способ обезвоживания водонефтяной эмульсии. Свч обработка нефти


способ обезвоживания водонефтяной эмульсии - патент РФ 2536583

Изобретение относится к области обработки нефтепродуктов. Изобретение касается способа обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии, подающейся через волновод, выполненный в виде металлической трубы, и системы коалесценторов, в волноводы подают помимо СВЧ энергии в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см2, ультразвуковую (УЗ) энергию, интенсивностью от 1 до 10 Вт/см2 и с частотой от 300 кГц до 2000 кГц, а в коалесценторах используют УЗ энергию, интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц. Технический результат - эффективное удаление из нефти воды и твердых примесей в потоке при минимальных затратах энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2536583

Изобретение относится к области обработки нефтепродуктов, а более конкретно - к способам электрофизического удаления воды из водонефтяной эмульсии, и может быть использовано для обезвоживания водонефтяной эмульсии в нефтяной промышленности.

Из уровня техники известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU № 2152817 [1], заключающийся в том, что товарную форму деэмульгатора предварительно растворяют в воде и воздействуют постоянным магнитным полем на водный раствор деэмульгатора при протекании его через зазоры омагничивающего устройства. После чего эмульсию смешивают с химическим реагентом и отстаивают. К недостаткам данного способа можно отнести применение химических реагентов и длительное время деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Известен также способ обезвоживания углеводородных жидкостей, описанный в опубликованной заявке на патенте RU № 99133299 [2], при котором углеводородную жидкость подвергают воздействию неоднородным электрическим полем; при этом неоднородное электрическое поле создается однополярными электрическими импульсами, и жидкость обрабатывается в электрическом поле напряженностью 40-80 кВт/см2. Недостатками данного способа являются длительное время деэмульгации, низкая производительность и низкий уровень деэмульгации.

Известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU № 2167692 [3]. В источнике [3] предложен способ обезвоживания нефти путем ее обработки в знакопеременном электрическом поле при амплитуде импульса от 0,5 до 1 кВт/см с длительностью переднего фронта импульса от 2×10-5 до 5×10-4 сек. К недостаткам данного способа следует отнести низкую производительность способа и низкую степень обезвоживания нефтяной эмульсии.

Известен описанный в патенте US № 5,914,014 [4] способ отделения воды от нефти из водонефтяного эмульгированного сырья за счет использования энергии сверхвысоких частот (СВЧ). Способ [4] заключается в том, что поток эмульсии закачивается в многорежимную СВЧ резонансную кювету, состоящую из двух противостоящих проточных камер. Затем эмульсия подается на центрифугу для последующего разделения. Основным недостатком данного способа является большой расход СВЧ энергии для нагрева эмульсии до 82°С. При этом необходимо иметь дополнительное оборудование для разделения эмульсии на фракции. Кроме того, диэлектрические параметры эмульсии сильно меняются в зависимости от состава нефти и процента содержания воды, что приводит к частичному отражению (потере) СВЧ энергии.

Известен также способ электромагнитной обработки многофазных дисперсионных сред, предложенный в опубликованной заявке на патент RU 2000124843 [5]. В данном способе обработку дисперсионных сред осуществляют в импульсивном электромагнитном поле с помощью установки, состоящей из генератора периодических электромагнитных импульсов и «n» электромагнитных импульсных соленоидов. Недостатком данного способа является относительно низкая степень деэмульгации многофазных дисперсионных сред (водонефтяных эмульсий).

Известен способ обезвоживания и обессоливания нефти, предложенный в патенте RU № 2160762 [6] и заключающийся в обработке нефти СВЧ-сигналом, который формируют в виде набора спектральных компонент как результирующий сигнал выходных сигналов системы, включающей в себя, по меньшей мере, три источника СВЧ энергии. Одновременно с обработкой СВЧ сигналом создают турбулизацию потока нефти и осуществляют воздействие магнитным полем, направление силовых линий которого составляет 90° по отношению к вектору поступательного движения жидкости. Недостатком данного способа является недостаточная скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Из непатентной литературы известен способ, применяемый в отношении гидрозолей (см. «Маленькая энциклопедия, ультразвук», главный редактор И.П. Голямина, изд. «Советская энциклопедия», Москва 1979, стр.161) [7]. Обработка осуществляется в условиях жидкой дисперсионной среды под воздействием ультразвуковой энергии, при этом скорость коагуляции определяется интенсивностью ультразвуковой энергии и частотой, значения которых зависят от состава гидрозолей, однако реализация описанного в [7] процесса осложняется тем, что невозможно подать большой уровень УЗ из-за возникновения кавитации, не позволяющей увеличить скорость коагуляции.

Известна конструкция установки, предназначенной для обезвоживания и обессоливания с помощью СВЧ энергии (см. патент RU № 2338775) [8]. В указанной конструкции обезвоживание водонефтяной эмульсии осуществляется в круглых трубах (волноводах) СВЧ энергией и коалесценторами. Недостатком данной конструкции является значительные энергозатраты и низкая скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является способ снижения вязкости углеводородного сырья при добыче тяжелой нефти, битума, керогена путем подачи СВЧ энергии и ультразвуковой энергии (УЗ) непосредственно в зону залегания углеводородов через обсадные трубы (см. патент US № 7,677,673) [9]. При этом осуществляют комбинированное воздействие на углеводородное сырье с помощью СВЧ энергии с частотой в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и УЗ энергии частотой в диапазоне от 10 кГц до 40 кГц. Согласно источнику [9], способ позволяет уменьшить вязкость тяжелой нефти в 2-3,5 раза. Данный способ может использоваться только для уменьшения вязкости нефтепродуктов, так как для разрушения стойких водонефтяных эмульсий требуется значительно более высокий уровень на частотах от 10 кГц до 40 кГц. УЗ энергия имеет низкий порог кавитации. При этом низкий порог кавитации не позволяет увеличить удельную УЗ энергию, поскольку превышение порога кавитации ведет к усилению процесса эмульгирования с образованием стойкой эмульсии.

Задача, на решение которой направленно настоящее изобретение, заключается в разработке способа более эффективного удаления из нефти воды и твердых примесей в потоке при минимальных затратах энергии.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, достигается за счет разработки способа обезвоживания водонефтяной эмульсии, заключающегося в том, что на углеводородное сырье, в частности на водонефтяную эмульсию, осуществляют комбинированное воздействие с помощью СВЧ энергии и УЗ энергии, используя при этом волновод СВЧ в виде металлической трубы и систему коалесценторов, отличающегося тем, что используют СВЧ энергию в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см2 одновременно с обработкой водонефтяной эмульсии УЗ энергией с частотой в диапазоне от 300 кГц до 2000 кГц и с интенсивностью ниже порога кавитации, но достаточной для разрушения эмульсии, преимущественно в диапазоне от 1 до 10 Вт/см2, в зависимости от состава эмульсии. Для повышения порога кавитации частота УЗ должна быть более 300 кГц. В системе коалесценторов водонефтяную эмульсию обрабатывают УЗ энергией с интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц.

В одном из вариантов реализации заявляемого способа повышение порога кавитации обеспечивают за счет модулирования УЗ короткими от 100 мкс до 500 мс импульсами.

Существенным признаком, отличающим заявленный способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, является совместное применение для обезвоживания СВЧ и УЗ энергии с экспериментально выбранными параметрами по частоте и интенсивности.

Одним из основных компонентов водонефтяной эмульсии является вода. Из-за значительной асимметрии своей молекулы она обладает исключительной поляризацией, что делает ее идеальным материалом для СВЧ воздействия.

СВЧ нагрев обладает объемным характером нагрева, и наличие низкой теплопроводности среды практически не влияет на скорость нагрева, кроме того, СВЧ энергия ослабляет межмолекулярные связи в нефти, снижая ее вязкость до требуемой величины даже при температурах перегрева, меньших, чем при нагреве традиционным способом, что позволяет резко снизить энергозатраты на снижение вязкости и нагрев нефти.

В водонефтяной эмульсии часть воды находится в виде мелких капель с оболочкой из поверхностно активных веществ (ПАВ), а часть твердых включений в виде мелкодисперсионных трудно осаждаемых суспензий.

Нефть, как не полярный диэлектрик, практически не поглощает СВЧ энергию и поэтому слабо греется. Вода, являясь полярным диэлектриком, полностью поглощает СВЧ энергию и сильно нагревается. В пограничном слое между каплями воды и нефтью создается температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водяной фаз.

Второй фактор воздействия СВЧ энергии связан с тем, что у молекул поверхностно активных веществ имеются полярные и неполярные концы, связывающие нефть и воду. СВЧ энергия воздействует только на полярную часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру. Одновременно, под влиянием высокочастотных акустических колебаний мелкие капли и твердые частицы вовлекаются в колебательное движение, что приводит к разрушению оболочки ПАВ.

Для обеспечения сближения всех водяных капель в крупные глобулы используется УЗ энергия интенсивностью ниже порога кавитации.

При облучении УЗ энергией неоднородной среды, у которой включения отличаются по плотности от среды (плотность воды отличается от плотности нефти), между включениями под влиянием звукового поля возникают силы Бъеркнеса, которые притягивают капли друг к другу с силой и заставляют слиться в более крупные капли (см., например, Погодаев Л.И., Борщевский Ю.Т. «О механизме возникновения кумулятивных струй при захлопывании сферических пузырьков», www.tribo.ru. Трение, износ, смазка. Том 10, № 1, март 2008 г. [10]; а также см. [7].

Комбинированное воздействие СВЧ и УЗ энергий позволяет разрушить стойкие эмульсии при минимальных затратах энергии. В результате гидродинамического воздействия происходит слияние (коагуляция) мелких частиц капель в более крупные.

Кроме этого под влиянием УЗ волн нарушается симметрия двойного электрического слоя вокруг отдельных капель воды, и появляется дипольный момент.

Вследствие появления зарядов капли притягиваются друг к другу. С увеличением диаметра капель воды пропорционально увеличивается скорость разделения эмульсии на составные компоненты Вода-Нефть.

Таким образом, используя комбинированные воздействия СВЧ и УЗ энергий на водонефтяную эмульсию, можно произвести полное разрушение эмульсии и отделение нефти от воды и различных твердых примесей в потоке в течение короткого времени без использования химических реагентов и без значительного нагрева нефти, ухудшающего качество нефти, при минимальных затратах энергии.

Уникальность предлагаемой технологии заключается в комбинированном: использовании СВЧ и УЗ энергий при значениях, позволяющих обеспечить высококачественное отделение воды от нефти при меньших энергозатратах.

