СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2023 года по МПК G01N11/08 

Изобретение относится к специализированному испытательному оборудованию в области гидродинамики жидкостей, а именно к устройствам для исследования процесса образования парафиноотложений при эксплуатации нефтяных скважин и транспортировке парафинистой нефти.

Известен экспериментально-исследовательский стенд по изучению внутрискважинных процессов образования АСПО (Сарсенбаев Х.А. Экспериментальный исследовательский стенд по изучению внутрискважинных процессов по отложению АСПО // Записки Горного института. – 2006. – Т. 167. – Ч. 1. – С. 35-37.), состоящий из бака с нагревательным элементом для подготовки исследуемой жидкости, трубки для отвода исследуемой жидкости и ее пара, узла подачи и регулирования расхода жидкости, вертикально ориентированного исследуемого объекта, а именно модели трубы НКТ, направляющей трубы, емкости для измерения подачи исследуемой жидкости насосом, емкости для охлаждающей жидкости, термометров, измеряющих температуру потока исследуемой жидкости в верхней и нижней части тестового участка, температуру жидкости внутри бака, температуру жидкости охлаждения в верхней и нижней части емкости для охлаждающей жидкости.

Недостатком стенда является применение в его конструкции емкости для охлаждающей жидкости, оснащенной термометрами для измерения температуры, что не обеспечивает регулирование и поддержание постоянной температуры охлаждающей жидкости и, как следствие, температурных условий входе эксперимента.

Известен лабораторно-исследовательский циркуляционный стенд для испытаний методов противодействия процессам седиментации и коррозии в колонне НКТ (патент РФ № 202556, опубл. 24.02.2021), в основе своей содержащий замкнутый контур для нагрева и циркуляции испытательной среды, последовательно включенную в него испытательную секцию из четырех параллельно расположенных вертикально ориентированных испытательных патрубков, через каждый из которых прокачивается циркулирующая среда и замкнутый охлаждающий контур для прокачки хладагента через зазор между охлаждающей рубашкой и испытательным патрубком для цели создания условий выпадения АСПО, отличающийся тем, что конструктивные особенности стенда позволяют использовать в качестве испытательных патрубков в составе испытательной секции сегменты эксплуатируемых в отечественной нефтедобыче наиболее распространенных типоразмеров НКТ.

Недостатком стенда является неконтролируемое разделение единого потока исследуемой среды на четыре потока, проходящих через соответствующие испытательные патрубки, которое в случае образования отложений значительной толщины или полной закупорки сегмента НКТ приводит к изменению фактической скорости потока через все испытательные патрубки.

Известна циркуляционная установка для изучения процесса образования асфальтосмолопарафиновых отложений (Santos G., Daraboina N., Sarica C. Dynamic Microscopic Study of Wax Deposition: Particulate Deposition // Energy Fuels. – 2021. – № 35. – 12065-12074 p.), включающая систему охлаждения, замкнутый контур циркуляции исследуемой жидкости, состоящий из бака для исследуемой жидкости, насосного агрегата, проточного нагревателя, датчика расхода, фильтра очистки и испытательного участка тестовой секции, представленной двумя прямоугольными проточными каналами для потока исследуемой жидкости и жидкости охлаждения, разделенными медной пластиной, обеспечивающей передачу тепла между ними, с возможностью видеофиксации потока жидкости через выполненную в боковой стеке тестовой секции вставку из прозрачного материала.

Недостатком установки является прямоугольная форма сечения канала потока исследуемой жидкости и взаимное расположение проточных каналов потока исследуемой жидкости и потока жидкости охлаждения, что ограничивает универсальность конструкции с точки зрения возможности исследовать различные факторы, влияющие на процесс образования парафиноотложений в трубах с круглым сечением.

Известна циркуляционная установка типа «Flow Loop», разработанная в научно-исследовательской лаборатории «Диус Лаб» (http://dius-lab.ru/flow-loop/), состоящая из двух замкнутых контуров потока, а именно циркуляции охлаждающего агента посредством циркуляционного термостата и исследуемой жидкости, содержащего емкость для исследуемой жидкости, насосного агрегата, теплообменника, массового расходомера, линии подвода исследуемой жидкости к тестовой секции и отвода от нее, систему подачи газа, тестовой секцией, сконструированной по принципу «труба в трубе», где по внутренней трубе протекает исследуемая жидкость, а по межтрубному пространству жидкость охлаждения, системы измерения и сбора данных, а именно: датчики температуры, измеряющие температуру потока исследуемой жидкости на входе и на выходе из тестовой секции, температуру стенок внутренней трубы в трех точках и температуру в емкости для исследуемой жидкости, датчики давления, измеряющие давление в емкости для исследуемой жидкости и на входе в тестовую секцию, датчик дифференциального давления, измеряющий перепад давления потока исследуемой жидкости при прохождении через тестовую секцию с целью определения толщины отложений косвенным методом в режиме онлайн.

