Устройство для обработки пластового флюида и продуктов его переработки магнитным полем Российский патент 2025 года по МПК F17D1/16 H05B6/10 

Изобретение относится к устройствам для магнитной обработки пластовых флюидов (водонефтяная эмульсия, нефть, газоконденсат, газ).

Известно, что магнитное поле оказывает значительное влияние на структурно-реологические свойства пластовых флюидов. Также магнитное воздействие может использоваться для нагрева потока пластовых флюидов, что раскрыто в патенте на изобретение RU275521 (опубл. 16.09.2021, МПК: H05B 6/10), из которого известен способ нагрева жидких сред, включающий процесс воздействия переменного электромагнитного поля, источником которого является индуктор, состоящий из катушки индуктивности либо множества катушек индуктивности, на нагревательный элемент из электропроводящего материала, который, нагреваясь, передает тепло жидкой среде. В герметичном кольцевом пространстве корпуса нагревателя расположен индуктор, который представляет из себя катушку индуктивности, состоящую из многофазной обмотки, проводники которой распределены по окружности и пофазно уложены в пазах магнитопровода вдоль основной его оси, отличающийся тем, что наружная стенка корпуса в местонахождении индуктора выполнена из магнитопроницаемого материала, нагревательный элемент в виде трубы произвольного сечения расположен снаружи корпуса напротив индуктора и образует кольцевой зазор между своей внутренней поверхностью и наружной поверхностью корпуса, посредством электрического кабеля на индуктор подается высокочастотный ток, вследствие чего вокруг наружной его поверхности создается переменное электромагнитное поле, которое через магнитопроницаемую стенку корпуса, через кольцевой зазор воздействует на нагревательный элемент, который вследствие возникающих в нем электрических потерь нагревается, при этом жидкая среда омывает нагревательный элемент со всех сторон, а также наружную поверхность корпуса нагревателя.

Однако, использование катушек возбуждения для создания переменного электромагнитного поля приводит к тепловым потерям в индукторе. Допустимые тепловые потери в индукторе, вследствие ограниченного теплосъема, определяют предельную намагничивающую силу катушек, а значит предельную величину магнитного потока в рабочем зазоре. Допустимая мощность тепловых потерь в индукторе ограничена температурным индексом применяемого провода.

Известно использование магнитов в составе конструкций для обработки скважинных флюидов. Например, известно гидродинамическое устройство электроцентробежного насоса для магнитной обработки скважинного флюида (патент на полезную модель RU169892, опубл. 05.04.2017, МПК: E21B 37/00, F04D 13/10), содержащее цилиндрический корпус с основанием, оборудованным фильтром, и головкой, внутри которого установлен на трех радиальных и одном осевом подшипниках вал ротора, на котором последовательно от основания по направлению потока флюида установлены завихритель потока с лопастями, имеющими сечение клиновидной формы, расположенными под углом к оси вала, статорные гильзы с прикрепленными постоянными магнитами, которые чередуются с турбулизаторами потока, лопасти которых имеют сечение прямоугольной формы, и установлены вдоль оси вала, причем к ним прикреплены постоянные магниты, а основание и головка имеют каналы для прохода жидкости.

Общими признаками известного и заявляемого устройств являются цилиндрический корпус (труба), ротор, постоянные магниты.

Однако в известном устройстве технический результат достигается за счет наложения магнитных полей постоянных магнитов, расположенных на статорных кольцах, и магнитных полей постоянных магнитов, вращающихся вместе с лопастями турбулизатора. Это приводит к тому, что магнитное поле, воздействующее на поток флюида, возникает между двумя магнитами, один из которых вращается, что приводит к снижению эффективности такого магнитного поля при воздействии на протекающий флюид.

