ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ

Трубопроводы – самый рациональный способ транспортировки различных веществ, в том числе нефти и газа. Однако, в холодное время года на стенках трубопроводов образуются твёрдые углеводородные  отложения – парафины, парафино- и газогидраты и т.д. [14]. Обычно для удаления отложений используют горячую воду или пар, химические и механические средства [4, 17].  Между тем, все эти методы сложные и  дорогие, более того,   загрязняют окружающую среду. Следовательно, требуется разработка других способов очистки трубопроводов – менее сложных, затратных и экологически безопасных.

Одним из таких способов может оказаться нагрев и расплавление отложений, иногда полностью закупоривающих нефтепровод, энергией электромагнитных (ЭМ) волн [4, 5, 12, 14]. Физическая основа данного метода заключается в создании объемных источников тепла в трубе  вследствие диэлектрических потерь в углеводородном отложении и  потерь за счёт конечной электропроводности металлов труб [1- 5, 11, 12, 24].  В последние годы данный способ наиболее интенсивно развивается в двух направлениях: объемный нагрев отложений  непосредственно в трубе [1-3, 5, 15, 16] и коаксиальной системе [6,7, 10 – 14, 18, 21, 23]. Проведены как теоретические, так экспериментальные (в том числе и промысловые) исследования [4, 5, 9, 12 -24], показывающие на принципиальную возможность и технологичность предложеннго метода. Тем не менее, остаются невыясненными и нерешенными такие вопросы: как передать ЭМ энергию в трубопровод и рационально её использовать, чтобы с наименьшими затратами расплавить пробку по всей её длине, удаление пробки происходило как можно интенсивнее, т.е. с наибольшей мощностью ЭМ волн, и в то же время не было электрических пробоев ЭМ волны как можно глубже проникали в пробку и грели по всей её длине. Интенсивнее всего преобразование ЭМ энергии в тепловую энергию происходит в диапазоне высокочастотных (ВЧ) волн. При такой частоте трубопровод представляет собой круглый волновод, у которого существуют ограничения на частоту, т.е. имеются критические частоты, ниже которой ЭМ волны не могут быть переданы [8].

Одним из выходов является многоволновый волновод, т.е. распространение более, чем одного типа волны. Это может произойти, если увеличить отношение размера поперечного сечения волновода к длине волны. Увеличение отношения позволяет значительно повысить электрическую прочность волновода и снизить потери  [6].

Наибольшие успехи в разработке и применении многоволновых волноводов достигнуты с использованием волны типа Н₀₁ в круглом волноводе [6]. Эта волна обладает аномально низким затуханием, неограниченно уменьшающимся с увеличением отношения  (λ – длина волны), причём при радиусе волновода R≈(3÷4)λ потери должны быть на несколько  порядков ниже, чем у обычных волноводов. Однако одновременно с волной типа Н₀₁ по подобному волноводу могут распространяться более сотни других типов волн. В результате этого часть энергии волны Н₀₁ может переходить в энергию других типов волн, имеющих значительно больший коэффициент затухания.

«Перекачка» энергии происходит особенно интенсивно при близости фазовых скоростей рабочей и паразитной волн. С этой точки зрения весьма нежелательной является волна типа Е₁₁, имеющей такую же критическую длину волны, как Н₀₁. В связи с этим в предлагаемой работе рассматривается распространение в трубопроводе волны типа Е₁₁, как при этом распределяются тепловые источники, происходит нагрев и расплавление парафиновой пробки.

Если нефтепровод имеет небольшой радиус, в нём могут распространяться ЭМ волны только очень большой частоты, которые из-за сильного поглощения ЭМ энергии средой быстро затухают. Поэтому нагрев среды происходит очень неравномерно. В одних точках может быть излишне сильный нагрев и, как следствие, большие потери тепла в окружающую нефтепровод среду. В других точках наоборот, может быть не достигнута температура плавления парафина. Вследствие этого разрушение пробки может быть только на небольшую глубину. Поэтому  перспективным методом представляется расплавление  пробки с помощью движущегося источника ВЧ ЭМ волн – «ЭМ крота». В этом способе источник ВЧ ЭМ излучения передвигается по мере расплавления среды и появления возможности перемещения. Разрушение диэлектрической пробки, каковой является парафин, получается более эффективным.

