BR102022015592A2

BR102022015592A2 - DEVICE WITH ZIG-ZAG DIAMETERIAL MAGNETIC ARRANGEMENTS FOR INSTALLATION IN MAGNETIC SUBS FOR THE REMEDY AND MITIGATION OF FLOODING IN PRODUCTION COLUMNS

Info

Publication number: BR102022015592A2
Application number: BR102022015592-5A
Authority: BR
Inventors: Rubem Luis Sommer; Bruno Gomes Da Silva; Bruno Barbosa Castro; Fernando Salatiel De Oliveira; Andre Leibsohn Martins; Alexandre Zacarias Ignacio Pereira; Paulo Guilherme Oliveira De Oliveira; João Paulo Sinnecker; Hugo FRANCISCO LISBOA SANTOS; Alexandre Mello De Paula Silva; Cilene Labre Alves Da Silva De Medeiro; Helga Elisabeth Pinheiro Schluter; Elvis Oswaldo López Meza; Marcus Vinicius Duarte Ferreira
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras; Centro Brasileiro De Pesquisas Físicas
Priority date: 2022-08-05
Filing date: 2022-08-05
Publication date: 2024-02-06

Abstract

dispositivo com arranjos magnéticos diametrais tipo zig-zag para instalação em subs magnéticos visando a remediação e mitigação de incrustações em colunas de produção. a presente invenção se refere a um dispositivo com arranjos magnéticos diametrais do tipo zig-zag (alternado) para instalações em subs magnéticos, visando a remediação e mitigação de incrustações inorgânicas e orgânicas em colunas de produção. o dispositivo magnético proposto atende a diversos critérios específicos baseados no modelo magnéto-hidrodinâmico (mhd). após a aplicação do referido dispositivo com o campo magnético proposto observou-se experimentalmente por meio de ensaios em laboratório uma eficiência de inibição de incrustação, obtido pelos valores das massas incrustadas nas paredes do sistema de bancada experimental do laboratório, com respeito à aplicação sem campo magnético. o dispositivo aqui descrito pode ser instalado em qualquer tubulação utilizada para o transporte de fluidos, incluindo tubulações submarinas de poços de petróleo. estes fluidos podem ser óleos, lubrificantes, gases, vapores, água, petróleo ou líquidos em geral.device with diametrical zig-zag magnetic arrangements for installation in magnetic subs aiming at the remediation and mitigation of fouling in production columns. The present invention refers to a device with diametrical magnetic arrangements of the zig-zag type (alternating) for installations in magnetic subs, aiming at the remediation and mitigation of inorganic and organic fouling in production columns. The proposed magnetic device meets several specific criteria based on the magnetohydrodynamic (mhd) model. After applying the aforementioned device with the proposed magnetic field, an efficiency of fouling inhibition was observed experimentally through laboratory tests, obtained by the values of the masses embedded in the walls of the laboratory's experimental bench system, with respect to the application without field. magnetic. The device described here can be installed in any pipeline used to transport fluids, including underwater pipelines from oil wells. These fluids can be oils, lubricants, gases, vapors, water, petroleum or liquids in general.

Description

Field of invention

[001] A presente invenção se insere no campo técnico de petróleo e gás, mais especificamente relacionada a processos de produção de petróleo, e tecnologias de escoamento, mais especificamente ainda, se refere a um dispositivo para instalação em SUBs magnéticos visando a remediação e mitigação de incrustações inorgânicas ou orgânicas em colunas de produção. O dispositivo aqui descrito pode ser instalado em qualquer tubulação utilizada para o transporte de fluidos, incluindo tubulações submarinas de poços de petróleo. Estes fluidos podem ser óleos, lubrificantes, gases, vapores, água, petróleo ou líquidos em geral.[001] The present invention falls within the technical field of oil and gas, more specifically related to oil production processes, and flow technologies, more specifically, it refers to a device for installation in magnetic SUBs aiming at remediation and mitigation of inorganic or organic fouling in production columns. The device described here can be installed in any pipeline used to transport fluids, including underwater pipelines from oil wells. These fluids can be oils, lubricants, gases, vapors, water, petroleum or liquids in general.

Fundamentals of the invention

[002] É de conhecimento atualmente que incrustações salinas em poços offshore produzem gradualmente restrições ao escoamento de fluidos e comprometem a produção de hidrocarbonetos ao longo do tempo. Uma alternativa para remediação e mitigação de incrustações salinas nos tubos é a utilização de elementos de coluna contendo ímãs permanentes, denominados SUBs Magnéticos.[002] It is currently known that saline scale in offshore wells gradually produces restrictions to the flow of fluids and compromises the production of hydrocarbons over time. An alternative for remediating and mitigating saline scale in pipes is the use of column elements containing permanent magnets, called Magnetic SUBs.

[003] Através do estado da técnica é sabido que a aplicação de um campo magnético nas proximidades de uma tubulação/duto pode afetar a formação de cristais de incrustação devido à interação entre a força magnética e as cargas dos cristais e dos íons presentes no fluido.[003] It is known from the state of the art that the application of a magnetic field in the vicinity of a pipe/duct can affect the formation of scale crystals due to the interaction between the magnetic force and the charges of the crystals and ions present in the fluid. .

[004] Dessa forma, a utilização de dispositivos magnéticos anti-incrustantes se mostra como uma alternativa interessante para solucionar este problema, uma vez que estes dispositivos (equipamentos) compreendem ímãs permanentes, de excelentes propriedades magnéticas, não necessitando de alimentação de energia para operação.[004] Therefore, the use of magnetic anti-fouling devices proves to be an interesting alternative to solving this problem, since these devices (equipment) comprise permanent magnets, with excellent magnetic properties, not requiring a power supply for operation. .

