УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/48 

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к магнитной обработке нефти для предотвращения отложений асфальтосмолопарафиновых веществ (АСПВ) на поверхности нефтепроимслового оборудования, для снижения коррозионной активности жидкости.

Предлагаемое устройство также может быть использовано в теплоэнергетике, водоснабжении, при обогащении полезных ископаемых и т.д. для стимулирования химической активности используемых веществ.

Известно устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее установленные на внешней поверхности ферромагнитной трубы параллельно оси трубы две пары постоянных магнитов, причем одна пара магнитов состоит из плоских магнитов, противоположные полюса каждого из которых разнесены в осевом направлении трубы, а вторая пара магнитов установлена между магнитами первой пары и противоположные полюса каждого магнита из этой пары разнесены в направлении, перпендикулярном оси трубы. При этом магниты находятся под контактирующей с ними шунтирующей немагнитной пластиной-крышкой, установленной параллельно оси трубы [1]
Благодаря такому расположению магнитов и благодаря такому ориентированию их полюсов образующийся магнитный поток после проникновения его через стенку ферромагнитной трубы значительной толщины, по меньшей мере, 0,65 см, сохраняет интенсивность для обработки проходящей через трубу жидкости.

Недостатком указанного известного устройства является низкая эффективность обработки жидкости. Это объясняется: 1) неравномерным распределением магнитного поля в сечении трубы, а, следовательно, и в потоке жидкости, протекающей по трубе; 2) небольшой протяженностью магнитного поля вдоль трубы (увеличение длины магнитных пластин для увеличения протяженности магнитного поля в известном устройстве приведет к снижению градиента поля); 3) отсутствием магнитного экрана, что приводит к рассеиванию значительной доли магнитного потока и снижает напряженность поля, омагничивающего жидкость.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее ферромагнитную трубу, установленные на внешней поверхности ферромагнитной трубы постоянные магниты, выполненные в форме колец, у которых главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы. Магниты охвачены снаружи экраном из ферромагнитного материала, герметично закрепленным концевыми участками на трубе [2]
Благодаря тому, что постоянные магниты обращены одноименными полюсами к оси трубы, в полости тубы создается аксиальное магнитное поле. Протекающая по трубе жидкость обрабатывается этим магнитным полем заданной напряженности.

Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность магнитной обработки жидкости. Это объясняется тем, что при использовании в известном устройстве одиночных кольцевых магнитов образуемое магнитное поле каждого кольцевого магнита распределяется на две части с противоположным направлением силовых линий, то есть напряженность магнитного поля каждого кольца снижается вдвое. При этом аксиальное поле каждого такого кольца характеризуется размытыми границами, что свидетельствует о низких градиентах напряженности этих полей. Все это снижает эффективность магнитной обработки жидкостей известным устройством.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности магнитной обработки потока жидкости путем увеличения напряженности и градиентов аксиального магнитного поля на участке его воздействия на поток жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для магнитной обработки жидкости, содержащем ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным экраном и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы, новым является то, что постоянные кольцевые магниты установлены на ферромагнитной трубе попарно, по меньшей мере, двумя парами и расположены в каждой паре с зазором между ними не более ширины кольцевого магнита, указанные пары магнитов установлены относительно друг от друга по длине трубы на расстоянии не менее утроенной ширины одного кольцевого магнита, причем каждый кольцевой магнит выполнен составленным из прилегающих друг к другу нерабочими торцовыми поверхностями магнитных стержней или пластин прямоугольного сечения, а главные поверхности магнитов сопряжены с внешней поверхностью трубы.

Благодаря тому, что каждый кольцевой магнит выполнен составленным из прилегающих друг к другу нерабочими торцевыми поверхностями магнитных стержней или пластин прямоугольного сечения, а также благодаря тому, что главные поверхности постоянных магнитов с одноименными полюсами сопряжены с внешней поверхностью ферромагнитной трубы, все магнитные силовые линии в таком устройстве направлены к оси трубы, создавая радиальное магнитное поле высокой напряженности, достаточной для проникновения через стенку ферромагнитной трубы значительной толщины, порядка 6 мм. В результате взаимодействия высокоэнергетического радиального магнитного поля с ферромагнитной трубой внутри этой трубы возникает сложное магнитное поле, в котором преобладают аксиальные составляющие, направленные из середины кольцевого магнита к его краям. При этом максимумы напряженностей аксиального магнитного поля находятся на уровне каждого края кольцевого магнита и имеют противоположное направление.

