Физические методы борьбы с АСПО

Физические методы очистки и удаления парафинов являются инновационной технологией, удаление АСПО происходит без применения механической очистки нефтепроводов и без остановки самого процесса по нефтедобыче и нефтеперекачке, поэтому эти методы дают значительную и ощутимую экономическую выгоду.

Физические методы основаны на воздействии механических и ультразвуковых колебаний (вибрационные методы), а также электрических, магнитных и электромагнитных полей на добываемую и транспортируемую продукцию. Однако ни один из существующих способов до настоящего времени не решает полностью проблемы с АСПО, поскольку не сопровождается полным удалением пара-финоотложений. Вибрационные методы позволяют создавать ультразвуковые колебания в области парафинообразования и, воздействуя на кристаллы парафина, вызывать их микроперемещение, что в свою очередь препятствует осаждению парафина на стенках труб. Применение магнитных устройств для предотвращения АСПО началось в пятидесятые годы прошлого века, в основном в нефтедобыче, но из-за малой эффективности широкого распространения не получило. В последние годы интерес к использованию магнитного поля для воздействия на отложения значительно возрос.

Магнитную обработку парафиносодержащих нефтяных сред осуществляют при прохождении через постоянное магнитное поле, создаваемое магнитным устройством.

Механизм действия магнитного поля. Нефтегазовая смесь поступающая в скважину, содержит в своем составе примеси железа в типичных концентрациях 10-100 г/т. Эти примеси сформированы, в основном в форме агрегатов феромагнитных микрокристаллов железа (ФМЖ).

При прохождении нефтяного потока через область магнитного поля происходит разрушение агрегатов ФМЖ на отдельные субмикронные частицы диаметром 0,03-0,07 мкм и массой порядка 10^-14, что связано с вращением частиц в магнитном поле, поступательными движением в направлении градиента магнитного поля и действием сил Лоренца. Если учесть, что в каждом агрегате содержится несколько сотен до несколько тысяч ферромагнитных микрочастиц, то становиться понятным, что разрушение агрегатов приводит к резкому 100-1000 кратному увеличению концентрации центров кристаллизации парафинов, на поверхности которых формируются пузырьки газа микронных размеров. Поскольку скорость радиального перемещения включений пропорциональна их объему, то при увеличении количества центров кристаллов в 100 раз во столько же раз уменьшиться средний размер кристаллов парафина и в 100 раз уменьшится скорость переноса парафина к глубинно-насосному оборудованию. В результате разрушения агрегатов кристаллы парафина выпадают в виде тонкодисперсной, объемной, устойчивости взвеси, а скорость роста отложений уменьшается пропорционально уменьшению средних размеров выпавших совместно со смолами и асфальтенами в твердую фазу кристаллов парафина, т.е тоже в 100 раз.

Таким образом защита нефтепромыслового оборудования от АСПО с помощью магнитных устройств реализуется за счет:

1. разрушения агрегатов ФМЖ в постоянном магнитном поле;

2. мицеллообразования парафина на ФМЖ, как на ядрах мицелл;

3. формирования на кристаллах парафина газовых пузырьков, т.е за счет формирования кристаллами ФМЖ центров мицеллообразования и флотации парафинов и адсорбированных на них смол, асфальтенов, воды и тяжелых нефтяных фракций.

Импульсно-высокочастотное термоакустическое воздействие (ИТВ)

В основу предлагаемой технологии положены способ передачи большой электрической мощности по двухпроводной линии с ограниченным поперечным сечением с помощью коротких и сверхмощных высокочастотных импульсов и особые виды использования этой импульсной мощности для обработки скважин.

В качестве двухпроводной линии может быть использован стандартный геофизический кабель, в котором одним из проводов является скрутка из центральных жил кабеля, а вторым – броня кабеля. В других вариантах вторым проводом может быть колонна труб скважины (НКТ, обсадная труба либо насосная штанга).

Такой способ передачи позволяет передать мощность в 5-10 раз большую, чем это возможно на постоянном или переменном токе. Достаточно указать на то, что по стандартному семижильному геофизическому кабелю, имеющему наружные габариты 13 мм в диаметре, мы передаем мощность на всю глубину скважины (3-3,5 км) среднюю 100 кВт, импульсную – до 500 кВт.

Для обработки скважин наибольшую роль играет импульсная высокочастотная мощность, а именно – создаваемые этой мощностью эффекты.

Термическое воздействие обусловлено поверхностным эффектом и протеканием вихревых токов, наведенных индукцией высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого импульсными токами.

