RU77176U1 - HYDRODYNAMIC ULTRASONIC DEPARAFFINIZER OF PUMP AND COMPRESSOR PIPES - Google Patents
HYDRODYNAMIC ULTRASONIC DEPARAFFINIZER OF PUMP AND COMPRESSOR PIPES Download PDFInfo
- Publication number
- RU77176U1 RU77176U1 RU2008105509/22U RU2008105509U RU77176U1 RU 77176 U1 RU77176 U1 RU 77176U1 RU 2008105509/22 U RU2008105509/22 U RU 2008105509/22U RU 2008105509 U RU2008105509 U RU 2008105509U RU 77176 U1 RU77176 U1 RU 77176U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vortex
- acoustic
- dewaxing
- tubing
- vortex tube
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газовые, газожидкостные смеси углеводородов в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена продуктов.The invention relates to acoustic (ultrasonic) methods for influencing liquid, gas, gas-liquid mixtures of hydrocarbons in mechanical-physical-chemical processes of heat and mass-energy exchange of products.
Предлагается устройство депарафинизации насосно-компрессорных труб состоящее из корпуса, выходной акустической камеры и стержня, причем корпус и стержень образуют вихревую трубу, содержащую тангенциальный вход продукта, отличающееся тем, что образующие вихревой трубы получаются из решения вариационной задачи максимальной интегральной энергии деформационно-сдвигового взаимодействия потока с поверхностью вихревой трубы с расположенными на корпусе и стержне элементами - завихрителями потока, причем выходной поток вихревой трубы поступает в выходную акустическую камеру, выполненную в виде концентратора акустической энергии.A device is proposed for dewaxing of tubing consisting of a housing, an output acoustic chamber and a rod, the housing and the rod forming a vortex tube containing a tangential inlet of the product, characterized in that the vortex tube generators are obtained from solving the variational problem of the maximum integral energy of the deformation-shear flow interaction with the surface of the vortex tube with elements located on the body and the rod - swirl flow, and the output stream of the vortex tube after upaet the output acoustic chamber made in the form of acoustic energy concentrator.
Description
Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газовые, газожидкостные смеси углеводородов в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена перемешивания, эмульгирования, диспергирования, термообработки и подобным им.The invention relates to acoustic (ultrasonic) methods for influencing liquid, gas, gas-liquid mixtures of hydrocarbons in mechanical-physical-chemical processes of heat and mass transfer of mixing, emulsification, dispersion, heat treatment and the like.
Уровень техникиState of the art
Разработка месторождений с высоким содержанием парафинов в нефти осложнена отложением последних на внутрискважинной поверхности подземного и наземного оборудования и труб. В настоящее время для борьбы с отложениями парафинов на стенках насосно-компрессорных труб (НКТ) применяют механические фрезы, ингибиторы, обработку горячими нефтепродуктами, электрообогрев скважины, использование НКТ с внутренней поверхностью с гидрофильными свойствами. Применяют другие методы борьбы с отложениями парафинов, основанные на применении постоянных магнитов, ультразвука, однако использование известных устройств на основе этих методов не эффективно из-за недостаточной мощности воздействия.The development of deposits with a high content of paraffins in oil is complicated by the deposition of the latter on the downhole surface of underground and ground equipment and pipes. Currently, to combat paraffin deposits on the walls of tubing (tubing), mechanical cutters, inhibitors, treatment with hot petroleum products, electric heating of the well, the use of tubing with an inner surface with hydrophilic properties are used. Other methods are used to combat paraffin deposits, based on the use of permanent magnets, ultrasound, however, the use of known devices based on these methods is not effective due to insufficient power exposure.
Известно, что временная, с последующим восстановлением первоначального состояния, деструкция молекул углеводородов гомологического ряда состава СnН2n+2 на более легкие молекулы наблюдается при плотности облучения до 10 Вт/см2, и безвозвратная деструкция при плотности более 10 Вт/см2 в течении нескольких часов. Ультразвук влияет на изменение вязкости продукта, разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул.It is known that temporary, with subsequent restoration of the initial state, destruction of hydrocarbon molecules of a homologous series of composition С n Н 2n + 2 to lighter molecules is observed at an irradiation density of up to 10 W / cm 2 and irrevocable destruction at a density of more than 10 W / cm 2 for several hours. Ultrasound affects the change in the viscosity of the product, breaks the continuous chain, breaking the bonds between the individual parts of the molecules.
Известны способы изменения физико-химических свойств потоков продуктов путем передачи жидкости энергии колебательных процессов различных гидродинамических ультразвуковых излучателей с пластинчатыми, стержневыми, мембранными резонансными колебательными устройствами, в вихревых, струйных и роторно-пульсационных кавитационных аппаратах (в дальнейшем кавитаторах), в которых гидродинамическая кавитация ведет к генерации акустических, в т.ч. и ультразвуковых колебаний [1]. Однако достигаемая плотность ультразвукового облучения с помощью этих аппаратов недостаточна для деструкции парафинов.Known methods for changing the physicochemical properties of product streams by transferring liquid energy from the oscillatory processes of various hydrodynamic ultrasonic emitters with plate, rod, membrane resonant oscillating devices, in vortex, jet and rotary pulsation cavitation devices (hereinafter cavitators), in which hydrodynamic cavitation conducts to the generation of acoustic, including and ultrasonic vibrations [1]. However, the achieved density of ultrasonic irradiation using these devices is insufficient for the destruction of paraffins.