Установлено, что изменение взаимного расположения постоянных кольцевых магнитов вдоль ферромагнитной трубы существенно влияет на величину эффективности и ее стабильность при обработке жидкостей с различными свойствами, поэтому нами предложено постоянные кольцевые магниты установить на трубе попарно, по меньшей мере, двумя парами на определенном расстоянии друг от друга в каждой паре, а также на определенном расстоянии и между смежными парами в отличие от выполнения в известном по прототипу устройстве магнитной системы в виде одиночных, например трех кольцевых магнитов. Это объясняется существенным изменением характера аксиального магнитного поля, создаваемого одиночными кольцевыми магнитами. Физически сущность наблюдаемых эффектов поясняется из сравнения результатов записи напряженности магнитного поля вдоль ферромагнитной трубы от одиночного и сдвоенного кольцевых магнитов. Для одиночного кольцевого магнита характерен плавный переход между максимумами напряженности магнитного поля. В случае же пары кольцевых магнитов при их сближении возрастает взаимодействие смежных, противоположно направленных аксиальных составляющих магнитного поля каждого кольцевого магнита. Благодаря этому происходит перемещение и концентрация всего магнитного потока каждого кольцевого магнита и локализация его в районе внешнего края соответствующего магнита в паре. Это приводит к формированию внутри трубы двух локальных пучностей напряженности аксиального магнитного поля, разнесенных вдоль ферромагнитной трубы. Амплитуда напряженности в таких пучностях почти вдвое выше, чем у одиночных кольцевых магнитов. При этом смежные границы пучностей описываются более резким спадом напряженности поля, то есть ростом их градиентов. И, как оказалось, описанные параметры и форма локальных магнитных полей образуются, лишь когда постоянные кольцевые магниты установлены в каждой паре с зазором, не превышающем ширины одного кольцевого магнита. При этом оптимум эффективности магнитной обработки жидкостей обеспечивается при условии выполнения расстояния между любыми двумя смежными парами магнитов не менее утроенной ширины одного кольцевого постоянного магнита. При таком расстоянии, с одной стороны, сохраняется (т.е. не уменьшается) еще величина амплитуды напряженности поля между смежными пучностями каждой пары кольцевых магнитов, а с другой такого расстояния уже достаточно для роста градиентов поля в этих пучностях.

Верхний предел расстояния между парами магнитов, а также количество пар магнитов определяются свойствами обрабатываемой жидкости. Для некоторых жидкостей, например воды, это расстояние значительно возрастает, очевидно за счет увеличения контакта жидкости с магнитным полем.

Экран, охватывающий постоянные магниты и выполняющий функции концентратора магнитного потока, также способствует значительному росту напряженности аксиального магнитного поля в каждой пучности.

Таким образом, цель, поставленная в заявляемом устройстве, достигается благодаря формированию серии локальных знакопеременных пучностей аксиального магнитного поля, для которых характерен рост почти вдвое амплитуды напряженности поля в каждой пучности и увеличение градиентов поля за счет дополнительной концентрации магнитного потока каждого кольцевого магнита в паре и сближения пар колец.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство, продольный разрез; на фиг.2 сечение по А-А фиг.1; на фиг.3 характер напряженности аксиального магнитного поля заявляемого устройства; на фиг.4 и 5 характер изменения напряженности аксиального магнитного поля одиночного кольцевого магнита (прототип) и установленных в паре кольцевых магнитов (заявляемое устройство), соответственно; на фиг.6 -изменение эффективности магнитной обработки жидкости в зависимости от расстояния между двумя парами кольцевых магнитов.

Устройство для магнитной обработки жидкости содержит ферромагнитную трубу 1, предназначенную для транспортировки потока обрабатываемой жидкости, и постоянные кольцевые магниты 2, 3 и 4, 5, установленные на внешней поверхности трубы 1 попарно, по меньшей мере, двумя парами (фиг.1). Постоянные кольцевые магниты в каждой паре 2,3 и 4,5 установлены на расстоянии l друг от друга, не превышающем ширины одного кольцевого магнита а, то есть l≅a, при этом указанные пары кольцевых магнитов 2,3 и 4,5 расположены относительно друг друга по длине трубы 1 на расстоянии L, не менее утроенной ширины кольцевого магнита, то есть L ≥3a. Каждый кольцевой магнит выполнен составленным из прилегающих друг к другу нерабочими торцовыми поверхностями магнитных стержней 6 (или пластин) прямоугольного сечения и установлен на внешней поверхности ферромагнитной трубы 1 так, что главные поверхности каждого магнитного стержня 6 сопряжены с поверхностью трубы 1 и обращены к оси трубы 1 одноименными полюсами.

Постоянные магниты 2,3 и 4,5 охвачены ферромагнитным экраном 7, укрепленным герметично на трубе 1 с помощью фланцев 8.

Устройство работает следующим образом.

