Нетрадиционный метод борьбы с парафиноотложениями в нефтяной скважине Текст научной статьи по специальности «Физика»

Существующие способы борьбы с отложениями парафина, особенно с применением реагентов, позволяют добиться эффективного воздействия при условии обязательного изучения условий отложений и свойств парафина для каждого конкретного месторождения, так как физико-химические параметры пластовых флюидов имеют широкий разброс. Недостатком применения химических реагентов является необходимость его тщательного подбора для каждого конкретного месторождения.

НЕТРАДИЦИОННЫЙ МЕТОД БОРЬБЫ

С ПАРАФИНООТЛОЖЕНИЯМИ В НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЕ

Х.Н. МУЗИПОВ, к.т.н., академик РАЕН Ю.А. САВИНЫХ, к.т.н., академик РАЕН

нач. отдела ТОП

проф. кафедры «Электроэнергетика»

г. Тюмень

Известные способы по удалению отложений парафино-смолистых соединений в трубах, например, прогрев ствола скважины (электронагревателем) или промывка ствола теплоносителем, механическое удаление парафиновых пробок скребком [1], имеют также ряд недостатков.

Недостатки этих способов в первом случае - это спуск в скважину теплоносителей, т.е. затрата электроэнергии, плюс кабель. Во втором случае - это спуск в скважину различных механических скребков, т.е. затраты времени, остановка скважины.

Способ обработки с помощью акустического поля с целью предупреждения выпадения парафино-смолистых соединений не имеет указанных недостатков. Лабораторные исследования термоакустического воздействия на моделях, имитирующих цилиндрическую зону со 100%-ной парафинизацией пласта, показали его хорошую эффективность. При интенсивности упругого поля 1,2+1,6 кВт/м2 и частоте 25 кГц термоакустическое воздействие на модель приводило к восстановлению проницаемости пласта на 40-50 % (в 2 раза больше, чем при тепловом воздействии).

Методика воздействия состояла в следующем. Скважинную аппаратуру крепили на насосно-компрессорных трубах и опускали в скважину на глубину 1224 м (против продуктивного пласта). Далее включали питание аппаратуры и начинали термоакустическую обработку

призабойной зоны. В процессе обработки скважину не эксплуатировали ([1] С. 175-177).

Несмотря на достоинства этого способа, имелся и недостаток.

Недостаток данного способа заключается, во-первых, в том, что осуществляют остановку скважины, во-вторых, - это спуск в скважину аппаратуры (излучателя звука) на насосно-компрессор-ных трубах, и осуществляют генерацию акустических колебаний с помощью подвода высокочастотной электроэнергии в газожидкостную смесь.

Технические решения предупреждения отложения парафина акустическим излучением известны [1], но в них используется энергия ультразвука с тепловым эффектом воздействия.

Предлагаемый способ [3] снижения скорости отложения парафина достигается тем, что в нефтяной скважине, оборудованной погружной насосной установкой, происходит преобразование продольных волн низкочастотного спектра звуковых частот шума этой установки в ультразвуковые стоячие волны.

Предлагаемый акустический способ снижения скорости отложения парафина в нефтяной скважине [3], основанный на преобразовании технологических шумов в ультразвук, является нетрадиционным и широкого применения пока не нашел.

Практически при этом способе эффективность воздействия на пласто-вый флюид зависит от его физических

параметров, т.е. концентрации, размеров, прочности сцепления и твердости кристаллов парафина, и незначительно зависит от химического состава флюида.

Стоячие ультразвуковые волны создаются на участке расположения излучателя звука в направлении, перпендикулярном движению газожидкостной смеси, давлением звука пучности стоячей волны, которые перемещают выделяющиеся из газожидкостной смеси кристаллы парафина от стенки трубы в центр потока газожидкостной смеси с последующей коагуляцией и омыванием их нефтью для выноса на поверхность.

