Традиционные методы теплового воздействия на призабойную зону скважины нагретым паром или горячей жидкостью далеко не всегда оказываются эффективными. Кроме того, их широкомасштабное применение может повлечь тяжелые экологические последствия в виде нарушений гидрогеологической обстановки. В то же время обработка продуктивных пластов и транспортируемого продукта сверхвысокочастотным электромагнитным излучением (СВЧ-излучением) способна оптимизировать реологические свойства нефти, снижая начальное напряжение сдвига и изменяя профиль зависимости реологических свойств нефти от температуры. Метод предусматривает возможность оптимального управления и автоматизации технологического процесса, а также практически исключает вредное воздействие на окружающую среду.

СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕ

Микроволновое или СВЧ-излучение – это электромагнитные волны длиной от одного миллиметра до одного метра. Проникая в материал, электромагнитная волна, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте. В зависимости от расположения зарядов молекулы диэлектрической среды могут быть полярными и неполярными. В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля.

При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент. Причем под действием внешнего поля происходит не только изменение величины электрического момента полярных молекул, но и поворот молекулы по направлению поля. В отличие от традиционных способов нагрева при проникновении излучения вглубь объекта преобразование СВЧ-энергии происходит не на поверхности, а в объеме, поэтому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева.

Источником микроволнового излучения служит высоковольтный вакуумный прибор – магнетрон (рис. 1), который представляет собой двухэлектродную электронную лампу, генерирующую СВЧ-излучение за счет движения электронов под действием взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Несколько объемных резонаторов симметрично размещены в магнетроне вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между полюсами сильного магнита. Испускаемые катодом электроны под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым траекториям. Их скорость такова, что в строго определенное время они пересекают открытые пазы резонаторов на периферии. При этом электроны отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в резонаторах. Затем электроны возвращаются на катод, и процесс повторяется. Создаваемые магнетроном микроволны поступают в полость печи по волноводу – каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Для изучения влияния СВЧ-излучения на реологические свойства нефти мы использовали следующие приборы и оборудование: установки для генерации СВЧ-излучения; циркуляционный термостат Julabo F12; ротационный вискозиметр Rheotest RV2; химические колб и пробирки.

Схема термостатирования пробы нефти представлена на рис. 2. В начале для поддержания требующейся температуры среды мы поместили измерительный цилиндр с исследуемой нефтью в термостатирующую баню и зафиксировали ее поворотом натяжного рычага влево. Затем при помощи шланговых наконечников баню подключили к жидкостному циркуляционному термостату.

Испытания мы начинали с высокой температуры среды, последовательно ее снижая. Отрегулировав наибольшую температуру, предусмотренную программой испытания, образцы нефти термостатировали в приборе в течение одного часа, после чего снимали показания прибора.

Для испытаний мы выбрали образец нефти, перекачиваемой по магистральному нефтепроводу «Уса – Ухта – Ярославль» (место отбора – НПС «Ухта-1») плотностью 840 кг/м³ и вязкостью 20 сСт. Общая зависимость напряжения сдвига образца нефти от температуры представлена на рис. 3.

В ходе выполнения эксперимента мы определили характеристики отобранных проб нефти и построили зависимости напряжения сдвига от температуры (рис. 3, 4).

ВЫВОДЫ ПО ИТОГАМ ИСПЫТАНИЙ

Как следует из приведенных графиков, в результате обработки СВЧ-излучением зависимость начального напряжения сдвига проб нефти от температуры меняется прямо пропорционально времени обработки. При этом максимальный эффект наблюдается не сразу после обработки нефти СВЧ-излучением, а по прошествии определенного времени.

Из постановочных экспериментов также следует, что обработка СВЧ-излучением обладает малым периодом релаксации. Помимо этого, видны тенденции к изменению общего напряжения сдвига в определенном интервале температур (8-11°С).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.lib.ua-ru.net/diss/cont/211163.html
2. Трубопроводный транспорт нефти/С.М. Вайншток, В.В. Новоселов, А.Д. Прохоров, А.М. Шаммазов [и др.] / Под ред. С.М. Вайнштока: Учеб. для вузов: В 2 т. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. Т. 2. 621 с.
3. Земенков Ю.Д. Справочник инженера по эксплуатации нефтегазопроводов и продуктопроводов. – М.: Инфра-Инженерия, 2006. 928 с.
4. http://www.nkj.ru/archive/articles/1677/
5. Ротационный вискозиметр Rheotest RV2 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://granat-e.ru/rheotest_rv21.html.
6. Решения температурного контроля для науки, исследований и промышленности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.julabo.de/Download/catalog/JULABO.