[005] Atualmente é permitido realizar otimizações nas configurações de campos magnéticos no tocante ao volume de interação com os fluidos, à intensidade de campo e à distribuição espacial do campo ao longo do equipamento (dispositivo). Por outro lado, percebe-se que não existe um modelo teórico e prático que seja eficiente para aplicação desta tecnologia em colunas de produção.[005] It is currently possible to carry out optimizations in magnetic field configurations regarding the volume of interaction with fluids, field intensity and spatial distribution of the field throughout the equipment (device). On the other hand, it is clear that there is no theoretical and practical model that is efficient for applying this technology in production columns.

[006] Em vista disso, e de forma a solucionar o problema técnico descrito anteriormente, a presente invenção propõe o desenvolvimento de um dispositivo com um arranjo magnético diametral do tipo zig-zag (alternado) para instalação em SUBs magnéticos visando a remediação e mitigação de incrustações inorgânicas e orgânicas em colunas de produção.[006] In view of this, and in order to solve the technical problem described previously, the present invention proposes the development of a device with a diametrical magnetic arrangement of the zig-zag type (alternating) for installation in magnetic SUBs aiming at remediation and mitigation of inorganic and organic fouling in production columns.

[007] É importante destacar que o dispositivo magnético proposto na presente invenção atende a diversos critérios específicos baseados no modelo magnetohidrodinâmico (MHD), que é o modelo teórico que estuda as interações entre fluidos (e também gases) condutores (fluidos iônicos e/ou salinos) e campos magnéticos.[007] It is important to highlight that the magnetic device proposed in the present invention meets several specific criteria based on the magnetohydrodynamic (MHD) model, which is the theoretical model that studies the interactions between conducting fluids (and also gases) (ionic fluids and/or saline) and magnetic fields.

State of the art

[008] No estado da técnica, existem dispositivos designados para a remediação e/ou mitigação de incrustações em colunas de produção. No entanto, os dispositivos do estado da técnica apresentam deficiências relativas à eficiência de inibição de incrustações, além do fato de não existir um modelo teórico-prático de arranjos de imãs permanentes que seja eficaz para a aplicação desta tecnologia.[008] In the state of the art, there are devices designed for the remediation and/or mitigation of scale in production columns. However, state-of-the-art devices present deficiencies regarding the efficiency of fouling inhibition, in addition to the fact that there is no theoretical-practical model of permanent magnet arrangements that is effective for the application of this technology.

[009] O documento de patente PI1003774-8 é um aperfeiçoamento do documento de patente PI9702495. O documento de patente PI 9702495 usa ímãs com momentos magnéticos paralelos ao escoamento dos fluidos, ou seja, um produto cuja força magnética é nula. Os inventores alegam ineditismo baseado na patente PI9702495, ainda controverso já que este achado escapa da realidade física, além disso, sem provas experimentais para confirmação. Por sua vez, o documento de patente PI1003774-8 usa ímãs com momentos magnéticos ortogonais ao escoamento do fluido, produzindo uma força magnética no meio. No entanto, o arranjo proposto é totalmente diferente da presente invenção.[009] Patent document PI1003774-8 is an improvement on patent document PI9702495. Patent document PI 9702495 uses magnets with magnetic moments parallel to the flow of fluids, that is, a product whose magnetic force is zero. The inventors claim novelty based on patent PI9702495, still controversial as this finding escapes physical reality, moreover, without experimental evidence to confirm it. In turn, patent document PI1003774-8 uses magnets with magnetic moments orthogonal to the fluid flow, producing a magnetic force in the medium. However, the proposed arrangement is totally different from the present invention.

[010] O arranjo magnético do documento de patente PI1003774-8 produz um campo dipolar, onde nos extremos dos arranjos dos ímãs usa entreferros para fechar as linhas de campo magnético. Além disso, é oferecido uma restrição ante o passo do fluido na região de aplicação dos ímãs, o que produziria grandes turbulências que afetariam a eficiência do campo magnético aplicado. A formação de turbulências são proporcionais aos incrementos da incrustação nessas regiões, de forma que quanto mais o fluido iônico é turbulento, maior será a incrustação, e por fim, menor será o efeito da aplicação do campo magnético.[010] The magnetic arrangement of patent document PI1003774-8 produces a dipolar field, where at the ends of the magnet arrangements it uses air gaps to close the magnetic field lines. Furthermore, there is a restriction on the flow of the fluid in the region where the magnets are applied, which would produce large turbulences that would affect the efficiency of the applied magnetic field. The formation of turbulence is proportional to the increments of fouling in these regions, so that the more turbulent the ionic fluid is, the greater the fouling will be, and finally, the smaller the effect of applying the magnetic field will be.

[011] Por outro lado, a presente invenção se diferencia por usar um arranjo não convencional de imãs, na forma Halbach mas oferecendo um campo magnético quadrupolar dentro da região de escoamento do fluido. Este tipo de configuração de campo magnético não foi observado no estado da técnica. Outra vantagem da presente invenção é que, este tipo de aplicação produz uma intensidade de campo magnético radial ou uniforme ao longo das paredes do tubo interno onde escoa o fluido, otimizando desta forma a inibição de incrustações de elementos inorgânicos como carbonatos de cálcio e possivelmente de elementos orgânicos. A presente invenção não oferece restrições ante o passo do fluido, desta forma esta aplicação amplificará a eficiência de mitigar incrustações.[011] On the other hand, the present invention differs by using an unconventional arrangement of magnets, in the Halbach form but offering a quadrupole magnetic field within the fluid flow region. This type of magnetic field configuration has not been observed in the prior art. Another advantage of the present invention is that this type of application produces a radial or uniform magnetic field intensity along the walls of the internal tube where the fluid flows, thus optimizing the inhibition of incrustations of inorganic elements such as calcium carbonates and possibly organic elements. The present invention does not offer restrictions on the fluid flow, so this application will increase the efficiency of mitigating scale.

