Способ управления процессом внутритрубного разделения водонефтяной эмульсии акустическим воздействием

Изобретение относится к нефтяной промышленности, и в частности к способам обезвоживания нефти.

Известен способ управления процессом растворения сильвинитовых руд (Патент РФ 2398620 C1, B01F 1/00, C01D 3/08, G05D 27/00, 2009), заключающийся в том, что подачу руды регулируют в зависимости от содержания полезного компонента во входных потоках, при этом управление весовым дозатором осуществляется заданием в систему его управления следующей зависимости:

где ±G_руды - расход руды, позволяющий корректировать ее основной поток, G_гот.р-р - расход осветленного раствора, т, С_{KClгCl.р-р} - содержание хлористого кальция в осветленном растворе, %, С_KClруды - содержание хлористого калия в сильвинитовой руде, %, α_{KClгCl.р-р} - степень насыщения осветленного раствора по хлористому калию.

Недостатком известного способа можно считать то, что процесс растворения хлористого кальция в насыщенном растворе замедляется, в связи с чем точное определение содержания KCl в руде затруднено.

Известен способ управления технологическими процессами газового промысла (Патент РФ 2344339 C1, F17D 3/00, 2007), состоящий в том, что из шлейфов кустовых скважин создают межпромысловый коллектор, откуда газ направляется на установку комплексной подготовки газа (УКПГ). При этом осуществляется контроль давления и расхода газа на всем его пути от выхода из скважины до выхода из УКПГ с целью оптимизации режима разработки газового месторождения. При этом расход газа по каждой из технологических ниток УКПГ поддерживают в пределах заданных значений , контролируют давление газа в каждом шлейфе, проверяя выполнение условия , а также контролируют работу клапана-регулятора в запорной арматуре каждого шлейфа через обратную связь, определяя разность .

Известные способы не могут применяться для внутритрубного разделения водонефтяной эмульсии, т.к. нет необходимости в дозировании каких-либо реагентов, а также в измерении и контроле давления в шлейфе скважины.

Процесс добычи нефти из нефтеносных пластов сопровождается непрерывным перемешиванием нефти с водой и образованием водонефтяных эмульсий (ВНЭ). Смешение нефти с водой и образование ВНЭ часто происходит еще в пластовых условиях в процессе вытеснения нефти водой. Этот процесс происходит и при подъеме обводненной нефти от забоя скважин до ее устья и далее в промысловых коммуникациях. Наличие воды в нефти приводит к удорожанию транспорта в связи с возрастающими объемами транспортируемой жидкости и увеличением ее вязкости. Присутствие агрессивных водных растворов минеральных солей приводит к быстрому износу как нефтеперекачивающего, так и нефтеперерабатывающего оборудования. Высокообводненная продукция перегружает промысловые трубопроводы, а также повышает их капиталоемкость в виду затрат на борьбу с коррозией и эмульгированием нефтей. В связи с этим целесообразно производить разделение нефти и воды непосредственно вблизи устья скважины.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа оптимального управления процессом разделения водонефтяной эмульсии.

Техническим результатом является увеличение степени флокуляции глобул нефти.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе управления внутритрубным разделением водонефтяной эмульсии акустическим воздействием выбирают частоту колебания ƒ₁ от первого источника ультразвукового воздействия с направлением распространения волны, совпадающим с направлением движения потока, таким образом, чтобы на участке L, равном расстоянию между источниками, выполнялось условие затухания и , причем A₁(0)=А₂(L), где A₁(0) и A₂(L) - амплитуда акустических колебаний в эмульсии непосредственно вблизи источников, А₁(L) и A₂(0) - амплитуда акустических колебаний на расстоянии L от источников, измеряют скорость потока и создают частоту колебаний ƒ₂, меньшую ƒ₁, и направлением распространения волны, противоположным направлению движения потока, таким образом, чтобы , где с - скорость звука, w - скорость потока эмульсии.

Технический результат достигается за счет одновременного существования двух волновых движений в среде потока. Их суперпозиция приводит к тому, что в потоке устанавливается интерференционная картина, состоящая из узлов - там, где амплитуда колебаний наименьшая, и пучностей - там, где амплитуда колебаний наибольшая и движущаяся со скоростью, равной скорости движения потока. Относительная скорость движения потока и интерференционной картины, таким образом, равна нулю и поэтому частицы эмульсии находятся в узлах (там, где их концентрация наибольшая) достаточное для их коагуляции время. Опыты показывают, что с увеличением частоты эффективность флокуляции возрастает, однако возрастает и поглощение ультразвука в потоке, что накладывает ограничение на длину L и частоту, ограничена также и интенсивность ультразвука в потоке величиной из-за обратного дробления глобул скоагулировавшей эмульсии.

