с помощью электромагнитных (ЭМ) волн (ЭМВ) увеличивается с ростом частоты [1, 21. Однако в нефтедобывающей промышленности для расплавления ас-фальтопарафиновых пробок в трубах скважин, для снижения вязкости нефти и т. п. обычно применяются достаточно низкие частоты (13,56 МГц) [1,2].

Применяемые в скважинах трубы стандартных диаметров образуют эквивалентные направляющие системы для ЭМВ (круглый волновод, коаксиальная линия). Оптимальные рабочие частоты этих направляющих систем с учетом их эквивалентных нагрузок будут находиться в микроволновом диапазоне (УВЧ - 0,3-3 ГГц, СВЧ - 3 - 30 ГГц).

В публикациях [1,2] приводятся некоторые ЭМ параметры нефти и нефтесодержащих материалов в диапазоне частот до 1 ГГц.

Даже на НЧ нефть является диэлектриком (проводимость практически равна нулю), поэтому на УВЧ и СВЧ ЭМ потери в нефти определяются только поляризационными эффектами, и тангенс угла диэлектрических потерь tg¿> определяется только поляризационными потерями. В дальнейшем будем полагать, что магнитными свойствами нефть не обладает (/л = 1), а суммарные потери в исследуемых веществах незначительны (1%8 < 0,1).

Для определения ЭМ свойств нефти и жидких нефтесодержащих материалов (нефтяные отложения в скважинах, трубопроводах и т. п.) в диапазоне частот 8—18 ГГц были проведены экспериментальные исследования отрезка коаксиальной линии, который имеет разбираемую конструкцию и полностью заполняется исследуемым веществом [3,5].

Длина отрезка I = 9 см, диаметр внутреннего проводника 3 мм, а диаметр внешнего проводника 7 мм. Характеристическое сопротивление 2с незаполненного измеряемого коаксиального отрезка, как и соединительных отрезков коаксиальных линий, составляет 50 Ом. Размеры этого отрезка выбраны так, чтобы в линии во всем диапазоне обеспечивался одномодовый режим.

Схема эксперимента, методика измерений и расчетов подробно описана в работе [3], а результаты измерений и полученные результаты в диапазоне от 2 до 8,5 ГГц — в работе [5].

Для измерений использовался панорамный измеритель КСВН (коэффициента стоячей волны по напряжению) и ослабления (А, дБ) Р2-104 [5].

Приборные погрешности измерений: ДКСВ(%) = = 5КСВ|1ам; ДА (дБ) = ±(0,04А,т, + 0,3); М(%) = 0ДИМ[5].

После калибровки в систему подключался объект измерения и измерялись его частотные характеристики (ЧХ): КСВН на входе и А(дБ) на выходе.

На рис. 1 представлена фотография экрана измерителя при заполнении отрезка нефтяными отложениями.

На рис. 2 приведены данные эксперимента КСВН (О, а на рис. 3 - А, дБ (0.

Кроме данных для заполненного отрезка нефтью и нефтяными отложениями, также приведены графики для незаполненного отрезка. Данные эксперимента для удобства соединены интерполяционной кривой.

На рис. 4 и 5 приведены ЧХ модулей коэффициентов отражения (Гвх) и передачи (Т21) отрезка линии, полученные из графиков рис. 2 и 3.

Перед началом экспериментов с нефтяными

и Т I от-

образцами были измерены ЧХ |Гчист

резков без заполнения. Это позволило выделить систематическую погрешность эксперимента и скорректировать результат для заполненного отрезка. Анализ показал, что в незаполненном отрезке над потерями в проводниках преобладают потери в контактных соединениях [3].

При заполнении отрезка линии веществом изменяется и КСВН, и затухание. Из этой информации можно вычислить ЭМ характеристики заполнения: е (относительная диэлектрическая

Рис. 1. Фотография ЧХ для отрезка, заполненного нефтяными отложениями

Г.ГГи

Рис. 2. ЧХ КСВН при заполнении отрезка линии нефтью (гр. 2), нефтяными отложениями (гр. 3) и без заполнения (гр. 1)

Г, ГГц

Рис. 3. ЧХ А (дБ) при заполнении отрезка линии нефтью (гр. 2), нефтяными отли>.<е'П1ями (гр 3) и без заполнения (гр. 1)

'f, ГГц

Г.ГГи

Рис.4.ЧХ |Г| при заполнении отрезка линии нефтью (гр. 21, нефтяными отложениями (гр. 3) и без заполнения (гр. 1)

Рис. 5. ЧХ модуля коэффициента передачи при заполнении отрезка линии нефтью (гр. 2), нефтяными отложениями (гр. 3) и без заполнения (гр. 1)

f, ГГц

Рис. 6. ЧХ потерь в диэлектрике при заполнении отрезка нефтью (гр. 1) и нефтяными отложениями (гр. 2)

Г ГГц

Рис. 7. График частотной зависимости коэффициента поглощения: 1 - для заполнения нефтью, 2 - при заполнении нефтяными отложениями

, £0 ,______J_______4____,

1 ■

, - •• s -.....--+-------h

f, ГГц

f, ГГц

Рис. 8. ЧХ е нефти (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

Рис. 9. ЧХ е нефтяных отложений (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

(gj(0i zsk_...:—. ■ _ ... . i .....