[012] Por sua vez, o artigo científico Martins et. al (2020), intitulado “Offshore Field Experience with NonChemical Oilfield Scale Prevention/Remediation Strategies in Brazil” faz parte do estado geral da técnica e discursa sobre estratégias brasileiras de remediação/mitigação de incrustações salinas em poços na indústria de petróleo. Foi testado dispositivos eletromagnéticos e de ímã permanente em diferentes aplicações onshore e offshore, incluindo subs magnéticos de fundo de poço instalados em uma coluna de tubulação, dispositivos eletromagnéticos/magnéticos de superfície na produção e instalações de separação de água e uma remediação química assistida por ultrassom de um hidrociclônico offshore separador.[012] In turn, the scientific article Martins et. al (2020), entitled “Offshore Field Experience with NonChemical Oilfield Scale Prevention/Remediation Strategies in Brazil” is part of the general state of the art and discusses Brazilian strategies for remediation/mitigation of saline scale in wells in the oil industry. Electromagnetic and permanent magnet devices have been tested in different onshore and offshore applications, including downhole magnetic subs installed in a tubing string, surface electromagnetic/magnetic devices in production and water separation facilities, and an ultrasound-assisted chemical remediation of an offshore hydrocyclonic separator.

[013] Já o documento US7137449B2 protege uma ferramenta que oferece um campo magnético tipo anular de oito polos especificamente para remover dendritos metálicos. O referido documento não explica seu uso para mitigar incrustações de sais inorgânicos de elementos não metálicos como os carbonatos e sulfatos de cálcio, bário, etc. Ao realizar uma simulação deste tipo de arranjo magnético em escala e com diâmetro interno similar ao diâmetro interno da presente invenção, a intensidade de campo magnético próximo as paredes internas do arranjo variou entre 0.21 - 0.37 T, ou seja, metade do valor de intensidade de campo magnético da presente invenção, que compreende um campo quadrupolar (quatro polos). Após 1 cm afastado desde a parede em direção ao centro do escoamento do fluido, o campo magnético caiu para 0.15 T. Estes valores são praticamente insignificantes para aplicação de mitigação de incrustações de materiais inorgânicos, dessa forma. Entende-se que a ferramenta do referido documento é usada só como ferramenta de captura de dendritos metálicos e não para mitigar possíveis incrustações como carbonatos de cálcio e similares. Além disso, o campo anular deste referido documento não é uniforme ao longo do raio.[013] Document US7137449B2 protects a tool that offers an eight-pole annular magnetic field specifically for removing metallic dendrites. The aforementioned document does not explain its use to mitigate scale of inorganic salts of non-metallic elements such as carbonates and sulfates of calcium, barium, etc. When carrying out a simulation of this type of magnetic array on a scale and with an internal diameter similar to the internal diameter of the present invention, the magnetic field intensity near the internal walls of the arrangement varied between 0.21 - 0.37 T, that is, half the intensity value of magnetic field of the present invention, which comprises a quadrupole field (four poles). After 1 cm away from the wall towards the center of the fluid flow, the magnetic field dropped to 0.15 T. These values are practically insignificant for the application of scale mitigation of inorganic materials, in this way. It is understood that the tool in the aforementioned document is only used as a tool to capture metallic dendrites and not to mitigate possible encrustations such as calcium carbonates and similar. Furthermore, the annular field of this document is not uniform along the radius.

[014] O documento JP4646054B2 faz parte do estado geral da técnica e usa um dispositivo complexo para produzir uma corrente AC ao redor de bobinas que são enroladas acima dos tubos onde fluem os líquidos a serem tratados. O dispositivo complexo usa ímãs permanentes, mas estes não formam parte do tratamento dos fluidos e sim para intensificar a corrente AC produzida.[014] Document JP4646054B2 is part of the general prior art and uses a complex device to produce an AC current around coils that are wound above the tubes where the liquids to be treated flow. The complex device uses permanent magnets, but these are not part of the fluid treatment but rather to intensify the AC current produced.

[015] Além disso, o dispositivo complexo está localizado fora da tubulação onde flui os líquidos a ser tratados. Dessa forma, o tratamento dos fluidos é devido a interação dum campo eletromagnético oscilante (AC) produzido pelas bobinas enroladas perifericamente aos tubos onde internamente escoam os fluidos. O uso de bobinas refrigeradas e a altas correntes AC, produz campos eletromagnéticos intensos, da qual seus efeitos são bem eficientes para mitigar incrustações, assim como suas forças magnéticas podem alterar a dinâmica dos íons fluindo dentro dos tubos.[015] Furthermore, the complex device is located outside the pipe where the liquids to be treated flow. In this way, the treatment of fluids is due to the interaction of an oscillating electromagnetic field (AC) produced by the coils wound peripherally to the tubes where the fluids flow internally. The use of refrigerated coils and high AC currents produces intense electromagnetic fields, whose effects are very efficient in mitigating scale, as well as their magnetic forces can alter the dynamics of the ions flowing inside the tubes.