Известен способ интенсификации химических реакций: патент РФ 2232629, 7 B01J 19/10, опубликован 20.07.04, в котором звуковую энергию - источник ионизации молекул продукта, вводят в жидкую среду в области контакта реагентов в реакционной камере, а звуковые преобразователи заданных частот и энергий расположены в потоке реагентов.A known method of intensifying chemical reactions: RF patent 2232629, 7 B01J 19/10, published on July 20, 04, in which sound energy is a source of ionization of product molecules is introduced into a liquid medium in the contact area of reactants in a reaction chamber, and sound transducers of given frequencies and energies located in the stream of reagents.
Известен способ ультразвукового воздействия на среду с целью диспергирования частиц парафина в нефти до устойчивого состояния, при котором эти частицы не налипают на стенки нефтепромышленного оборудования в процессах добычи и транспорта нефти - патент РФ 93036942, Е21В 43/25, опубликован 27.10.1996.A known method of ultrasonic treatment of a medium in order to disperse paraffin particles in oil to a stable state, in which these particles do not adhere to the walls of oil-processing equipment in oil production and transportation processes, is patented by RF 93036942, ЕВВ 43/25, published on 10.27.1996.
К недостаткам этих способов относится необходимость звуковых преобразователей с определенными частотными и мощностными характеристиками, а также, сложность технической реализации «озвучивания» промышленных объемов продукта.The disadvantages of these methods include the need for sound transducers with certain frequency and power characteristics, as well as the complexity of the technical implementation of the “scoring” of industrial volumes of the product.
Известны способы интенсификации тепломассоэнергообмена методом акустического резонансного возбуждения вихревых потоков взаимодействующих друг с другом. При этом вихревые потоки создаются с помощью тангенциально расположенных входных сопел. Наиболее близкий по технической сущности и достигнутому результату способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления (прототип) - патент РФ 2268772, 7 B01F 11/02, опубликован 27.01.2006 г.(а также аналогичные - РФ 2304261, 7 B01F 11/02, опубликован 10.08.2007, РФ 2310503, B01J 19/10, опубликован 20.11.2007), в котором кроме резонансного возбуждения конструкции устройства используется возбуждение кавитационного процесса (образование и всхлопывание пузырьков, приводящее к ультразвуковым колебаниям) методом соприкосновения двух или более вихревых потоков. Недостатком этих способов является сложность достижения высокой плотности облучения продукта в заданном частотном диапазоне при заданной производительности. Метод создания турбулентного потока соприкосновением вихрей достигается достаточно сложной механической конструкцией прибора с невозможной или сложной регулировкой величины соприкосновения вихрей, в результате чего большая часть энергии взаимодействия вихрей расходуется в начальной области соприкосновения потоков с быстрым убыванием вихревого процесса при равномерной геометрии области соприкосновения. Важным фактором эффективного озвучивания является частотная характеристика акустических волн. В устройствах на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей основной частотный диапазоном акустических колебаний находится в области шума, являющимся следствием всхлопывания пузырьков при кавитации. Этот частотный диапазон озвучивания является не управляемым, так как зависит от физических свойств самого продукта. Утверждение, что по мере продвижения Known methods of intensifying heat and mass energy by the method of acoustic resonant excitation of vortex flows interacting with each other. In this case, vortex flows are created using tangentially located inlet nozzles. The closest in technical essence and the achieved result method of heat and mass energy exchange and a device for its implementation (prototype) - RF patent 2268772, 7 B01F 11/02, published on 01/27/2006 (and similar - RF 2304261, 7 B01F 11/02, published 08/10/2007, RF 2310503, B01J 19/10, published 11/20/2007), in which, in addition to the resonant excitation of the device structure, the cavitation process is excited (the formation and collapse of bubbles, which leads to ultrasonic vibrations) by the method of contact of two or more vortex flows. The disadvantage of these methods is the difficulty of achieving a high radiation density of the product in a given frequency range at a given performance. The method of creating a turbulent flow by contact of the vortices is achieved by a rather complicated mechanical design of the device with impossible or complicated adjustment of the contact value of the vortices, as a result of which the majority of the interaction energy of the vortices is spent in the initial contact region of the flows with a rapid decrease in the vortex process with a uniform geometry of the contact area. An important factor in effective scoring is the frequency response of acoustic waves. In devices based on the creation of a turbulent flow by the contact of vortices, the main frequency range of acoustic vibrations is in the noise region, which is a consequence of the collapse of bubbles during cavitation. This frequency range of scoring is not controllable, since it depends on the physical properties of the product itself. Statement that as you move
вихря в вихревой камере и уменьшения его энергии уменьшается и частота генерируемых ультразвуковых колебаний неверно, так как известно, что частота кавитационной составляющей зависит только от физических параметров жидкости, поэтому по мере уменьшения кинетической энергии вихревого потока уменьшается и энергия ультразвуковых колебаний при сохранении частотного диапазона спектра (для воды 42-50 кГц). Это подтверждается прямыми измерениями спектра вибро-акустических колебаний устройства на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей (фиг.5) и осциллограммой гармоники с максимальной амплитудой (фиг.7, где несущая частота биений 46 кГц). Невозможность достижения высокой плотности облучения в заданных частотных диапазонах при заданной производительности приводит к ограничению возможности использования способа ультразвукового воздействия для эффективных тепломассооэнергообменных процессов при обработки нефти ультразвуковыми устройствами.the vortex in the vortex chamber and decrease its energy decreases and the frequency of the generated ultrasonic vibrations is incorrect, since it is known that the frequency of the cavitation component depends only on the physical parameters of the liquid, therefore, as the kinetic energy of the vortex flow decreases, the energy of ultrasonic vibrations decreases while maintaining the frequency range of the spectrum ( for water 42-50 kHz). This is confirmed by direct measurements of the spectrum of vibro-acoustic vibrations of the device based on the creation of a turbulent flow by the contact of vortices (Fig. 5) and a harmonic waveform with a maximum amplitude (Fig. 7, where the carrier frequency of the beats is 46 kHz). The inability to achieve a high radiation density in the given frequency ranges for a given performance leads to a limitation of the possibility of using the ultrasonic treatment method for effective heat and mass energy exchange processes in the processing of oil by ultrasonic devices.
Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа акустического воздействия на поток углеводородов (например нефти - смеси углеводородов) при котором осуществляется временное или безвозвратное изменение молекулярного состава углеводородов на более легкие молекулы за счет создания вихревого потока с максимальной энергией акустического резонансного возбуждения потока продуктов в заданном частотном диапазоне, что позволяет:The present invention is the creation of such a method of acoustic impact on the flow of hydrocarbons (for example, oil - a mixture of hydrocarbons) in which a temporary or irreversible change in the molecular composition of hydrocarbons to lighter molecules is achieved by creating a vortex stream with maximum energy of acoustic resonant excitation of the product stream in a given frequency range , What allow:
- создать достаточную для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения продукта за счет оптимального деформационно-сдвигового взаимодействия потока с поверхностью вихревых труб и, как следствие, возбуждением вынужденных вибро-акустических колебаний;- to create sufficient for the destruction of the duration and power of the resonant excitation of the product due to the optimal deformation-shear interaction of the flow with the surface of the vortex tubes and, as a result, the excitation of forced vibro-acoustic vibrations;
- создать турбулентные вихри и кавитационный процесс в вихревом потоке приводящий к акустической деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей;- create a turbulent vortex and cavitation process in a vortex flow leading to acoustic destruction of the dispersed-aggregate state of the product and the transformation of chemical bonds;
- использовать тепломассоэнергообменный процесс вихревого потока для проведения преобразований продукта;- use the heat and mass energy exchange process of the vortex flow to carry out product transformations;
- исключить необходимость проведения трудоемких и дорогостоящих работ по депарафинизации скважин;- eliminate the need for time-consuming and expensive work on dewaxing wells;
увеличить срок службы и эффективность работы оборудования;increase the service life and efficiency of the equipment;
достигается чистая поверхность ствола скважины и резервуаров;A clean borehole and reservoir surface is achieved;
- достичь стабильной работы скважины.- achieve stable well operation.
Поставленная задача решается с помощью погружного инструмента -гидродинамического ультразвукового депарафинизатора, используемого для предотвращения отложений на стенках труб парафинов, асфальтенов и смол при нефтедобыче. Устройство может быть установлено в скважине (фиг.6), состыковываясь с колонной НКТ с помощью резьбового соединения. Устройство работает на основе тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения одного или нескольких вихревых потоков создаваемых в вихревых трубах переменного сечения. В углеводородах нефти под воздействием ультразвука большой интенсивности «озвучивания» нарушаются связи в молекулах парафина, смол и других составляющих нефти, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава (изменение молекулярного веса, температуры кристаллизации и др.). Деструкция нефти происходит как в рабочих цилиндрах, так и в специальной камере озвучивания, в которую попадает нефть после рабочих цилиндров. Возбуждение кавитационных процессов осуществляется за счет конструкции рабочего цилиндра с завихрителями потока. Неустойчивые турбулентные течения центров вихрей взаимодействуют с расположенными в центрах рабочих цилиндров специальных центральных стержней с дополнительными завихрителями потоков, благодаря чему стержни вместе с корпусом находятся в резонансных колебаниях собственных частот. Положение центральных стержней настраивается из условия максимальной мощности виброакустических колебаний устройства.The problem is solved with the help of a submersible tool, a hydrodynamic ultrasonic dewaxing device, used to prevent deposits on the pipe walls of paraffins, asphaltenes and resins during oil production. The device can be installed in the well (Fig.6), docking with the tubing string using a threaded connection. The device operates on the basis of a heat and mass energy exchange process by the method of acoustic resonance excitation of one or more vortex flows created in vortex tubes of variable cross-section. In oil hydrocarbons, under the influence of high-intensity ultrasound, “voicing”, bonds in the molecules of paraffin, resins and other oil components are broken, as a result of which changes in the physicochemical composition (change in molecular weight, crystallization temperature, etc.) occur. The destruction of oil occurs both in the working cylinders, and in a special sounding chamber, into which oil enters after the working cylinders. Cavitation processes are excited by the construction of a working cylinder with flow swirls. Unstable turbulent flows of vortex centers interact with special central rods located in the centers of the working cylinders with additional flow swirls, due to which the rods together with the casing are in resonant oscillations of natural frequencies. The position of the central rods is adjusted from the condition of maximum power of vibro-acoustic vibrations of the device.
