Delist.ru

Методы и агрегаты для магнитодинамической обработки водонефтяных сред (02.10.2007)

Автор: Лаптев Анатолий Борисович

Для осуществления МГДО модельных или промысловых сред в лабораторных условиях был разработан, сконструирован и изготовлен специальный агрегат, действие которого основано на принципе обработки неподвижной среды вращающимися ИМП (рисунок 1). Оно содержит корпус 1 из диамагнитного материала, ИМП 2 на дисках 3, установленных вдоль корпуса на вращающихся валах 4. В устройстве осуществляются следующие операции: обработка среды магнитным полем от вращающихся дисков с ИМП; формирование в среде градиента концентрации ионов солей под воздействием индуцируемого электрического поля; увеличение концентрации ионов солей в зоне с нулевой магнитной индукцией при однополярном расположении ИМП на двух дисках; получение градиента рН в ячейке при разнополярном расположении ИМП.

Рисунок 1 - Схема устройства для проведения МГДО модельных и промысловых сред

Компоновка устройства предусматривает возможность МГДО среды при варьировании величины индукции и различном расположении ИМП.

Тарировку устройства проводили с помощью тесламетра типа ПИЭ МГ Р 2, замеряя величину магнитной индукции в зазоре между ИМП. Изменение размера зазора предусмотрено в конструкции устройства.

Оценка эффективности МГДО по предотвращению отложения солей осуществлялась в ходе визуального наблюдения (с помощью оптического микроскопа МБС-9) процесса кристаллизации солей жесткости, выпадавших из отфильтрованного раствора. Фильтрацию выполняли для удаления из раствора затравочных кристаллов солей жесткости. Кроме того, измеряли содержание ионов солей жесткости в пробе до и после МГДО, используя известную методику определения эффективности обработки комплексометрическим методом определения жесткости воды.

Проведение лабораторных испытаний коррозионной активности среды осуществляли с помощью специально разработанного стенда при варьировании величины магнитной индукции и скорости течения двухфазной жидкости в ламинарном режиме, при котором коррозия нефтесборных трубопроводов по нижней образующей наиболее интенсивна.

Стенд позволяет определять скорость коррозии металла до и после магнитной обработки методом поляризационного сопротивления. В индикаторе скорости коррозии типа «Моникор-1М» используется принцип линейной поляризации электродов с последующим измерением сопротивления цепи «электрод – жидкость» и индикацией результатов в единицах скорости коррозии (мм/год).

Изменение напряженности магнитного поля проводили путем установки на рабочую поверхность стенда однотипных постоянных магнитов. При этом варьировали их количество (для создания требуемой напряженности магнитного поля) и расположение друг относительно друга и потока воды.

-излучении с использованием плоского графитового монохроматора на дифрагированном пучке.

Значения общей энергии и дипольного момента молекул и системы «асфальтен – соединения железа» рассчитывали с использованием программы HyperChem–6.0 (метод MINDO 3). Полуэмпирические методы позволяют решать уравнение Шредингера для атомов и молекул с использованием определенных приближений и упрощений. В методе MINDO 3 используются эмпирические параметры вместо соответствующих вычислений. Он дает возможность получать хорошие результаты для крупных органических молекул при расчетах основного состояния систем с открытой и закрытой оболочками, оптимизации их геометрии и полной энергии.

Магнитную восприимчивость молекул асфальтенов рассчитывали методом П. Паскаля по формуле

? = ( ni?i + (,

где ni – число атомов с магнитной восприимчивостью ?i в молекуле, ? – структурная поправка, зависящая от характера связей между атомами.

В этом выражении ?i не является теоретической магнитной восприимчивостью изолированного атома, а представляет собой эмпирическую постоянную, полученную на основании измерения значений реальных магнитных восприимчивостей органических веществ. Значения постоянных Паскаля ?i часто являются основным средством для оценки магнитной восприимчивости молекул в тех случаях, когда другие методы неприменимы.

Магнитную восприимчивость АСПО рассчитывали в соответствии с законом аддитивности Видемана

? = ( ?ipi,

где ?i и pi – значения магнитной восприимчивости и весовые доли компонентов АСПО, содержащиеся в справочной литературе и определенные с помощью рентгенофазового анализа соответственно.

Магнитную восприимчивость асфальтенов измеряли методом, основанным на явлении электромагнитной индукции. Амплитуда ЭДС (m (В) пропорциональна магнитной восприимчивости ( (ед. СИ) вещества образца

где C2 - постоянная измерительной установки, В/см3; V - объем исследуемого образца, м3.

Установка для измерения магнитной восприимчивости включала генератор сигналов специальной формы Г6-15, селективный нановольтметр Unipan-232 B и измерительную и компенсирующую катушки, встроенные в намагничивающий соленоид.

Изучение адсорбции асфальтеновых комплексов на поверхности электродов из стали 20 проводили с помощью потенциостата Field Machine с программным обеспечением «Bubble test. Sequencer. Core Running, v. 4 Analysis» и ячейки Labtec с тремя стальными электродами методом прямого измерения импеданса двойного электрического слоя на границе «металл – электролит» в постоянном магнитном поле и в его отсутствие. Это позволяло выявлять влияние магнитного поля на характер адсорбции асфальтеновых комплексов на металлической поверхности и механизм их агломерации на источниках постоянного магнитного поля (ИМП).

Исследование времени расслаивания эмульсий проводили в соответствии с ГОСТ 12068-66 «Масла нефтяные. Метод определения времени деэмульсации».