Недостатком циркуляционной установки является применение в ее конструкции импульсных линий для гидравлической передачи технологических давлений на дифманометр, что не обеспечивает надежной передачи технологических давлений в связи с кристаллизаций парафина в импульсных линиях по причине отличия гидродинамических условий от основного потока исследуемой жидкости.

Известен стенд для исследования углеводородных жидкостей со сложными реологическими свойствами (патент РФ № 2677073, опубл. 15.01.2019), принятый за прототип, содержащий расходный бак для углеводородной жидкости, оборудованный теплообменником и циркуляционным термостатом, замкнутый контур трубной обвязки, узел ввода присадок, винтовой насос, датчики давления, температуры и расходомер, отличающийся тем, что содержит персональный компьютер и измерительную секцию, представляющую собой трубку, оснащенную теплообменником и, по меньшей мере, двумя датчиками давления и температуры.

Недостатком стенда является соединение измерительной секции и теплообменника, которое не обеспечивает быстрый съем и достоверную оценку результатов испытаний.

Техническим результатом является определение факторов, влияющих на интенсивность формирования отложений в скважинах и в трубопроводах.

Технический результат достигается тем, что ёмкость для исследуемой жидкости закреплена кольцевой опоре, которая установлена в баке для теплоносителя водяной бани в форме полового цилиндра, сверху на емкость для исследуемой жидкости установлена с возможностью съема крышка, в которой выполнены отверстия, в которые установлены с возможностью съема механическая мешалка, дыхательный клапан и кабель, который соединяет погружной датчик температуры с микроконтроллером, в нижней части бака для теплоносителя водяной бани выполнено отверстие, в которое установлен с возможностью съема нагревательный элемент, внутрь которого помещен погружной датчик температуры, который через кабель соединен с микроконтроллером, на линии подачи исследуемой жидкости установлен тройник, к первому выходу которого через запорную арматуру подсоединена с возможностью съема линии слива, к второму выходу последовательно соединены с возможностью съема агрегат насосный циркуляционный, обратный клапан, и первая крестовина, при этом первый выход которой через запорную арматуру соединен с возможностью съема с линией слива, второй выход которой через запорную арматуру соединен с линией подвода газа и компрессором, а третий выход соединен с линией подачи исследуемой жидкости, на которой последовательно установлены с возможностью съема расходомер, кран, запорная арматура, которая соединена с возможностью съема со второй крестовиной, к первому и второму выходам которой, подсоединены с возможностью съема датчики температуры и давления, а к третьему выходу через переходник измерительный участок, к которому через переходник присоединена с возможностью съема с третья крестовина, к первому и второму выходам, которой подсоединены с возможностью съема датчики температуры и давления, а к третьему выходу смотровой сегмент трубной обвязки и запорная арматура на обратной линии исследуемой жидкости, которая через верхнюю часть бака для теплоносителя водяной бани проходит внутрь и через отвод соединена с емкостью для исследуемой жидкости, при этом измерительная секция включает измерительный участок, соосно и герметично закрепленный к внешней трубе измерительного участка с возможностью съема через переходник, линия жидкости охлаждения через переходники соединена к обоим концам внешней трубы измерительного участка, а на лини жидкости охлаждения последовательно установлены датчик температуры, циркуляционный термостат и датчик температуры.

Устройство поясняется следующей фигурой:

фиг. 1 – общая схема устройства, где:

1 – емкость для исследуемой жидкости;

2 – механическая мешалка;

3 – нагревательный элемент;

4 – бак для теплоносителя водяной бани;

5 – датчик температуры;

6 – опора;

7 – агрегат насосный циркуляционный;

8 – обратный клапан;

9 – погружной датчик температуры;

10 – компрессор;

11 – кран;

12 – расходомер;

13 – датчик давления;

14 – запорная арматура;

15 – смотровой сегмент трубной обвязки;

16 – циркуляционный термостат;

17 – линия подвода газа;

18 – внешняя труба измерительного участка;

19 – линия подачи исследуемой жидкости;

20 – обратная линия исследуемой жидкости;

21 – линия жидкости охлаждения;

22 – измерительный участок;

23 – линия слива;

24 – крышка;

25 – дыхательный клапан;

26 – измерительная секция;

27 – персональный компьютер;

28 – микроконтроллер;

29 – переходник;

30 – кабель.