Основным фактором достижения максимальной мощности виброакустических колебаний в устройстве является достижение максимальных линейных скоростей вихревых потоков и создания в нем зон неустойчивой турбулентности. Для этого поперечное сечение вихревых труб делается переменным, так, что в зоне максимальных линейных скоростей потока помещены завихрители потока, которые воспринимают механические импульсы, вызывающие вибро-акустические колебания элементов устройства. Сопротивление стенок вихревых труб также учитывается при расчете переменного сечения при решении вариационной задачи расчета наилучшей геометрии рабочих цилиндров. Образующие центральных стержней рассчитываются в общей с цилиндрами задаче гидродинамики вихревых потоков. Центральные стержни находятся в зоне повышенной неустойчивости течений, усиливаемых завихрителями потока, расположенных в зонах максимальных линейных скоростей. Наиболее близкими изученными математическими моделями вихревых потоков в заявляемом устройстве является модель гидроциклона [2]. Известно, что в центре гидроциклона возникает газовый столб по причине разрыва сплошности потока жидкости из-за большой величины The main factor in achieving the maximum power of vibroacoustic vibrations in the device is to achieve maximum linear velocities of the vortex flows and create zones of unstable turbulence in it. To do this, the cross section of the vortex tubes is made variable, so that in the zone of maximum linear flow rates are placed flow swirls that perceive mechanical pulses that cause vibro-acoustic vibrations of the elements of the device. The resistance of the walls of the vortex tubes is also taken into account when calculating the variable cross section when solving the variational problem of calculating the best geometry of the working cylinders. The generators of the central rods are calculated in the general problem of hydrodynamics of vortex flows with cylinders. The central rods are located in the zone of increased instability of the flows, reinforced by flow swirls located in the zones of maximum linear velocities. The closest studied mathematical models of vortex flows in the inventive device is a hydrocyclone model [2]. It is known that in the center of a hydrocyclone a gas column arises due to a discontinuity in the continuity of the fluid flow due to the large value
центробежной силы вблизи оси гидроциклона и выделение газа из жидкости в результате интенсивного вихреобразования. Таким образом, центральные стержни от потока принимают сложные гидромеханические переменные импульсы и, вместе с этим, находятся в области гидроакустической кавитации. В результате все элементы вихревого реактора и, больше всего, стержни находятся в вынужденных колебаниях.centrifugal force near the axis of the hydrocyclone and gas evolution from the liquid as a result of intense vortex formation. Thus, the central rods from the flow receive complex hydromechanical variable impulses and, together with this, are in the field of hydroacoustic cavitation. As a result, all the elements of the vortex reactor and, most of all, the rods are in forced oscillations.
Подземное нефтепромысловое оборудование, в отличие от наземного, имеет существенное отличие в условиях решаемых задач связанное с большим давлением, относительно малым размером, небольшой производительностью. Временная или безвозвратная деструкция углеводородов нефти непосредственно в скважине с помощью эффективного кавитационного генератора решает проблему уменьшения или полное устранение парафиноотложений. При этом эффективно используется большое давление в скважине, достигающее сотен атмосфер, кавитационный процесс, деформационно-сдвиговые взаимодействия продукта и его акустическая обработка при таких давлениях приводят к деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей, что приводит к упрощению дальнейших технологий переработки углеводородного сырья.Underground oilfield equipment, unlike ground-based equipment, has a significant difference in the conditions of the tasks being solved, associated with high pressure, relatively small size, and small capacity. Temporary or irrevocable destruction of oil hydrocarbons directly in the well using an effective cavitation generator solves the problem of reducing or completely eliminating paraffin deposits. At the same time, a large pressure in the well is used, reaching hundreds of atmospheres, a cavitation process, shear-strain interactions of the product and its acoustic treatment at such pressures lead to the destruction of the dispersed-aggregate state of the product and the transformation of chemical bonds, which simplifies further processing technologies for hydrocarbon feedstocks .
Особенности изобретения будут дополнительно понятны из нижеследующего описания прилагаемых чертежей.Features of the invention will be further understood from the following description of the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Для описания изобретения прилагаются чертежи, на которых:To describe the invention are attached drawings, in which:
Фиг.1 - схема цилиндра вихревой трубы с центральным стержнем переменного сечения;Figure 1 - diagram of a cylinder of a vortex tube with a Central rod of variable cross-section;
Фиг.2 - чертеж депарафинизатора насосно-компрессорных труб без концентратора акустической энергии;Figure 2 is a drawing of a dewaxing tubing without an acoustic energy concentrator;
Фиг.3 - схема элемента потока вихря в вихревой трубе;Figure 3 is a diagram of a vortex flow element in a vortex tube;
Фиг.4 - частотная характеристика вихревого депарафинизатора;Figure 4 - frequency response of a vortex dewaxing device;
Фиг.5 - частотная характеристика устройства на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей;Figure 5 - frequency response of the device based on the creation of a turbulent flow by the contact of vortices;
Фиг.6 - схема расположения вихревого депарафинизатора в стволе скважины;6 is a diagram of the location of the vortex dewaxing in the wellbore;
Фиг.7 - осциллограмма вибро-акустических колебаний (биений) устройства на основе создания турбулентного потока соприкосновением вихрей.7 is an oscillogram of vibro-acoustic vibrations (beats) of the device based on the creation of a turbulent flow by the contact of vortices.
Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation
Интенсификация тепломассоэнергообмена в физико-химическом процессе превращений методом акустического резонансного возбуждения вихревых потоков осуществляется с помощью вихревых труб переменного сечения с завихрителями потока, расположенных в зонах максимальных скоростей. На чертеже фиг.1 показана схема одной из вихревых труб, образованной внешней поверхностью 2 и внутренней стержневой 3 с выходным отверстием 5. В трубе создается турбулентный каветирующий вихревой поток, подвергающийся деформационно-сдвиговым воздействиям при взаимодействии с поверхностью трубы на которой располагаются специальные турбулирующие поток конструктивы 1 - завихрители потока. Количество и расположение завихрителей может быть различное. Вихревой поток формируется с помощью тангенциально расположенного входного сопла 4, в которое продукт поступает под давлением от внешнего источника, например, насоса, компрессора. Количество входов может быть различным и их расположение может быть распределено как по длине трубы, так и в плоскости, перпендикулярной оси трубы. На фиг.2 приведен чертеж депарафинизатора с вихревой трубой 3, корпуса с резьбовым соединением 5, стержня 2 с завихрителями потока, крышки с тангенциальным вводом продукта 1, резонатора 4 с собственной частотой равной заданной.The intensification of heat and mass energy exchange in the physicochemical process of transformations by the method of acoustic resonant excitation of vortex flows is carried out using vortex tubes of variable cross-section with flow swirls located in the zones of maximum speeds. The drawing of figure 1 shows a diagram of one of the vortex tubes formed by the outer surface 2 and the inner rod 3 with the outlet 5. A turbulent cavitating vortex flow is created in the pipe, which is subjected to shear and deformation when interacting with the pipe surface on which special turbulent flow structures are located 1 - swirl flow. The number and arrangement of swirlers may be different. The vortex flow is formed using a tangentially located inlet nozzle 4, into which the product enters under pressure from an external source, for example, a pump, compressor. The number of inputs can be different and their location can be distributed both along the length of the pipe and in a plane perpendicular to the axis of the pipe. Figure 2 shows a drawing of a dewaxing device with a vortex tube 3, a housing with a threaded connection 5, a rod 2 with flow swirls, a cover with a tangential input of the product 1, a resonator 4 with a natural frequency equal to a given one.
Энергия вихревого потока, пропорциональная расходу потока Q, разности давлений на входе и выходе устройства Рвх-Рвых, расходуется на деформационно-сдвиговые воздействия, разрывов сплошности в потоке и создания кавитационного процесса а, также, на преодоление сил трения потока со стенками вихревой трубы. При этом стержень находится в зоне неустойчивости центра вихря и воспринимает сложные переменные гидромеханические импульсы кавитационного процесса, что приводит к вынужденным виброакустическим колебаниям как стержней, так и суммарно всего устройства. Энергия и спектр акустического поля озвучивания потока в ультразвуковом диапазоне складываются из колебательных процессов в самой жидкости за счет кавитации и акустической энергии за счет вибро-акустических колебаний конструктивов устройства. Приближенно можно представить энергию кольца вихря длиной Δz, тангенциальной скоростью Vτ=V(r2/r)n [2], внешним и внутренними радиусами кольца r2=r2(z), r1=r1(z), фиг.3, в видеThe energy of the vortex flow, which is proportional to the flow rate Q, the pressure difference at the input and output of the device P in- P out , is spent on shear and shear stresses, discontinuities in the flow and the creation of a cavitation process, and also on overcoming the friction forces of the flow with the walls of the vortex tube . In this case, the rod is in the instability zone of the vortex center and perceives complex variable hydromechanical pulses of the cavitation process, which leads to forced vibro-acoustic vibrations of both the rods and the total device. The energy and spectrum of the acoustic field of sound flow in the ultrasonic range are composed of oscillatory processes in the liquid itself due to cavitation and acoustic energy due to vibro-acoustic vibrations of the device’s components. It is approximately possible to imagine the energy of the vortex ring with a length Δz, the tangential velocity V τ = V (r 2 / r) n [2], the outer and inner radii of the ring r 2 = r 2 (z), r 1 = r 1 (z), FIG. .3 in the form
где V - тангенциальная скорость у внешней границы элемента вихря массой Δm=ρΔzrdφdr, ρ - удельный вес продукта, n<1 - коэффициент, учитывающий вязкость жидкости и корректирующий условие Vτr=const, получающееся из решения уравнения Стокса для вихря идеальной жидкости. Время продвижения продуктом пути Δz составит tz=π()Δz/Q, откуда длина траектории торможения внешних элементов кольца составит l2=tzV, внутренних l1=tzV(r2/r1)n • Кольцо испытывает торможение за счет трения о стенки вихревой трубы и соударения с конструктивом завихрителя потока, поэтому для построения приближенной математической модели гидродинамики турбулентного вихря удобно ввести эффективную площадь торможения за счет завихрителя STΔz=ST(z,η)Δz, определяющаяся расстановкой завихрителей и их эффективной площадью торможения, η - коэффициент вязкости жидкости. Тогда величина уменьшения энергии кольца Еk за время