Для осуществления магнитной и вибрационной обработки потока использована лабораторная установка, состоящая из емкостей для эмульсии, насоса, аппарата ультразвуковой обработки, генератора сигналов ГЗ-33 со специальным звукопередающим устройством, лабораторной установки для магнитной обработки жидкости УМПЛ (разработанный ООО «Инкомп-нефть»), аппарата магнитной обработки.

В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки, обосновывающие методологию конструирования, расчета и изготовления агрегатов для эффективного применения МГДО для снижения осложнений в трубопроводах, и результаты лабораторных экспериментов, подтверждающие правильность избранного подхода.

При движении среды, содержащей ионы солей жесткости, в магнитном поле в ней индуцируется электрический ток. Его носителями являются упомянутые ионы, на которые действует сила Лоренца. При конструировании агрегата необходимо выбрать такое расположение ИМП, чтобы векторы магнитной индукции располагались относительно вектора скорости потока среды под углом, обеспечивающим целенаправленное воздействие на положительные и отрицательные ионы солей жесткости и перераспределение их в объеме среды по требуемой траектории.

Для того чтобы инициировать кристаллизацию солей жесткости внутри объема перекачиваемой среды вдали от стенок труб в зазорах агрегата МГДО, необходимо с помощью ИМП задать такое направление индукции магнитного поля, при котором в середине зазоров образовывалась бы зона с нулевым значением индукции. С этой целью ИМП в устройстве располагаются одинаковыми полюсами навстречу друг другу (рисунок 2). Под действием силы Лоренца в среде возникает противоток анионов и катионов, происходит пересыщение раствора, ионы встречаются и начинают взаимодействовать именно в зоне с нулевым значением магнитной индукции. Согласно теории активных столкновений С. Аррениуса, это приводит к активизации их взаимных соударений. Сближение двух ионов на достаточное для протекания реакции между ними расстояние затруднено, так как они должны за счет диффузии пройти сквозь слой растворителя. Инициируя направленную диффузию ионов в среде путем индуцирования электрических токов в магнитном поле агрегата МГДО, можно повысить концентрацию реагирующих между собой ионов и увеличить число их столкновений в зоне с нулевым значением магнитной индукции. Таким образом, в этой зоне происходит принудительная кристаллизация солей жесткости.

С целью лабораторного подтверждения предложенной теории выполнены соответствующие исследования, для чего на первом этапе была подготовлена модельная среда, имитирующая реальные промысловые среды, склонные к образованию солеотложений в промысловых трубопроводах.

1- анионы, 2 – направление индуцированных токов, 3 – зоны с нулевым значением индукции, 4 – катионы

Рисунок 2 – Схема расположения ИМП, линий индукции, векторов силы Лоренца и ионов в зазоре агрегата МГДО

Для приготовления модельной среды использовали способ получения малорастворимых солей жесткости путем смешивания двух или более сильно растворимых солей (CuSO4 , CaCl2, CuCl2, Na2CO3 , NaCl)

Растворимость сульфата кальция в дистиллированной воде составляет 207 мг на 100 г раствора при давлении 0,1 МПа и температуре 24 ?С. В определенных условиях каждая молекула сульфата кальция связывает две молекулы воды, в результате чего образуются кристаллы гипса.

Растворимость карбоната кальция (кальцит) в дистиллированной воде невелика: при температуре 25 ?С и контакте с атмосферным воздухом она составляет 0,053 г/л, что примерно в 40 раз меньше растворимости сульфата кальция.

После приготовления и удаления осадка, полученные модельные среды заливали в корпус 1 (рисунок 1) и помещали в зазор устройства для МГДО модельных и промысловых сред. Линейную скорость движения магнитов устанавливали регулировкой скорости вращения дисков 3 с ИМП 2. При линейной скорости движения ИМП 1 м/с число оборотов дисков составляло 48 мин-1.

Визуальным наблюдением установлено, что даже при минимально возможной в проведенном эксперименте продолжительности МГДО (0,5 с) в зоне с нулевыми значениями магнитной индукции через 2 мин после удаления раствора из зазора лабораторной установки начинали образовываться мелкие кристаллы данных солей жесткости. При росте продолжительности обработки количество кристаллической фазы по величине не изменялась. Следовательно, достаточно малый период времени проведения МГДО раствора солей вызывает создание условий, необходимых для начала процесса кристаллизации.

Кристаллы солей жесткости выпадали (рисунок 3) в центральной части корпуса 1 в зоне с В = 0 (рисунок 1).

Рисунок 3 - Выпавшие из электролита кристаллы солей жесткости (( 10)

Таким образом, экспериментально показано, что использование агрегатов для МГДО растворов солей вызывает перемещение их катионов и анионов из областей с Вmax в области с В = 0 (рисунок 3), в результате чего в последних начинается процесс кристаллизации.

Дополнительную оценку эффективности МГДО проводили, определяя жесткость пластовой воды с высоким содержанием ионов СО32-. Сравнивали концентрацию ионов СО32- до и после МГДО, а также после кипячения модельной водной среды. При кипячении растворимость карбонатов значительно снижается, и отложение солей происходит более интенсивно. Установлено, что при скорости потока 2 м/с эффективность агрегата МГДО практически не уступает эффективности кипячения пластовой воды, то есть из обработанной воды также как и из подверженной кипячению не происходит выпадение солей и солеотложение.

Разработана также методология создания агрегатов МГДО для снижения коррозионной активности промысловых сред – для случая расслоенного потока водонефтяной среды.

Из работ В.А. Коптюга известно, что органические соединения могут присоединять заряженные ионы с образованием достаточно стабильных структур - карбокатионов и карбоанионов.

загрузка...