На Фиг.1 представлен алгоритм выполнения операций при осуществлении заявляемого способа, где 101 - этап разрушения эмульсии и снижения вязкости в потоке за счет комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии, 102 - этап укрупнения капель в системе коалесценторов под воздействием УЗ энергии, 103 - этап гравитационного разделения на нефть и воду.

На Фиг.2 приведена функциональная схема варианта установки, предназначенной для практической реализации заявляемого способа, где 201 - СВЧ волновод в виде металлической трубы, 202 - СВЧ генератор, 203 - высокочастотный УЗ генератор, 204 - система коалесценторов, 205 - радиопрозрачная перегородка, 206 - низкочастотный УЗ генератор, 207 - самоочищающийся УЗ фильтр, 208 - бак разделения, 209 - датчик определения границы разделения вода-нефть.

Практическая реализация предлагаемого способа не вызывает затруднений, поскольку имеется возможность использования в установке стандартного оборудования, например, магнетроны M116, M168 могут использоваться в качестве СВЧ генераторов, а используемые в гидролокации УЗ генераторы и излучатели могут служить в качестве источников УЗ энергии.

Для отработки технологических режимов обезвоживания стойкой водонефтяной эмульсии с использованием электрофизических методов авторами была разработана и изготовлена демонстрационная установка производительностью от 100 до 500 л/час.

Разрушение водонефтяной эмульсии осуществляется в камере, выполненной в виде волновода сечением 90 мм на 45 мм, в которую одновременно с водонефтяной эмульсией подается 1 кВт СВЧ энергии частотой 2450 МГц и ультразвук частотой 400 кГц удельной мощностью 4 Вт/см2. Время обработки от 1,5 до 3 мин при скорости движения жидкости от 0,1 до 0,5 м/сек. В баке разделения происходит укрупнение водяных капель в системе коалесценторов и отделение воды от нефти под влиянием ультразвуковой энергии частотой 18-20 кГц и удельной мощностью 0,8-1,2 Вт/см2. Время разделения от 10 до 30 мин. Испытания проводились на испытательном стенде, и результаты испытаний приведены в Таблице 1, отражающей сравнительные характеристики наиболее распространенных установок и установки ДОН-100, выполненной на основе заявляемого способа.

Изменяя производительность установки, то есть время обработки и отстоя, можно уменьшить содержание воды в нефти с 5% до 0,1%, с 20% до 0,5%, и даже с 80% до 0,5%.

По сравнению с известными из уровня техники решениями заявляемый способ обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии обладает улучшенными техническими и экономическими показателями, а именно: меньшим временем деэмульгации; меньшими энергозатратами; высоким качеством товарной нефти.

Таблица 1
НаименованиеНаименование установки
УППН-250М, УППН-500М УППН-ЮООМ, УППН-ЗОООМ УПН «Heater-Treater»ДОН-100
Производительность по нефтяной эмульсии, т/час8,1633,80 14010, 30, 50, 150, 200
Вид энергии ГазГазГаз Электроэнергия
Удельный расход энергии на одну тонну, кВт/т 38-4039-4035-40 6-10
Массовая доля воды на входе в установку, % не более 202030 50
Массовая доля воды на выходе из установки, % не более0,5 0,50,50,3
Температура нагрева нефтяной эмульсии, °С не более80 808040-50
Удаление серосодержащих включенийнетнет нетда
Удаление мелкодисперсионных включений нетнет нетда
Использование химического реагента (деэмульгатора) дадада нет
Потери легких фракций нефти при обезвоживании, %3-5 3-53-5нет

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии, подающейся через волновод, выполненный в виде металлической трубы, и системы коалесценторов, отличающийся тем, что на поступающую в волновод водонефтяную эмульсию воздействуют СВЧ энергией в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см 2 одновременно с обработкой водонефтяной эмульсии ультразвуковой (УЗ) энергией интенсивностью от 1 до 10 Вт/см2 с частотой в диапазоне от 300 кГц до 2000 кГц с последующей обработкой водонефтяной эмульсии в системе коалесценторов УЗ энергией с интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подаваемую в волноводы УЗ энергию подвергают модуляции короткими импульсами длительностью от 100 мкс до 500 мс.

www.freepatent.ru

Способ обезвоживания водонефтяной эмульсии

Изобретение относится к области обработки нефтепродуктов. Изобретение касается способа обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии, подающейся через волновод, выполненный в виде металлической трубы, и системы коалесценторов, в волноводы подают помимо СВЧ энергии в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см2, ультразвуковую (УЗ) энергию, интенсивностью от 1 до 10 Вт/см2 и с частотой от 300 кГц до 2000 кГц, а в коалесценторах используют УЗ энергию, интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц. Технический результат - эффективное удаление из нефти воды и твердых примесей в потоке при минимальных затратах энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области обработки нефтепродуктов, а более конкретно - к способам электрофизического удаления воды из водонефтяной эмульсии, и может быть использовано для обезвоживания водонефтяной эмульсии в нефтяной промышленности.

Из уровня техники известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU №2152817 [1], заключающийся в том, что товарную форму деэмульгатора предварительно растворяют в воде и воздействуют постоянным магнитным полем на водный раствор деэмульгатора при протекании его через зазоры омагничивающего устройства. После чего эмульсию смешивают с химическим реагентом и отстаивают. К недостаткам данного способа можно отнести применение химических реагентов и длительное время деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Известен также способ обезвоживания углеводородных жидкостей, описанный в опубликованной заявке на патенте RU №99133299 [2], при котором углеводородную жидкость подвергают воздействию неоднородным электрическим полем; при этом неоднородное электрическое поле создается однополярными электрическими импульсами, и жидкость обрабатывается в электрическом поле напряженностью 40-80 кВт/см2. Недостатками данного способа являются длительное время деэмульгации, низкая производительность и низкий уровень деэмульгации.

Известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU №2167692 [3]. В источнике [3] предложен способ обезвоживания нефти путем ее обработки в знакопеременном электрическом поле при амплитуде импульса от 0,5 до 1 кВт/см с длительностью переднего фронта импульса от 2×10-5 до 5×10-4 сек. К недостаткам данного способа следует отнести низкую производительность способа и низкую степень обезвоживания нефтяной эмульсии.

Известен описанный в патенте US №5,914,014 [4] способ отделения воды от нефти из водонефтяного эмульгированного сырья за счет использования энергии сверхвысоких частот (СВЧ). Способ [4] заключается в том, что поток эмульсии закачивается в многорежимную СВЧ резонансную кювету, состоящую из двух противостоящих проточных камер. Затем эмульсия подается на центрифугу для последующего разделения. Основным недостатком данного способа является большой расход СВЧ энергии для нагрева эмульсии до 82°С. При этом необходимо иметь дополнительное оборудование для разделения эмульсии на фракции. Кроме того, диэлектрические параметры эмульсии сильно меняются в зависимости от состава нефти и процента содержания воды, что приводит к частичному отражению (потере) СВЧ энергии.

Известен также способ электромагнитной обработки многофазных дисперсионных сред, предложенный в опубликованной заявке на патент RU 2000124843 [5]. В данном способе обработку дисперсионных сред осуществляют в импульсивном электромагнитном поле с помощью установки, состоящей из генератора периодических электромагнитных импульсов и «n» электромагнитных импульсных соленоидов. Недостатком данного способа является относительно низкая степень деэмульгации многофазных дисперсионных сред (водонефтяных эмульсий).

Известен способ обезвоживания и обессоливания нефти, предложенный в патенте RU №2160762 [6] и заключающийся в обработке нефти СВЧ-сигналом, который формируют в виде набора спектральных компонент как результирующий сигнал выходных сигналов системы, включающей в себя, по меньшей мере, три источника СВЧ энергии. Одновременно с обработкой СВЧ сигналом создают турбулизацию потока нефти и осуществляют воздействие магнитным полем, направление силовых линий которого составляет 90° по отношению к вектору поступательного движения жидкости. Недостатком данного способа является недостаточная скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Из непатентной литературы известен способ, применяемый в отношении гидрозолей (см. «Маленькая энциклопедия, ультразвук», главный редактор И.П. Голямина, изд. «Советская энциклопедия», Москва 1979, стр.161) [7]. Обработка осуществляется в условиях жидкой дисперсионной среды под воздействием ультразвуковой энергии, при этом скорость коагуляции определяется интенсивностью ультразвуковой энергии и частотой, значения которых зависят от состава гидрозолей, однако реализация описанного в [7] процесса осложняется тем, что невозможно подать большой уровень УЗ из-за возникновения кавитации, не позволяющей увеличить скорость коагуляции.

Известна конструкция установки, предназначенной для обезвоживания и обессоливания с помощью СВЧ энергии (см. патент RU №2338775) [8]. В указанной конструкции обезвоживание водонефтяной эмульсии осуществляется в круглых трубах (волноводах) СВЧ энергией и коалесценторами. Недостатком данной конструкции является значительные энергозатраты и низкая скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является способ снижения вязкости углеводородного сырья при добыче тяжелой нефти, битума, керогена путем подачи СВЧ энергии и ультразвуковой энергии (УЗ) непосредственно в зону залегания углеводородов через обсадные трубы (см. патент US №7,677,673) [9]. При этом осуществляют комбинированное воздействие на углеводородное сырье с помощью СВЧ энергии с частотой в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и УЗ энергии частотой в диапазоне от 10 кГц до 40 кГц. Согласно источнику [9], способ позволяет уменьшить вязкость тяжелой нефти в 2-3,5 раза. Данный способ может использоваться только для уменьшения вязкости нефтепродуктов, так как для разрушения стойких водонефтяных эмульсий требуется значительно более высокий уровень на частотах от 10 кГц до 40 кГц. УЗ энергия имеет низкий порог кавитации. При этом низкий порог кавитации не позволяет увеличить удельную УЗ энергию, поскольку превышение порога кавитации ведет к усилению процесса эмульгирования с образованием стойкой эмульсии.