Механическое вибровоздействие в звуковом и ультразвуковом диапазоне возникает от ударных сил взаимодействия импульсных и вихревых токов.

Источники тепла и механические колебания возникают в броне кабеля или (и) в металле колонны труб, имеющих непосредственный контакт с обрабатываемой средой. Выделение тепла и возникновение механических колебаний может осуществляться непосредственно в жидкости от замыкания ударных импульсных токов через скважинную жидкость.

Выделение термоакустической мощности может происходить как по длине передающей линии, так и преимущественно в головной части этой линии (расположенной, например, в призабойной зоне пласта), где оно концентрируется, с помощью специальных устройств – гибридных индукторов. В последнем случае из-за концентрации импульсного поля осуществляется еще один вид воздействия – разрушение этим полем эмульсий и гелей, входящих в состав отложений.

Принцип действия легче всего пояснить путем сопоставления с известными способами, использующими для обработки скважин электрическую мощность.

Известны нагревательные кабели производства ряда кабельных заводов, в которых тепловое воздействие обусловлено пропусканием тока через изолированные электроды. Воздействие в них осуществляется температурным напором через слой электроизоляции. Конструкция громоздка и пригодна только для стационарной установки и опасна в применении из-за возможного дугового пробоя разделяющей изоляции. В технологии ИТВ выделение тепла в кабеле и в металле трубы обусловлено экранным эффектом из-за поглощения энергии ВЧ-поля, его интенсивность зависит только от частоты тока в импульсе и ничем не ограничена, так как нагревательный элемент не требует электроизоляции.

Несмотря на то, что импульсы высокого напряжения (в несколько киловольт) подаются на вход кабеля между центральной жилой и броней, потенциал и падение напряжения на поверхности самой брони практически отсутствуют, так как импульсные токи сосредотачиваются на внутренней поверхности брони в пределах глубины проникновения поля в металл (0,1 – 0,3 мм), что обеспечивает полную безопасность технологии.

Известно использование для акустического воздействия ультразвуковых излучателей («свистков») для обработки призабойной зоны пласта (ПЗП) на основе пьезоэффекта и магнитострикции. В технологии ИТВ механическое вибровоздействие от ударных электродинамических сил, несмотря на то, что эффект магнитострикции также присутствует, имеет

– на порядок большую энергию,

– распределенный характер по всей длине передающей линии, а значит, по всему лифту скважины, с возможной концентрацией в ПЗП,

– в качестве источника механических вибровоздействий броню кабеля или (и) колонну труб в скважине, в частности в зоне перфорации – обсадную трубу, контактирующую с призабойной зоной.

Известно использование для обработки скважин приборов с замыканием тока через скважинную жидкость либо по типу электролизного, либо искродуговой. Замыкание импульсного высокочастотного тока через скважинную жидкость в нашей технологии выгодно отличается тем, что при создании тех же термических воздействий и скачков давления, порождающих колебания в упругой среде, не происходит переноса металлов, как в электролизных приборах, и образование дуги, как в искродуговых, вызывающей коксование продукта в скважине. Здесь используется эффект резкого увеличения проводимости скважинной жидкости, в том числе и отложений на трубах на высокой частоте (эффект Дебая), который позволяет пропускать большие импульсные токи без деструктивных влияний на скважину.

Все перечисленные отличия от существующих методов составили предмет изобретения на способы и устройства, оформленные патентом РФ № 2248442 от 10.09.2003 г.

Особенности применения предлагаемой технологии.

В зависимости от применения оборудование, созданное для реализации данной технологии, имеет разную комплектацию.

1. В самом простом варианте для ликвидации АСПО, ГПО в лифте добывающих скважин со штанговым насосом (ШГН) оборудование содержит генератор импульсов с установленной мощностью 100 кВА и воздействующий кабель марки КГ (длиной до 2,5 км), намотанный на каротажную лебедку, установленных на стандартный подъемник типа ПКС. Воздействие осуществляется путем погружения кабеля через межтрубное пространство. Время обработки в зависимости от глубины и характера отложений от 10 до 30 часов. Для успешного прохода кабеля в муфтовых соединениях в искривленных скважинах головная часть кабеля снабжена отражательной головкой в виде стальной гибкой иглы, на которой закреплены с возможностью вращения каленые металлические шарики с уменьшающимся к периферии диаметром.

Для проблемных скважин, характеризующихся сильной искривленностью, малым межоперационным периодом образования отложений, особой их прочностью и высокой температурой плавления, а также для труднодоступных скважин целесообразна стационарная установка кабеля на НКТ во время планового КРС или ПРС. Стоимость монтируемого кабеля приблизительно 2500 долларов на одну скважину.