[016] No entanto, o uso desta tecnologia para aplicação em poços de hidrocarbonetos não é viável, principalmente devido aos riscos que as altas correntes AC podem produzir nos poços. Uma falha ou curto elétrico do dispositivo dentro do poço pode produzir grandes explosões. Portanto, o problema técnico e o campo técnico deste referido documento se difere da presente invenção que só usa ímãs para poder inibir as incrustações. A presente invenção não produz riscos nenhum para o tratamento dos fluidos.[016] However, the use of this technology for application in hydrocarbon wells is not viable, mainly due to the risks that high AC currents can produce in wells. A failure or electrical short of the device inside the well can produce large explosions. Therefore, the technical problem and the technical field of this document differ from the present invention, which only uses magnets to inhibit encrustation. The present invention does not produce any risks for the treatment of fluids.

[017] Por fim, o documento PI9702495-3 aborda aperfeiçoamentos introduzidos em um dispositivo magneto- hidrodinâmico anti-incrustante para tubulações de transporte de fluidos. Tendo como principal função evitar o tártaro de ferro nas tubulações de águas de usinas de energia. Fazendo- se uma simulação do arranjo magnético proposto neste referido documento, e baseado nas dimensões segundo escala por este referido documento, percebe-se a produção de um campo magnético radial intermitente, variando sua intensidade de campo magnético próximo as paredes do tubo interno em 0.10 T até 0.195 T e após 1 cm de afastamento da parede interna (em direção para o centro) a intensidade de campo cai para 0.016 T.[017] Finally, document PI9702495-3 addresses improvements introduced in a magnetohydrodynamic antifouling device for fluid transport pipelines. Its main function is to prevent iron tartar in the water pipes of power plants. Carrying out a simulation of the magnetic arrangement proposed in this document, and based on the dimensions according to the scale in this document, it is possible to notice the production of an intermittent radial magnetic field, varying its magnetic field intensity close to the walls of the internal tube by 0.10 T up to 0.195 T and after 1 cm away from the inner wall (towards the center) the field intensity drops to 0.016 T.

[018] Dessa forma, esta configuração de campo magnético não pode ser aplicável para mitigar incrustações de carbonatos e sulfatos de cálcio, bário, etc; das quais são requeridas intensidades de campo superiores a 0.5 T. Comparado com a presente invenção, destaca-se o fato de ser utilizado no dispositivo aqui proposto dezesseis (16) ímãs permanentes com momentos magnéticos diferenciados, todos ortogonalmente ao escoamento do fluido para formar um campo magnético radial uniforme dentro da região de escoamento do fluido, e sem necessidade dos ímãs ficarem restringindo o passo do fluido.[018] Therefore, this magnetic field configuration cannot be applicable to mitigate scale of carbonates and sulfates of calcium, barium, etc.; of which field intensities greater than 0.5 T are required. Compared to the present invention, it stands out the fact that sixteen (16) permanent magnets with differentiated magnetic moments are used in the device proposed here, all orthogonal to the fluid flow to form a uniform radial magnetic field within the fluid flow region, and without the need for magnets to restrict the flow of the fluid.

Brief description of the invention

[019] A presente invenção se refere a um dispositivo com arranjos magnéticos diametrais do tipo zig-zag (alternado) para instalações em SUBs magnéticos, visando a remediação e mitigação de incrustações inorgânicas e orgânicas em colunas de produção.[019] The present invention refers to a device with diametrical magnetic arrangements of the zig-zag type (alternating) for installations in magnetic SUBs, aiming at the remediation and mitigation of inorganic and organic fouling in production columns.

[020] O dispositivo magnético proposto atende a critérios específicos baseados no modelo magnéto- hidrodinâmico (MHD). Após a aplicação do referido dispositivo com o campo magnético proposto observou-se experimentalmente por meio de ensaios em laboratório uma eficiência de inibição de incrustação, obtido pelos valores das massas incrustadas nas paredes do sistema de bancada experimental do laboratório, com respeito à aplicação sem campo magnético.[020] The proposed magnetic device meets specific criteria based on the magneto-hydrodynamic (MHD) model. After applying the aforementioned device with the proposed magnetic field, an efficiency of fouling inhibition was experimentally observed through laboratory tests, obtained by the values of the masses embedded in the walls of the laboratory's experimental bench system, with respect to the application without field. magnetic.

[021] O dispositivo aqui descrito pode ser instalado em qualquer tubulação utilizada para o transporte de fluidos, incluindo preferencialmente tubulações submarinas de poços de petróleo. Estes fluidos podem ser óleos, lubrificantes, gases, vapores, água, petróleo ou líquidos em geral.[021] The device described here can be installed in any pipeline used to transport fluids, including preferably underwater pipelines from oil wells. These fluids can be oils, lubricants, gases, vapors, water, petroleum or liquids in general.

Brief description of the figures

[022] De forma a complementar a presente descrição e obter uma melhor compreensão das características da presente invenção, e de acordo com uma concretização preferencial da mesma, em anexo, é apresentado um conjunto de figuras, onde de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representa sua concretização preferencial.[022] In order to complement the present description and obtain a better understanding of the characteristics of the present invention, and in accordance with a preferred embodiment thereof, in annex, a set of figures is presented, where in an exemplified, although not limiting, manner, represents your preferred embodiment.

[023] Na figura 1 está representada a vista explodida do dispositivo com destaque para o fato dele compreender pelo menos cinco arranjos magnéticos de imãs permanentes, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[023] Figure 1 shows an exploded view of the device, highlighting the fact that it comprises at least five magnetic arrangements of permanent magnets, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

[024] Na figura 2 está representado um gráfico da intensidade do campo magnético produzido no anular de cada arranjo de ímãs aplicados (um próximo a parede do tubo interno em R = 55 mm e outro após 2 cm afastado das paredes em R = 35 mm), de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[024] Figure 2 shows a graph of the intensity of the magnetic field produced in the annulus of each arrangement of applied magnets (one close to the wall of the internal tube at R = 55 mm and the other 2 cm away from the walls at R = 35 mm ), according to a preferred embodiment of the present invention.

