Способ понижения вязкости промодулированным ультразвуком в условиях резонансных частот жидкости

Изобретение относится к технологическим процессам хранения, перекачки, добычи и транспортировки нефти и других вязких продуктов и позволяет повысить эффективность существующих и вновь создаваемых производств при использовании ультразвука.

Известны устройства, использующие ультразвуковое воздействие для добычи и перекачки нефти в комбинации с другими воздействиями.

В патенте [1] предлагается снижать вязкость путем комплексного воздействия на нефть микроволнового и ультразвукового излучения.

В патентах [2, 3] предлагаются ультразвуковое и тепловое воздействие.

В патенте [4] интенсивность ультразвуковых колебаний подбирается достаточной для образования кавитации на поверхности рабочего инструмента (излучателя). В результате воздействия кавитации и ультразвуковых колебаний происходит снижение вязкости нефти и ее составляющих.

В патенте [5] ультразвуковое воздействие сочетается с подачей в зону обработки жидкого химического реагента (толуола).

Несомненно, двойное воздействие оказывает большее влияние на среду, но здесь невозможно выделить влияние, которое оказывает на среду сам ультразвук и его эффективность. Там, где указывается удельная мощность ультразвука, она очень велика - 0,1÷10 кВт/см², а значит, эффективность низка.

Кроме того, область частот ультразвука никак не обоснована. Все это говорит о том, что все эти методы работают не с оптимальной эффективностью, а значит, энергозатратны. Обращает на себя внимание металлоемкое и сложное оборудование (волноводы) для подачи ультразвука к месту воздействия.

Использование кавитации на поверхности излучателя неизбежно приводит к быстрому его износу, а значит, и к частым заменам.

Использование растворителей для разжижения сверхвязких нефтей безусловно оправдано, но и здесь нужно подбирать оптимальные параметры ультразвука. Кроме того, растворители повышают себестоимость процесса.

В патенте [6] "Способ добычи нефти с использованием энергии упругих колебаний и установка для его осуществления" воздействие осуществляют от двух источников - ультразвукового на частотах 18-44 кГц с интенсивностью 1÷5 Вт/см² и "звукового" электроразрядного импульсного источника с частотами следования импульсов 0,2-0,01 Гц. Энергия единичного импульса 100-800 Дж.

Мощность единичного разряда, даже если учесть, что энергия его составляет 100 Дж, составляет киловатты, поскольку время разряда конденсаторов доли секунды.

Большая часть этой мощности рассеивается в тепло, которое необходимо отвести из зоны разряда. Этой цели в основном и служит ультразвук.

Разряд вызывает излучение в широком спектре частот от инфразвука до радиочастот и выше. Часть частот из этого спектра (звуковая и ультразвуковая части) могут создавать "биения" как между собой, так и с ультразвуком из источника ультразвука. Биения (волновые пакеты) по нашему мнению играют важную роль в уменьшении вязкости. Но в условиях крайне неоднородного теплового поля они носят случайный и, главное, неуправляемый характер.

Патент [7] "Способ акустического воздействия на нефтяной пласт и устройство для его осуществления" включает в себя воздействие на звуковых или ультразвуковых частотах и на низких звуковых частотах 20 Гц или 50 Гц, от одного источника. Это достигается наложением низких частот 20 Гц или 50 Гц на высокочастотную звуковую 8-20 кГц или ультразвуковую свыше 20 кГц. Такое воздействие обосновывается тем, что пакетное излучение создает эффект радиальных пульсаций давления акустического поля. Звуковая и низкочастотная составляющие обеспечивают "дальнодействие" воздействия и улучшают фильтрацию и дренирование нефти через пласты нефтесодержащей породы. Наибольший эффект достигается в условиях депрессии, т.е. во время работы нефтедобывающего оборудования.

В этом изобретении также никак не обоснован выбор частот звука и ультразвука. Ввиду большой разницы в их частотах (сотни раз) воздействие, хотя и происходит из одного источника, не является пакетным. Это, скорее, длинные цуги волн, не обладающие свойствами пакета.

Более близкий прототип предлагаемому изобретению обнаружить не удалось.

В предлагаемом способе воздействие подбирается целенаправленно, а не случайным образом. При этом используются физические свойства самой среды - наличие резонансных частот, на которых происходит резкое падение вязкости. При работе в условиях резонанса резко сокращаются энергетические затраты и повышается эффективность ультразвукового воздействия.