2. Для ликвидации отложений в лифте скважин с ЭЦН и фонтанирующих скважин воздействие осуществляется путем погружения кабеля через сальниковое устройство (лубрикатор) непосредственно в НКТ. Для успешного прохода кабеля он комплектуется головными нагревателями управляемыми частотой.

Головные нагреватели имеют зависимость от частоты такую, что на низкой частоте их сопротивление велико и в них выделяется большая мощность (при малой мощности выделения в самом кабеле), а при повышении частоты их сопротивление и, соответственно, мощность падают, в то время, как по длине кабеля растут. Передающая линия переходит, при этом, из режима работы с бегущей волной электромагнитного поля в режим стоячей волны.

Двухрежимный процесс позволяет на низкой частоте с помощью головных нагревателей прожечь в пробке отверстие для прохода кабеля (без перегрева кабеля на барабане), а после прохода перейти в режим термоакустической обработки по всей глубине.

Головные нагреватели выполняются либо по типу "горячий индуктор" с использованием свойств ферритовых магнитопроводов индуктора терять магнитные свойства при некоторой температуре, зависящей от частоты, либо по типу электродных приборов с использованием свойств слабых электролитов на высокой частоте резко увеличивать свою проводимость.

3. Для обработки ПЗП в скважинах с ШГН оборудование укомплектовано индуктором с наружным диаметром 20 – 25 мм и длиной до 3 м. В некоторых специальных применениях, например для обработки пластов с вязкой (битуминозной) нефтью индуктор выполняется длиной 40-50 м. Индуктор выполняется либо с продольным полем в виде соленоида, снабженного экранами-концентраторами поля, либо с поперечным полем в виде щелевого индуктора, щели которого установлены по длине индуктора под углом 120.

Для прохода индуктора через межтрубное пространство индуктор делится на жесткие секции длиной 10-12 см, сочленяемых между собой по длине пружинными бронзовыми шайбами и стянутых гибкой латунной шпилькой, за счет чего индуктор имеет гибкость, сопоставимую с гибкостью самого кабеля. В головной части индуктор также снабжен системой вращающихся шариков с уменьшающимся диаметром.

Обработка ПЗП осуществляется без постановки бригады КРС, а вынос отложений с ПЗП производится скважинным насосом.

4. Для обработки скважин, требующих постановки бригады КРС, например, для скважин с ЭЦН, оборудование комплектуется индуктором гибридной конструкции, в которой интегрированы генератор (или повторитель) импульсов и индуктор. Генератор преобразует поступающую энергию в более мощные импульсы. Диаметр погружного прибора 42 мм, длина 2300 мм, зона охвата воздействием 1 и более метров.

Дальнейшим развитием индукторов такой конструкции является устройство на спирально-передающих линиях (СПЛ).

СПЛ позволяют интегрировать в себе (совмещать) функции накопления энергии, генерирования импульсов, преобразование их по уровню (усиление по мощности) и передачу в нагрузку. Имеют по сравнению со схемами на дискретных компонентах (с отдельными накопительными конденсаторами, дросселями и импульсными трансформаторами) в 10-100 раз меньшие габаритные показатели и позволяют получать уникальные по мощности, крутизне фронтов, длительности и других энергетических параметров характеристики импульсов, которые невозможно получить на дискретных схемах.

В этом оборудовании сохраняется электродинамический принцип передачи мощности, а также принцип перехода передающей линии из режима бегущей волны (режима передачи мощности в конечную нагрузку) в режим стоячей волны (режим выделения мощности по длине системы).

Главным элементом оборудования является устройство для обработки ПЗП, выполняемое на СПЛ по технологии "индукон" (индуктор-конденсатор). Индукон является интегральным элементом, в котором схемно реализованы функции двойного накопителя (электрического и магнитного) энергии; преобразования входящих импульсов в новые инвертированные и усиленные по мощности импульсы. При этом используются свойства индукона как концентратора магнитного поля.

Результаты применения предлагаемых технологии и оборудования.

Результаты опытной эксплуатации по очистке лифта скважин показали:

- по сравнению с другими тепловыми методами возможность реанимации воздействием через затруб "глухих" скважин с заклинившим штанговым насосом, отличающихся большой глубиной образования отложений (до 2,5 км), и в которых невозможно вызвать циркуляцию жидкости;

- длительный эффект очистки, обусловленный влиянием ультразвука греющего кабеля и ликвидацией пленки на поверхности труб, являющейся катализатором осаждения парафинов.