[025] Na figura 3 está representado um gráfico comparativo das simulações do tipo de geometria dos ímãs usados em cada arranjo, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[025] Figure 3 shows a comparative graph of simulations of the type of geometry of the magnets used in each arrangement, according to a preferred embodiment of the present invention.

[026] Na figura 4 está representada uma proposta de conjunto de ímãs com uma nova configuração de campo magnético radial, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[026] Figure 4 shows a proposed set of magnets with a new radial magnetic field configuration, according to a preferred embodiment of the present invention.

[027] Na figura 5 está representado um conjunto de ímãs comumente e convencionalmente usado, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[027] Figure 5 shows a commonly and conventionally used set of magnets, according to a preferred embodiment of the present invention.

[028] Na figura 6 está representado um gráfico comparativo entre a configuração de campo magnético linear dipolar (proposta de campo magnético linear otimizado) versus campo magnético quadrupolar (proposto na presente invenção), de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[028] Figure 6 shows a comparative graph between the dipolar linear magnetic field configuration (optimized linear magnetic field proposal) versus the quadrupole magnetic field (proposed in the present invention), according to a preferred embodiment of the present invention.

[029] Na figura 7 está representado um gráfico comparativo da intensidade de campo magnético ao longo do escoamento do fluido para o arranjo magnético de campo dipolar otimizado, o campo magnético de um SUB comercial comumente usados e o arranjo de campo magnético radial quadrupolar conforme a presente invenção, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[029] Figure 7 shows a comparative graph of the magnetic field intensity throughout the fluid flow for the optimized dipolar magnetic field arrangement, the magnetic field of a commonly used commercial SUB and the quadrupole radial magnetic field arrangement according to present invention, according to a preferred embodiment of the present invention.

[030] Na figura 8 está representado um gráfico do gradiente de campo magnético, atingindo valores constantes de até 15 T/m em cada arranjo anular, e ao longo do escoamento do fluido alcançando valores de até 80 T/m, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[030] Figure 8 shows a graph of the magnetic field gradient, reaching constant values of up to 15 T/m in each annular arrangement, and throughout the fluid flow reaching values of up to 80 T/m, according to a preferred embodiment of the present invention.

[031] Na figura 9 está representado um gráfico do tempo de incrustação do arranjo magnético proposto na presente invenção (Campo radial) em relação à configuração de campo dipolar otimizado (Campo Linear), de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[031] Figure 9 shows a graph of the fouling time of the magnetic arrangement proposed in the present invention (Radial Field) in relation to the optimized dipolar field configuration (Linear Field), according to a preferred embodiment of the present invention.

[032] Na figura 10 está representada uma caracterização realizada por Difração de Raio-X (DRX) da composição do material incrustado nas paredes dos tubos do sistema experimental de incrustações, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.[032] Figure 10 shows a characterization carried out by X-ray Diffraction (XRD) of the composition of the material embedded in the walls of the tubes of the experimental fouling system, according to a preferred embodiment of the present invention.

Detailed description of the invention

[033] A presente invenção se refere a um dispositivo com arranjos magnéticos diametrais do tipo zig-zag (alternado) usado para instalações em SUBs magnéticos, visando a remediação e/ou mitigação de incrustações inorgânicas e orgânicas em colunas de produção de petróleo. O dispositivo magnético proposto atende a diversos critérios específicos baseados no modelo magneto-hidrodinâmico (MHD), que é o modelo teórico que estuda as interações entre fluidos (e também gases) condutores (fluidos iônicos e/ou salinos) e campos magnéticos.[033] The present invention refers to a device with diametrical magnetic arrangements of the zig-zag type (alternating) used for installations in magnetic SUBs, aiming at the remediation and/or mitigation of inorganic and organic fouling in oil production columns. The proposed magnetic device meets several specific criteria based on the magnetohydrodynamic model (MHD), which is the theoretical model that studies the interactions between conducting fluids (and also gases) (ionic and/or saline fluids) and magnetic fields.

[034] De acordo com o mostrado na figura 1, que representa uma visualização em perspectiva do dispositivo da presente invenção, nota-se que o mesmo compreende ímãs permanentes (1) distribuídos na forma de anel, formando um tipo de arranjo magnético cilíndrico na forma Halbach, junto com as placas separadoras de imãs (2), preferencialmente fabricadas em aço da classe das superligas e/ou ligas especiais de níquel. Os imãs são distribuídos na forma de anel, formando um tipo de arranjo magnético cilíndrico na forma Halbach, diferente ao convencionalmente usado (figuras 4 e 5).[034] According to what is shown in figure 1, which represents a perspective view of the device of the present invention, it is noted that it comprises permanent magnets (1) distributed in the form of a ring, forming a type of cylindrical magnetic arrangement in the form Halbach, together with the magnet separator plates (2), preferably made of superalloy class steel and/or special nickel alloys. The magnets are distributed in the shape of a ring, forming a type of cylindrical magnetic arrangement in the Halbach shape, different from that conventionally used (figures 4 and 5).

