Комбинированный способ предупреждения отложения парафина в насосно-компрессорных трубах

Отложение парафина в насосно-компрессорных трубах (НКТ) – это проблема, влияющая на добыв-ные возможности скважин. Парафин, являющийся на самом деле частью сырой нефти, осаждается в твердом виде в результате снижения температуры.

Для борьбы с отложением парафина существуют различные методы. Один из самых распространенных – это традиционный метод борьбы с АСПО –скребкование лифта НКТ. Еще один способ удаления парафина – периодическая циркуляция горячей нефти по насосно-компрессорной колонне. Можно также закачать растворитель парафина в кольцевой зазор между обсадной и насосно-компрессорной колоннами.

Данные технологии широко распространены в нефтедобыче. К сожалению, забыта технология акустического воздействия на жидкость. Лабораторные исследования термоакустического воздействия на моделях, имитирующих цилиндрическую зону со 100%-ной парафинизацией пласта, показали его хорошую эффективность [2].

Автором работы предлагается в скважинах оборудованных электроцентробежным насосом (ЭЦН) на НКТ в интервале интенсивного парафи-ноотложения смонтировать миканитовые (или керамические) нагреватели с внутренним диаметром равным наружному НКТ. Электропитание кольцевого нагревателя предусматривается отводом от кабеля электропитания ЭЦН.

Кольцевой нагреватель монтируется на наружной поверхности НКТ и не создает препятствий внутри полости НКТ для спуска различных контрольно-измерительных устройств.

Для ускорения процесса коагуляции частиц парафина предусмотрено устройство формирования турбулентных вихрей, создающее во внутренней полости звуковые стоячие волны. Турбулентные вихри в устройстве формируются путем срыва вихрей с цилиндрических зубьев. Звук, создаваемый вихрями в результате суперпозиции отраженных волн от внутренних стенок устройства, создает поле стоячих звуковых волн.

Из классической акустики известно, что тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй, и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне – пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя миделево сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но, так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана.

Для создания вихрей предлагается, например, расположить внутри трубы набор сужающихся и расширяющихся сечений. Задаваясь скоростью потока нефтеводогазовой смеси, и размерами диаметров сужающихся и расширяющихся сечений вычисляется частота срыва вихрей.

Частота срыва вихрей согласно критерию Струхаля определяется выражением [2] /=uSh/d, где ƒ – частота срыва вихрей, υ – скорость потока, Sh – число Струхаля, d – характерный размер тела.

Звуковые вихри создают звуковое поле. Звуковые волны, распространяясь в замкнутом пространстве, создают поле стоячих волн из-за переотраже-ния от внутренних стенок трубы. Частицы парафина, попав в поле стоячих волн начинают коагулировать за счет сил притяжения и отталкивания.

Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [7] в связи с работами Бьеркнесса [4].

Брандт и Фройнд [5] и Брандт и Гидеманн [6] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.

Коагулированные частицы парафина подвергаются нагреву кольцевым нагревателем. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул в направлении ее уменьшения, т.е. уменьшения температуры.

Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество тепла dQ , проходящее за время dr через поверхность dF, нормальную к направлению теплопере-хода, равно [3] dQ = —A — dFdx ,где X – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности или теплопроводно-dt стью;    – градиент температуры, т.е. изменение

dl температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

Рис. 1. Схема установки кольцевого нагревателя 1 – скважина; 2 – НКТ; 3 – кольцевой нагреватель; 4 – кабель электропитания кольцевого нагревателя; 5 – кабель электропитания ЭЦН; 6 – ЭЦН.

Рис. 2. Схема компоновки: 1 – НКТ; 2 – переводники; 3 – устройство формирования турбулентных потоков; 4 – устройство для формирования звуковых стоячих волн; 5 – кольцевой нагреватель; 6 – турбулентные вихри; 7 – частицы парафина; 8 – эпюра колебательной скорости; 9 – эпюра звукового давления; 10 – направление потока.

Таким образом, коагулированные частицы парафина в стоячих волнах сохраняют тепло при движении от начальной точки возможного отложения в трубах до устья скважины.

На рис. 1 изображена схема размещения в НКТ над ЭЦН кольцевого нагревателя. На рис. 2 изображена схема с устройствами для предупреждения отложения парафина на стенках НКТ.

Предлагаемый способ защиты НКТ от парафи-ноотложений совмещает два способа воздействия – акустический  и тепловой. Акустический способ основан на преобразовании звука ламинарного потока жидкости в турбулентный. Вихри, создаваемые устройством, образуют поле стоячих волн, в котором частицы парафина коагулируют с последующим слипанием в кольцевом нагревателе. Для создания поля стоячих волн используется внутренняя энергия потока жидкости.

Согласно закону Фурье, нагретые некоагулиро-ванные частицы парафина поверхность излучения, которых мала, при движении по трубе остывают быстрее по отношению к коагулированным частицам, поверхность излучения которых большая.