Способ предупреждения отложения парафина в нефтяной скважине

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области предупреждения отложения парафина в скважинах. Обеспечивает возможность бесперебойной работы скважины. Сущность изобретения: по способу в качестве источника энергии для излучателя звука используют шум низкочастотного спектра работы погружного центробежного электронасоса. Излучателем акустических колебаний является четвертьволновой резонатор, размещенный под подгружным центробежным электронасосом в зоне отложения парафина. Им преобразуют продольные волны низкочастотного спектра звуковых частот шума насоса в ультразвуковые стоячие волны, которые создают на участке расположения излучателя звука в направлении, перпендикулярном движению газожидкостной смеси. Давлением звука из пучности стоячей волны перемещают выделяющиеся из газожидкостной смеси кристаллы парафина от стенки насосно-компрессорной трубы в центр потока газожидкостной смеси с последующей коагуляцией и омыванием их нефтью для выноса на поверхность. 7 ил.

 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к способу предупреждения отложения парафина в трубах нефтяных скважин.

Известны способы по удалению отложений парафиносмолистых соединений в трубах. Например, поскольку температура плавления парафинов обычно не превышает 60°С, то в этом случае наиболее эффективно применять прогрев ствола скважины (например, электронагревателем) или промывку ствола теплоносителем. Возможно и механическое удаление парафиновых пробок, например скребком [1. C.154 ].

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

Наиболее близким по технической сущности является способ обработки с помощью акустического поля с целью предупреждения выпадания парафиносмолистых соединений. 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].

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

Задачей изобретения является обеспечение бесперебойной работы скважины.

Технический результат - предупреждение отложения парафина в виде пробок - достигается тем, что способ предупреждения отложения парафина в нефтяной скважине, оборудованной с погружным центробежным электронасосом, заключающийся в размещении излучателя звука в насосно-компрессорной трубе и генерации акустических колебаний в газожидкостную смесь, и в качестве источника энергии для излучателя звука используют шум низкочастотного спектра работы погружного центробежного электронасоса, а излучателем акустических колебаний является четвертьволновый резонатор, который размещают над погружным центробежным электронасосом в зоне отложения парафина и преобразуют им продольные волны низкочастотного спектра звуковых частот шума погружного центробежного электронасоса в ультразвуковые стоячие волны, причем стоячие ультразвуковые волны создают на участке расположения излучателя звука в направлении, перпендикулярном движению газожидкостной смеси, а давлением звука из пучности стоячей волны 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.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе по предупреждению отложения парафина в насосно-компрессорных трубах используют энергию низкочастотного шума погружного центробежного электронасоса, спектр которого трансформируют в ультразвуковые волны. Излучателем акустических колебаний является четвертьволновый резонатор, который размещают над погружным центробежным электронасосом в зоне отложения парафина.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что с целью предупреждения отложения парафина акустическим излучением известно /1/. Однако неизвестно, что с помощью стоячих ультразвуковых волн, которые создаются перпендикулярно движению газожидкостной смеси, можно использовать давление пучности стоячей волны для перемещения выделяющихся из газожидкостной смеси кристаллов парафина от стенки трубы в центр потока газожидкостной смеси с последующей локализацией и омыванием их нефтью для выноса на поверхность.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Основные положения физической сущности способа по предупреждению отложения парафина в насосно-компрессорных трубах.

Основные моменты:

1. Наличие шума в насосно-компрессорных трубах.

2. Источником низкочастотных шумов является погружной центробежный электронасос.

3. Преобразование низкочастотного шума в ультразвуковые волны.

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

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

6. Использование физического процесса движения частиц парафина в момент образования их под действием давления стоячей волны от пучности в узел с последующей коагуляцией в пучностях колебательной скорости.

7. Омыванием частиц парафина нефтью в потоке и выносе их на поверхность.

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

1. Волны и колебательная скорость.

Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид /2/.

Частным решением уравнения (1) является

где а - смещение частицы среды относительно положения покоя; А - амплитуда смещения; ω - угловая частота; t - время.

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

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

Следовательно, амплитуда колебательной скорости

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

Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.

2. Интерференция волн. Стоячие волны.

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

Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.

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

Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение

из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πx/λ) обращается в нуль, смещение а, тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πх/λ) 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

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

3. Давление в стоячей волне.

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 d a/dx. 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.

4. Акустическая коагуляция.

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 [3] в связи с работами Бьеркнесса [4]. На этом явлении основаны отчасти возникновения пылевых фигур в трубках Кундта.

Брандт и Фройнд [5] и Бранд и Гидеман [6] 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 основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. В начале 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.

5. Коагуляция частиц парафина в стоячей волне.

Пусть в жидкости с динамической вязкостью η, колеблющейся с амплитудой U_ж и частотой f, находится частица примеси с радиусом R и плотностью ρ.

Согласно закону Стокса [2] сила трения, действующая на частицу,

где Δυ - разность скоростей частиц парафина и жидкости. Согласно формуле (10), скорость частиц жидкости

Движение частицы парафина описывается дифференциальным уравнением

или

где Х_П - амплитуда колебаний частицы парафина.

Общее решение этого уравнения имеет вид [2]

Не периодический 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

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

Отношение амплитуд Х_П/U_Ж будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.

Таким образом, для степени участия частицы парафина в колебаниях жидкости определяющей является величина R²f.

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

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 перед насосом с последующим выпаданием их в осадок.