[035] Ainda, é importante destacar que o dispositivo da presente invenção utiliza preferencialmente ímãs de neodímio (NdFeB) de maior grau como o N48SH (ou grau maior) da qual oferece alta eficiência de trabalho em altas temperaturas, ou outro grau ou material de ímãs com propriedades físicas e mecânicas similares. Estes ímãs oferecem grande energia magnética a altas temperaturas de trabalho (maior que 100 °C), especialmente para aplicação nas condições extremas dos poços do pré-sal.[035] Furthermore, it is important to highlight that the device of the present invention preferably uses neodymium magnets (NdFeB) of a higher grade such as N48SH (or higher grade) which offers high work efficiency at high temperatures, or another grade or material of magnets with similar physical and mechanical properties. These magnets offer great magnetic energy at high working temperatures (greater than 100 °C), especially for application in the extreme conditions of pre-salt wells.

[036] A função das placas separadoras de ímãs (2) em cada arranjo magnético é servir de suporte para evitar o esmagamento dos ímãs, isto por conta do diferencial de pressão no poço de petróleo, assim como evitar desmagnetização entre os ímãs de orientações diferentes. Cada arranjo magnético consiste em 16 (dezesseis) imãs permanentes, de geometria especial de seção cilíndrica, por cada arranjo, dos quais formam junto com as placas separadoras um cilindro com Φext e Φint de 17.9 cm e 11.6 cm, respectivamente e comprimento (L) de 7 cm. O dispositivo da presente invenção usa pelo menos 5 (cinco) arranjos de ímãs permanentes (1).[036] The function of the magnet separator plates (2) in each magnetic arrangement is to serve as support to avoid crushing the magnets, due to the pressure differential in the oil well, as well as to avoid demagnetization between magnets of different orientations . Each magnetic arrangement consists of 16 (sixteen) permanent magnets, with a special geometry of cylindrical section, for each arrangement, which together with the separating plates form a cylinder with Φext and Φint of 17.9 cm and 11.6 cm, respectively and length (L) 7 cm. The device of the present invention uses at least 5 (five) permanent magnet arrangements (1).

[037] O dispositivo compreende adicionalmente placas separadoras dos arranjos magnéticos (3) com formato do tipo anel, que podem ser preferencialmente fabricadas em aço superduplex (SD), com pelo menos 2 mm de espessura. As placas separadoras dos arranjos magnéticos (3) estão localizadas e suportadas no entorno da placa de suporte (4) e servem de apoio para fixar as pelo menos dezesseis (16) placas separadoras dos arranjos magnéticos (3), formando um disco de 2 mm de espessura com diâmetro externo e diâmetro interno de 17.9 cm e 11.6 cm, respectivamente.[037] The device additionally comprises magnetic array separator plates (3) with a ring-type format, which can preferably be manufactured from superduplex steel (SD), at least 2 mm thick. The magnetic array separator plates (3) are located and supported around the support plate (4) and serve as a support to fix the at least sixteen (16) magnetic array separator plates (3), forming a 2 mm disc thick with an outer diameter and inner diameter of 17.9 cm and 11.6 cm, respectively.

[038] As placas de suporte (4), assim como as placas separadoras de imãs (2), podem ser preferencialmente fabricadas em aço da classe das superligas e/ou ligas especiais de níquel. A função das placas de suporte (4) é separar cada arranjo magnético, como também fechar as linhas de campo magnético que são produzidas entre cada arranjo, isto é importante, já que permite incrementar a intensidade do campo magnético ao longo do fluxo do fluido (atingindo até 1.25 T próximo à parede interna do cilindro formado pelo conjunto magnético).[038] The support plates (4), as well as the magnet separator plates (2), can preferably be manufactured from superalloy class steel and/or special nickel alloys. The function of the support plates (4) is to separate each magnetic arrangement, as well as to close the magnetic field lines that are produced between each arrangement, this is important, as it allows the intensity of the magnetic field to be increased throughout the fluid flow ( reaching up to 1.25 T near the inner wall of the cylinder formed by the magnetic assembly).

[039] Foram realizadas diversas simulações computacionais para projetar arranjos de ímãs com maior eficiência, ou seja, com maior intensidade de campo magnético e maior uniformidade no anular do tubo interno onde escoaria um fluido iônico. A partir deste resultado se propõe um arranjo de 16 (dezesseis) ímãs, o resultado é mostrado na Figura 2, onde é mostrado a intensidade do campo magnético produzido no anular de cada arranjo de ímãs aplicados (um próximo a parede do tubo interno em R = 55 mm e outro após 2 cm afastado das paredes em R = 35 mm).[039] Several computer simulations were carried out to design magnet arrangements with greater efficiency, that is, with greater magnetic field intensity and greater uniformity in the annulus of the internal tube where an ionic fluid would flow. Based on this result, an arrangement of 16 (sixteen) magnets is proposed, the result is shown in Figure 2, where the intensity of the magnetic field produced in the annulus of each arrangement of magnets applied is shown (one close to the wall of the internal tube in R = 55 mm and another 2 cm away from the walls at R = 35 mm).

[040] Pela análise da figura 2, percebe-se que o dispositivo juntamente com seu arranjo magnético produz um campo magnético quadrupolar de intensidade de campo magnético uniforme próximo as paredes internas do dispositivo. A intensidade deste campo magnético é oscilante ao longo do escoamento do fluido. A oscilação é produzida por câmbios na direção das linhas de campo que vão girando 90° em cada arranjo com relação ao seu próximo.[040] By analyzing figure 2, it can be seen that the device together with its magnetic arrangement produces a quadrupole magnetic field of uniform magnetic field intensity close to the internal walls of the device. The intensity of this magnetic field fluctuates throughout the fluid flow. The oscillation is produced by changes in the direction of the field lines that rotate 90° in each arrangement in relation to the next one.