Постановка задачи. Основные уравнения. Полагается, что твёрдые отложения полностью закупорили трубопровод и решается уравнение теплопроводности [4, 13]

Скорость движения источника ЭМ волн v вдоль координаты z задавалась постоянной и подбиралась так, чтобы за источником не оставалось зон с нерасплавленным парафином (в расчётах использовалось значение v=1,44 м/час).

Анализ результатов вычислений. При проведении расчётных исследований использовались параметры высокопарафинистой нефти: ρ=950 кг/м³; =3 кДж/(кг·К); λ=0,125 Вт/(м·К); L=300 кДж/кг; κ=1,613 Вт/(м²·К); Nu=1 (труба в сухом грунте); κ₁=0,2 Вт/(м²·К); T₀=20 ⁰C; T_S=50 ⁰C; H=5 м; Р=6,5 кВт; f=1,6·10⁹ Гц; =2,3; tgδ==0,012; σ=3,4·10⁶ Ом^-1·м^-1. Задача решалась неявным методом переменных направлений с равномерной прямоугольной сеткой. Дельта-функция в выражении для теплопроводности аппроксимировалась ступенькой с полушириной равной 0,4 ⁰С.

Заключение. Рассмотрен процесс нагрева и плавления парафиновой пробки в круглом волноводе волной типа Е₁₁, который может распространяться в волноводе, как паразитный, при возбуждении в волноводе волны типа Н₀₁. Поверхность, разделяющая твёрдую и жидкую фазы, на рассмотренной частоте в поперечном сечении имеет форму двух холмов. Такая форма расплавленной зоны может привести к разрушению пробки в области холмов задолго до полного расплавления пробки. Если задаться целью, проделать в пробке отверстия по всей её длине, чтобы как можно скорее начать транспортировку нефти, а не расплавлять её по всему радиусу трубопровода, то этот тип волны может даже иметь преимущества перед другими типами волн, несмотря на очень сложную конфигурацию распределения тепловых источников и температуры.

Список литературы:

1. Абдуллина В.А., Фатыхов М.А. Особенности изменения источниковтепла в круглом волноводе, заполненном многофазной средой  //В мире научных открытий. 2010. №4 (10)  С. 145-147.

2. Абдуллина В.А., Фатыхов М.А. Расплавление твердых отложений в трубопроводах движущимся источником электромагнитного поля // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012. №6. С. 60-68. URL: . (дата обращения: 03.07.2014).
3. Абдуллина В.А., Фатыхов М.А. Электромагнитный способ плавления парафина в трубе // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.   № 7.  С. 25 – 28.
4. Балакирев В.А., Сотников Г.В., Ткач Г.В., Яценко Т.Ю. Разрушение асфальто-парафинистых отложений в нефтяных трубопроводах движущимся источником высокочастотного электромагнитного излучения //Журнал технической физики. 2001.  Т. 41.  Вып. 9. С.1 –
5. Кислицын А.А. Численное моделирование высокочастотного электромагнитного прогрева диэлектрической пробки, заполняющей трубу // Журнал прикладной механики и технической физики. 1996. Т. 37.  N С. 75 – 82.
6. Лебедев И.В. Техника и технология СВЧ. М.: Высшая школа, 1970.440 с.
7. Оборудование для добычи высоковязкой нефти из скважины: Патент №1448784. А.с. СССР.   / М.А.Фатыхов, Н.Ш Имашев., Ф.Л. Саяхов, И.С. Хакимов. Заявл. 07.01.85; опубл. Б.И. № 44. 1989.  7 с.
8. Семенов Н.А. Техническая электрординамика. М.:Связь, 1973. 480 с.
9. Саяхов, Ф.Л., Фатыхов М.А., Кузнецов О.Л. Исследование электромагнитно-акустического воздействия на распределение температуры в нефтеводонасыщенной горной породе // Изв. ВУЗов: Нефть и газ.   № 3. С. 36 – 43.