Ближайшим аналогом (прототипом) было выбрано устройство (патент на полезную модель RU193430, опубл. 29.10.2019, МПК: H05B 6/10) для нагрева жидкого теплоносителя, содержащее емкость для нагреваемой жидкости, индуктор, состоящий из цилиндрического элемента с размещенными на нем постоянными магнитами с чередующимися полюсами по окружности, причем цилиндрический индуктор и металлическая цилиндрическая емкость расположены коаксиально, а цилиндрический индуктор установлен с возможностью вращения, отличающееся тем, что в емкость с нагреваемой жидкостью вокруг боковой поверхности цилиндрического индуктора добавлена неподвижная металлическая решетка цилиндрической формы, установленная коаксиально с индуктором. В известном техническом решении вокруг боковой поверхности цилиндрического индуктора добавлена неподвижная металлическая решетка цилиндрической формы, установленная коаксиально с индуктором, за счет потерь в которой осуществляется нагрев жидкого теплоносителя. Основной отличительной особенностью данного исполнения является то, что вся поверхность решетки соприкасается с жидким теплоносителем и участвует в теплообмене. Равномерность нагрева жидкого теплоносителя обеспечивается за счет перемешивания слоев жидкости, вызванного вращением индуктора.

Общими признаками известного и заявляемого устройств является цилиндрический элемент (ротор) с размещенными на нем постоянными магнитами с чередующимися полюсами по окружности и размещенная коаксиально цилиндрическому элементу металлическая цилиндрическая емкость.

Однако для равномерного и эффективного нагрева жидкости поверхность металлической решетки в известном решении для выделения потерь должна быть размещена как можно ближе к поверхности индуктора, так как потери создаются вихревыми токами, возникающими от изменения магнитных полей рассеяния индуктора. Месторасположение металлической решетки в известном техническом решении позволяет обеспечить нагрев жидкости в устройстве, которое, согласно описанию и чертежам, имеет емкость, в которую жидкость поступает и достаточное время находится в контакте с металлической решеткой. Но такое решение не будет обеспечивать высокую эффективность обработки магнитным полем и, соответственно, нагрева динамического потока жидкости, который проходит через конструкцию.

Далее по тексту под терминами «жидкость» или «скважинный флюид» также понимаются пластовый флюид или продукты переработки скважинного флюида.

Технической задачей изобретения является разработка конструкции устройства, которое будет обеспечивать высокую эффективность обработки динамического потока скважинного флюида магнитным полем большой интенсивности для нагрева пластового флюида, а также, в частности, снижения интенсивности отложений парафинов.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обработки динамического потока скважинного флюида магнитным полем, упрощение конструкции устройства, а также сохранение динамики потока жидкости, проходящей через устройство. Что в свою очередь приводит к повышению температуры протекающего флюида, что оказывает влияние на значения вязкости водонефтяной эмульсии, а также снижает интенсивность отложений парафинов на стенках насосно-компрессорных труб по причине увеличения температуры флюида после прохождения устройства.

Технический результат достигается за счет использования устройства, включающее нагревательный элемент и индуктор, который коаксиально расположен внутри нагревательного элемента с образованием кольцевого зазора, при этом индуктор включает ротор, который выполнен с возможностью вращения вокруг центральной оси и содержащий вал, на котором установлено ярмо с размещенной на нем по меньшей мере одной парой разнополюсных магнитов, образуя вдоль длины ротора напротив внутренней поверхности трубы продольные чередующиеся участки с разной полярностью, а рабочая температура магнитов не менее 200°С, нагревательный элемент представляет собой трубу произвольного сечения из ферромагнитного материала, при этом поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, выполнена из электропроводящего материала.

Достижение технического результата обеспечивается за счет конструкции устройства, в кольцевом канале которого между индуктором, который расположен внутри нагревательного элемента (трубы произвольного сечения) и представляет собой ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг центральной оси и содержащий вал, на котором установлено ярмо с размещенными на нем разнополюсными постоянными магнитами, наружная цилиндрическая поверхность которых охвачена удерживающим бандажом, выполненным из немагнитного материала, происходит протекание динамического потока жидкости. При этом для достижения технического результата используется по меньшей мере одна пара разнополюсных магнита. При использовании большего количества пар – разнополюсные магниты чередуются. В наиболее предпочтительном варианте реализации устройства используется три пары разнополюсных магнитов.

Поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, должна быть выполнена из электропроводящего материала. При этом она может быть выполнена в виде слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность трубы, либо, например, в виде трубы из электропроводящего материала, которая вставлена в трубу из ферромагнитного материала.

Технический результат обеспечивается за счет комплексного воздействия на структурно-реологические свойства водонефтяной эмульсии знакопеременного магнитного поля большой интенсивности и температурного поля.

Использование конструкции устройства с наружным расположением нагревательного элемента позволяет обеспечить более равномерные омагничивание и нагрев жидкости по всему сечению рабочего канала – кольцевого зазора, по которому обеспечивается протекание флюида. Наличие относительно однородного радиально направленного магнитного поля в рабочем канале обеспечивается за счет замыкания магнитного потока индуктора, создаваемого постоянными магнитами ротора, по наружной магнитопроводящей трубе нагревательного элемента. При вращении ротора создается переменное магнитное поле, изменение которого приводит к наведению вихревых токов и вызывает тепловые потери в электропроводящем слое нагревательного элемента. Существенным для этого процесса и повышения эффективности является сплошной слой электропроводящего материала, который расположен максимально на близком расстоянии к трубе, выполненной из ферромагнитного материала. Это позволяет повысить эффективность наведения вихревых токов в слое электропроводящий материала и повысить эффективность нагрева динамического потока флюида.

При этом динамический поток, протекающий через рабочий зазор, обеспечивает теплосъем с поверхности трубы для исключения перегрева теплоотдающей поверхности.

Использование в конструкции индуктора постоянных магнитов вместо катушек возбуждения позволяет получить высокие значения рабочей индукции в канале, тем самым, повысить эффективность омагничивания рабочей жидкости и увеличить мощность тепловых потерь в нагревательном элементе.

Внутренний электропроводящий слой нагревательного элемента может быть выполнен путем напыления покрытия нужной толщины на внутреннюю поверхность магнитопроводящей трубы нагревателя. Также он может быть выполнен в виде отдельной трубы, которая вставлена в трубу произвольного сечения из ферромагнитного материала. При это она может быть вставлена как с обеспечением зазора с трубой произвольного сечения из ферромагнитного материала, с возможностью омывания динамическим потоком флюида, так и без зазора.

Применение нагревательного элемента, поверхность теплоотдачи которого имеет цилиндрическую форму, приводит к более равномерному по длине канала нагреву жидкости, а также позволяет снизить гидравлическое сопротивление канала при протекании по нему динамического потока жидкости. Вращение индуктора приводит к дополнительному перемешиванию слоев жидкости по сечению канала, что также увеличивает равномерность нагрева жидкого теплоносителя.

Форма сечения участков магнитного материала может быть любой и практически не ограничена. Магниты могут быть выполнены, например, в виде параллелепипедов, расположенных вдоль ротора. Предпочтительно использовать магниты, поперечное сечение которых имеет форму «сечение кольца». Это позволяет эффективно использовать всю поверхность ротора для размещения магнитов на его поверхности.

Направление намагниченности магнитов ротора – радиальное с чередующейся полярностью. Для усиления магнитного потока в конструкции ротора могут быть предусмотрены тангенциально намагниченные магниты.

Рабочая температура используемых магнитов не должна быть менее 200 °С. Это связано с тем, что скважинные флюиды, как и продукты их переработки, могут характеризоваться высокими температурами, при этом в устройстве происходит дополнительный нагрев потока флюида. Предпочтительно в конструкции индуктора использовать редкоземельные неодимовые или самарий-кобальтовые магниты.

Наружная цилиндрическая поверхность магнитов может быть охвачена удерживающим бандажом, выполненным из немагнитного материала, который не будет препятствовать созданию магнитного поля. Либо магниты могут удерживаться на роторе путем приклеивания или любых других известных способов крепления.

Для обеспечения вращения ротора могут быть использованы любые известные способы и устройства. При размещении в скважине предпочтительно использовать в качестве привода ротора электроцентробежный насос, что является известным для специалистов.

