CC BY
20
УДК 621.365.55: 536.331
Л. И. ЕЛЕЦКИЙ Е. А. КАТУНСКИЙ И. В. БОГАЧКОВ
Омский государственный технический университет
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЗАТУХАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ЗА СЧЕТ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЛНОВОДА
В статье приведены данные экспериментальны* исследований затухания электро-маг-нитных волн микроволнового диапазона в волноводном тракте с нефтяной пленкой на стенках, приведена оценка уменьшения мощности в тракте из-за загрязнения.
Одним из важных направлений применения микроволнового нагрева является ремонт и профилактика нефтяных скважин, связанные с образованием би-тумно-парафиновых пробок. С помощью электромагнитных (ЭМ) волн (ЭМВ) микроволнового диапазона (УВЧ - 0,3-3 ГГц, СВЧ - 3-30 ГГц) можно вызвать нагрев этих пробок до состояния плавления, что и должно вызвать ликвидацию битумно-парафи-новой пробки в нефтяной скважине.
Современное состояние техники СВЧ, в принципе, допускает решение подобной задачи [1,2]. Однако окончательный ответ о технической реализуемости и экономической эффективности требуемого СВЧ нагревателя требует исследования ряда вопросов, в частности, влияния остатков нефти на стенках насосно-компрессорной трубы (НКТ), используемой в соответствующей установке в качестве волновода. Поскольку парафиновая пробка возникает в результате постепенного осаждения тяжелых нефтяных фракций на стенках трубы из-за изменения температуры по глубине скважины, ее можно считать обычной нагрузкой тракта СВЧ, которая будет нагреваться за счет поглощения энергии ЭМВ. Однако эффективность нагрева снижается из-за потерь в волноводе, который образует НКТ, поэтому необходимо уделить особое внимание изучению влияния нефтяной пленки, которая остается на стенках НКТ.
Достаточно полный ответ на данный вопрос можно получить, оценив экспериментально затухание ЭМВ на отрезке соответствующего волновода в пределах длины одной реальной НКТ, бывшей в эксплуатации. Однако поскольку постановка подобного эксперимента потребует значительных затрат, был проведен предварительный эксперимент в рамках обычной радиотехнической лаборатории СВЧ устройств.
Данный эксперимент проводился для предварительной оценки затухания ЭМВ в загрязненном волноводе и выяснения целесообразности более полных исследований.
Экспериментальная установка и содержание эксперимента
Экспериментальные исследования заключались в измерении затухания ЭМВ, прошедшей через отрезок волновода без нефтяных отложений на стенках и через тот же отрезок волновода после пропускания через него нефти.
Поскольку в реальной конструкции нагревательной установки НКТ предполагается распространение волны Н11, то для эксперимента был взят стандартный прямоугольный волновод сечением 23х 10 мм с волной НЮ.
Выбор такого волновода обусловлен простотой подключения к имеющейся аппаратуре и тем, что пространственные структуры соответствующих ЭМВ эквивалентны, а значит, потери в стенках будут примерно равны. Небольшое увеличение потерь в прямоугольном волноводе за счет концентрации ЭМ поля (ЭМП) вблизи угловых точек создает при замене его круглым в реальной установке лишь дополнительных резерв мощности. Длина отрезка волновода — 750 мм.
Для измерения затухания ЭМВ был использован панорамный измеритель КСВ Р2-54/3. Измерения проводились в рабочей полосе частот выбранного волновода (9-11 ГГц). Схема измерительной установки представлена на рис. 1,где Д1 иД2 — детекторные головки, HOI и Н02 — направленные ответвители.
После юстировки измерительной аппаратуры измерялось затухание в «чистом» волноводе («Объект измерения» на рис. 1). Затем через тот же отрезок волновода пропускалась нефть. Когда нефть переставала капать с концов измеряемого волновода, он подсоединялся в тракт измерительной установки, и вновь измерялось затухание.
Результаты измерений затухания в диапазоне 9-11 ГГц в «чистом» и «грязном» волноводе представлены на рис. 2 [4]. На этом же рисунке приведена расчетная кривая (Арасч.) для затухания в стандартном латунном волноводе соответствующего сечения [4]. Данные о погонном затухании этого волновода приведены в справочнике [3].
График Аэ волн, на рис. 2 соответствует регрессионной кривой эксперимента для «чистого» волновода (измеренное затухание в чистом волноводе минус затухание в тракте без включения волновода -0,2 дБ).
В среднем затухание для «чистого» волновода в рассматриваемой полосе частот составило 0,25 дБ.
График Аэ нефт. на рис. 2 соответствует регрессионной кривой эксперимента для волновода с нефтью (измеренное затухание в волноводе с нефтяной пленкой минус измеренное затухание чистом волноводе).
В среднем затухание для загрязненного волновода в рассматриваемой полосе частот составило 0,45'дБ.
Рис. 1. Схема эксперимента.
1 SfvnHlft
---Арасч
—АэнеФх
9,0 9,5 10,0 10,5 11,0
Рис.2 f <ГГц>
Анализ результатов эксперимента
Как следует из полученных данных, дополнительное затухание за счет нефтяного загрязнения для измеренного отрезка волновода не превышает 0,2 дБ и почти не изменяется в указанном диапазоне частот. Следует также отметить хорошее сбвпадение результатов расчетами эксперимента для «чистого» волновода, что является дополнительным подтверждением правильности измерений.
Предполагая, что общее затухание ЭМВ в рассматриваемом случае носит экспоненциальный характер, и показатели затухания, обусловленные отдельными факторами, складываются; получим, что по результатам измерений дополнительное затухание, обусловленное нефтяным загрязнением, имеет порядок
а = 0,2/0,75 = 0,27 (дБ/м).
Соответственно дополнительное уменьшение мощности, подводимой к области парафиновой пробки в НКТ в зависимости от расстояния, представлено в таблице.
L(M) 10 20 50 100 200
Р/Р0=10"°1Ы- 0,537 0.286 4,5-Ю'2 2,0-10"3 4,0-10"6
Выводы
Полученные данные носят предварительный оценочный характер.
Для уменьшения затухания в загрязненном волноводе необходимо исследовать возможность использования более низких частот, а также других типов волн.
В дальнейшем планируются аналогичные измерения для стандартного круглого волновода с волнами Н11 и Н01, а также для отрезка НКТ.
Библиографический список
1. МайстренкоВ.А., ЕлецкийА. И., Денисов В. В. Оценка возможностей дистанционного СВЧ нагрева // Омский науч. вестн. — Выпуск2 (23).— Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003. - С, 102-106.
2. Балакирев В. А., Сотников Г. В., Ткач Ю. В., ЯценкоТ. Ю. Воздействие мощного нестационарного ВЧ-излучения на парафиновые пробки в оборудовании нефтяных скважин// Microwave & Telecommunication Technology: Тр. 10-й Междунар. Крымской микроволновой конф. IEEE КрыМиКо'2000. - Севастополь, 2000. -С. 564-565.
3. Фельдштейн А. П., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники. — М.: Сов. радио, 1967. — 651с.
ЕЛЕЦКИЙ Алексей Ильич, аспирант кафедры «Средства связи и информационная безопасность». КАТУНСКИЙ Евгений Александрович, ведущий инженер ЦКБА, старший преподаватель кафедры «Средства связи и информационная безопасность». БОГАЧКОВ Игорь Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