Цель изобретения - снижение энергозатрат при добыче и перекачках нефти путем снижения вязкости при воздействии ультразвука.

Поставленная цель достигается тем, что для воздействия на нефть используется ультразвук, включающий в себя основную (несущую) частоту, которая 100% промодулирована синусоидой. При этом для поиска резонанса меняют частоту модуляции от 0 до частот, сколь угодно близких к несущей. Из этих изменяемых частот модуляции для работы выбирают ту, на которой вязкость минимальна, а несущую частоту ультразвука выбирают такой, при которой разница в вязкостях без воздействия и с воздействием немодулированного ультразвука максимальна. Таким образом достигается выбор оптимальных условий работы с минимальной вязкостью.

Суть настоящего изобретения демонстрируется на нескольких примерах.

Во всех примерах в качестве рабочей жидкости использовалась нефть марки "Ural" с плотностью ρ=0,847 г/см³.

В качестве источника ультразвука использовался монокристалл ниобата лития LiNbO₃ с основной частотной гармоникой 500.0 кГц, d=7,3 мм, ∅ 76,2 мм. Мощность излучения всегда поддерживалась 55 мВт/см², скважность -10 Гц. Работы велись как на основной частоте, так и на 3-9 гармониках.

Измерения вязкости проводились на стандартном вискозиметре марки ВУ по соответствующим стандартам. Монокристалл LiNbO₃ погружался непосредственно в исследуемую нефть.

Пример 1

На Фиг. 1 приведены экспериментальные данные зависимости вязкости нефти от частоты ультразвука.

Верхняя кривая получена без модуляции на 1, 3, 5, 7 и 9 гармониках основной частоты - 450 кГц.

Нижняя кривая - на тех же самых гармониках, но несущая частота 100% модулировалась синусоидальным сигналом с частотой - 100 кГц.

Обе кривые имеют почти одинаковый ход, но на верхней кривой насыщение (область, где вязкость не зависит от частоты) наступает несколько раньше - при частотах 2,5 мГц и выше.

Обращает на себя внимание тот факт, что на промодулированных частотах происходит резкое падение вязкости нефти, которое не связано с разницей температур нефти при снятии кривых. Причина снижения вязкости - включение модуляции.

Из теории поглощения ультразвука в жидкостях Л.И. Мандельштамма и М.А. Леонтовича [8] следует, что вязкость в жидкостях обратно пропорциональна квадрату частоты:

где - α - коэффициент поглощения ультразвука в среде;

а - скорость ультразвука;

ν - частота ультразвуковой волны;

η¹ - вязкость среды, которая состоит их двух компонент:

где - μ - стоксовая вязкость (вязкость трения);

η - внутренняя вязкость (объемная вязкость), связанная с колебательно-вращательными степенями свободы молекул жидкости и другими параметрами, определяющими внутреннюю структуру жидкости;

ρ - плотность.

Вплоть до периода насыщения на обеих кривых соблюдается обратно пропорциональная зависимость вязкости от квадрата частоты, и теория подтверждается.

Пример 2

На Фиг. 2 изображены зависимости вязкости от температуры.

Верхняя кривая снята без воздействия ультразвука, нижняя кривая - под воздействием ультразвука с несущей частотой 450 кГц и частотой модуляции 100 кГц.

С понижением температуры воздействие промодулированного ультразвука увеличивается. При температурах ниже 16°С истечение нефти из вискозиметра без воздействия ультразвука перестает быть ламинарным, поэтому сравнительная характеристика ограничена 16°С.

Пример 3

На Фиг. 3 представлены зависимости вязкости от частоты модуляции для разных несущих частот и температур.

Верхняя кривая снята при температуре 16°С и несущей частоте 450 кГц.

Нижняя кривая - при температуре 22°С и несущей частоте 4,5 МГц (область насыщения).

Средняя кривая - при температуре 19°С и несущей частоте 450 кГц.

Для верхней кривой (450 кГц, 16°С) характерен ярко выраженный резонансный характер зависимости вязкости от частоты модуляции, который выражается в резком падении вязкости, наблюдаемом на частотах 0-20, 40-60 и около 100 кГц.

