Способ снижения отложений в водно-нефтяной смеси трубопровода нефтяной скважины
Заявленное изобретение относится к способу снижения твердых отложений из водно-нефтяной смеси в трубопроводах для нефтяной скважины. Способ снижения отложений осадка, твердого(ых) парафина(ов) и/или асфальтенов из водно-нефтяной смеси в трубопроводе включает установку вокруг трубы ключевого элемента из магнитопроводящего материала и катушки, из которой выходит ключевой элемент. Катушку посредством радиочастотных электрических сигналов возбуждают для образования радиочастотного магнитного потока в ключевом элементе, создающем радиочастотное электрическое поле, которое передается от указанного положения ключевого элемента по жидкости в трубе. Поле приводит к образованию гомогенных затравочных кристаллов в смеси, а на указанные затравочные кристаллы осаждаются частицы асфальтенов и/или твердого(ых) парафина(ов) для переноса их по трубе. Технический результат: снижение отложения осадка на поверхности трубопровода в результате образования гомогенных затравочных кристаллов под действием распространяющего электрического поля, предупреждение коррозии трубопровода. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к способам использования обрабатывающих растворов в трубопроводе в оборудовании для нефтедобычи.
Извлечение нефти из подземных источников осуществляется преимущественно прямым способом. Проходится скважина на длину ведущей бурильной трубы к нефтеносному слою, в скважину помещают трубопровод, по которому нефть может подниматься к уровню земной поверхности. В некоторых нефтяных скважинах нефть может находиться под давлением в нефтеносном слое, таким образом она выходит на поверхность без какой-либо дополнительной помощи, однако во многих скважинах может потребоваться поддержка посредством насосной установки для выкачивания нефти либо посредством нагнетания воды под нефтеносный слой, в результате чего нефть выходит на поверхность вместе с водой. Возможно нагнетание под нефтеносный слой морской воды, в том числе нагретой воды, таким образом нефть, при повышенной вязкости, легче выходит на поверхность. В данном случае субстанция, выходящая на поверхность, будет представлять собой смесь нефти и воды, в которой содержание нефти может составлять 10% или более.
Одной из проблем, связанной с нефтедобычей подобным способом, является формирование твердых углеводородов и твердого осадка на стенках трубопровода, посредством которого водно-нефтяная смесь выводится на поверхность. При дальнейшем уменьшении давления смеси в трубе вода становится перенасыщенной и образуются отложения карбоната кальция и прочих минералов в форме арагонита, берита, пирита и силикатов на поверхностях нефтепровода при его эксплуатации. Дополнительно, асфальтены и твердые парафины осаждаются (при достижении температуры застывания) из нефтяной субстанции, содержащейся в смеси, снова образуясь на поверхностях трубопровода, постепенно снижают производительность. Дополнительно, отложения кальциевых минералов и образование осадка также провоцируют проблемы в нагнетании воды в скважины, а система подачи высокого давления для нагнетания воды снижает нефтедобычу.
В широком смысле объект настоящего изобретения относится к вышеупомянутой проблеме закупоривания трубопровода отложением минералов, твердых углеводородов и прочих веществ.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ снижения отложений веществ из водно-нефтяной смеси в трубопроводах для нефтяных скважин, состоящий в определении частоты радиоволн, продуцирующих электромагнитное поле в смеси в трубопроводе.
Электромагнитное поле может быть установлено посредством применения ключевого (основного) элемента, выполненного из электромагнитного проводящего материала, размещенного вокруг трубы в заданной позиции, и создания радиочастотного магнитного потока в ключевом (основном) элементе для генерации распространяющегося электрического поля в жидкости в трубе.
Радиочастотный магнитный поток в ключевом элементе может быть создан посредством обеспечения катушки, с которой соединен ключевой элемент (из которой он выходит), при этом катушка находится под напряжением посредством радиочастотных электрических сигналов.