tz составит , если ST2Δz,ST1Δz - эффективные площади завихрителей потока, расположенных соответственно на внешней и внутренней поверхности вихревой трубы. С учетом последнего соотношения и (1) уравнение баланса энергии кольца примет видwhere V is the tangential velocity at the outer boundary of the vortex element with mass Δm = ρΔzrdφdr, ρ is the specific gravity of the product, n <1 is a coefficient taking into account the viscosity of the fluid and the correction condition V τ r = const, obtained from the solution of the Stokes equation for the vortex of an ideal fluid. The time the product moves along the path Δz will be t z = π ( ) Δz / Q, whence the length of the braking path of the external elements of the ring will be l 2 = t z V, internal l 1 = t z V (r 2 / r 1 ) n • The ring experiences braking due to friction against the walls of the vortex tube and collision with the structure a flow swirler; therefore, to construct an approximate mathematical model of the hydrodynamics of a turbulent vortex, it is convenient to introduce an effective drag area due to a swirler S T Δz = S T (z, η) Δz, which is determined by the arrangement of the swirlers and their effective drag area, η is the viscosity coefficient of the fluid. Then the magnitude of the decrease in the energy of the ring E k during time t z will be if S T2 Δz, S T1 Δz are the effective areas of the flow swirls located respectively on the outer and inner surfaces of the vortex tube. Taking into account the last relation and (1), the equation of energy balance of the ring takes the form
, (2) , (2)
где ΔV - величина изменения тангенциальной скорости. Коэффициент n=1 следует из решения уравнения гидродинамики для вихревого потока идеальной жидкости, при n<1 функция Vτ(r) следует из экспериментальных исследований гидродинамики вихревого потока в гидроциклоне и зависит от числа Рейнольдса, которое для предлагаемой модели R=2r2V(r2/r)n/v, v - коэффициент кинематической вязкости. По экспериментальным данным [2] для вязкой жидкости n≈0,6 и зависит от давления в вихревой трубе. Этот коэффициент уточняется в процессе проведения экспериментальных исследований. В уравнение (2) величины sT для идеальной жидкости соответствует высоте завихрителя потока и изменяется пропорционально коэффициенту вязкости жидкости η. Уравнение (2) можно преобразовать к виду f(r1,r2)Δz=ΔV/V2, решая следующее из этого соотношения дифференциальное уравнение для тангенциальной скорости внешней границы получается where ΔV is the magnitude of the change in tangential velocity. The coefficient n = 1 follows from the solution of the hydrodynamic equation for the vortex flow of an ideal fluid, for n <1 the function V τ (r) follows from experimental studies of the hydrodynamics of the vortex flow in a hydrocyclone and depends on the Reynolds number, which for the proposed model is R = 2r 2 V ( r 2 / r) n / v, v is the kinematic viscosity coefficient. According to experimental data [2] for a viscous fluid, n≈0.6 and depends on the pressure in the vortex tube. This coefficient is specified in the process of conducting experimental studies. In equation (2), the values of s T for an ideal fluid correspond to the height of the flow swirl and changes in proportion to the coefficient of fluid viscosity η. Equation (2) can be converted to the form f (r 1 , r 2 ) Δz = ΔV / V 2 , solving the differential equation following from this relation for the tangential velocity of the outer boundary, we obtain
где V0=Q/sc скорость на выходе тангенциально расположенного в точке z=0 входного сопла, Sc - площадь сечения сопла. Соотношение (3) получено из допущения преимущественной тангенциальной составляющей вектора скорости вихревого потока. В реальном установившемся потоке роль радиальной и осевой составляющих незначительная в начале потока и увеличивается по мере его продвижения в вихревой трубе при уменьшении r2-r1. В принятых допущениях выражение для тангенциальной скорости вихревого потока получается в видеwhere V 0 = Q / s c the speed at the exit of the input nozzle tangentially located at the point z = 0, S c is the nozzle cross-sectional area. Relation (3) is obtained from the assumption of the predominant tangential component of the vortex flow velocity vector. In a real steady flow, the role of the radial and axial components is insignificant at the beginning of the flow and increases as it moves in the vortex tube with a decrease in r 2 -r 1 . In the assumptions made, the expression for the tangential velocity of the vortex flow is obtained in the form
откуда образующие вихревой трубы r2(z), r1(z) можно получить из решения вариационной задачиwhence the generators of the vortex tube r 2 (z), r 1 (z) can be obtained from the solution of the variational problem
где L - длина вихревой трубы. Для более точной задачи можно вычислять критерий как интегральную величину скорости по линиям размещения вихреобразователей. Задача (5) решается численно при аппроксимации образующих r2, r1, кусочно-линейными функциями с помощью разработанной программы. Размещение вихреобразователей находится в процессе численного эксперимента.where L is the length of the vortex tube. For a more accurate problem, you can calculate the criterion as an integral value of the velocity along the lines of placement of the vortex generators. Problem (5) is solved numerically by approximating the generators r 2 , r 1 , piecewise-linear functions using the developed program. The placement of vortex generators is in the process of a numerical experiment.