Для средней кривой (450 кГц, 19°С) резонансный характер не столь очевиден, и максимум падения вязкости смещается в сторону низких частот модуляции (20 кГц).

Для нижней кривой (4,5 МГц, 22°С) четкого резонанса не наблюдается, хотя и сохраняются особенности при частотах 20-30, 40-50 и выше 60 кГц. Для нее характерно насыщение в области 80-100 кГц. В условиях насыщения вязкость слабо зависит от частоты модуляции.

Для широкого круга колебательных процессов справедливо соотношение:

(Δω)_рез⋅τ_своб=1

где (Δω)_рез - циклическая частота, (ω=2πν), равная разности частот на полувысоте резонансной кривой, где ν - частота модуляции;

τ_своб - постоянная времени затухания свободных колебаний.

Исходя из этого, можно оценить время затухания свободных колебаний - τ, за которое происходит уменьшение амплитуды колебаний в е раз.

В то же время период колебаний на частоте резонанса (ω_вын=ω_собст) для 50 кГц составляет

где ν_рез - частота модуляции в резонансе;

отношение .

В этом и заключается резонанс:

колебание не успевает затухнуть, как получает дополнительную энергию. Происходит накопление энергии до какого-то предела, ограничивающего амплитуду резонанса.

Столь малые частоты собственных колебаний ~5⋅10⁴ Гц не могут быть отнесены к возбуждению межмолекулярных колебаний (1⋅10¹⁰ Гц - 1⋅10¹¹ Гц) и внутримолекулярных колебаний 10¹² Гц - 10¹³ Гц.

Такие частоты колебаний и затухания характерны для образований микронных размеров, колеблющихся в вязкой среде. Упомянутые образования обнаружены в воде. Они имеют размеры от 10 до 100 мкм [9]. В других жидкостях они также проявляются [10]. Образование таких комплексов в воде обусловлено наличием водородных связей. В нефти эти комплексы образуются в основном за счет сил дисперсионного взаимодействия.

Несмотря на то что дисперсионные взаимодействия на порядок слабее водородных связей, резонансные частоты также обнаружены нами для воды и глицерина фиг. 6, 7, а также для вязкой нефти фиг. 4, 5. Из фиг. 3, 4, 5, 6, 7 видно, что для каждой из жидкостей существует свой набор резонансных частот. Эти частоты характеризуют свойства жидкостей.

Промодулированный ультразвук способствует понижению вязкости, имеющему резонансный характер, а значит, и резко снижает необходимую энергию для понижения вязкости в случае работы на резонансных частотах.

Промодулированный ультразвук способствует образованию квазидвухфазной жидкости, одна фаза из которых, сплошная среда, колеблется по закону вынужденных колебаний (ультразвука), а вторая (дискретные включения) имеет собственную частоту колебаний, приводящую к резонансу понижения вязкости, как грубая аналогия этому - псевдоожижение сыпучих продуктов (порошки, гранулы и т.д.) в вибрационном поле.

В резонансе происходят изменения структуры жидкости (как среды). Если изменяется структура, то это приводит к изменению внутренней вязкости. В [8, 10] говориться о структурном факторе, как об одном из параметров, влияющих на внутреннюю вязкость.

Изменение структуры проявляется и в колебательном возбуждении комплексов имеющих разные размеры. Для воды и глицерина имеется несколько частот, где вязкость резко падает (фиг. 6, 7). Для каждого из размеров комплекса имеется своя резонансная частота. Так, для высоковязкой нефти (фиг. 4, 5) имеется один ярко выраженный минимум вязкости при частоте модуляции 20 кГц при температуре 22°С и 50°С.

Для низковязкой нефти фиг. 3 при температуре 16°С имеется три частоты модуляции, где вязкость уменьшается при 20 кГц, 50 кГц и 100 кГц, а при температуре 19°С имеется один ярко выраженный минимум при 20 кГц, а второй близко к 100 кГц.