Электрические сигналы могут быть в форме прямоугольной или синусоидальной волны, также возможно использование других форм волн. По предпочтению сигнал является пульсирующим (импульсно-модулируемым), каждое пульсирование уменьшает волну синусоидального типа.
При растворении в воде таких минералов, как карбоната кальция и кислой соли угольной кислоты, карбоната и бикарбоната магния, например, наблюдается присутствие положительно и отрицательно заряженных ионов. При достижении максимального объема вещества, которое может быть растворено в растворе, для заданных значений температуры и давления данный раствор должен быть насыщен, а при изменении условий таким образом, чтобы концентрация насыщения субстанции повысилась, раствор становится перенасыщенным. В случае присутствия в растворе необходимых затравочных кристаллов субстанции растворенная субстанция(и) будет выкристаллизовываться из раствора, и именно это может привести к осаждению осадка в трубопроводах.
Для формирования затравочных кристаллов положительные и отрицательные ионы вещества в растворе должны быть сгруппированы вместе. Благодаря такому распределению зарядов, ионы, которые включают более одного атома, можно рассматривать как диполи, а под влиянием электрического поля подобные ионы ориентируются по отношению к данному полю и притягиваются к положительно заряженному концу применяемого поля. Этот процесс значительно увеличивает шансы столкновения между заряженными частицами противоположного заряда, так как они будут двигаться в противоположном направлении друг от друга (особенно, если электрическое поле переменное), и приводит к увеличению роста кластеров противоположно заряженных ионов растворенного вещества.
Кроме того, электрическое поле уменьшает силы притяжения, которые вызывают притяжение молекул воды к ионам, в результате чего заряженные частицы соединяются, образуя затравочный кристалл. Подобные крошечные затравочные кристаллы обладают зарядом поверхности, привлекающим большое количество ионов и их скоплений (что может быть достигнуто в перенасыщенном растворе), и подобные затравочные кристаллы быстро растут и провоцируют рост других кристаллов (т.е. осаждение растворенного вещества) в случае, если раствор более не является перенасыщенным. При уменьшении давления (многие субстанции, формирующие осаждаемое вещество, обладают убывающей растворимостью в воде с понижающимся давлением) рост кристаллов продолжается до повторного снижения объема растворенного вещества.
Подобное создание затравочных кристаллов в растворе относится к области гомогенных затравочных кристаллов; кристаллы также могут формироваться на любой инородной субстанции или на плоской поверхности, обладающей острыми выступами. Электрические заряды будут сконцентрированы на любом из таких выступов, которые будут привлекать заряженные частицы для инициирования процесса кристаллизации. Если в данной части раствора нет доступных гомогенных затравочных кристаллов, растворенное вещество подобным образом будет кристаллизоваться на гетерогенных затравочных кристаллах, которые подобным образом должны присутствовать на поверхностях теплообменников или трубопроводов. Именно это приводит к уменьшению осадка в трубопроводе.
В соответствии с настоящим изобретением наличие распространяющегося электромагнитного поля в трубопроводе облегчает образование гомогенных затравочных кристаллов в воде в трубопроводе, и, как следствие, сформированные в воде кристаллы транспортируются водой через трубопровод, в результате чего не происходит снижения осадка на поверхности трубопровода. Гомогенные затравочные кристаллы притягивают вещество из раствора в десять раз более активно, чем гетерогенные затравочные кристаллы на поверхности, вследствие чего кристаллы подобным образом образуются в воде в виде взвеси.
Гомогенный затравочный кристалл инициирует процесс кристаллизации при более высоком давлении, чем давление, при котором кристаллизация может инициироваться на гетерогенных затравочных кристаллах на поверхности. В результате все вещество, подверженное осаждению из раствора, должно быть подобным образом выведено в осадок до начала процесса гетерогенного отложения на поверхности.