Задача, на решение которой направленно настоящее изобретение, заключается в разработке способа более эффективного удаления из нефти воды и твердых примесей в потоке при минимальных затратах энергии.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, достигается за счет разработки способа обезвоживания водонефтяной эмульсии, заключающегося в том, что на углеводородное сырье, в частности на водонефтяную эмульсию, осуществляют комбинированное воздействие с помощью СВЧ энергии и УЗ энергии, используя при этом волновод СВЧ в виде металлической трубы и систему коалесценторов, отличающегося тем, что используют СВЧ энергию в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см2 одновременно с обработкой водонефтяной эмульсии УЗ энергией с частотой в диапазоне от 300 кГц до 2000 кГц и с интенсивностью ниже порога кавитации, но достаточной для разрушения эмульсии, преимущественно в диапазоне от 1 до 10 Вт/см2, в зависимости от состава эмульсии. Для повышения порога кавитации частота УЗ должна быть более 300 кГц. В системе коалесценторов водонефтяную эмульсию обрабатывают УЗ энергией с интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц.

В одном из вариантов реализации заявляемого способа повышение порога кавитации обеспечивают за счет модулирования УЗ короткими от 100 мкс до 500 мс импульсами.

Существенным признаком, отличающим заявленный способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, является совместное применение для обезвоживания СВЧ и УЗ энергии с экспериментально выбранными параметрами по частоте и интенсивности.

Одним из основных компонентов водонефтяной эмульсии является вода. Из-за значительной асимметрии своей молекулы она обладает исключительной поляризацией, что делает ее идеальным материалом для СВЧ воздействия.

СВЧ нагрев обладает объемным характером нагрева, и наличие низкой теплопроводности среды практически не влияет на скорость нагрева, кроме того, СВЧ энергия ослабляет межмолекулярные связи в нефти, снижая ее вязкость до требуемой величины даже при температурах перегрева, меньших, чем при нагреве традиционным способом, что позволяет резко снизить энергозатраты на снижение вязкости и нагрев нефти.

В водонефтяной эмульсии часть воды находится в виде мелких капель с оболочкой из поверхностно активных веществ (ПАВ), а часть твердых включений в виде мелкодисперсионных трудно осаждаемых суспензий.

Нефть, как не полярный диэлектрик, практически не поглощает СВЧ энергию и поэтому слабо греется. Вода, являясь полярным диэлектриком, полностью поглощает СВЧ энергию и сильно нагревается. В пограничном слое между каплями воды и нефтью создается температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водяной фаз.

Второй фактор воздействия СВЧ энергии связан с тем, что у молекул поверхностно активных веществ имеются полярные и неполярные концы, связывающие нефть и воду. СВЧ энергия воздействует только на полярную часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру. Одновременно, под влиянием высокочастотных акустических колебаний мелкие капли и твердые частицы вовлекаются в колебательное движение, что приводит к разрушению оболочки ПАВ.

Для обеспечения сближения всех водяных капель в крупные глобулы используется УЗ энергия интенсивностью ниже порога кавитации.

При облучении УЗ энергией неоднородной среды, у которой включения отличаются по плотности от среды (плотность воды отличается от плотности нефти), между включениями под влиянием звукового поля возникают силы Бъеркнеса, которые притягивают капли друг к другу с силой и заставляют слиться в более крупные капли (см., например, Погодаев Л.И., Борщевский Ю.Т. «О механизме возникновения кумулятивных струй при захлопывании сферических пузырьков», www.tribo.ru. Трение, износ, смазка. Том 10, №1, март 2008 г. [10]; а также см. [7].

Комбинированное воздействие СВЧ и УЗ энергий позволяет разрушить стойкие эмульсии при минимальных затратах энергии. В результате гидродинамического воздействия происходит слияние (коагуляция) мелких частиц капель в более крупные.

Кроме этого под влиянием УЗ волн нарушается симметрия двойного электрического слоя вокруг отдельных капель воды, и появляется дипольный момент.

Вследствие появления зарядов капли притягиваются друг к другу. С увеличением диаметра капель воды пропорционально увеличивается скорость разделения эмульсии на составные компоненты Вода-Нефть.

Таким образом, используя комбинированные воздействия СВЧ и УЗ энергий на водонефтяную эмульсию, можно произвести полное разрушение эмульсии и отделение нефти от воды и различных твердых примесей в потоке в течение короткого времени без использования химических реагентов и без значительного нагрева нефти, ухудшающего качество нефти, при минимальных затратах энергии.

Уникальность предлагаемой технологии заключается в комбинированном: использовании СВЧ и УЗ энергий при значениях, позволяющих обеспечить высококачественное отделение воды от нефти при меньших энергозатратах.

На Фиг.1 представлен алгоритм выполнения операций при осуществлении заявляемого способа, где 101 - этап разрушения эмульсии и снижения вязкости в потоке за счет комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии, 102 - этап укрупнения капель в системе коалесценторов под воздействием УЗ энергии, 103 - этап гравитационного разделения на нефть и воду.

На Фиг.2 приведена функциональная схема варианта установки, предназначенной для практической реализации заявляемого способа, где 201 - СВЧ волновод в виде металлической трубы, 202 - СВЧ генератор, 203 - высокочастотный УЗ генератор, 204 - система коалесценторов, 205 - радиопрозрачная перегородка, 206 - низкочастотный УЗ генератор, 207 - самоочищающийся УЗ фильтр, 208 - бак разделения, 209 - датчик определения границы разделения вода-нефть.

Практическая реализация предлагаемого способа не вызывает затруднений, поскольку имеется возможность использования в установке стандартного оборудования, например, магнетроны M116, M168 могут использоваться в качестве СВЧ генераторов, а используемые в гидролокации УЗ генераторы и излучатели могут служить в качестве источников УЗ энергии.

Для отработки технологических режимов обезвоживания стойкой водонефтяной эмульсии с использованием электрофизических методов авторами была разработана и изготовлена демонстрационная установка производительностью от 100 до 500 л/час.

Разрушение водонефтяной эмульсии осуществляется в камере, выполненной в виде волновода сечением 90 мм на 45 мм, в которую одновременно с водонефтяной эмульсией подается 1 кВт СВЧ энергии частотой 2450 МГц и ультразвук частотой 400 кГц удельной мощностью 4 Вт/см2. Время обработки от 1,5 до 3 мин при скорости движения жидкости от 0,1 до 0,5 м/сек. В баке разделения происходит укрупнение водяных капель в системе коалесценторов и отделение воды от нефти под влиянием ультразвуковой энергии частотой 18-20 кГц и удельной мощностью 0,8-1,2 Вт/см2. Время разделения от 10 до 30 мин. Испытания проводились на испытательном стенде, и результаты испытаний приведены в Таблице 1, отражающей сравнительные характеристики наиболее распространенных установок и установки ДОН-100, выполненной на основе заявляемого способа.

Изменяя производительность установки, то есть время обработки и отстоя, можно уменьшить содержание воды в нефти с 5% до 0,1%, с 20% до 0,5%, и даже с 80% до 0,5%.

По сравнению с известными из уровня техники решениями заявляемый способ обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии обладает улучшенными техническими и экономическими показателями, а именно: меньшим временем деэмульгации; меньшими энергозатратами; высоким качеством товарной нефти.

Таблица 1
Наименование Наименование установки
УППН-250М, УППН-500М УППН-ЮООМ, УППН-ЗОООМ УПН «Heater-Treater» ДОН-100
Производительность по нефтяной эмульсии, т/час 8,16 33,80 140 10, 30, 50, 150, 200
Вид энергии Газ Газ Газ Электроэнергия
Удельный расход энергии на одну тонну, кВт/т 38-40 39-40 35-40 6-10
Массовая доля воды на входе в установку, % не более 20 20 30 50
Массовая доля воды на выходе из установки, % не более 0,5 0,5 0,5 0,3
Температура нагрева нефтяной эмульсии, °С не более 80 80 80 40-50
Удаление серосодержащих включений нет нет нет да
Удаление мелкодисперсионных включений нет нет нет да
Использование химического реагента (деэмульгатора) да да да нет
Потери легких фракций нефти при обезвоживании, % 3-5 3-5 3-5 нет

1. Способ обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии, подающейся через волновод, выполненный в виде металлической трубы, и системы коалесценторов, отличающийся тем, что на поступающую в волновод водонефтяную эмульсию воздействуют СВЧ энергией в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см2 одновременно с обработкой водонефтяной эмульсии ультразвуковой (УЗ) энергией интенсивностью от 1 до 10 Вт/см2 с частотой в диапазоне от 300 кГц до 2000 кГц с последующей обработкой водонефтяной эмульсии в системе коалесценторов УЗ энергией с интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подаваемую в волноводы УЗ энергию подвергают модуляции короткими импульсами длительностью от 100 мкс до 500 мс.

www.findpatent.ru

СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ

Изобретение относится к области обработки нефтепродуктов, а более конкретно - к способам электрофизического удаления воды из водонефтяной эмульсии, и может быть использовано для обезвоживания водонефтяной эмульсии в нефтяной промышленности.

Из уровня техники известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU №2152817 [1], заключающийся в том, что товарную форму деэмульгатора предварительно растворяют в воде и воздействуют постоянным магнитным полем на водный раствор деэмульгатора при протекании его через зазоры омагничивающего устройства. После чего эмульсию смешивают с химическим реагентом и отстаивают. К недостаткам данного способа можно отнести применение химических реагентов и длительное время деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Известен также способ обезвоживания углеводородных жидкостей, описанный в опубликованной заявке на патенте RU №99133299 [2], при котором углеводородную жидкость подвергают воздействию неоднородным электрическим полем; при этом неоднородное электрическое поле создается однополярными электрическими импульсами, и жидкость обрабатывается в электрическом поле напряженностью 40-80 кВт/см2. Недостатками данного способа являются длительное время деэмульгации, низкая производительность и низкий уровень деэмульгации.

Известен способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, описанный в патенте RU №2167692 [3]. В источнике [3] предложен способ обезвоживания нефти путем ее обработки в знакопеременном электрическом поле при амплитуде импульса от 0,5 до 1 кВт/см с длительностью переднего фронта импульса от 2×10-5 до 5×10-4 сек. К недостаткам данного способа следует отнести низкую производительность способа и низкую степень обезвоживания нефтяной эмульсии.

Известен описанный в патенте US №5,914,014 [4] способ отделения воды от нефти из водонефтяного эмульгированного сырья за счет использования энергии сверхвысоких частот (СВЧ). Способ [4] заключается в том, что поток эмульсии закачивается в многорежимную СВЧ резонансную кювету, состоящую из двух противостоящих проточных камер. Затем эмульсия подается на центрифугу для последующего разделения. Основным недостатком данного способа является большой расход СВЧ энергии для нагрева эмульсии до 82°С. При этом необходимо иметь дополнительное оборудование для разделения эмульсии на фракции. Кроме того, диэлектрические параметры эмульсии сильно меняются в зависимости от состава нефти и процента содержания воды, что приводит к частичному отражению (потере) СВЧ энергии.