• Способ добычи полезных ископаемых: патент № 1824983. Рос. Федерация // М.А.Фатыхов, Л.А.Ковалева, Ф.Л.Саяхов, Г.А.Халиков. Заявл. 31.12.89. 5 с.
• Способ электродепарафинизации скважин: патент №1314756. А.с. СССР / М.А. Фатыхов, Ф.Л. Саяхов, Н.Ш. Имашев. Заявл. 16.09.85; опубл. Б.И. № 35, 1989. 4 с.
• Фатыхов М.А. Особенности нагрева плавления парафина в коаксиальной трубе высокочастотным электромагнитным излучением // Теплофизика высоких температур. 2002. Т.40. № 5. С. 802 – 809.
• Фатыхов М.А. Сепарация углеводородной жидкости в высокочастотном электромагнитном поле// Электронная обработка материалов. 2002. №6. С. 50 –53.
• Фатыхов М.А. Теплофизические особенности взаимодействия высокочастотного электромаг­нитного поля с многофазными средами: дис. … д-ра. физ.-мат. наук: 01.04.14. Тюмень, 1997.  368 с.
• Фатыхов М.А., Акчурина В.А. Математическое моделирование расплавления диэлектрической пробки, заполняющей трубу, движущимся источником электромагнитного излучения //Академический журнал Западной Сибири. 2014. Т. 10. №2. С. 31−
• Фатыхов М.А., Багаутдинов Н.Я. Экспериментальное исследование разложения газогидрата в трубе при сверхвысокочастотном электромагнитном воздействии //Теплофизика высоких температур. 2005. Т.43. № 4. С.612 – 617.
• Фатыхов М.А., Багаутдинов Н.Я., Валеев А.М. Способ механического разрушения отложений парафина В НКТ добывающих скважин //Нефтепромысловое дело. 2007. №3. С. 50 – 51.
• Фатыхов М.А. Багаутдинов Н.Я., Фатыхов Л.М. Выбор частоты электромагнитного воздействия на гидратопарафиновые отложения в подземном оборудовании скважин //Нефтепромысловое дело. 2007. № 7. С. 48 – 51.
• Фатыхов М.А., Багаутдинов Н.Я., Фатыхов Л.М. Предотвращение  отложения парафина, солей и гидратов // Нефтепромысловое дело.  № 7. С. 48 – 51.

20. Фатыхов М.А., Идрисов Р.И., Фатыхов Л.М. Динамические особенности фазовых переходов в сверхвысокочастотном электромагнитном поле Естественные науки. 2014. №7. С. 20-23.
21. Фатыхов М.А., Фатыхов Л.М. Исследование коэффициента стоячей волны в высокочастотной токоведущей длинной линии с потерями // В мире научных открытий. 2013. № 6 (42). С. 272 –282.
22. Фатыхов М.А., Худайбердина А.И. Комбинированные методы воздействия на нефтяные пласты на основе электромагнитных эффектов. – Уфа: Изд-во БГПУ им. Акмуллы, 2010. – 120 с.
23. Хабибуллин И.Л., Фатыхов М.А., Ягудин М.С., Саяхов Ф.Л. Техника и технология теплового воздействия на пласт на основе электротермомеханических и электромагнитных эффектов //Изв. ВУЗов: Нефть и газ. 1992. №12. С. 33 – 42.
24. Чистяков С.И., Саяхов Ф.Л., Бабалян Г.А. О вы­сокочастотном нагреве призабойной зоны скважи­ны // Нефтяное хозяйство. 1970. № 10. С. 49 –
25. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф.
26. Специальные функции (формулы, графики, таблицы). М. :Наука, 1964. 344 с.[schema type=»book» name=»ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ » author=»Акчурина Венера Ахметовна, Фатыхов Ленарт Миннеханович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]