Все вышесказанное говорит о том, что по крайней мере для двух типов жидкостей с преимущественно водородными связями (вода, глицерин) и преимущественно с дисперсионным взаимодействием между молекулами низковязкой и высоковязкой нефти существуют резонансные частоты. Для каждой жидкости, как мы видим, имеется свой "спектр" частот как один из факторов жидкости. Ход кривых фиг. 1 показывает, что немодулированный ультразвук понижает незначительно вязкость, согласно теории в широких пределах частот, вплоть до частоты насыщения. Промодулированный ультразвук резко понижает вязкость, и при фиксированной частоте модуляции кривая следует тому же закону, т.е. резонансы существуют в широком диапазоне частот несущей частоты и ее верхним пределом является частота, сколь угодно близкая к частоте излучения, но меньше нее.

Нижним пределом несущей частоты является частота, при которой еще возможно появление резонанса при сканировании несущей частоты частотой модуляции. Она должна быть больше частоты резонанса.

Волновой пакет возникает при наложении (суперпозиции) двух и более волн, имеющих одинаковые направление распространения и близкие частоты. В основе волнового пакета лежит явление интерференции: в областях, где волны оказываются в фазе, они усиливаются, их амплитуда возрастаете в противофазе - амплитуда спадает до нуля. Таким образом, волновой пакет в каждый момент времени занимает ограниченную область пространства в отличие от отдельного распространяющейся единичной волны. Важно то, что волновой пакет может быть образован только волнами одной природы. Механические колебания, к которым относятся звуковые и ультразвуковые волны, не могут образовать пакет с волнами, имеющими электромагнитную природу (радиоволны, свет, микроволны и т.д.). Для механических колебаний часто используют термин биения, который тождествен термину "волновой пакет", так как биения также образуются при наложении механических колебаний. Термин "волновой пакет" имеет более широкое толкование, так как распространяется и на микромир (квантовая механика), откуда он и появился. В предлагаемом нами способе колебания в виде волнового пакета от возбужденного монокристалла ниобата лития внедряют в жидкость, которая начинает колебаться по тому же закону. Для несущей чистоты 450 кГц и частоты модуляции 10 кГц в волновом пакете укладывается 450:10=45 колебаний несущей частоты с амплитудами от 0 до максимума и до 0, максимум располагается в центре на 22-23 колебании. Аналогично для частоты модуляции 100 кГц в пакете укладывается 4,5 колебаний несущей частоты. Важной характеристикой волнового пакета является область его локализации, т.е. его размер. Для несущей частоты 450 кГц длина волны в нефти составляет 3,3 мм. Размер пакета при 10 кГц модуляции составляет 3,3×45=14,8 см, при частоте модуляции 100 кГц размер пакета равняется 3,3×4,5=1,48 см. Для 3, 5, 7 и 9 гармоник и 100 кГц модуляции размеры пакета составляет 1,48 см, но число колебаний в пакете увеличивается в соответствующее число раз. В патенте (7) длина волнового пакета при модуляции 50 Гц составляет 30 м. Такой пакет не способен повлиять на изменение вязкости, поскольку имеет большие размеры. Таким образом, меняя частоту модуляции, мы меняем число колебаний в пакете и область его локализации.

Распространяясь в среде, пакет должен размываться из-за разности скоростей звука для несущей волны и волны модуляции. Но существуют условия среды, а также частоты, образующие пакет, при которых пакет сохраняет устойчивость и обретает новые свойства, такие как долгое время жизни и упругие взаимодействия с другими пакетами без изменения частотных характеристик. Пакеты могут делиться или сливаться. Такие явления получили общие названия "Солитон" (уединенная волна или возбуждение). Типичными примерами солитонов являются ступенька цунами или "девятый вал" - волновой пакет с центром на 9 колебании. Существует много видов солитонов в различных областях, где происходят волновые процессы: оптоволоконная связь, лазерная техника, плазма, атмосферные явления, аэро- и гидродинамика и т.д.

Литература

1. Патент RU 2382933 С1, приоритет 28.10.2008.

2. Патент RU 2312980 С1, приоритет 14.03.2006.

3. Патент RU 2353760 С1, приоритет 16.07.2007.

4. Патент RU 2346206 С1, приоритет 03.10.2007.

5. Патент RU 2450119 С1, приоритет 10.11.2010.

6. Патент RU 2392422 С1, приоритет 28.04.2009.

7. Патент RU 2456442 С2, приоритет 29.03.2010.

8. И.Г. Михайлов и С.Б. Гуревич, УФН, т. 35, в. 1, 1948, с. 1-34. Поглощение ультразвуковых волн в жидкостях.