Устройство содержит ёмкость для исследуемой жидкости 1 (фиг. 1), которую используют в качестве расходного бака. Емкость для исследуемой жидкости 1выполненной в форме полого цилиндра с конусообразным дном и закреплена на расширяющей к низу кольцевой опоре 6, которая установлена в баке для теплоносителя водяной бани 4, выполненном в форме полового цилиндра. В центре нижней части емкости для исследуемой жидкости 1 выполнено отверстие, в которое установлен с возможностью съема отвод и запорная арматура 14, соединенная с линией слива 23, которая закреплена в отверстия, выполненные в боковой части опоры 6 и бака для теплоносителя водяной бани 4 через сгон. В боковой стенке емкости для исследуемой жидкости 1 выполнены отверстия, в которые установлены с возможностью съема отвод на линию подачи исследуемой жидкости 19 и отвод на обратную линию исследуемой жидкости 20. Сверху на емкость для исследуемой жидкости 1 установлена с возможностью съема крышка 24. В крышке 24 выполнены отверстия, в которые установлены с возможностью съема механическая мешалка 2, дыхательный клапан 25 и кабель 30, который соединяет погружной датчик температуры 9 с микроконтроллером 28. В нижней части бака для теплоносителя водяной бани 4 выполнено отверстие, в которое установлен с возможностью съема нагревательный элемент 3. В бак для теплоносителя водяной бани 4 помещен погружной датчик температуры 9, который соединен с микроконтроллером 28 через кабель 30. На линии подачи исследуемой жидкости 19 установлен тройник. К первому выходу тройника через запорную арматуру 14 подсоединена с возможностью съема линии слива 23. К второму выходу тройника присоединен с возможностью съема агрегат насосный циркуляционный 7, который соединен с возможностью съема с обратным клапаном 8, к обратному клапану соединена с возможностью съема первая крестовина. Первый выход которой, через запорную арматуру 14 соединен с возможностью съема с линией слива 23, второй выход которой через запорную арматуру 14 соединен с линией подвода газа 17 и компрессором 10, а третий выход которой соединен с линией подачи исследуемой жидкости 19, на которой последовательно установлены с возможностью съема расходомер 12, кран 11, запорная арматура 14, которая соединена с возможностью съема с второй крестовиной. К первому и второму выходам второй крестовины подсоединены с возможностью съема датчик температуры 5 и датчик давления 13, а к третьему выходу через переходник 29 подсоединен измерительный участок 22, к которому через переходник 29 присоединена третья крестовина. К первому и второму выходам третей крестовины подсоединены с возможностью съема датчик температуры 5 и датчик давления 13, а к третьему выходу смотровой сегмент трубной обвязки 15 и запорная арматура 14 на обратной линии исследуемой жидкости 20, которая через верхнюю часть бака для теплоносителя водяной бани 4 проходит внутрь и через отвод соединена с емкостью для исследуемой жидкости 1. Измерительная секция 26 включает измерительный участок 22, соосно и герметично закрепленный к внешней трубе измерительного участка 18 по принципу «труба в трубе» с возможностью съема переходником 29. Линия жидкости охлаждения 21 через переходники 29 соединена к обоим концам внешней трубы измерительного участка 18. На лини жидкости охлаждения 21 последовательно установлены датчик температуры 5, циркуляционный термостат 16 и датчик температуры 5. Персональный компьютер 27 подключен кабелем 30 к микроконтроллеру 28, с подключенными к нему датчикам давления, температуры и расхода посредством кабелей 30.