[041] Também foram realizadas simulações comparando o tipo de geometria dos ímãs usados em cada arranjo. O resultado é mostrado na Figura 3, onde se compara a intensidade de campo magnético de um arranjo de ímãs retangulares versus o arranjo de ímãs proposto.[041] Simulations were also carried out comparing the type of geometry of the magnets used in each arrangement. The result is shown in Figure 3, where the magnetic field intensity of an array of rectangular magnets is compared versus the proposed array of magnets.

[042] Por meio de uma análise da figura 3 se confirma que o tipo de ímã retangular (geometria de ímãs tipicamente usado em muitas tecnologias) não oferece um maior confinamento magnético no seu interior anular. Sendo assim, se propõe o uso de ímãs com geometria especial do tipo seção cilíndrica, uma vez que este tipo de geometria incrementa a energia magnética oferecida no interior do conjunto magnético.[042] An analysis of figure 3 confirms that the type of rectangular magnet (magnet geometry typically used in many technologies) does not offer greater magnetic confinement within its annular interior. Therefore, it is proposed to use magnets with a special geometry of the cylindrical section type, since this type of geometry increases the magnetic energy offered inside the magnetic assembly.

[043] É importante destacar também que o dispositivo produz um maior confinamento de intensidade de campo magnético próximo as paredes dos tubos internos onde é produzido comumente a incrustação. É oferecido um maior ganho de intensidade de campo magnético radial do que os já presentes no estado da técnica. A Figura 6 mostra uma comparação entre a configuração de campo magnético dipolar (proposta de campo magnético linear otimizado) versus campo magnético quadrupolar (proposto na presente invenção).[043] It is also important to highlight that the device produces a greater confinement of magnetic field intensity close to the walls of the internal tubes where fouling is commonly produced. A greater gain in radial magnetic field intensity is offered than those already present in the prior art. Figure 6 shows a comparison between the dipolar magnetic field configuration (optimized linear magnetic field proposal) versus the quadrupole magnetic field (proposed in the present invention).

[044] Como é evidenciado na Figura 7, onde se compara a intensidade de campo magnético ao longo do escoamento do fluido para um sistema de campo dipolar otimizado e o campo magnético de um SUB comercial, nota-se que o conjunto de imãs quadrupolar foi o que produziu campos magnéticos maiores, portanto, uma alternativa mais interessante para a aplicação em questão.[044] As evidenced in Figure 7, where the magnetic field intensity is compared throughout the fluid flow for an optimized dipolar field system and the magnetic field of a commercial SUB, it is noted that the set of quadrupole magnets was which produced larger magnetic fields, therefore, a more interesting alternative for the application in question.

[045] O presente dispositivo também oferece maior gradiente de campo magnético, atingindo valores constantes de até 15 T/m em cada anular, como é mostrado na Figura 8 e ao longo do escoamento do fluido alcançando valores de até 80 T/m.[045] The present device also offers a greater magnetic field gradient, reaching constant values of up to 15 T/m in each annulus, as shown in Figure 8 and throughout the fluid flow reaching values of up to 80 T/m.

[046] Foi estudada a aplicabilidade da invenção para as configurações de poço do pré-sal tipo PACI 2 e PACI 2+1, ambas com a mesma dimensão de SUB requerido (campos magnéticos aplicados internamente nas tubulações). E também foi projetado e montado um sistema de bancada para realização de ensaios de incrustação a partir de sais de CaCl2 e NaHCO3. A partir deste sistema de bancada se observou a inibição de incrustação depois da aplicação da configuração de campo magnético anular proposto.[046] The applicability of the invention was studied for pre-salt well configurations type PACI 2 and PACI 2+1, both with the same required SUB dimension (magnetic fields applied internally in the pipes). A bench system was also designed and assembled to carry out fouling tests using CaCl2 and NaHCO3 salts. From this benchtop system, fouling inhibition was observed after applying the proposed annular magnetic field configuration.

[047] A Figura 9 mostra o tempo de incrustação do dispositivo com a configuração de campo magnético proposto (Campo radial) com relação à configuração de campo dipolar otimizado (Campo Linear). Com isto, se confirma um maior tempo de ensaio antes de atingir a incrustação quando é usado este tipo de aplicação do que ao usar um campo magnético linear. Pode-se entender também que ao usar este conjunto de ímãs, existirá uma maior inibição de incrustação do que os já usado em SUBs comerciais.[047] Figure 9 shows the fouling time of the device with the proposed magnetic field configuration (Radial Field) in relation to the optimized dipolar field configuration (Linear Field). This confirms a longer test time before reaching fouling when using this type of application than when using a linear magnetic field. It can also be understood that when using this set of magnets, there will be greater fouling inhibition than those already used in commercial SUBs.

[048] A Figura 10 mostra uma caracterização da composição do material incrustado nas paredes dos tubos do sistema experimental de incrustações. É evidenciado a eficiência desta aplicação ao produzir fases cristalinas de Vaterita (carbonato de cálcio mais solúveis e menos incrustantes) do que Calcita (carbonato de cálcio menos solúveis e difícil de desincrustar) do que ao usar campo magnético dipolar otimizado (campo magnético linear).[048] Figure 10 shows a characterization of the composition of the material embedded in the walls of the tubes of the experimental fouling system. The efficiency of this application is demonstrated by producing crystalline phases of Vaterite (calcium carbonate that is more soluble and less fouling) than Calcite (calcium carbonate that is less soluble and difficult to descale) than when using an optimized dipolar magnetic field (linear magnetic field).