Известен также способ электромагнитной обработки многофазных дисперсионных сред, предложенный в опубликованной заявке на патент RU 2000124843 [5]. В данном способе обработку дисперсионных сред осуществляют в импульсивном электромагнитном поле с помощью установки, состоящей из генератора периодических электромагнитных импульсов и «n» электромагнитных импульсных соленоидов. Недостатком данного способа является относительно низкая степень деэмульгации многофазных дисперсионных сред (водонефтяных эмульсий).

Известен способ обезвоживания и обессоливания нефти, предложенный в патенте RU №2160762 [6] и заключающийся в обработке нефти СВЧ-сигналом, который формируют в виде набора спектральных компонент как результирующий сигнал выходных сигналов системы, включающей в себя, по меньшей мере, три источника СВЧ энергии. Одновременно с обработкой СВЧ сигналом создают турбулизацию потока нефти и осуществляют воздействие магнитным полем, направление силовых линий которого составляет 90° по отношению к вектору поступательного движения жидкости. Недостатком данного способа является недостаточная скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Из непатентной литературы известен способ, применяемый в отношении гидрозолей (см. «Маленькая энциклопедия, ультразвук», главный редактор И.П. Голямина, изд. «Советская энциклопедия», Москва 1979, стр.161) [7]. Обработка осуществляется в условиях жидкой дисперсионной среды под воздействием ультразвуковой энергии, при этом скорость коагуляции определяется интенсивностью ультразвуковой энергии и частотой, значения которых зависят от состава гидрозолей, однако реализация описанного в [7] процесса осложняется тем, что невозможно подать большой уровень УЗ из-за возникновения кавитации, не позволяющей увеличить скорость коагуляции.

Известна конструкция установки, предназначенной для обезвоживания и обессоливания с помощью СВЧ энергии (см. патент RU №2338775) [8]. В указанной конструкции обезвоживание водонефтяной эмульсии осуществляется в круглых трубах (волноводах) СВЧ энергией и коалесценторами. Недостатком данной конструкции является значительные энергозатраты и низкая скорость деэмульгации водонефтяной эмульсии.

Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является способ снижения вязкости углеводородного сырья при добыче тяжелой нефти, битума, керогена путем подачи СВЧ энергии и ультразвуковой энергии (УЗ) непосредственно в зону залегания углеводородов через обсадные трубы (см. патент US №7,677,673) [9]. При этом осуществляют комбинированное воздействие на углеводородное сырье с помощью СВЧ энергии с частотой в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и УЗ энергии частотой в диапазоне от 10 кГц до 40 кГц. Согласно источнику [9], способ позволяет уменьшить вязкость тяжелой нефти в 2-3,5 раза. Данный способ может использоваться только для уменьшения вязкости нефтепродуктов, так как для разрушения стойких водонефтяных эмульсий требуется значительно более высокий уровень на частотах от 10 кГц до 40 кГц. УЗ энергия имеет низкий порог кавитации. При этом низкий порог кавитации не позволяет увеличить удельную УЗ энергию, поскольку превышение порога кавитации ведет к усилению процесса эмульгирования с образованием стойкой эмульсии.

Задача, на решение которой направленно настоящее изобретение, заключается в разработке способа более эффективного удаления из нефти воды и твердых примесей в потоке при минимальных затратах энергии.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, достигается за счет разработки способа обезвоживания водонефтяной эмульсии, заключающегося в том, что на углеводородное сырье, в частности на водонефтяную эмульсию, осуществляют комбинированное воздействие с помощью СВЧ энергии и УЗ энергии, используя при этом волновод СВЧ в виде металлической трубы и систему коалесценторов, отличающегося тем, что используют СВЧ энергию в диапазоне от 100 МГц до 3000 МГц и с плотностью потока мощности от 50 до 200 Вт/см2 одновременно с обработкой водонефтяной эмульсии УЗ энергией с частотой в диапазоне от 300 кГц до 2000 кГц и с интенсивностью ниже порога кавитации, но достаточной для разрушения эмульсии, преимущественно в диапазоне от 1 до 10 Вт/см2, в зависимости от состава эмульсии. Для повышения порога кавитации частота УЗ должна быть более 300 кГц. В системе коалесценторов водонефтяную эмульсию обрабатывают УЗ энергией с интенсивностью от 0,8 до 1,2 Вт/см2 и частотой от 18 до 40 кГц.

В одном из вариантов реализации заявляемого способа повышение порога кавитации обеспечивают за счет модулирования УЗ короткими от 100 мкс до 500 мс импульсами.

Существенным признаком, отличающим заявленный способ обезвоживания водонефтяной эмульсии, является совместное применение для обезвоживания СВЧ и УЗ энергии с экспериментально выбранными параметрами по частоте и интенсивности.

Одним из основных компонентов водонефтяной эмульсии является вода. Из-за значительной асимметрии своей молекулы она обладает исключительной поляризацией, что делает ее идеальным материалом для СВЧ воздействия.

СВЧ нагрев обладает объемным характером нагрева, и наличие низкой теплопроводности среды практически не влияет на скорость нагрева, кроме того, СВЧ энергия ослабляет межмолекулярные связи в нефти, снижая ее вязкость до требуемой величины даже при температурах перегрева, меньших, чем при нагреве традиционным способом, что позволяет резко снизить энергозатраты на снижение вязкости и нагрев нефти.

В водонефтяной эмульсии часть воды находится в виде мелких капель с оболочкой из поверхностно активных веществ (ПАВ), а часть твердых включений в виде мелкодисперсионных трудно осаждаемых суспензий.

Нефть, как не полярный диэлектрик, практически не поглощает СВЧ энергию и поэтому слабо греется. Вода, являясь полярным диэлектриком, полностью поглощает СВЧ энергию и сильно нагревается. В пограничном слое между каплями воды и нефтью создается температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водяной фаз.

Второй фактор воздействия СВЧ энергии связан с тем, что у молекул поверхностно активных веществ имеются полярные и неполярные концы, связывающие нефть и воду. СВЧ энергия воздействует только на полярную часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру. Одновременно, под влиянием высокочастотных акустических колебаний мелкие капли и твердые частицы вовлекаются в колебательное движение, что приводит к разрушению оболочки ПАВ.

Для обеспечения сближения всех водяных капель в крупные глобулы используется УЗ энергия интенсивностью ниже порога кавитации.

При облучении УЗ энергией неоднородной среды, у которой включения отличаются по плотности от среды (плотность воды отличается от плотности нефти), между включениями под влиянием звукового поля возникают силы Бъеркнеса, которые притягивают капли друг к другу с силой и заставляют слиться в более крупные капли (см., например, Погодаев Л.И., Борщевский Ю.Т. «О механизме возникновения кумулятивных струй при захлопывании сферических пузырьков», www.tribo.ru. Трение, износ, смазка. Том 10, №1, март 2008 г. [10]; а также см. [7].

Комбинированное воздействие СВЧ и УЗ энергий позволяет разрушить стойкие эмульсии при минимальных затратах энергии. В результате гидродинамического воздействия происходит слияние (коагуляция) мелких частиц капель в более крупные.

Кроме этого под влиянием УЗ волн нарушается симметрия двойного электрического слоя вокруг отдельных капель воды, и появляется дипольный момент.

Вследствие появления зарядов капли притягиваются друг к другу. С увеличением диаметра капель воды пропорционально увеличивается скорость разделения эмульсии на составные компоненты Вода-Нефть.

Таким образом, используя комбинированные воздействия СВЧ и УЗ энергий на водонефтяную эмульсию, можно произвести полное разрушение эмульсии и отделение нефти от воды и различных твердых примесей в потоке в течение короткого времени без использования химических реагентов и без значительного нагрева нефти, ухудшающего качество нефти, при минимальных затратах энергии.

Уникальность предлагаемой технологии заключается в комбинированном: использовании СВЧ и УЗ энергий при значениях, позволяющих обеспечить высококачественное отделение воды от нефти при меньших энергозатратах.

На Фиг.1 представлен алгоритм выполнения операций при осуществлении заявляемого способа, где 101 - этап разрушения эмульсии и снижения вязкости в потоке за счет комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии, 102 - этап укрупнения капель в системе коалесценторов под воздействием УЗ энергии, 103 - этап гравитационного разделения на нефть и воду.

На Фиг.2 приведена функциональная схема варианта установки, предназначенной для практической реализации заявляемого способа, где 201 - СВЧ волновод в виде металлической трубы, 202 - СВЧ генератор, 203 - высокочастотный УЗ генератор, 204 - система коалесценторов, 205 - радиопрозрачная перегородка, 206 - низкочастотный УЗ генератор, 207 - самоочищающийся УЗ фильтр, 208 - бак разделения, 209 - датчик определения границы разделения вода-нефть.

Практическая реализация предлагаемого способа не вызывает затруднений, поскольку имеется возможность использования в установке стандартного оборудования, например, магнетроны M116, M168 могут использоваться в качестве СВЧ генераторов, а используемые в гидролокации УЗ генераторы и излучатели могут служить в качестве источников УЗ энергии.

Для отработки технологических режимов обезвоживания стойкой водонефтяной эмульсии с использованием электрофизических методов авторами была разработана и изготовлена демонстрационная установка производительностью от 100 до 500 л/час.

Разрушение водонефтяной эмульсии осуществляется в камере, выполненной в виде волновода сечением 90 мм на 45 мм, в которую одновременно с водонефтяной эмульсией подается 1 кВт СВЧ энергии частотой 2450 МГц и ультразвук частотой 400 кГц удельной мощностью 4 Вт/см2. Время обработки от 1,5 до 3 мин при скорости движения жидкости от 0,1 до 0,5 м/сек. В баке разделения происходит укрупнение водяных капель в системе коалесценторов и отделение воды от нефти под влиянием ультразвуковой энергии частотой 18-20 кГц и удельной мощностью 0,8-1,2 Вт/см2. Время разделения от 10 до 30 мин. Испытания проводились на испытательном стенде, и результаты испытаний приведены в Таблице 1, отражающей сравнительные характеристики наиболее распространенных установок и установки ДОН-100, выполненной на основе заявляемого способа.

Изменяя производительность установки, то есть время обработки и отстоя, можно уменьшить содержание воды в нефти с 5% до 0,1%, с 20% до 0,5%, и даже с 80% до 0,5%.