Процесс осаждения растворенных веществ из воды в трубопроводе дает право рассматривать данное изобретение как полезное для использования в рамках снижения отложений на поверхностях трубопровода асфальтенов и твердых парафинов из нефтяного содержимого водно-нефтяной смеси. Как асфальтены, так и твердые парафины могут использовать затравочные кристаллы, как это описано выше, в качестве зародыша кристалла, на котором осаждаются взвешенные частицы (которые обладают внешней схожестью с крупинками) до достижения уровня температуры застывания.
Асфальтены представляют собой молекулярное соединение ароматического ряда с высокой массой, типичным образом содержащее кислород, азот, серу и тяжелые металлы, равно как и углерод и водород. Как следствие, кристаллы субстанций, формирующих осадок, действуют в качестве затравочных кристаллов для снижения асфальтенов и твердых парафинов до достижения уровня температуры застывания, тем самым предупреждая снижения отложений на трубопроводе.
Дополнительно, наличие указанного поля оказывает положительный эффект с целью предупреждения коррозии трубопровода.
Изобретение далее будет описано на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, в том числе. На Фиг.1 показано устройство для осуществления изобретения, в отношении нефтяных труб.
Фиг.1 иллюстрирует устройство для применения изобретения относительно трубопровода для нефтяной скважины.
Фиг.2 иллюстрирует устройство для установления электромагнитного поля в трубопроводе и в его составляющих, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 иллюстрирует пульсирующий колебательный волновой сигнал, применяемый к устройству.
Фиг.4 иллюстрирует электрическое поле, создаваемое в трубопроводе для нефтяной скважины.
На Фиг.1 представлен трубопровод 10 нефтяной скважины, который простирается вниз по скважине от уровня земной поверхности. Эксплуатационная установка 12 проиллюстрирована на трубопроводе 10, а устройство 14, как детально продемонстрировано на Фиг.2, подсоединено к трубопроводу.
На Фиг.2 показан участок трубопровода 10 с размещенным на нем устройством 14. Устройство 14 включает в себя ключевой (основной) элемент 16, выполненный из магнитопроводящего материала, предпочтительно из подходящего ферритового материала, и размещенный вокруг трубопровода 10. Для удобства он включает в себя число отдельных элементов, выполненных из магнитопроводящего материала, указанные элементы заключены в соответствующие кожухи, указанные элементы соединены друг с другом посредством соединительных деталей, из которых один или более могут быть съемными, чтобы обеспечить возможность размещения ключевого элемента вокруг трубопровода без необходимости разъединения самого трубопровода. Отдельные элементы из магнитопроводящего материала установлены таким образом, чтобы образовывать кольцевой электромагнитный проводящий пояс вокруг трубопровода 10.
Следует отметить, что катушка электрического проводника располагается в кожухе 18, связанном с ключевым элементом 16, который выходит их указанной катушки. Катушка соединена при помощи электропроводной линии 22 с генератором 24 радиочастотного сигнала. Электрические сигналы, генерируемые генератором 24 сигналов, передаются на катушку, которая соединена с ключевым элементом 16. Сигналы представляют собой радиочастотные сигналы и предпочтительно представлены в форме последовательной пульсации, при которой каждое пульсирование уменьшает синусоидальное колебание волны, как представлено на Фиг.3. Возможно также использование сигналов других форм волны, например «прямоугольного» колебательного сигнала. Применение подобных сигналов к элементу 16 позволяет установить радиочастотное электрическое поле в трубопроводе 10 и в находящейся в нем водно-нефтяной смеси, данное поле является транслируемым коаксиальным полем, которое устанавливается по всей длине трубопровода 10.
Способ и устройство для обработки жидкой субстанции посредством радиочастотных сигналов раскрываются, например, в патенте США №5667677 и международной опубликованной заявке WO 2006/067418. Устройство для практического использования по настоящему изобретению может опираться на конструкции и способы, раскрытые в данных документах.
Электромагнитное поле устанавливается при такой частоте и силе, что молекулы воды (которые являются полярными молекулами) не обладают достаточной подвижностью для повышения температуры, таким образом, более крупные молекулы и ионы движутся, как было описано выше, что усиливает процесс кристаллизации.