[049] Diante do exposto, percebeu-se que com o dispositivo magnético proposto nesta invenção ocorreu um maior tempo de produtividade (maior tempo de ensaio momentos antes de atingir a incrustação), isto em condições de fluidos turbulentos, do que usando campos magnéticos tradicionais (campo dipolar ou linear).[049] In view of the above, it was noticed that with the magnetic device proposed in this invention there was a longer productivity time (longer test time moments before reaching fouling), this in turbulent fluid conditions, than using traditional magnetic fields (dipolar or linear field).

[050] Um SUB magnético usando este conjunto (arranjo) magnético proposto oferece baixas turbulências, já que este conjunto magnético não produz obstruções ante o passo do fluido (garantindo fluidos com menor turbulência do que os já patenteados), desta forma, esta invenção garante maior desempenho ante a ação do campo magnético aplicado aos fluidos circundantes. O ganho no tempo de produção desta aplicação com respeito ao tipo de arranjo linear dipolar é de 20%.[050] A magnetic SUB using this proposed magnetic assembly (arrangement) offers low turbulence, as this magnetic assembly does not produce obstructions in the fluid flow (guaranteeing fluids with less turbulence than those already patented), in this way, this invention guarantees greater performance against the action of the magnetic field applied to the surrounding fluids. The gain in production time for this application with respect to the type of linear dipolar arrangement is 20%.

[051] Além disso, o dispositivo da presente invenção protege eficientemente a incrustação nas paredes dos tubos onde escoam os fluidos iônicos. Isto devido a seu grande confinamento de intensidade de campo magnético radial e alto gradiente de campo magnético ao longo da passagem do fluido. Ainda, nota-se que esta aplicação também oferece maior energia magnética próximo à parede dos tubos, da qual com isto se garante uma maior produção de fases cristalinas de vaterita do que calcita, inclusive maior do que uma aplicação de campo magnético tradicional otimizado.[051] Furthermore, the device of the present invention efficiently protects scale on the walls of the tubes where ionic fluids flow. This is due to its large confinement of radial magnetic field intensity and high magnetic field gradient along the fluid passage. Furthermore, it should be noted that this application also offers greater magnetic energy close to the tube wall, which guarantees a greater production of crystalline phases of vaterite than calcite, even greater than an application of an optimized traditional magnetic field.

[052] É importante destacar também que o dispositivo da presente invenção usa ímãs com momentos magnéticos diferenciados, mas sempre ortogonais ao fluxo do fluido, o que garante o princípio de ortogonalidade entre a velocidade do fluido e as linhas de campo magnético produzido pelo conjunto de ímãs. O princípio de ortogonalidade é importante para maximizar a mitigação de incrustação, sendo um dos critérios aderidos do modelo magneto hidrodinâmico (MHD).[052] It is also important to highlight that the device of the present invention uses magnets with different magnetic moments, but always orthogonal to the fluid flow, which guarantees the principle of orthogonality between the fluid velocity and the magnetic field lines produced by the set of magnets. The principle of orthogonality is important to maximize fouling mitigation, being one of the criteria adhered to in the magneto hydrodynamic (MHD) model.

[053] Os versados na técnica valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.[053] Those skilled in the art will value the knowledge presented here and will be able to reproduce the invention in the presented embodiments and in other variants, covered within the scope of the attached claims.

Claims

1. Device with magnetic arrays aimed at remediating and mitigating scale in production columns, characterized by comprising at least five diametrical zig-zag and/or alternating cylindrical magnetic arrays, where each cylindrical magnetic array preferably comprises 16 permanent magnets (1) , in which the permanent magnets (1) are distributed in the form of a ring and are separated by magnet separator plates (2), in order to avoid crushing the permanent magnets (1) and demagnetization between magnets of different orientations, in that each magnetic array is separated by magnetic array separator plates (3) with a ring-type format, in which the magnetic array separator plates (3) are located and supported around the support plate (4), in order to separate each magnetic array and close the magnetic field lines that are produced between each array.

2. Device, according to claim 1, characterized by the fact that it preferably comprises a cylindrical shape with an external diameter and internal diameter of 17.9 cm and 11.6 cm respectively, and a length (L) of 7 cm.

3. Device, according to claim 1 or 2, characterized by the fact that the permanent magnets (1) preferably comprise cylindrical section geometry.

4. Device, according to any one of claims 1 to 3, characterized by the fact that the magnetic moments of the permanent magnets (1) are differentiated and orthogonal to the fluid flow or orthogonal to the axial axis of the magnetic arrays.

5. Device, according to any one of claims 1 to 4, characterized by the fact that the permanent magnets (1) are preferably higher grade neodymium (NdFeB) magnets such as N48SH.

6. Device, according to any one of claims 1 to 5, characterized by the fact that the magnet separator plates (2) are preferably manufactured from superalloy class steel and/or special nickel alloys or some similar steel.

7. Device, according to any one of claims 1 to 6, characterized by the fact that the separator plates of the magnetic arrays (3) are preferably manufactured from superduplex steel (SD) at least 2 mm thick or some similar steel.

8. Device according to any one of claims 1 to 7, characterized by the fact that the support plates (4) are preferably manufactured from superalloy class steel and/or special nickel alloys or some similar steel.

9. Device according to any one of claims 1 to 8, characterized by the fact that each magnetic arrangement produces uniform radial magnetic field lines directed 90° in relation to the neighboring magnetic arrangement.

10. Device according to any one of claims 1 to 9, characterized by the fact that the encrustations are inorganic or organic, preferably calcium carbonate.

11. Device, according to any one of claims 1 to 10, characterized by the fact that it is installed in pipelines for transporting fluids, preferably underwater pipelines from oil wells.

12. Device, according to any one of claims 1 to 11, characterized by the fact that the fluids are oils, lubricants, gases, vapors, water, petroleum or liquids in general.