Максимальная мощность ультразвуковых колебаний кавитационной и вынужденных вибро-акустических колебаний конструктивов устройства достигается в вихревой трубе с образующими, полученными при решении вариационной задачи (5). Регулирование частотного спектра может быть только за счет вибро-акустической составляющей. Спектр колебаний кавитационной составляющей зависит от физических параметров продукта. На фиг.4, где ордината пропорциональна амплитуде виброакустических колебаний, представлен частотный спектр устройства, вихревые трубы которого изготовлены с параметрами r2(0)=0,03 метра, Q=1,7 м3/час, Рвх-Рвых=4 атмосфер. На фиг.4, 5 ординаты нормированы максимальным значением спектральной составляющей. Диапазон 42-50 кГц соответствует спектру кавитационной составляющей для воды и не меняется в любом устройстве с гидродинамическим процессом. Больший интерес представляют колебания в диапазоне 20-25 килогерц, где наблюдаются The maximum power of ultrasonic vibrations of cavitation and forced vibro-acoustic vibrations of the device constructs is achieved in a vortex tube with generators obtained when solving the variational problem (5). Regulation of the frequency spectrum can only be due to the vibro-acoustic component. The oscillation spectrum of the cavitation component depends on the physical parameters of the product. Figure 4, where the ordinate is proportional to the amplitude of the vibro-acoustic vibrations, presents the frequency spectrum of the device, the vortex tubes of which are made with parameters r 2 (0) = 0.03 meters, Q = 1.7 m 3 / h, P I- P out = 4 atmospheres In figures 4, 5, the ordinates are normalized by the maximum value of the spectral component. The range of 42-50 kHz corresponds to the spectrum of the cavitation component for water and does not change in any device with a hydrodynamic process. Of great interest are oscillations in the range of 20-25 kilohertz, where
наибольшие физико-химические преобразования продукта. В подземном нефтепромысловом оборудовании возможно применение устройства как погружного инструмента депарафинизации НКТ, которое расположено непосредственно в скважине по схеме фиг.6, где насос 1 подает нефть в заявляемое устройство 2 и, далее, обработанная нефть по НКТ 3 подается на поверхность земли 4 и отводится наземным путем 5 в накопительные емкости. Успешное решение задачи депарафинизации НКТ с помощью заявляемого устройства с изменением физико-химических свойств парафинов в скважине решает проблему ликвидации отложений парафинов на стенках НКТ.greatest physical and chemical transformations of the product. In the underground oilfield equipment, it is possible to use the device as a submersible tubing dewaxing tool, which is located directly in the well according to the scheme of Fig. 6, where the pump 1 delivers oil to the inventive device 2 and, further, the processed oil through the tubing 3 is fed to the surface of the earth 4 and discharged by ground by 5 to the storage tanks. The successful solution of the problem of dewaxing tubing with the help of the inventive device with a change in the physicochemical properties of paraffins in the well solves the problem of eliminating paraffin deposits on the walls of the tubing.
В литературе до настоящего времени авторами не обнаружены описания устройств, вихревые трубы которых выполнены с образующими, полученными из решения вариационной задачи достижения максимальных вынужденных вибро-акустических колебаний в устройстве. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решение соответствует первому признаку изобретения - новизна. Исследования, проведенные авторами в поисках аналогов, экспериментов с аналогами вихревых устройств, промышленными испытаниями устройств интенсификации тепломассообменных процессов и прототипа, позволяют сделать заключение, что известные способы интенсификации тепломассообмена и устройства их осуществляющие не в полной мере могут обеспечить заданные мощность, частотный диапазон акустической обработки продукта. Так на фиг.5 представлена частотная характеристика вибро-акустических колебаний устройства, выполненного соприкосновения шести встречно направленных вихревых потоков (прототипа). Как видно преимущественным спектром является диапазон кавитационного шума 42-50 кГц, аналогичного устройствам с противоструйной схемой. На фиг.7 приведена осциллограмма вибро-акустических колебаний реального устройства выполненного по схеме встречно направленных вихревых потоков. Очевидно наблюдаются биения на частотах, близких к 46 кГц, поскольку, как видно из фиг.5, эта частота является преимущественной. В отличие от этого, как видно из фиг.4, заявляемое устройство имеет преимущественный энергетический спектр акустических колебаний в заданном диапазоне, технические решения, достигающие этот результат, не вытекают явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует второму признаку изобретения - изобретательский уровень. Изготовленные опытные образцы проходили испытания в пилотных проектах в качестве устройства депарафинизации НКТ путем акустического резонансного возбуждения вихревых потоков продукта при добыче нефти с устройством, расположенным по схеме, представленной на фиг.6. В течении длительного периода работы скважины парафиноотложений не In the literature, to date, the authors have not found descriptions of devices whose vortex tubes are made with generators obtained from solving the variational problem of achieving maximum forced vibro-acoustic vibrations in the device. This allows us to conclude that the claimed technical solution corresponds to the first feature of the invention is novelty. Studies conducted by the authors in search of analogues, experiments with analogues of vortex devices, industrial tests of heat and mass transfer process intensification devices and prototype, allow us to conclude that the known methods of heat and mass transfer intensification and their devices can not fully provide the specified power, frequency range of acoustic processing of the product . So figure 5 presents the frequency response of the vibro-acoustic vibrations of the device made by the contact of six counter-directed vortex flows (prototype). As you can see, the preferred spectrum is the range of cavitation noise 42-50 kHz, similar to devices with anti-jet circuit. Figure 7 shows the oscillogram of vibro-acoustic vibrations of a real device made according to the scheme of counter-directed vortex flows. Obviously, beats are observed at frequencies close to 46 kHz, since, as can be seen from figure 5, this frequency is predominant. In contrast to this, as can be seen from figure 4, the inventive device has a predominant energy spectrum of acoustic vibrations in a given range, the technical solutions that achieve this result do not follow explicitly from the prior art, therefore, the proposed technical solution corresponds to the second feature inventions - inventive step. The manufactured prototypes were tested in pilot projects as a tubing dewaxing device by acoustic resonant excitation of product vortex flows during oil production with the device located according to the scheme shown in Fig.6. For a long period of operation, paraffin deposits are not
наблюдалось, без устройства скважина подвергается механической прочистки фрезой с периодом 3-5 дней. Кроме этого, фракционный состав нефти изменился в сторону увеличения выхода светлых фракций. Тяжелые фракции асфальтены, селикагелевые смолы выделились в виде отдельных образований, отделяемых с помощью фильтра грубой очистки. Поэтому, заявляемое техническое решение соответствует третьему признаку изобретения - промышленная применимость.It was observed that without a device, the well is subjected to mechanical cleaning with a mill with a period of 3-5 days. In addition, the fractional composition of oil has changed in the direction of increasing the yield of light fractions. The heavy fractions are asphaltenes, silica gel resins separated out in the form of separate formations separated by a coarse filter. Therefore, the claimed technical solution corresponds to the third feature of the invention - industrial applicability.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет интенсифицировать тепломассоэнергообменный процесс, приводящий к депарафинизации НКТ, проводить деструкцию углеводородов при меньших энергетических и трудовых затратах.Thus, the use of the inventive device allows you to intensify the heat and mass energy exchange process leading to dewaxing of the tubing, to carry out the destruction of hydrocarbons at lower energy and labor costs.
