Материал: Физико-математическое моделирование систем. материалы XX Международного семинара. Батаронов И.Л., Шунин Г.Е

можем вычислить скорость движения капелек эмульсии, обусловленную магнитными силами

где d – коэффициент вязкости эмульсии.

Будем считать, что для омагничивания нефть пропускается через трубу диаметром D = 2,2 см, продетую через кольцевой неодимовый магнит с внутренним диаметром 2,5 см, внутри которого создается поле 0,7 Тл [5], направленное вертикально вниз поперек трубы.

В таком сильном поле наночастицы FeS являются намагниченными до насыщения. Таким образом, в данной геометрии максимальное расстояние, которое должны преодолеть эмульсионные капли под влиянием градиента магнитного поля, практически равно диаметру трубы. При этом градиент магнитного поля составляет примерно 30 Тл/м. Оценим время, необходимое для смещения капель водонефтяной эмульсии к стенке трубы:

Для численной оценки времени смещения по вышеприведенным формулам примем ηd ~ 10–3 Па∙с, Rd = 1-20 мк, Md = 2∙104А/м. Для расчетов примем

значение магнитной восприимчивости χ = 1074∙10−6 см3/моль, а содержание FeS будем считать равным 500 мг/дм3, что, очевидно, соответствует относительной весовой концентрации φ = 5∙10–4.

Численное моделирование выполнялось в рамках пакета MatLab. Результаты моделирования приведены на рисунке.

Результаты моделирования времени смещения эмульсионных капель к стенке трубы в зависимости от размеров капли

110

Заключение

Подводя итоги, можно сделать следующее заключение. Результаты численного моделирования показывают, что в выбранной модели уже через 20 секунд водонефтяные эмульсионные капли с размерами более 6 мкм достигнут стенки трубы. Что касается более мелких эмульсионных капель, то, как показано в наших предыдущих работах [6, 7], в магнитном поле крупные намагниченные капли в процессе движения будут активно захватывать более мелкие намагниченные капли и укрупняться, что будет способствовать интенсивному смещению водонефтяных эмульсионных капель к стенке трубы, где они могут образовать тонкую водяную пленку. Эта пленка выступает в качестве своеобразной «смазки», способствующей улучшению реологических свойств омагниченной нефти, что, в свою очередь, приведет к повышению скорости движения нефтяного потока.

Следует отметить, что необходимым условием реализации описанного механизма является обязательное наличие способных намагничиваться примесей, в частности, наночастиц FeS, и достаточного градиента магнитного поля.

Литература

1.Абдрахманова Л.М. Причины и способы снижения высокой концентрации сульфида железа в продукции скважин. Url: http://www.tatnipi.ru/upload/sms/2014/tnp_eng /001r.pdf

2.Ланина, Т. Д.Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов: монография / Т. Д. Ланина, В. И. Литвиненко, Б. Г. Варфоломеев. Ухта: УГТУ, 2006. – 172 с.

3.Лесин В. И. Особенности релаксации вязкости неньютоновской нефти после воздействия градиентами скорости и магнитными полями // Нефтепромысловое дело, №1, 2008.

–С.43-46.

4.Лоскутова Ю. В., Юдина Н. В. Влияние постоянного магнитного поля на реологические свойства высокопарафинистых нефтей//Коллоидный журнал, Т.65, №4, 2003.– С.510-515.

5.Лютоев А. А., Смирнов Ю. Г. Проект системы магнитной очистки пластовых вод от нефтяных загрязнений // Проблемы геологии, разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов: матер. межрегиональн. научно-техн. конф. Ухта, УГТУ, 2016. – С. 138-141.

6.Баткин И. С., Смирнов Ю. Г. Моделирование процесса управления очисткой промысловых вод от нефти с использованием гетерогенной системы магнитных частиц // Системы управления и информационные технологии, №4.1(50), 2012. – С. 179-182.

7.Смирнов Ю. Г., Баткин И. С. Теоретический анализ процесса воздействия суперпарамагнитных частиц на промысловые эмульсии // Системы управления и информационные технологии, №2.2(48), 2012. – С. 233-236.