Одним из частных вариантов реализации устройства может быть рассмотрен вариант, в котором поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, представляет собой трубу, выполненную из электропроводящего материала.

Наиболее предпочтительным вариантом является использование трех пар чередующихся разнополюсных магнитов. Что позволит обеспечить нагрев и эффективное омагничивание жидкости в рабочем канале.

Описание фигур.

На фигуре 1 представлена упрощенная схема устройства, где 1 – стальная труба, 2 – электропроводящий материал, 3 – ротор с размещенными на его поверхности магнитами.

На фигуре 2 представлен схема поперечного разреза ротора с размещенными на его поверхности магнитами, где 4 – вал ротора, 5 – магнитопроводное ярмо, 6 – полюса магнита, 7 – магнитопроницаемый бандаж.

На фигуре 3 представлена схема путей (оранжевые линии) замыкания магнитных потоков Ф соседних полюсов ротора по магнитопроводящей трубе нагревательного элемента, где 1 – стальная труба, 2 – электропроводящий материал, 4 – вал ротора, 5 – магнитопроводное ярмо, 6 – полюса магнита, 7 – магнитопроницаемый бандаж.

На фигуре 4 представлено направление возникающих в нагревательном элементе вихревых токов (токов Фуко - Iфуко), где 1 – стальная труба, 2 – электропроводящий материал, 4 – вал ротора, 5 – магнитопроводное ярмо, 6 – полюса магнита, 7 – магнитопроницаемый бандаж, 8 – обозначены токи Фуко.

На фигуре 5 представлены эпюры распределения магнитных полей в рассматриваемом устройстве.

На фигуре 6 представлено фото готового устройства.

Устройство для обработки пластового флюида и продуктов его переработки магнитным полем включает нагревательный элемент и индуктор, который коаксиально расположен внутри нагревательного элемента с образованием кольцевого зазора. При этом индуктор включает ротор (3), который выполнен с возможностью вращения вокруг центральной оси и содержащий вал, на котором установлено ярмо с размещенной на нем по меньшей мере одной парой разнополюсных магнитов, образуя вдоль длины ротора напротив внутренней поверхности трубы продольные чередующиеся участки с разной полярностью. Рабочая температура магнитов не менее 200°С. Нагревательный элемент представляет собой трубу произвольного сечения из ферромагнитного материала (1), при этом поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, выполнена из электропроводящего материала (2).

Ниже приведен частный пример реализации предлагаемого устройства для нагрева и омагничивания скважинного флюида.

Наружный диаметр установки – 114 мм, полный немагнитный зазор между нагревателем и индуктором – 12,5 мм, высота канала для протекания жидкости – 8 мм.

Устройство размещается в скважине. Индуктор устройства подключается к ЭЦН. Ротор индуктора содержит вал (4, фигура 2), на котором установлено ярмо (5) с размещенными на нем тремя парами разноименнополюсных неодимовых магнитов (6), наружная цилиндрическая поверхность которых охвачена удерживающим бандажом (4), выполненным из немагнитного материала. Форма сечения применяемых магнитов – сектор кольца. Нагревательный элемент состоит из стальной магнитопроводящей трубы (1, фигура 3), на внутреннюю поверхность которой нанесен слой (2) из электропроводящего материала. Толщина слоя составляет 1,5-2 мм, материал слоя – алюминиевый сплав. Мощность, приходящаяся на установку – 30 кВт, расход нефти - 50 м3/сут.

Поток скважинного флюида проходит через устройство, температура флюида до входа в устройство составила +93 °С. Среднее значение магнитной индукции в рабочем канале устройства – 0,35-0,4 Тл.

ЭЦН обеспечивает вращение ротора с частотой 50 Гц. При этом частота обработки магнитным полем проходящего через устройство флюида пропорциональна числу пар полюсов ротора и составляет 150 Гц. При вращении ротора в нагревательном элементе устройства возникают потери от вихревых токов (токов Фуко). Схема представлена на фигуре 4. На фигуре 5 представлены эпюры распределения магнитных полей в рассматриваемом устройстве.