Для реализации способа непосредственно в шлейф скважины на расстоянии L друг от друга устанавливают источники акустических воздействий. Источник волн с большей частотой ƒ₁ располагают в начале потока, а с меньшей ƒ₂ - в конце. Частоты колебаний ƒ₁ и ƒ₂ подбирают в зависимости от скорости потока и величины L.

В узлах суммарная амплитуда колебаний наименьшая, а в пучностях - наибольшая. Необходимо обеспечить перемещение узлов вместе с потоком с одинаковой скоростью. В этом случае узлы относительно потока будут неподвижны, а время нахождения частиц в узлах будет максимальным и определяется длинной L и скоростью потока w. Частоты колебаний ƒ₁ и ƒ₂ подбирают такими, чтобы на длине L укладывалось несколько (больше 100) узлов интерференционной картины. Колебания волн частотой ƒ₁ и ƒ₂ должны иметь одинаковую амплитуду.

Можно показать, что плоскости узлов движутся в направлении движения потока, если ƒ₁>ƒ₂. Амплитуда продольных колебаний эмульсии, если в ней распространяются навстречу друг другу волны с частотой ƒ₁ и амплитудой А₁ и частотой ƒ₂ и амплитудой А₂, определяется суперпозицией двух этих колебаний.

Волна вдоль потока: ;

против потока: ,

где x - координата узловой плоскости вдоль трубы,

с - скорость звука,

t - длительность момента времени от начала воздействия ультразвука.

Амплитуда А₁=А(х) - наибольшая в месте расположения источника А₁=(0) и затухает вдоль трубы вследствие диссипации энергии колебаний и становится равной А₁=А₁(L) в конце рабочего участка. Аналогично А₂=А₂(L) наибольшая в точке L и уменьшается до А₂=0.

Складывая выражения, произведя преобразования, получим для А_х=А₂:

.

Видно, что в эмульсии в этих условиях распространяется волна с частотой (ƒ₁+ƒ₂), при этом ее амплитуда изменяется вдоль трубы по закону, определяемому

,

положение узловых плоскостей: , где n - 0, 1, 2, 3 … ∞, а скорость движения узловых плоскостей определяется формулой: .

На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая влияние суммарной амплитуды колебаний на концентрацию глобул нефти в потоке; 1 - источник акустических колебаний с частотой ƒ₁; 2 - источник акустических колебаний с частотой ƒ₂; суммарная амплитуда колебаний.

Покажем, что концентрация глобул нефти в узлах больше, чем в пучностях. Выберем некоторую плоскость Z (фиг. 1), расположенную между пучностью и узлом и движущуюся вместе с потоком, и рассмотрим зону 1 и зону 2 (в зоне 1 амплитуда колебаний больше, чем в зоне 2). Соответственно, концентрация глобул нефти С₁ и С₂, скорость их из-за воздействия колебаний эмульсии потока V₁ и V₂. Т.к. поток глобул от пучности к узлу равен их обратному потоку в установившемся режиме: С₁⋅V₁=С₂⋅V₂, поэтому , и поскольку скорость частиц в пучностях V₁ больше скорости частиц в узлах V₂, то и С₂ больше С₁. Так как концентрация глобул нефти в плоскости узлов возрастает, расстояние между ними уменьшается, глобулы слипаются (концентрационная коагуляция) и эмульсия теряет свою устойчивость.

Эффективность флокуляции увеличивается с увеличением количества узловых плоскостей, которое пропорционально частотам ƒ₁ и ƒ₂. Однако известно, что с увеличением ƒ₁ и ƒ₂ увеличивается затухание колебаний, а для образования узловых поверхностей при интерференции колебаний необходимо, чтобы их амплитуды A₁ и А₂ были близки по величине на всем протяжении рабочего участка L. Величина ƒ₁ зависит от затухания колебаний в эмульсии и выбирается максимальной при учете соотношений: и причем А₁(0)=А₂(L).

Реализация способа иллюстрируется примером.

ПРИМЕР

В трубе 5 (фиг. 2) движется поток эмульсии. Для частоты 50000 Гц условие затухания и выполняется на 10-ти метрах. На расстоянии L=10 м друг от друга устанавливают источники ультразвуковых колебаний 1 и 2, в поток устанавливают также датчик скорости потока 3. Скорость потока эмульсии в трубе w=1 м/с, скорость звука с=1000 м/с. Сигнал от датчика скорости потока 3 проходит на генератор колебаний 4, вырабатывающий колебания с частотами ƒ₁ и ƒ₂. В состав генератора 4 входит средство обработки информации, например компьютер, работающий по заданной программе и связанный с датчиком скорости потока. T.к. ƒ₁=50000 Гц, то . Далее колебания частотой ƒ₁ и ƒ₂ проходят на усилители мощности, входящих в генератор 4 и далее на источники акустических колебаний 1 и 2, генерирующих колебательный процесс уже в среде движущегося потока эмульсии и представляющие собой магнитострикционные преобразователи. При реализации данного способа степень флокуляции глобул нефти увеличивается на 30%.