Устройство работает следующим образом. Включается персональный компьютер 27. Удаляется крышка 24, емкость для исследуемой жидкости 1 заполняется необходимым количеством исследуемой жидкости, затем крышка 24 устанавливается обратно и включается механическая мешалка 2. Вода в баке для теплоносителя водяной бани 4 нагревается до температуры от плюс 20 °C до плюс 80 °C в зависимости от условий эксперимента и поддерживается постоянной с помощью нагревательного элемента 3. Температура воды измеряется погружным датчиком температуры 9. Данные о температуре передаются на микроконтроллер 28, а затем на персональный компьютер 27 по кабелю 30. В циркуляционном термостате 16 с выключенным режимом циркуляции температура жидкости охлаждения устанавливается в диапазоне от плюс 5 °C до плюс 80 °C в зависимости от условий эксперимента. Открывается запорная арматура 14 на линии подачи исследуемой жидкости 19 и обратной линии исследуемой жидкости 20, и включается агрегат насосный циркуляционный 7, обеспечивающий циркуляцию исследуемой жидкости с требуемым в зависимости от условий эксперимента расходом, настраиваемым краном 11. Расход исследуемой жидкости измеряется расходомером 12, а данные о расходе передаются на микроконтроллер 28, а затем на персональный компьютер 27 по кабелю 30. При стабилизации расхода и температуры исследуемой жидкости в контуре циркуляционный термостат 16 переводится в режим циркуляции, а температура охлаждающей жидкости на входе и выходе из межтрубного пространства измерительной секции 26 измеряется датчиками температуры 5, и данные передаются на микроконтроллер 28, а затем на персональный компьютер 27 по кабелю 30.

Далее рабочая жидкость циркуляционного термостата 16 начинает охлаждать стенку измерительного участка 22 и, соответственно, имитировать охлажденную внутреннюю поверхность нефтепромыслового оборудования, создавая температурный градиент – общепринятое условие формирование отложений парафина. На внутренней поверхности измерительного участка 22 образуются парафиноотложения, что приводит к уменьшению площади живого сечения потока исследуемой жидкости в измерительном участке 22 и к увеличению гидравлических потерь на данном участке. По степени изменения разницы давлений потока исследуемой жидкости на входе и на выходе из измерительного участка 22 определяется интенсивность образования парафиноотложений. Смотровой сегмент трубной обвязки 15 позволяет оценивать наличие взвешенных кристаллов парафина в потоке исследуемой жидкости вне измерительной секции 26. В ходе проведения эксперимента моделируются различные температурные и гидродинамические условия течения, с возможностью создания положительного, нулевого и отрицательного температурного градиента, условий циркуляции исследуемой жидкости с взвешенными в ее объеме кристаллами парафина с целью улучшения понимания основных механизмов образования парафиноотложений.

По окончании проведения исследования процесса образования парафиноотложений циркуляция жидкости охлаждения прекращается, а сама рабочая жидкость циркуляционного термостата 16 удаляется из измерительной секции 26, линии жидкости охлаждения 21. Выключаются агрегат насосный циркуляционный 7, механическая мешалка 2, нагревательный элемент 3, а регулировочный кран 11 устанавливается в крайнее открытое положение. Крышка 24 удаляется. Исследуемая жидкость сливается в дренажную емкость (на фигуре не указана) через линию слива 23 путем открытия установленной на ней запорной арматуры 14. Затем запорная арматура 14 на линии подачи исследуемой жидкости 19 и обратной линии исследуемой жидкости 20 закрывается и происходит демонтаж измерительной секции 26 с последующим сбором парафиноотложений для дальнейшего исследования. Далее измерительная секция 26 устанавливается обратно и производится продувка замкнутого контура циркуляции исследуемой жидкости из компрессора 10 путем открытия запорной арматуры 14 на линии подвода газа 17 с предшествующем открытием запорной арматуры 14 на линии подачи исследуемой жидкости 19 и обратной линии исследуемой жидкости 20 и закрытием запорной арматуры линии 14 на линии слива 23. При необходимости перед продувкой может быть произведена циркуляция горячего раствора ПАВ по аналогии с исследуемой жидкости, с целью удаления остатков твердого парафина из замкнутого контура циркуляции исследуемой жидкости.

Стенд обеспечивает возможность моделирования различных условий для исследования основных механизмов образования парафиноотложений и факторов, влияющих на интенсивность формирования отложений, не только за счет одной оценки интенсивности образования слоя отложений, но и благодаря возможности визуальной оценки поведения взвешенных в потоке кристаллов парафина.