Рис. 10. ЧХ 1д£ нефти (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

¿'(Г)

Рис. 12. ЧХ е" нефти (1 - усредненный график регрессии,

2 - интерполяция усредненных данных!

Г. ГГи

Рис. 11. ЧХ 1д<5 нефтяных отложений (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

г'(О

Г, ГГц

Рис. 13. ЧХ е': нефтяных отложений (I - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

о

X <

S

<

S

в

<

о

о. X

0

ж

проницаемость заполнения), х%5 • ё (комплексная относительная диэлектрическая проницаемость), е' (вещественная часть ё :е/ = е), е" (мнимая часть ё, связанная с потерями в диэлектрике).

ё = е'-\е" = ¿г(1 - = + е-"5 (1)

Полный коэффициент отражения на входе Гвк определяется суперпозицией волн, отраженных от входа и выхода (рис. 8).

Для получения количественных характеристик используются модели и методики, рассмотренные в [3, 5]. С помощью метода нагруженного многополюсника [3, 5] определяем связь коэффициента отражения на входе Гвх и коэффициент прохождения на выходе Т2] с коэффициентом отражения (скачок от границы раздела воздух-заполнение Г:

Г =

_ /4ё~2с _\-J~e _ 1 -У^^УГТ8)2 е-""2

\ + 4ё

1 + ^1 +(гёзу е-

- е"2а' е~2,/")

Г(1

, Т2| =

(1-Г2)е"д'е

1 _ р2 е-2"' е~21("

(2)

(3)

где а и р — коэффициенты затухания и фазы соответственно. При незначительных потерях в заполнении отрезка (ЩЗ < 0,1) для вычисления а и Р можно использовать упрощенные формулы (с — скорость света):

1 +

М) 8

2 Л

(4)

Потери в «чистом» отрезке (без заполнения) можно учесть вычитанием полученных результатов из зависимостей I Г (П1 и А(дБ) (Г) для заполненного отрезка. Наиболее точные результаты получаются при анализе относительных мощностей [3 — 5]. После преобразований [3] получаем формулу для потерь в заполняющем диэлектрике (а ):

а___= -

-1п(^1-|г,1иет

-1пТ21-

+ 1пТ

(5)

После вычисления ади.1д по формуле (5) подставляем результат в (4) и определяем \lslg5 ■ Затем

можно определить , еис" [3,5].

На рис. 6 приведены ЧХ потерь в диэлектрике при заполнении отрезка нефтью и нефтяными отложениями.

На рис. 7 приведены графики частотных зависимостей коэффициента поглощения (е который прямопропорционален мощности, погло-

щаемой в веществе, в типовой модели микроволнового нагрева.

На рис. 8 и 9 приведены ЧХ для е нефти и нефтяных отложений.

На рис. 10 и 11 приведены аналогичные ЧХ для

ЧХ для нефти и нефтяных отложений приведены на рис. 12 и 13.

Выводы. Потери в нефтяных отложениях, как показывает анализ, в рассматриваемом диапазоне частот заметно превышают потери в чистой нефти (рис. 6), поэтому эти отложения будут нагреваться сильнее, чем чистая нефть (рис. 7). Данный эффект можно использовать для снижения вязкости нефти в нефтепроводе при транспортировке нефти, что в итоге уменьшит отложения на стенках нефтепровода.

Потери в нефтяных отложениях достаточны для реализации микроволнового нагрева.

Библиографический список

1. Известия вузов. Нефть и газ. — Тюмень: ТюмГНТУ, 2001 — 2005.

2. Кицис С. И. К оптимальной частоте ВЧ нагрева приэа-бойной зоны нефтяной скважины / С.И. Кицис // Известия вузов. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001. - №2. - С. 50 - 57.

3. Майстренко В.А. Экспериментальные исследования электродинамических свойств жидких веществ в микроволновом диапазоне / В.А. Майстренко, И.В. Богачков, А,И. Елецкий, Е.А Катунский // Омский научный вестник. — Выпуск №1( 34). - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006, - С. 286.

4. Елецкий А. И. Предварительная оценка затухания электромагнитных волн за счет нефтяного загрязнения волновода / А.И. Елецкий, Е.А. Катунский, И.В. Богачков // Омский науч-ныйвестник. - Вып. 2(27). - Омск: ОмГТУ, 2004. - С. 122- 124.

5. Майстренко В.А. Экспериментальные исследования электромагнитных свойств нефти и нефтяных отложений в диапазоне 2 — 8,5 ГГц / В.А. Майстренко, И.В. Богачков, А.И. Елецкий, Е.А. Катунский // Омский научный вестник. — Выпуск №1(34). - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. - С. 286 .

МАЙСТРЕНКО Василий Андреевич, д. т. н., профессор; проректор по информатизации ОмГТУ, зав. кафедрой «Средства связи и информационная безопасность».

БОГАЧКОВ Игорь Викторович, к. т. н., доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность».

ЕЛЕЦКИЙ Алексей Ильич, инженер кафедры «Средства связи и информационная безопасность». КАТУНСКИЙ Евгений Александрович, ведущий инженер ЦКБА, ст. преподаватель кафедры «Средства связи и информационная безопасность».

Дата поступления статьи в редакцию: 10.02.06 г. ® Майстренко В.А., Богачков И.В., Елецкий А.И., Катунский Е.А.