По сравнению с известными из уровня техники решениями заявляемый способ обезвоживания водонефтяной эмульсии с использованием комбинированного воздействия СВЧ и УЗ энергии обладает улучшенными техническими и экономическими показателями, а именно: меньшим временем деэмульгации; меньшими энергозатратами; высоким качеством товарной нефти.

Таблица 1
Наименование Наименование установки
УППН-250М, УППН-500М УППН-ЮООМ, УППН-ЗОООМ УПН «Heater-Treater» ДОН-100
Производительность по нефтяной эмульсии, т/час 8,16 33,80 140 10, 30, 50, 150, 200
Вид энергии Газ Газ Газ Электроэнергия
Удельный расход энергии на одну тонну, кВт/т 38-40 39-40 35-40 6-10
Массовая доля воды на входе в установку, % не более 20 20 30 50
Массовая доля воды на выходе из установки, % не более 0,5 0,5 0,5 0,3
Температура нагрева нефтяной эмульсии, °С не более 80 80 80 40-50
Удаление серосодержащих включений нет нет нет да
Удаление мелкодисперсионных включений нет нет нет да
Использование химического реагента (деэмульгатора) да да да нет
Потери легких фракций нефти при обезвоживании, % 3-5 3-5 3-5 нет

edrid.ru

Модульная свч-установка для обезвоживания и обессоливания нефти

Изобретение относится к СВЧ-обработке жидкостей и может быть использовано для оперативного обезвоживания нефтяной эмульсии, что необходимо нефтедобывающим организациям, МЧС при ликвидации разливов нефти, в авиационной и военной технике. Установка состоит из модуля СВЧ-обработки, содержащего два многомодовых круглых волновода, расположенных параллельно и соединенных между собой переходом, возбуждаемых СВЧ-генераторами (магнетронами), каждый из которых подключен к рупорным излучателям, установленным на волноводах. Внутри каждого волновода расположена труба-коалесцентор из радиопрозрачного материала, содержащая полосы из гофрированного полиэтилена или другого радиопрозрачного материала. Модуль коалесценторов представляет собой последовательно соединенные через переходы трубы из стали с теплоизоляцией, с расположенными внутри каждой трубы полосами из гофрированного полиэтилена. Модуль коалесценторов подключается к модулю СВЧ-обработки через взрывозащищенную задвижку с электрическим приводом. Техническим результатом изобретения является возможность разрушения стойких нефтяных эмульсий, получающихся, например, при длительном хранении нефти, и высоковязких эмульсий с высоким содержанием смол, асфальтенов и парафинов. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к СВЧ обработке жидкостей и может быть использовано для оперативного обезвоживания нефтяной эмульсии, что необходимо нефтедобывающим организациям, МЧС при ликвидации разливов нефти, авиационной и военной технике.

Известно разделение эмульсии в системах нефтеподготовки, которое производится с применением:

- центрифуг, однако эти установки дают невысокую степень разделения фракций и имеют высокую стоимость;

- электродегидраторов. Они используются в том случае, если содержание воды не превышает 1-1,5%;

- отстаивания в емкостях. В этом случае процесс идет медленно, старые эмульсии не разрушаются;

- термохимической обработки. Для этого используются жаровые трубы, на поверхности которых температура нефти больше, чем в остальном объеме. Это приводит к структурным изменениям нефти, ухудшающим ее характеристики. Чтобы разрушить бронирующие оболочки на каплях воды, необходимо нагреть весь объем нефти, что энергетически невыгодно. При этом необходимо подбирать химические реагенты для каждого месторождения (см. Левченко Д.Н., Бергштейн Н.В., Худякова А.Д., Николаева Н.М. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения. - М.: Химия, 1967).

Известен опытный образец полупромышленной установки с непрерывным потоком эмульсии, использующий УВЧ-энергию (см. Королев А., Галдецкий А., Бойко А., Использование УВЧ-энергии для деэмульгации нефти и нефтепродуктов, Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 3/2001).

Однако данное устройство не позволяет получить глубокого разделения фаз, так как не используется коалесцентор ни в области распространения УВЧ-поля, ни вне ее, что делает процесс укрупнения капель воды слабо выраженным.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является установка, содержащая СВЧ-генератор, подключенный через циркулятор к накоротко замкнутому с одного конца отрезку волновода, внутри которого расположен коалесцентор в виде бокса из тефлона, заполненный рифленым полипропиленом; в боксе и, соответственно, волноводе имеются входное и выходное отверстия для прохода водонефтяной эмульсии (см. патент США №4853119, МПК B01D 17/04).

Однако данное устройство не позволяет обеспечить высокую производительность установки, так как бокс расположен внутри волновода, который на частоте 2450 МГц имеет сечение 45×90 мм, и следовательно, его размеры не позволяют прокачивать за единицу времени большие объемы нефти, т.е. мала пропускная способность. Кроме этого, использование одного источника микроволновой энергии не позволяет регулировать в широких пределах СВЧ-мощность, что необходимо при работе с нефтями, имеющими разный химический состав, вязкость, степень обводненности.

Нельзя признать удачным и способ подачи микроволновой энергии в бокс через открытый конец волновода. Если обводненность нефти велика, например 50%-60%, то электромагнитное поле, при достаточной длине бокса, затухает, не дойдя до закороченного конца волновода, и эффект стоячей волны с большой амплитудой электрического поля отсутствует. Чтобы избежать этого явления надо уменьшать длину бокса, т.е. коалесцентора, что неблагоприятно скажется на процессе укрупнения глобул воды.

Задачей предлагаемого изобретения является создание промышленного образца установки для обезвоживания и обессоливания нефти с высокой производительностью и глубоким разделением фаз.

Техническим результатом изобретения является возможность разрушения стойких нефтяных эмульсий, получающихся, например, при длительном хранении нефти, а также высоковязких эмульсий с высоким содержанием смол, асфальтенов и парафинов.

Поставленная задача решается тем, что в СВЧ-установку для обезвоживания и обессоливания нефти, содержащую СВЧ-генератор, подключенный к волноводу, в котором расположен коалесцентор с гофрированными поверхностями внутри него, выполненными из радиопрозрачного материала, и имеющий входное и выходное отверстия для прохода нефти, согласно решению введены дополнительные СВЧ-генераторы, в качестве волновода выбран круглый многомодовый волновод с окнами связи, снабженный согласующими рупорами для подключения СВЧ-генераторов, расположенными под углом 45° к продольной оси волноводов, угол наклона и геометрические параметры рупоров выбраны из условия минимизации СВЧ-энергии, отраженной от коалесцентора, коэффициет стоячей волны (КСВ) составляет 1,5÷1,7, при этом коалесцентор выполнен в виде трубы из радиопрозрачного материала, образуя с волноводом коаксиальную конструкцию.

Установка содержит дополнительный волновод с коалесцентором, расположенный параллельно с первым и соединенный с ним с одной стороны, с открытым концом с другой стороны.

Установка дополнительно содержит модуль коалесценторов, расположенный вне СВЧ-поля, подключенный к волноводу и представляющий собой ряд параллельных труб, соединенных между собой в виде змеевика, при этом гофрированные поверхности внутри каждой трубы выполнены из полиэтилена.

Устройство СВЧ-обработки эмульсии содержит несколько СВЧ-генераторов (в конкретном случае их двенадцать), соединенных через согласующие рупорные излучатели и окна связи с многомодовыми круглыми волноводами (в конкретном случае их два). Внутри волноводов коаксиально расположена труба коалесцентора из радиопрозрачного материала, содержащая в себе листы (в конкретном случае их два) из гофрированного радиопрозрачного материала для увеличения отношения площади смачивания к объему аппарата. Внешний модуль коалесценторов, включенный после модуля СВЧ-обработки, представляет собой ряд соединенных перемычками стальных труб с теплоизоляцией, внутри которых размещены гофрированные листы из полиэтилена.

Предлагаемая конструкция обеспечивает распределенное в пространстве СВЧ-излучение, что позволяет получить длительную обработку эмульсии СВЧ-полем, и в совокупности с эффектом контакта эмульсии с коалесцентором в то время, когда она обладает наибольшей температурой, - синергетический результат. В случае особо стойких эмульсий можно улучшить процесс коалесценции капель воды, подключая дополнительный модуль коалесценторов. При необходимости часть СВЧ-генераторов отключается, что позволяет экономно использовать электроэнергию. Достаточно большой диаметр трубы, транспортирующей нефть, позволяет получить высокую производительность всей установки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид устройства; на фиг.2 - фрагмент модуля СВЧ-обработки; на фиг.3 - сечение по Б-Б фрагмента модуля СВЧ-обработки, на фиг.4 - одна из труб модуля коалесценторов, сечение А-А на фиг.1, где

1 - многомодовый волновод;

2 - СВЧ-генераторы;

3 - рупорные излучатели;

4 - труба коалесцентора;

5 - гофрированные поверхности коалесцентора в виде полос из полиэтилена;

6 - переходы;

7 - внешний модуль коалесценторов - стальные трубы с теплоизоляцией;

8 - гофрированные полосы внешнего модуля коалесценторов;

9 - взрывозащищенная задвижка с электрическим приводом.

Установка состоит из модуля СВЧ-обработки, содержащего два многомодовых круглых волновода 1, расположенных параллельно и соединенных между собой переходом, возбуждаемых через окна связи СВЧ-генераторами (магнетронами) 2, каждый из которых подключен к согласующим рупорным излучателям 3, установленным на волноводах под углом 45° к их оси, внутри каждого волновода коаксиально расположена труба 4 из радиопрозрачного материала, содержащая в себе полосы из гофрированного полиэтилена 5 или другого радиопрозрачного материала - коалесцентор, и модуля коалесценторов 7, представляющего собой последовательно соединенные через переходы 6 трубы из стали с теплоизоляцией (не показана), с расположенными внутри каждой трубы полосами из гофрированного полиэтилена 8; модуль коалесценторов подключается к модулю СВЧ-обработки через взрывозащищенную задвижку с электрическим приводом 9.

Устройство для СВЧ-деэмульсации нефти работает следующим образом.

Нефть (эмульсия) при помощи насосов (не показаны) через открытую задвижку поступает в трубу коалесцентора 4 из радиопрозрачного материала модуля СВЧ-обработки до полного ее заполнения. Задвижка 9 на его выходе закрыта. После этого включаются генераторы СВЧ-энергии и за счет работающего насоса нефть поступает в блок коалесценторов через открытую в момент подачи СВЧ-энергии выходную задвижку 9.