Согласно приведенным выше положениям физической сущности, достигается предупреждение отложения парафина на стенках труб.

На фиг.1 изображена газожидкостная смесь; на фиг.2 изображены кристаллы парафина на поверхности газового пузырька; на фиг.3 показано движение газового пузырька от стенки трубы и движение кристаллов к стенке трубы; на фиг.4 изображено распределение давления в стоячей волне; на фиг.5 показано распределение колебательной скорости частиц в стоячей волне; на фиг.6 показана коагуляция частиц (кристаллов) парафина в пучностях волны колебательной скорости; на фиг.7 изображена технологическая схема размещения излучателя ультразвука над погружным центробежным электронасосом.

На фиг.1 изображено: 1 - стенка насосно-компрессорной трубы, 2 - частицы (кристаллы) парафина (в газожидкостной смеси), 3 - глобулы газовых пузырьков в газожидкостной смеси.

На фиг.2 изображено: 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.

На фиг.3 изображены: 1 - внутренняя стенка насосно-компрессорной трубы 16, 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, возникающего между пузырьком и стенкой трубы), 6 - направление движения пузырька от стенки трубы скважины в момент его формирования из газовой глобулы.

На фиг.4 изображены: 1 - стенка насосно-компрессорной трубы, 2 - частицы (кристаллы) парафина (при движении их от стенки трубы из пучности давления стоячей волны 7 к узлу давления 8 стоячей волны), 7 - пучность волны давления у стенки трубы, 8 - узел давления стоячей волны, 9 - флюид.

На фиг.5 изображены: 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 фиг.6 изображены: 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.

На фиг.7 показаны: 14 - погружной центробежный электронасос, 15 - излучатель ультразвуковых колебаний (например, четвертьволновые резонаторы [7]), 16 - насосно-компрессорные трубы, 17 - месторасположения начала разгазирования флюида и выделение частиц (кристаллов) парафина.

Пример осуществления способа.

Первая операция. Соединяют погружной центробежный электронасос 14 с насосно-компрессорной трубой 16.

Вторая операция. Опускают в скважину, согласно технологии, погружной центробежный электронасос 16.

Третья операция. Размещают в насосно-компрессорной трубе 16 (например, через 800 м) четвертьволновой резонатор-излучатель ультразвуковых колебаний с учетом того, что при спуске погружного центробежного электронасоса 14 в скважину излучатель ультразвуковых колебаний 15 будет находиться на глубине начала отложения парафина (например, на глубине 700 м от устья скважины).

Четвертая операция. Продолжают опускать в скважину до заданной глубины погружной центробежный электронасос 14 (например, на глубину 1500 м).

Пятая операция. Включают погружной центробежный электронасос 14.

Шестая операция. Создают низкочастотный шум погружным центробежным электронасосом 14 (гидродинамические силы от неоднородности потока на выходе из рабочего колеса насоса являются одним из наиболее характерных и интенсивных источников гидродинамических колебаний в насосах).

Седьмая операция. Распространяют звуковые продольные волны внутри насосно-компрессорных труб 16 в газожидкостную смесь в сторону четвертьволновых резонаторов 15 - источников ультразвуковых волн, расположенных над погружным центробежным электронасосом 14 в зону отложения парафина.

Восьмая операция. Преобразуют продольные волны низкочастотного спектра звуковых частот шума погружного центробежного электронасоса в ультразвуковые стоячие волны 7.

Девятая операция. Ультразвуковые стоячие волны 7 создают в направлении перпендикулярно движению газожидкостной смеси.

Десятая операция. Выделяют из газожидкостной смеси (на заданном интервале спуска излучателя ультразвуковых колебаний 15) кристаллы парафина 2 на поверхность газового пузырька (в момент разгазирования газожидкостной смеси).

Одиннадцатая операция. Перемещают давлением звука из пучности стоячей волны 7 (расположенной у стенки насосно-компрессорной трубы 16) кристаллы парафина 2 (не давая кристаллам парафина прилипать к стенке трубы), выделившихся из газожидкостной смеси на поверхности пузырька в центр потока газожидкостной смеси.

Двенадцатая операция. Производят коагуляцию кристаллов парафина в пучности колебательной скорости стоячей волны.

Тринадцатая операция. Производят омывание нефтью частиц кристалла парафина (коагулированных) для выноса на поверхность.

Источники информации

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

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

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

4. 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).

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

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

7. Патент RU 2109134, кл. Е 21 В 43/25.

Способ предупреждения отложения парафина в нефтяной скважине, оборудованной погружным центробежным электронасосом, заключающийся в размещении излучателя звука в насосно-компрессорной трубе и генерации акустических колебаний в газожидкостную смесь, отличающийся тем, что в качестве источника энергии для излучателя звука используют шум низкочастотного спектра работы погружного центробежного электронасоса, а излучателем акустических колебаний является четвертьволновой резонатор, который размещают под подгружным центробежным электронасосом в зоне отложения парафина и преобразуют им продольные волны низкочастотного спектра звуковых частот шума насоса в ультразвуковые стоячие волны, причем стоячие ультразвуковые волны создают на участке расположения излучателя звука в направлении, перпендикулярном движению газожидкостной смеси, а давлением звука из пучности стоячей волны перемещают выделяющиеся из газожидкостной смеси кристаллы парафина от стенки насосно-компрессорной трубы в центр потока газожидкостной смеси с последующей коагуляцией и омыванием их нефтью для выноса на поверхность.