Библиографические данныеBibliographic data
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд. М, 1957. 368 с.1. Bergman L. Ultrasound and its application in science and technology, trans. with it., 2nd ed. M, 1957.368 s.
2. Шестов Р.Н. Гидроциклоны. Л, "Машиностроение", 1966. 79 с.2. Shestov R.N. Hydrocyclones. L, "Mechanical Engineering", 1966. 79 pp.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008105509/22U RU77176U1 (en) | 2008-02-12 | 2008-02-12 | HYDRODYNAMIC ULTRASONIC DEPARAFFINIZER OF PUMP AND COMPRESSOR PIPES |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008105509/22U RU77176U1 (en) | 2008-02-12 | 2008-02-12 | HYDRODYNAMIC ULTRASONIC DEPARAFFINIZER OF PUMP AND COMPRESSOR PIPES |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU77176U1 true RU77176U1 (en) | 2008-10-20 |
Family
ID=40041458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008105509/22U RU77176U1 (en) | 2008-02-12 | 2008-02-12 | HYDRODYNAMIC ULTRASONIC DEPARAFFINIZER OF PUMP AND COMPRESSOR PIPES |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU77176U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2454527C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг" (ООО "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг") | Device for acoustical effect on productive formation |
| WO2013119138A1 (en) * | 2012-02-10 | 2013-08-15 | Норфолда Лимитед | Apparatus for breaking down oil in a well |
| RU2568612C1 (en) * | 2014-12-09 | 2015-11-20 | Алексей Владимирович Дербенев | Device for oil preparation for processing and its implementation |
-
2008
- 2008-02-12 RU RU2008105509/22U patent/RU77176U1/en active IP Right Revival
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2454527C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг" (ООО "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг") | Device for acoustical effect on productive formation |
| WO2013119138A1 (en) * | 2012-02-10 | 2013-08-15 | Норфолда Лимитед | Apparatus for breaking down oil in a well |
| RU2568612C1 (en) * | 2014-12-09 | 2015-11-20 | Алексей Владимирович Дербенев | Device for oil preparation for processing and its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Abramov et al. | Acoustic and sonochemical methods for altering the viscosity of oil during recovery and pipeline transportation | |
| US7767159B2 (en) | Continuous flow sonic reactor and method | |
| EP2429691A1 (en) | Multi-stage cavitation device | |
| US9932246B2 (en) | Pulse cavitation processor and method of using same | |
| RU2325959C2 (en) | Hydrodynamic generator of ultrasonic acoustic vibrations and method of its generating | |
| RU2295031C2 (en) | Method for performing electro-hydro-impulse processing in oil-gas wells and device for realization of said method | |
| TW201042137A (en) | A method and apparatus for cavitating a mixture of a fuel and an additive | |
| RU77176U1 (en) | HYDRODYNAMIC ULTRASONIC DEPARAFFINIZER OF PUMP AND COMPRESSOR PIPES | |
| RU2392046C2 (en) | Hydrocarbon destruction device and application thereof | |
| Mullakaev et al. | An ultrasonic technology for productivity restoration in low-flow boreholes | |
| US9752082B2 (en) | Treatment process and apparatus for reducing high viscosity in petroleum products, derivatives, and hydrocarbon emulsions, and the like | |
| Khmelev et al. | Method for calculation of optimum intensity of cavitation influence on viscous and fine-dispersed liquid media | |
| WO2014046560A1 (en) | Device for decolmatation of the critical area of exploitation and injection wells | |
| RU2285793C2 (en) | Well bottom zone treatment method, oil cracking method and device for above methods realization | |
| RU2371245C2 (en) | Reactor and cavitation device | |
| Kamyshatskyi et al. | On the issue concerning improvement of a mud preparation technology at the expense of hydrodynamic cavitation | |
| RU2047729C1 (en) | Method and device for treatment of the near-bottom bed area | |
| Yakymechko | EXPERIMENTAL RESEARCH OF HYDRODYNAMIC PULSATOR OPERATION AND ITS INFLUENCE ON OIL PARAMETERS | |
| RU2434674C1 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
| RU217875U1 (en) | DOWNHOLE HYDROMECHANICAL OSCILLATOR | |
| RU2574651C1 (en) | Downhole equipment for polyfrequency wave treatment of bottom-hole zone of productive formation and flowrate oscillations generator for that | |
| RU2371568C1 (en) | Downhole device for prevention of fallout of deposits from flow of mined oil-bearing products, method of its manufacturing and operation | |
| US11667547B2 (en) | Hybrid acoustic, centrifugal oil/water separation | |
| RU2713274C1 (en) | Well fluid treatment method and device for its implementation in whole and its part | |
| RU2785232C1 (en) | Device and method for hydrodynamic purification of surfaces of equipment, parts, and intervals in perforation in well |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20100213 |
|
| NF1K | Reinstatement of utility model |
Effective date: 20111127 |
|
| PC11 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20111213 |
|
| QB1K | Licence on use of utility model |
Free format text: LICENCE Effective date: 20131015 |
|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20160213 |
|
| NF1K | Reinstatement of utility model |
Effective date: 20170315 |