Молекулы воды обладают дипольным моментом, а нефть нет, поэтому глобулы воды нагреваются сильней и этот выборочный нагрев создает температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водной фаз. Второй фактор воздействия микроволн связан с поверхностно-активными веществами, молекулы которых имеют поляризованный и неполяризованный концы, связывающие нефть и воду. Со стороны электромагнитного поля воздействие испытывает только дипольная часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру эмульсии. Эти два фактора разрушают стойкие эмульсии и отсутствуют в других установках.

После обработки в микроволновом модуле и модуле коалесценторов эмульсия поступает в сепаратор (не показан), где под действием сил гравитации происходит окончательное разделение фаз. При необходимости внешний модуль коалесценторов может быть отключен и обработка производится только СВЧ-модулем.

Угол наклона рупоров к оси многомодового волновода и их геометрия выбирались по критерию минимального отражения СВЧ-энергии от многомодового волновода с расположенной внутри него трубой, заполненной эмульсией. КСВ тракта рупор - волновод составлял 1,5÷1,7, что позволяет считать их хорошо согласованными. Магнетроны подключались к излучающим рупорам через коаксиально-волноводные переходы. Развязка между двумя соседними магнетронами была не хуже 15 дБ.

Пример работы установки производительностью 50 т в сутки с 12 магнетронами мощностью 1000 Вт каждый, работающими на частоте 2450 МГц.

Внешний модуль коалесценторов имел четыре трубы длиной 4000 мм и диаметром 100 мм каждая. Нефть, поступающая из нижнего слоя накопительного резервуара, имела содержание воды порядка 12-15%.

После полного заполнения объема сепаратора пробы брались из его среднего уровня с интервалом один час. Анализ по методу Дина-Старка показал содержание воды в пробах менее 0,5% и солей менее 70 мг/дц3. Была получена товарная нефть с возможностью непрерывной поставки потребителю из сепаратора. Чтобы получить нефть с содержанием воды 0,5% термохимическим способом, требуется после полного заполнения сепаратора время отстоя более суток. Это связано с неэффективным процессом коалесценции капель в указанном способе.

Установка проста и легка в обслуживании, предусматривает возможность наращивания мощности, а тем самым увеличения производительности и глубины разделения фаз за счет увеличения до необходимого количества источников СВЧ-энергии.

Все элементы установки легко заменяются и ремонтируются. В качестве генераторов СВЧ-энергии применяются недорогие, серийно выпускаемые, маломощные магнетроны с большим сроком службы. Источники питания магнетронов хорошо разработаны, дефицитных деталй не содержат. В модуле СВЧ-обработки отсутствуют нагревающиеся поверхности, ухудшающие характеристики нефти. Нет газовых горелок, что делает установку экологически чистой.

Формула изобретения

1. СВЧ-установка для обезвоживания и обессоливания нефти, содержащая СВЧ-генератор, подключенный к волноводу, в котором расположен коалесцентор с гофрированными поверхностями внутри него, выполненными из радиопрозрачного материала, имеющий входное и выходное отверстия для прохода нефти, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительные СВЧ-генераторы, в качестве волновода выбран круглый многомодовый волновод с окнами связи, снабженный согласующими рупорами для подключения СВЧ-генераторов, расположенными под углом к продольной оси волновода, угол наклона и геометрические параметры рупоров выбраны из условия минимизации СВЧ-энергии, отраженной от коалесцентора, при этом коалесцентор выполнен в виде трубы из радиопрозрачного материала, образуя с волноводом коаксиальную конструкцию.

2. СВЧ-установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный волновод с коалесцентором, расположенный параллельно с первым и соединенный с ним с одной стороны, с открытым концом с другой стороны.

3. СВЧ-установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит модуль коалесценторов, расположенный вне СВЧ-поля, подключенный к волноводу и представляющий собой ряд параллельных труб, соединенных между собой в виде змеевика, при этом гофрированные поверхности внутри каждой трубы выполнены из полиэтилена.

bankpatentov.ru

способ переработки нефтяных шламов с использованием свч электромагнитного воздействия - патент РФ 2494824

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Согласно предложенному способу до подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют его относительную диэлектрическую проницаемость, удельную электрическую проводимость, плотность, теплоемкость, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде, объемные источники тепла, начальную температуру обрабатываемой среды и критическую температуру, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, время установления адсорбционного равновесия, а также рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ-реактор. Нефтешлам обрабатывают СВЧ электромагнитным полем и подают в трехфазный декантер, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды. Данное изобретение комплексно решает проблемы переработки нефтяных шламов с достижением необходимой эффективности его обезвоживания и обессоливания. Применение изобретения позволит: получить высококачественную товарную нефть, повторно использовать воду в технологических процессах, сократить выбросы углеводородов, углекислого и прочих газов в атмосферу, сократить эксплуатационные расходы предприятий на содержание полигонов и хранилища органических и нефтесодержащих отходов, сократить платежи предприятия за загрязнение окружающей среды. 2 ил., 1 пр.

Рисунки к патенту РФ 2494824

Изобретение относится к области технологии переработки и утилизации нефтяных отходов и может быть использовано на производствах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для создания технологических комплексов для переработки и утилизации нефтяных шламов с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки. Обеспечивает повышение качества разделения нефтяного шлама на отдельные фракции (товарную нефть, воду и мехпримеси) за счет объемного прогрева и термодинамических процессов, возникающих в среде, находящейся под воздействием СВЧ-энергии в реакторе, а также снижение затрат электроэнергии.

Известен способ реализуемый устройством разделения водонефтяной смеси (полезная модель РФ № 40925 МПК 7 В08В 7/04 опубликованная 10.10.2004), заключающийся в воздействии микроволновой энергией от источника электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду - водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе. В результате воздействия микроволновой энергией осуществляется обработка водонефтяной смеси. Устройство состоит из трубопровода, содержащего входной участок трубопровода, и выходной участок трубопровода, к торцевой стенке входного участка трубопровода, диаметром dтр>2/2.61, подсоединен узел ввода энергии СВЧ, выполненный в виде волноводного патрубка диаметром dп>2/3.41, герметично закрытого со стороны конца, расположенного внутри входного участка трубопровода, радиопрозрачной диафрагмой конической формы и с волноводным фланцем на другом конце, к которому подсоединен тракт СВЧ источника энергии СВЧ. Высота hд диафрагмы составляет от половины до полутора диаметра основания doc диафрагмы, а диаметр основания doc диафрагмы взят не менее 2/3.41. Через торцевую стенку входного участка трубопровода внутрь волноводного патрубка введены входной и выходной воздушные патрубки. Узел ввода для нефти расположен на боковой стенке входного участка трубопровода напротив боковой поверхности волноводного патрубка, а вершина радиопрозрачной диафрагмы обращена вглубь входного участка трубопровода. Выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций. Управление мощностью осуществляется вручную либо не предусматривается.

Недостатком данного устройства является неэффективность воздействия электромагнитного поля на среду за счет локального воздействия, вследствие чего происходит нерациональный расход энергопотребления устройства и снижается качество обрабатываемой смеси.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство разделения водогазонефтяной смеси (патент РФ № 2196227 МПК 7 Е21В 43/34 опубликованный 10.01.2003), состоящее из трубопровода, содержащего три участка: входной, средний и выходной участки, средний участок заполнен продольно ориентированным пучком тонких труб, выходной участок выполнен наклонным и содержит узлы отбора фракций нефтяной эмульсии. Входной участок трубы выполнен диаметром dтр>2/2.61, на боковой поверхности которого через отверстия присоединены узел ввода для нефти и узлы ввода энергии СВЧ-выполненные в виде патрубков с волноводными фланцами, к которым с помощью тракта СВЧ подсоединены источники энергии СВЧ. Патрубки содержат диэлектрический согласующий и герметизирующий вкладыш, а выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций для газа нефти и воды. В этом устройстве на водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе, воздействуют энергией СВЧ от источника электромагнитных колебаний.

Однако описанную установку нельзя применить для таких высокоустойчивых водонефтяных эмульсий, как нефтешламовые эмульсии. Кроме этого, данный способ не предусматривает процесс восстановления адсорбционных оболочек на поверхности глобул воды, препятствующих их слиянию, что приводит к снижению эффективности применения СВЧ электромагнитного поля в процессе переработки водонефтяных эмульсий и нефтяных шламов.

Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной переработки нефтяных шламов с применением СВЧ энергии, позволяющей повысить качество обработанной продукции.

Технический результат в способе переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия, заключающемся в непрерывном воздействии СВЧ электромагнитного поля от источника электромагнитных колебаний на поток нефтешлама в СВЧ реакторе, достигается тем, что до подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют относительную диэлектрическую проницаемость ', удельную электрическую проводимость , плотность , теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения: ,

где µ0 - магнитная постоянная, с - скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения: ,

где N0 - мощность излучения электромагнитных волн, r - радиус СВЧ-реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т0 и критическую температуру Ткр, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия t, равное времени выхода кривой tg (t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ печи до температуры Ткр, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Ткр, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg (t) от времени.

На основе определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ реактор по следующим формулам:

где L - длина СВЧ-реактора.

Для более полного разрушения нефтешлама на отдельные фракции предотвращения процесса обратной адсорбции полярных компонент нефти на глобулах воды после СВЧ-реактора обработанная продукция подается в трехфазный декантер. где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера R определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды t:

R< t.

На фиг.1 представлена временная зависимость tg пробы нефтяного шлама после СВЧ электромагнитной обработки, на которой видно, что по истечении некоторого времени значение тангенса угла диэлектрических потерь растет и устанавливается на некотором среднем значении, что соответствует установлению адсорбционного равновесия.

На фиг.2 представлена схема устройства для осуществления способа переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия. Условные обозначения: 1 и 1 - источники электромагнитных волн, 2 - волноводы, 3 - СВЧ реактор. 4 - трехфазный декантер.

Способ осуществляется в следующей последовательности:

До подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют ее относительную диэлектрическую проницаемость ', удельную электрическую проводимость , плотность , теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения:

где и µ0 - магнитная постоянная, с скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения:

где N0 - мощность излучения электромагнитных волн в реакторе, r - радиус СВЧ-реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т0 и критическую температуру Ткр, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия t, равное времени выхода кривой tg (t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ-печи до температуры Ткр, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Ткр, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg (t) от времени (фиг.1).

На основе определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ-реактор Q по следующим формулам:

где L - длина СВЧ-реактора.