При взаимодействии потока скважинного флюида с внутренней поверхностью электропроводящего слоя нагревательного элемента происходит передача тепла от нагревателя к флюиду. Температура скважинного флюида после прохождения устройства составила +106 °С.

На фигуре 6 представлено фото готового устройства.

Конструкция устройства и принципы его использования позволяют применять его как в скважинах, так и, например, в процессах переработки скважинных флюидов путем пропускания продуктов переработки через устройство. Известно, что магнитное воздействие (как и температурное) на скважинные (пластовые) флюиды оказывает влияние на структурно-реологические свойства нефти, на фазоразделение водонефтяной эмульсии и т.п. Заявляемое устройство обеспечивает одновременно комплексное воздействие магнитного поля и температуры (повышение которой также происходит за счет воздействия магнитного поля и создание вихревых токов) на протекающий флюид.

Приведенный пример реализации подтверждает достижение технического результата, а именно повышение эффективности обработки динамического потока скважинного флюида магнитным полем (за счет создаваемого направления магнитного поля), упрощение конструкции устройства (за счет расположения электропроводящего материала вдоль внутренней поверхности нагревательного элемента), а также сохранение динамики потока жидкости, проходящей через устройство. Это в свою очередь приводит к повышению температуры протекающего флюида, что оказывает влияние на значения вязкости водонефтяной эмульсии, а также снижает интенсивность отложений парафинов на стенках насосно-компрессорных труб по причине увеличения температуры флюида после прохождения устройства.

Изобретение относится к устройствам для магнитной обработки пластовых флюидов, например водонефтяной эмульсии, нефти, газоконденсата, газа. Устройство для обработки пластового флюида и продуктов его переработки магнитным полем включает нагревательный элемент и индуктор, который коаксиально расположен внутри нагревательного элемента с образованием кольцевого зазора. Индуктор включает ротор, который выполнен с возможностью вращения вокруг центральной оси и содержит вал, на котором установлено ярмо с размещенной на нем по меньшей мере одной парой разноименных магнитов, образуя вдоль длины ротора напротив внутренней поверхности трубы продольные чередующиеся участки с разной полярностью. Рабочая температура магнитов не менее 200°С. Нагревательный элемент представляет собой трубу произвольного сечения из ферромагнитного материала, при этом поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, выполнена из электропроводящего материала. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для обработки пластового флюида и продуктов его переработки магнитным полем, включающее нагревательный элемент и индуктор, который коаксиально расположен внутри нагревательного элемента с образованием кольцевого зазора, при этом

индуктор включает ротор, который выполнен с возможностью вращения вокруг центральной оси и содержит вал, на котором установлено ярмо с размещенной на нем по меньшей мере одной парой разнополюсных магнитов, образуя вдоль длины ротора напротив внутренней поверхности трубы продольные чередующиеся участки с разной полярностью, а рабочая температура магнитов не менее 200°С,

нагревательный элемент представляет собой трубу произвольного сечения из ферромагнитного материала, при этом поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, выполнена из электропроводящего материала.

2. Устройство по п.1, в котором поперечное сечение магнитов имеет форму сектора кольца.

3. Устройство по п.1, в котором магниты представляют собой неодимовые магниты.

4. Устройство по п.1, в котором магниты являются тангенциально намагниченными магнитами.

5. Устройство по п.1, в котором на ярме размещено по меньшей мере три пары разнополюсных чередующихся магнитов.

6. Устройство по п.1, в котором поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, представляет собой слой из электропроводящего материала, нанесенного на внутреннюю поверхность трубы.

7. Устройство по п.1, в котором поверхность нагревательного элемента, обращенная к магнитам, представляет собой трубу, выполненную из электропроводящего материала.

8. Устройство по п.1, в котором наружная цилиндрическая поверхность магнитов охвачена удерживающим бандажом, выполненным из немагнитного материала.