Описанное устройство вызывает электрическое напряжение в линии вдоль оси трубопровода, создавая электрический ток вдоль оси, которая в свою очередь создает коаксиальное электромагнитное поле внутри и вокруг трубопровода. Коаксиальное электромагнитное поле провоцирует поток электронов около наружной оболочки проводника, который может быть представлен металлическим трубопроводом, заполненным водой (или только водой, в случае если трубопровод не является проводником). С точки зрения электрики, трубопровод нефтяной скважины должен представлять собой разомкнутую электрическую цепь, а для генерации достаточного потока электронов в кондукторе разомкнутой электрической цепи является необходимым предоставление высокочастотного сигнала, в результате чего напряжение стоячей волны генерируется по всей длине проводника. Например, при частоте приблизительно в 120 кГц длина волны будет составлять 2498 м, а четвертьволновая длина 624.5 м. Таким образом, уровни напряжения значительно варьируются по всей длине трубопровода, вызывая эффекты, описанные выше. Способ изменения мощности по всей длине трубопровода 10 проиллюстрирован на Фиг.4.
Согласно описанному выше способу трубопровод нефтяной скважины в использовании может содержать смесь нефти и воды, вода (также возможно использование морской воды) нагнетается в нефтеносный слой, из которого добывается нефть, для улучшения нефтедобычи. Создание распространяющегося электромагнитного поля в трубопроводе способствует формированию гомогенных затравочных кристаллов в водном содержимом смеси в трубопроводе, вследствие чего кристаллы продвигаются вдоль трубопровода водой, а не откладываются в виде осадка на внутренней поверхности трубопровода. Было обнаружено, что асфальтен(ы) и твердый парафин(ы), содержащиеся в нефтяном содержимом в смеси, оседают на затравочных кристаллах в воде, таким образом, они также продвигаются вдоль трубопровода, а не осаждаются на внутренней поверхности трубопровода.
Асфальтен(ы) представляет собой полярные молекулы, а следовательно, они будут выталкиваться к центру трубопровода при помощи распространяющегося коаксиального поля, создаваемого способом, описанным выше, предупреждая или снижая осаждение данных элементов на стенках трубопровода.
Использованные в данном описании изобретения и пунктах формулы термины "включает в себя" и "подразумевающий" и их вариации подразумевают, что специфические свойства, этапы либо целые значения также имеются в виду. Термины не должны интерпретироваться с целью исключения наличия прочих характерных черт, этапов или компонентов.
Специфические черты, раскрытые в предшествующем описании, или нижеследующих пунктах патентной формулы, или в приложенных иллюстрациях, выраженные в специфических формах или на основе средств для представления раскрытой функции, или способ или процесс для достижения описанного результата, при необходимости, возможно, раздельно, или в любых других комбинациях данных характерных черт должны быть использованы для реализации настоящего изобретения в различных формах его воплощения.
1. Способ снижения отложений осадка, твердого(ых) парафина(ов) и/или асфальтенов из водно-нефтяной смеси в трубопроводе нефтяной скважины, включающий установку вокруг трубы ключевого элемента из магнитопроводящего материала и катушки, из которой выходит ключевой элемент, указанную катушку посредством радиочастотных электрических сигналов возбуждают для образования радиочастотного магнитного потока в ключевом элементе, создающем радиочастотное электрическое поле, которое передается от указанного положения ключевого элемента по жидкости в трубе, при этом поле приводит к образованию гомогенных затравочных кристаллов в смеси, а на указанные затравочные кристаллы осаждаются частицы асфальтенов и/или твердого(ых) парафина(ов) для переноса их по трубе.
2. Способ по п.1, где электрические сигналы представлены в форме синусоидальных колебательных сигналов.
3. Способ по п.2, где сигнал является пульсирующим, каждая пульсация уменьшает синусоидальный колебательный сигнал.