Далее нефтешлам посредством насоса подается в СВЧ-реактор 3 с расходом Q (фиг.2). Включают источники электромагнитных волн 1 и 1', непрерывно воздействующий на поток нефтешлама мощностью N0.

После СВЧ-обработки продукция подается в трехфазный декантер 4, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера R определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды t:

R< t.

Пример конкретных расчетов.

До подачи нефтешлама в СВЧ-реактор были определены ее следующие параметры:

' - 5,3;

- 0,025 См/м;

- 870 кг/м3;

С - 867 Дж/кг*К;

µ0 - 1,26*10-6 Гн/м;

N0 - 15,0 кВт;

r - 0,1 м;

Т0 - 295 К;

Т кр - 351 К;

t - 120 c;

L - 6,0 м.

Далее, с помощью приведенных выше формул были рассчитаны следующие параметры обработки нефтешлама СВЧ электромагнитным полем:

=2,05 м-1;

q=0,3*106 ;

=0,043 ;

Q=4,8 ;

R<5,1 м.

Данное изобретение комплексно решает проблемы переработки нефтяных шламов с достижением необходимой эффективности ее обезвоживания и обессоливания. Применение изобретения позволит: получить высококачественную товарную нефть, повторно использовать воду в технологических процессах, сократить выбросы углеводородов, углекислого и прочих газов в атмосферу, сократить эксплуатационные расходы предприятий на содержание полигонов и хранилища органических и нефтесодержащих отходов, сократить платежи предприятия за загрязнение окружающей среды.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия, включающий непрерывное воздействие СВЧ электромагнитного поля на движущуюся обрабатываемую среду, отличающийся тем, что до подачи нефтешлама в СВЧ реактор определяют ее относительную диэлектрическую проницаемость , удельную электрическую проводимость , плотность , теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения: где µ0 - магнитная постоянная, с - скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения: , где N0 - мощность излучения электромагнитных волн, r - радиус СВЧ реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т0 и критическую температуру Ткр, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия t, равное времени выхода кривой tg (t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ печи до температуры Ткр, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Ткр, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg (t) от времени, рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ реактор по следующим формулам:где L - длина СВЧ реактора, после СВЧ реактора обработанную продукцию подают в трехфазный декантер, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси, расстояние до трехфазного декантера R определяют из соотношения:R< t.

www.freepatent.ru

СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к области технологии переработки и утилизации нефтяных отходов и может быть использовано на производствах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для создания технологических комплексов для переработки и утилизации нефтяных шламов с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки. Обеспечивает повышение качества разделения нефтяного шлама на отдельные фракции (товарную нефть, воду и мехпримеси) за счет объемного прогрева и термодинамических процессов, возникающих в среде, находящейся под воздействием СВЧ-энергии в реакторе, а также снижение затрат электроэнергии.

Известен способ реализуемый устройством разделения водонефтяной смеси (полезная модель РФ №40925 МПК 7 В08В 7/04 опубликованная 10.10.2004), заключающийся в воздействии микроволновой энергией от источника электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду - водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе. В результате воздействия микроволновой энергией осуществляется обработка водонефтяной смеси. Устройство состоит из трубопровода, содержащего входной участок трубопровода, и выходной участок трубопровода, к торцевой стенке входного участка трубопровода, диаметром dтр>2/2.61, подсоединен узел ввода энергии СВЧ, выполненный в виде волноводного патрубка диаметром dп>2/3.41, герметично закрытого со стороны конца, расположенного внутри входного участка трубопровода, радиопрозрачной диафрагмой конической формы и с волноводным фланцем на другом конце, к которому подсоединен тракт СВЧ источника энергии СВЧ. Высота hд диафрагмы составляет от половины до полутора диаметра основания doc диафрагмы, а диаметр основания doc диафрагмы взят не менее 2/3.41. Через торцевую стенку входного участка трубопровода внутрь волноводного патрубка введены входной и выходной воздушные патрубки. Узел ввода для нефти расположен на боковой стенке входного участка трубопровода напротив боковой поверхности волноводного патрубка, а вершина радиопрозрачной диафрагмы обращена вглубь входного участка трубопровода. Выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций. Управление мощностью осуществляется вручную либо не предусматривается.

Недостатком данного устройства является неэффективность воздействия электромагнитного поля на среду за счет локального воздействия, вследствие чего происходит нерациональный расход энергопотребления устройства и снижается качество обрабатываемой смеси.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство разделения водогазонефтяной смеси (патент РФ №2196227 МПК 7 Е21В 43/34 опубликованный 10.01.2003), состоящее из трубопровода, содержащего три участка: входной, средний и выходной участки, средний участок заполнен продольно ориентированным пучком тонких труб, выходной участок выполнен наклонным и содержит узлы отбора фракций нефтяной эмульсии. Входной участок трубы выполнен диаметром dтр>2/2.61, на боковой поверхности которого через отверстия присоединены узел ввода для нефти и узлы ввода энергии СВЧ-выполненные в виде патрубков с волноводными фланцами, к которым с помощью тракта СВЧ подсоединены источники энергии СВЧ. Патрубки содержат диэлектрический согласующий и герметизирующий вкладыш, а выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций для газа нефти и воды. В этом устройстве на водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе, воздействуют энергией СВЧ от источника электромагнитных колебаний.

Однако описанную установку нельзя применить для таких высокоустойчивых водонефтяных эмульсий, как нефтешламовые эмульсии. Кроме этого, данный способ не предусматривает процесс восстановления адсорбционных оболочек на поверхности глобул воды, препятствующих их слиянию, что приводит к снижению эффективности применения СВЧ электромагнитного поля в процессе переработки водонефтяных эмульсий и нефтяных шламов.

Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной переработки нефтяных шламов с применением СВЧ энергии, позволяющей повысить качество обработанной продукции.

Технический результат в способе переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия, заключающемся в непрерывном воздействии СВЧ электромагнитного поля от источника электромагнитных колебаний на поток нефтешлама в СВЧ реакторе, достигается тем, что до подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют относительную диэлектрическую проницаемость ε', удельную электрическую проводимость σ, плотность ρ, теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения: ,

где µ0 - магнитная постоянная, с - скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения: ,

где N0 - мощность излучения электромагнитных волн, r - радиус СВЧ-реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т0 и критическую температуру Ткр, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия tα, равное времени выхода кривой tgδ(t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ печи до температуры Ткр, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Ткр, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ(t) от времени.

На основе определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ реактор по следующим формулам:

где L - длина СВЧ-реактора.

Для более полного разрушения нефтешлама на отдельные фракции предотвращения процесса обратной адсорбции полярных компонент нефти на глобулах воды после СВЧ-реактора обработанная продукция подается в трехфазный декантер. где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера R определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды tα:

R<υtα.

На фиг.1 представлена временная зависимость tgδ пробы нефтяного шлама после СВЧ электромагнитной обработки, на которой видно, что по истечении некоторого времени значение тангенса угла диэлектрических потерь растет и устанавливается на некотором среднем значении, что соответствует установлению адсорбционного равновесия.

На фиг.2 представлена схема устройства для осуществления способа переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия. Условные обозначения: 1 и 1′ - источники электромагнитных волн, 2 - волноводы, 3 - СВЧ реактор. 4 - трехфазный декантер.

Способ осуществляется в следующей последовательности:

До подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют ее относительную диэлектрическую проницаемость ε', удельную электрическую проводимость σ, плотность ρ, теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения:

где и µ0 - магнитная постоянная, с скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения:

где N0 - мощность излучения электромагнитных волн в реакторе, r - радиус СВЧ-реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т0 и критическую температуру Ткр, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия tα, равное времени выхода кривой tgδ(t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ-печи до температуры Ткр, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Ткр, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ(t) от времени (фиг.1).

На основе определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе υ и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ-реактор Q по следующим формулам:

где L - длина СВЧ-реактора.

Далее нефтешлам посредством насоса подается в СВЧ-реактор 3 с расходом Q (фиг.2). Включают источники электромагнитных волн 1 и 1', непрерывно воздействующий на поток нефтешлама мощностью N0.

После СВЧ-обработки продукция подается в трехфазный декантер 4, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера R определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды tα:

R<υtα.

Пример конкретных расчетов.

До подачи нефтешлама в СВЧ-реактор были определены ее следующие параметры:

ε' - 5,3;

σ - 0,025 См/м;

ρ - 870 кг/м3;

С - 867 Дж/кг*К;

µ0 - 1,26*10-6 Гн/м;

N0 - 15,0 кВт;

r - 0,1 м;

Т0 - 295 К;

Ткр - 351 К;

tα - 120 c;

L - 6,0 м.

Далее, с помощью приведенных выше формул были рассчитаны следующие параметры обработки нефтешлама СВЧ электромагнитным полем:

α=2,05 м-1;

q=0,3*106 ;

υ=0,043 ;

Q=4,8 ;

R<5,1 м.

Данное изобретение комплексно решает проблемы переработки нефтяных шламов с достижением необходимой эффективности ее обезвоживания и обессоливания. Применение изобретения позволит: получить высококачественную товарную нефть, повторно использовать воду в технологических процессах, сократить выбросы углеводородов, углекислого и прочих газов в атмосферу, сократить эксплуатационные расходы предприятий на содержание полигонов и хранилища органических и нефтесодержащих отходов, сократить платежи предприятия за загрязнение окружающей среды.

Способ переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия, включающий непрерывное воздействие СВЧ электромагнитного поля на движущуюся обрабатываемую среду, отличающийся тем, что до подачи нефтешлама в СВЧ реактор определяют ее относительную диэлектрическую проницаемость ε′, удельную электрическую проводимость σ, плотность ρ, теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения: где µ - магнитная постоянная, с - скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения: , где N - мощность излучения электромагнитных волн, r - радиус СВЧ реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т и критическую температуру Т, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия t, равное времени выхода кривой tgδ(t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ печи до температуры Т, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Т, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ(t) от времени, рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ реактор по следующим формулам: где L - длина СВЧ реактора, после СВЧ реактора обработанную продукцию подают в трехфазный декантер, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси, расстояние до трехфазного декантера R определяют из соотношения:R

edrid.ru

СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ОБВОДНЕННЫХ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для повышения нефтеотдачи пласта при разработке обводненных залежей с вязкой нефтью и битума на поздней стадии разработки.