Изобретение относится к специализированному испытательному оборудованию в области гидродинамики жидкостей, а именно к устройствам для исследования процесса образования парафиноотложений при эксплуатации нефтяных скважин и транспортировке парафинистой нефти. Стенд включает расходный бак с конусообразным дном, оснащенный дыхательным клапаном, датчиком температуры, датчики давления, расходомер, насос, измерительную секцию, циркуляционный термостат, персональный компьютер. Ёмкость для исследуемой жидкости закреплена на кольцевой опоре, которая установлена в баке для теплоносителя водяной бани, который выполнен в форме полого цилиндра. Сверху на емкость для исследуемой жидкости установлена с возможностью съема крышка, в которой выполнены отверстия, в которые установлены с возможностью съема механическая мешалка, дыхательный клапан и кабель, который соединяет погружной датчик температуры с микроконтроллером. В нижней части бака для теплоносителя водяной бани выполнено отверстие, в которое установлен с возможностью съема нагревательный элемент, внутрь бака помещен погружной датчик температуры, который через кабель соединен с микроконтроллером, на линии подачи исследуемой жидкости установлен тройник, к первому выходу которого через запорную арматуру подсоединена с возможностью съема линия слива, к второму выходу последовательно соединены с возможностью съема агрегат насосный циркуляционный, обратный клапан и первая крестовина, первый выход которой через запорную арматуру соединен с возможностью съема с линией слива, второй выход которой через запорную арматуру соединен с линией подвода газа и компрессором, а третий выход соединен с линией подачи исследуемой жидкости, на которой последовательно установлены с возможностью съема расходомер, кран, запорная арматура, которая соединена с возможностью съема со второй крестовиной, к первому и второму выходам которой подсоединены с возможностью съема датчики температуры и давления, а к третьему выходу через переходник измерительный участок, к которому через переходник присоединена с возможностью съема третья крестовина, к первому и второму выходам которой подсоединены с возможностью съема датчики температуры и давления, а к третьему выходу смотровой сегмент трубной обвязки и запорная арматура на обратной линии исследуемой жидкости, которая через верхнюю часть бака для теплоносителя водяной бани проходит внутрь и через отвод соединена с емкостью для исследуемой жидкости. Измерительная секция включает измерительный участок, соосно и герметично закрепленный к внешней трубе измерительного участка с возможностью съема через переходник, линия жидкости охлаждения через переходники соединена к обоим концам внешней трубы измерительного участка, а на лини жидкости охлаждения последовательно установлены датчик температуры, циркуляционный термостат и датчик температуры. Технический результат - определение факторов, влияющих на интенсивность формирования отложений в скважинах и в трубопроводах. 1 ил.

Стенд для исследования процесса образования асфальтосмолопарафиновых отложений, включающий расходный бак с конусообразным дном, оснащенный дыхательным клапаном, датчиком температуры, датчики давления, расходомер, насос, измерительную секцию, циркуляционный термостат, персональный компьютер, отличающийся тем, что ёмкость для исследуемой жидкости закреплена на кольцевой опоре, которая установлена в баке для теплоносителя водяной бани, который выполнен в форме полого цилиндра, сверху на емкость для исследуемой жидкости установлена с возможностью съема крышка, в которой выполнены отверстия, в которые установлены с возможностью съема механическая мешалка, дыхательный клапан и кабель, который соединяет погружной датчик температуры с микроконтроллером, в нижней части бака для теплоносителя водяной бани выполнено отверстие, в которое установлен с возможностью съема нагревательный элемент, внутрь бака помещен погружной датчик температуры, который через кабель соединен с микроконтроллером, на линии подачи исследуемой жидкости установлен тройник, к первому выходу которого через запорную арматуру подсоединена с возможностью съема линия слива, к второму выходу последовательно подсоединены с возможностью съема агрегат насосный циркуляционный, обратный клапан и первая крестовина, при этом первый выход которой через запорную арматуру соединен с возможностью съема с линией слива, второй выход которой через запорную арматуру соединен с линией подвода газа и компрессором, а третий выход соединен с линией подачи исследуемой жидкости, на которой последовательно установлены с возможностью съема расходомер, кран, запорная арматура, которая соединена с возможностью съема со второй крестовиной, к первому и второму выходам которой подсоединены с возможностью съема датчики температуры и давления, а к третьему выходу через переходник измерительный участок, к которому через переходник присоединена с возможностью съема третья крестовина, к первому и второму выходам которой подсоединены с возможностью съема датчики температуры и давления, а к третьему выходу смотровой сегмент трубной обвязки и запорная арматура на обратной линии исследуемой жидкости, которая через верхнюю часть бака для теплоносителя водяной бани проходит внутрь и через отвод соединена с емкостью для исследуемой жидкости, при этом измерительная секция включает измерительный участок, соосно и герметично закрепленный к внешней трубе измерительного участка с возможностью съема через переходник, линия жидкости охлаждения через переходники присоединена к обоим концам внешней трубы измерительного участка, а на лини жидкости охлаждения последовательно установлены датчик температуры, циркуляционный термостат и датчик температуры.