Для магнитной обработки жидкости, например нефти, заявляемое устройство монтируют в трубопровод. При прохождении нефти по ферромагнитной трубе 1 нефть обрабатывается аксиальными магнитными полями, направленными вдоль и навстречу потоку жидкости, в результате чего осуществляется ее активизация с целью предотвращения отложений АСПВ на поверхности нефтепромыслового оборудования.

В лабораторных условиях определяли эффективность магнитной обработки жидкости, а именно нефти, предлагаемым и известным по прототипу устройством. Запись напряженности магнитного поля вдоль ферромагнитной трубы 1 от одиночного (фиг.4) и сдвоенного (фиг.5) кольцевых магнитов показала, что для одиночного кольцевого магнита характерен плавный переход между максимумами напряженности магнитного поля, а для объединенных в пару кольцевых магнитов в районе их внешних краев формируются пучности напряженности аксиального магнитного поля, в которых локализована вся магнитная энергия магнита. Амплитуда напряженности в таких пучностях почти вдвое выше, чем у одиночного кольцевого магнита. При этом в заявляемом устройстве смежные границы пучностей описываются более резким спадом напряженности поля, что говорит о росте их градиентов. Причем такая картина наблюдается лишь тогда, когда расстояние l между магнитами в паре составляет не более ширины одного кольца а. Если же l>a, то характер напряженности магнитного поля в паре изменяется, а именно: появляются уже четыре пучности, амплитуды напряженности в которых ниже. То есть при l>a, характер напряженности магнитного поля становится такой же, как для одиночных кольцевых магнитов.

Из зависимости эффективности магнитной обработки жидкости нефти от расстояния L между двумя парами кольцевых магнитов следует, во-первых, что максимальная эффективность магнитной обработки наблюдается лишь при расстоянии между двумя парами не менее утроенной ширины а кольцевого магнита, то есть L≥3a (фиг.6), где а 35 мм, l 10 мм; оптимальное расстояние для эффективной обработки нефти должно быть в 3-5 раз больше ширины кольца; во-вторых, эффективность магнитной обработки жидкости значительно выше среднего уровня эффективности по прототипу (показано пунктиром).

В таблице отображены изменения эффективности другого типа жидкости - воды, используемой для приготовления бетона, оцененной по пределу прочности бетона на изгиб, в зависимости от расстояния L/a между парами кольцевых магнитов заявляемого устройства.

Оптимальное расстояние между парами кольцевых магнитов для эффективной обработки, например нефти, должно быть в 3 5 раз больше ширины кольца (фиг. 6). В то же время эффективная обработка воды, используемой для приготовления бетона, происходит при расстоянии между парами колец в 6,1 6,4 раза больше ширины кольца (см. таблицу).

К основным достоинствам заявляемого устройства относятся:
возможность успешного использования устройства в жестких условиях нефтедобывающей скважины с высоким давлением (сотни атмосфер), агрессивной средой (солевые растворы, сероводород и другие газы), ограниченными габаритами (обсадная труба с диаметром 120 мм);
возможность работы устройства в скважинах, оборудованных шланговыми глубинными насосами;
сравнительная простота конструкции: в качестве ферромагнитной трубы можно использовать непосредственно отрезок насосно-компрессорной трубы (НКТ). Благодаря этому, внутреннее сечение НКТ остается свободным и заявляемое устройство не препятствует проведению как геофизических, так и профилактичеких работ, в том числе и контролю парафиноотложений в скважине без ее остановки.

Вместе с этим заявляемое устройство обладает всеми преимуществами магнитных аппаратов на постоянных магнитах, то есть нет энергозатрат при эксплуатации, экологическая чистота и другие.

Использование: предназначается для предотвращения отложений АСПВ, снижения коррозионной активности добываемой жидкости. Сущность: на внешней поверхности ферромагнитной трубы (Т), предназначенной для транспортировки потока жидкости, установлены постоянные кольцевые магниты (М) попарно, по меньшей мере двумя парами, с зазором в каждой паре, не превышающим ширины кольцевого М, и на расстоянии между парами М не менее утроенной ширины кольцевого М. Кольцевые М составлены из стержней прямоугольного сечения, главные поверхности их сопряжены с поверхностью Т и обращены к оси Т одноименными полюсами. М охвачены снаружи герметичным экраном. 6 ил., 1 табл.

Устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным экраном и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы, отличающееся тем, что постоянные кольцевые магниты установлены на ферромагнитной трубе попарно, по меньшей мере двумя парами и расположены в каждой паре с зазором между ними не более ширины одного кольцевого магнита, пары магнитов установлены одна относительно другой по длине трубы на расстоянии не менее утроенной ширины одного кольцевого магнита, причем каждый кольцевой магнит выполнен составленным из прилегающих друг к другу нерабочими торцовыми поверхностями магнитных стержней или пластин прямогоульного сечения, а главные поверхности магнитов сопряжены с внешней поверхностью трубы.