Известен способ добычи полезных ископаемых, включающий нагрев пласта высокочастотным электромагнитным полем посредством эксплуатационный скважины при добыче нефти (патент США 2757738, Е21В 43/00). Высокочастотная электромагнитная энергия передается от устья скважины к забою. В качестве линии передачи используются коаксиальная система насосно-компрессорных труб и обсадная колонна. Энергетическое и силовое взаимодействие высокочастотных электромагнитных волн с пластом обуславливает возникновение распределенных по объему пласта источников тепла, что приводит к снижению вязкости пластовой жидкости.

Недостатками данного способа является большие потери энергии при передаче энергии от устья к забою скважины, небольшая глубина проникновения электромагнитных волн, низкий охват пласта нагревом. Указанный способ неприменим при разработке обводненных залежей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, предусматривающий воздействие на пласт высокочастотным электромагнитным полем с одновременной закачкой смешивающегося агента - растворителя (патент РФ 2454532). Способ предполагает воздействие высокочастотным электромагнитным полем с одновременной закачкой растворителя в скважину. Проводят вскрытие пласта по меньшей мере одной скважиной, сначала добывающую скважину переводят в режим нагнетания, затем проводят воздействие высокочастотным электромагнитным полем с одновременной закачкой смешивающегося растворителя до заполнения 5-10% объема порового пространства пласта; затем осуществляют выдержку скважины без какого-либо воздействия, длительность которой определяется временем релаксации давления в пласт. Затем скважину переводят в режим добычи и осуществляют отбор продукта из пласта без высокочастотного электромагнитного воздействия, длительность отбора продукта определяют временем снижения температуры на забое скважины не ниже первоначальной пластовой температуры, после чего все работы повторяют циклически.

Недостатком указанного способа является его неэффективность при осуществлении способа в обводненных залежах с вязкой нефтью и битумом на поздней стадии разработки, так как высокочастотные электромагнитные волны, излучаемые в залежи будут отражаться от границы вода-нефть и вода-порода, что в свою очередь может привести к выходу из строя оборудования, осуществляющего указанный способ.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и рентабельности разработки обводненных залежей высоковязкой нефти, интенсификация нефтедобычи в обводненных залежах высоковязкой нефти за счет повышения охвата воздействием на пласт нагревом в призабойной зоне пласта добывающих скважин, максимального использования энергии СВЧ электромагнитного поля с помощью дополнительного переноса тепла в пласт закачиваемой водой.

Технический результат может быть достигнут в двух вариантах реализации:

1) В нагнетательную скважину спускают систему СВЧ электромагнитных генераторов с частотой излучения 2,5 ГГц, соединенную со щелевой антенной посредством фидера, длину щелевой антенны L выбирают равной толщине водоносной области пласта Н, затем проводят воздействие СВЧ электромагнитным полем с одновременной закачкой воды. Мощность излучения определяется временем нагрева закачиваемой воды в забое скважины до необходимой температуры:

где ρ - плотность закачиваемой воды, кг/м3; Rn - радиус призабойной зоны пласта, которую необходимо нагреть, м; С - теплоемкость закачиваемой воды, Дж/кг*К; ΔТ - разность между конечной и начальной температурами воды в забое, К; Q - расход закачиваемой воды, м3/с; rc - радиус скважины, м; затем в добывающей скважине производят отбор жидкости.

2) Проводят вскрытие пласта, по меньшей мере, одной скважиной, сначала добывающую скважину переводят в режим нагнетания, спускают систему СВЧ электромагнитных генераторов с частотой излучения 2,5 ГГц, соединенную со щелевой антенной посредством фидера, длину щелевой антенны L выбирают равной толщине водоносной области пласта Н, затем проводят воздействие СВЧ электромагнитным полем с одновременной закачкой воды до заполнения 5-10% объема порового пространства пласта, мощность излучения определяется по формуле (1), затем осуществляют выдержку скважины без какого-либо воздействия, длительность которой определяется временем релаксации давления в пласте:

где tp - время релаксации, с, Rк - расстояние до контура питания скважины, м, χ - коэффициент пьезопроводности пласта, м2/с, tв - длительность выдержки скважины, с, tу - время установки оборудования для отбора жидкости из пласта,

затем скважину переводят в режим добычи и осуществляют отбор продукта из пласта без СВЧ электромагнитного воздействия, длительность отбора продукта определяют временем снижения температуры на забое скважины не ниже первоначальной пластовой температуры, после чего все работы повторяют циклически.

На фиг.1 приведена схема обустройства скважины первого варианта реализации. Условные обозначения: 1 - продуктивный пласт, содержащий нефть и воду; 2 - нагнетательная скважина; 3 - система СВЧ электромагнитных генераторов; 4 - фидер; 5 - щелевая антенна; 6 - объемные источники тепла, возникающие в продуктивной породе при воздействии СВЧ электромагнитного поля; 7 - добывающая скважина.

На фиг.2 приведена схема обустройства скважины второго варианта реализации. Условные обозначения: 1 - продуктивный пласт, содержащий нефть и воду; 2 - нагнетательная скважина; 3 - система СВЧ электромагнитных генераторов; 4 - фидер; 5 - щелевая антенна; 6 - объемные источники тепла, возникающие в продуктивной породе при воздействии СВЧ электромагнитного поля.

На фиг.3 показана динамика изменения температуры в призабойной зоне пласта при воздействии на пласт СВЧ электромагнитным полем и совместной закачке воды в различные моменты времени (кривая 1 - через 30 минут воздействия; кривая 2 - через 3 часа воздействия; кривая 3 - через 12 часов воздействия; кривая 4 - через 24 часа воздействия).

Способ осуществляется в следующей последовательности.

I вариант реализации.

В нагнетательную скважину 1 спускают систему СВЧ электромагнитных генераторов 3 с частотой излучения 2,5 ГГц, соединенную со щелевой антенной посредством фидера. Длину щелевой антенны L выбирают равной толщине водоносной области пласта Н. Проводят воздействие СВЧ электромагнитным полем с одновременной закачкой воды. Одновременно включают систему СВЧ электромагнитных генераторов и излучают в призабойную зону пласта СВЧ электромагнитные волны. Мощность излучения определяется временем нагрева закачиваемой воды в забое скважины до заданной температуры согласно формуле (1). Вследствие диэлектрических потерь в пласте 5, СВЧ электромагнитная энергия преобразуется в тепловую энергию, в пласте 5 появляются объемные тепловые источники тепла. Вода, закачиваемая в пласт, переносит тепло вглубь пласта 5. За счет нагрева пластовой жидкости увеличивается подвижность пластовой жидкости и охват пласта тепловым воздействием. В добывающей скважине 4 производят отбор жидкости.

II вариант реализации.

Добывающую скважину 1 переводят в режим нагнетания. В нагнетательную скважину 1 спускают систему СВЧ электромагнитных генераторов 3 с частотой излучения 2,5 ГГц, соединенную со щелевой антенной посредством фидера. Длину щелевой антенны L выбирают равной толщине водоносной области пласта Н. По насосно-компрессорной трубе в пласт закачивают воду. Одновременно включают систему СВЧ электромагнитных генераторов и излучают в призабойную зону пласта СВЧ электромагнитные волны с частотой излучения 2,5 ГГц. Мощность излучения определяется временем нагрева закачиваемой воды в забое скважины до заданной температуры согласно формуле (1). Вследствие диэлектрических потерь в пласте 5, СВЧ электромагнитная энергия преобразуется в тепловую энергию, в пласте 5 появляются объемные тепловые источники тепла. Вода, закачиваемая в пласт, переносит тепло вглубь пласта 5. За счет нагрева пластовой жидкости увеличивается подвижность пластовой жидкости и охват пласта тепловым воздействием. Воздействие СВЧ электромагнитным полем и закачка воды продолжается до заполнения 5-10% объема перового пространства пласта водой.

Затем останавливают воздействие на пласт и осуществляют «выдержку» скважины 1. В пласте 5 происходит перераспределение давления и температуры. При перераспределении давления в пласте 5 происходит накопление пластовой энергии за счет повышения пластового давления, что в последующем увеличивает количество отбираемой нефти. Длительность выдержки tв оценивается по времени релаксации пластового давления (в течение которого предполагается установка оборудования для отбора жидкости из пласта 5 и обратный перевод скважины 1 в добычу) согласно формуле (2).

Затем скважину 1 переводят в режим добычи и осуществляют отбор нефти. Длительность отбора tв определяется временем снижения температуры на забое скважины, которая должна составлять не ниже первоначальной пластовой температуры.

Пример 1. Производилось воздействие на пласт с обводненностью 70%, содержащий нефть с вязкостью 620 мПа*с при пластовой температуре 21°C. Пористость пласта 0,29. Проницаемость 0.6 мкм2. Расстояние до контура питания скважины R=92 м, коэффициент пьезопроводности пласта 0,0003 м2/с.

В нагнетательную скважину спустили систему СВЧ электромагнитных генераторов с частотой излучения 2,5 ГГц, соединенную со щелевой антенной посредством фидера. Длину щелевой антенны L выбрали равной толщине водоносной области пласта Н равной 6 м. После чего осуществлялось воздействие СВЧ электромагнитным полем на пласт с одновременной закачкой воды с расходом 15 м3/сут. Мощность системы генераторов СВЧ электромагнитных волн составил 18 кВт. Из добывающей скважины проводился отбор нефти. При этом дополнительная добыча нефти составила 125 тонны.

Пример 2. Производилось воздействие на пласт с обводненностью 65%, содержащий нефть с вязкостью 500 мПа*с при пластовой температуре 18°C. Пористость пласта 0,32. Проницаемость 0.5 мкм2. Расстояние до контура питания скважины R=115 м, коэффициент пьезопроводности пласта 0,00025 м2/с.

Сначала добывающая скважина была переведена в режим нагнетания. В скважину 1 спустили систему СВЧ электромагнитных генераторов с частотой излучения 2,5 ГГц, соединенную со щелевой антенной посредством фидера. Длину щелевой антенны L выбирали равной толщине водоносной области пласта Н равной 12 м. После чего осуществлялось воздействие СВЧ электромагнитным полем на пласт с одновременной закачкой воды до заполнения 6,25% перового пространства пласта. Мощность системы генераторов СВЧ электромагнитных волн составил 22 кВт. Время воздействия составило 24 часа. Осуществлялась выдержка скважины с длительностью 1 сут. Далее проводился отбор нефти до снижения температуры на забое до 18°C. При этом дополнительная добыча нефти составила 162 тонны.

Использование заявленного способа по сравнению с известными способами позволит повысить коэффициент извлечения углеводородов на 10-12%.

edrid.ru