Преобразователем звука, т. е. излучателем акустических колебаний является четвертьволновый резонатор, который размещают в зоне отложения парафина.

Основные положения физической сущности предлагаемого способа по снижению скорости отложения парафина в насосно-компрессорных трубах заключаются в следующем:

1. Наличие шума в насосно-компрессор-ных трубах.

2. Источником низкочастотных шумов является погружная насосная установка;

3. Преобразование низкочастотного шума в ультразвуковые волны.

4. Преобразование шумов осуществляется при помощи преобразователя шума, например, четвертьволновым резонатором.

5. Создание стоячих волн в насосно-ком-прессорных трубах на участке ожидаемого отложения парафина.

6. Использование физического процесса движения частиц парафина в момент образования их под действием давления ►

На рис. 1 изображена газожидкостная смесь:

1 - стенка насосно-компрессорной трубы;

2 - частицы (кристаллы) парафина (в газожидкостной смеси);

3 - глобулы газовых пузырьков в газожидкостной смеси.

На рис. 2 изображены кристаллы парафина на поверхности газового пузырька:

1 - стенка насосно-компрессорной трубы;

2 - частицы (кристаллы) парафина (на поверхности газового пузырька в момент его формирования из глобулы);

4 - пузырек, образованный из глобулы газового пузырька.

22 ДОБЫЧА 1/Н (51) февраль 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ

На рис. 3 показано движение газового пузырька от стенки трубы и движение кристаллов к стенке трубы:

1 - внутренняя стенка насосно-компрессорной трубы;

2 - частицы (кристаллы) парафина при движении их к стенке трубы;

4 - пузырек, образованный из глобулы газового пузырька;

5 - направление движения кристаллов парафина в момент отрыва пузырька от стенки трубы (кристаллы парафина сносятся с поверхности и увлекаются в область низкого давления, озникающему между пузырьком и стенкой трубы;

6 - направление движения пузырька от стенки трубы скважины в момент его формирования из газовой глобулы.

стоячей волны от пучности в узел, с последующей коагуляцией в пучностях колебательной скорости. 7. Отмыванием частиц парафина нефтью в потоке и выносе их на поверхность.

Покажем возможность использования ультразвуковых стоячих волн по снижению скорости отложения парафина в трубах.

Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид [1]:

Частным решением уравнения (1) является : 4 р)

а = A sin ш t

где а - смещение частицы среды относительно положения покоя;

А - амплитуда смещения;

ш - угловая частота;

t - время.

Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f = ш/2п, распространяющуюся в положительном направлении оси х.

Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости:

V = 0) A Cos со t (3)

Следовательно амплитуда колебательной скорости:

Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.

Согласно выражению (4), значение скорости частицы колеблется между этой величиной и нулем.

Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.

Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно записать в виде:

(5)

(6)

Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение:

Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения:

da 4 ñ А . Is X „ 2 ,7Г

р * -— ~--— Jm —— Sm ------=

¿к А Л Т

2U „ 2лг * _ Ъе í

— - 1гИ - ДМ

С Л Т

(9)

(7)

из которого непосредственно вытекает, что в точках Сов(2пх/Л) обращается в нуль, смещение а, тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу Л/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Сов(2пх/Л) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.

Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение:

Атг А „ 2 я х Л 2 ti í и =-Cos —-— Cos-

(8)

Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление р пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине ЬаМх. Дифференцируя выражение (7) по х, получим:

Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах.

Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [4] в связи с работами Бьеркнесса [5]. На этом явлении основано отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.

Брандт и Фройнд [6] и Бранд и Гидеман [7] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.

Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля. ►

На рис. 4 изображено распределение давления в стоячей волне:

1 - стенка насосно-компрессорной трубы;

2 - частицы (кристаллы) парафина (при движении их от стенки трубы из пучности давления стоячей волны 7 к узлудавления 8 стоячей волны);

7 - пучность волны давления у стенки трубы;

8 - узел давления стоячей волны;

9 - флюид.

На рис. 5 показано распределение колебательной скорости частиц в стоячей волне:

1 - стенка насосно-компрессорной трубы;

2 - частицы (кристаллы) парафина (частицы парафина собираются в пучности 10 колебательной скорости стоячей волны);

9 - флюид;

10 - пучность колебательной скорости стоячей волны;

11 - узел колебательной скорости стоячей волны.

На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. Вначале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.

Рассмотрим процесс коагуляции частиц парафина в стоячей волне.

Пусть в жидкости с динамической вязкостью п, колеблющемся с амплитудой иж и частотой Т, находится частица примеси с радиусом R и плотностью р.

Согласно закону Стокса [1] сила трения, действующая на частицу:

FTP = 6 7Г Г| р Ди

(10)

На рис. 7 изображена технологическая схема размещения излучателя ультразвука в зоне образования парафиноотложений:

14 - погружной центробежный электронасос;

15 - излучатель ультразвуковых колебаний (например, четвертьволновые резонаторы);

16 - насосно-компрессорные трубы;

17 - месторасположения начала разгазирования флюида и выделение частиц (кристаллов) парафина.

где Ди - разность скоростей частиц парафина и жидкости.

Согласно формуле (10), скорость частиц жидкости:

и. :,11'1 . : л 11 (11)

Движение частицы парафина описывается дифференциальным уравнением:

.■■ .: ■■. ■!-. (12) = 6 ГС Г] | 2л Г иж СозС2лП - Л Хи.Л31|

тчРХгМ2 + 6 к п К ч] ХП/<И =

|| И .■;:! I (13)

где ХП - амплитуда колебаний частицы парафина.

Общее решение этого уравнения имеет вид [1] :

Ян = Ц* /[ИгцГш^ЧЧ1' Й:п(2пГ ф)*!«*

(14)

Непериодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.

Таким образом, амплитуда колебания частицы:

Хп = иж/[(4лрК^п)Э +1

(15)

Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением:

Хп/иж= ЩИтфЯ2^)2 + 1]1Л

(16)

Отношение амплитуд ХП/иЖ будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.

Таким образом, для степени участия частицы парафина в колебаниях жидкости определяющей является величина R2 Т.

На рис. 6 показана коагуляция частиц (кристаллов) парафина в пучностях волны колебательной скорости: 1 - стенка насосно-компрессорной трубы; 9 - флюид;

12 - коагулированные частицы (кристаллы) парафина в пучностях колебательной скорости стоячей волны;

13 - движение коагулированных частиц (кристаллов) парафина в потоке флюида.

Если принять значение ХП/иж = 0,8 за границу, до которой частицы парафина еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения

0,8 = 11/(0,44 пТ)1* 1)]'^ (17)

где

Z =

pR2/ п

(18)

величина Z определяет степень участия частиц парафина в колебаниях жидкости.

Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих волн с целью коагуляции частиц парафина с последующей их кристаллизацией и выносом потоком жидкости.

Согласно физической сущности, приведенной выше, происходит снижение скорости отложения парафина на стенках труб. ■

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Кузнецов О.Л, Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М., Недра,1983.С.154, 175-177.

2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в технике.- М.:И.-Л.,1957.С.24-25, 489-490.

3. Патент RU 2263765, кл. Е 21 В 43/25 Способ предупреждения отложения парафина в нефтяной скважине. Авторы Савиных Ю.А., Савиных Р.И., Ганяев В.П., Богданов В.Л., Музипов Х.Н. (RU) Заявл. 19.04.2004. Опубл. 10.11.2005 Бюл. №31

4. König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353,549 (1891).

5. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).

6. Brandt ., Über das Verhalten von Schweb-stofen in schwingen Gasen bei Schall- und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/ Zs., 76, 272 (1936).

7. Brandt O., Hiedenmann E., Über das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).

или