MODELING OF THE INFLUENCE OF OIL MAGNETIZATION

ON ITS RHEOLOGICAL PROPERTIES

Yu. G. Smirnov1, I. S. Batkin2

1Ukhta State Technical University

2University of Ottawa, Ontario, Canada

A theoretical analysis and numerical simulation of the process of magnetization and displacement of droplets of water-oil emulsion containing an admixture of iron sulphide nanoparticles to the pipe wall under the influence of a magnetic field gradient was performed. It is shown that this process can contribute to a certain increase in the speed of the flow of oil.

Keywords:water-oil emulsion, iron sulphide nanoparticles, magnetization, increase of oil flow.

111

УДК 621.398:537.612.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ КАССЕТЫ МАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА

А. А. Лютоев,Ю. Г. Смирнов

Ухтинский государственный технический университет allutoev@yandex.ru, ysmirnov@ugtu.net

Рассмотрены конструктивные особенности магнитного сепаратора, предназначенного для извлечения из пластовой воды капель водонефтяной эмульсии. Выполнено численное моделирование режима работы кассеты магнитного сепаратора, позволившие оптимизировать его конструкцию. Рассмотрена модель извлечения капель водонефтяной эмульсии из воды и на ее основе выполнен расчет производительности магнитного сепаратора.

Ключевые слова: моделирование, кассета, магнитный сепаратор, наночастицы магнетита, разрушение водонефтяной эмульсии.

Введение

Вработах [1, 2] рассматривается возможность доочистки пластовой воды от эмульгированных нефтепродуктов с применением высокодисперсных магнитных частиц магнетита и неоднородного магнитного поля. Известен зарубежный опыт [3, 4] по разрушению водонефтяной эмульсии с помощью высокодисперсных ферромагнитных частиц.

Вработе [3] было установлено, что среди параметров, влияющим на сорбционную способность, значимым является размер частиц сорбтива. В этой же работе также было показано, что твердые частицы размерами меньше микрона способны стабилизировать эмульсии различного типа (вода в нефти или нефть в воде).

Вработе [4] магнитные частицы использовались для обезвоживания нефти. Идея заключается в том, что наночастицы магнетита «стараются» занять место в пограничном слое нефти и воды. Путем агрегации на поверхности эмульсионной капли, частицы придают ей магнитный момент в магнитном поле.

Целью настоящей работы является выполнение численного моделирования для оптимизации конструктивных особенностей разрабатываемого магнитного сепаратора, предназначенного для извлечения из пластовой воды капель водонефтяной эмульсии, обладающих слабым магнитным моментом.

Конструкция магнитного сепаратора

Предлагается конструкция магнитного сепаратора с продольным расположением стержней относительно потока жидкости (рис. 1). Такая конструкция существенно упрощает обслуживание сепаратора.

112

Рис. 1. Магнитный сепаратор НМС-2

Магнитный сепаратор состоит из единой подвижной кассеты 1 из магнитов NdFeB, располагающейся в верхней части немагнитного корпуса 2, выполненного из прочного пластика. Внутри корпуса 2 находится два выходных отверстия: 3 в режиме очистки, 4 в режиме промывки.

Основная часть корпуса 5 изготовлена из прочного пластика, внутри нее происходит коалесценция эмульсионных капель. Вместе с верхним корпусом единую конструкцию составляют чехлы 6 для стержней, внутри которых находятся магниты NdFeB.

На поверхности цилиндрического чехла собираются капли нефти. Нижняя часть корпуса 7 изготовлена из прочного пластика с одним входным отверстием. Внутри него поток жидкости равномерно направляется в область магнитов.

Моделирование конструктивных особенностей устройства

Необходимо определить оптимальное расположение стержней в картридже, кроме того рассчитать производительность самого устройства. Рассмотрим несколько наиболее удачных вариантов расположения стержней в кассете (рис. 2). В рассматриваемых моделях толщина стержней составляла 10 мм. Расстояние между поверхностями стержней, стоящих в одном ряду, 10 мм. Изменялись лишь полюса магнитов.

Средний линейный градиент для каждого случая составил около 75 Тл/м. Среди четырех рассматриваемых вариантов, расположение полюсов магнитов,

113

представленных на рис. 2б, имеет преимущество перед остальными из-за того, что в рабочей области наблюдается индукция магнитного поля больше 0,12 Тл. У остальных наблюдаются значительные провалы индукции меньше 0,12 Тл.

Таким образом, численное моделирование позволило выбрать оптимальное расположение полюсов магнитов в картридже магнитного сепаратора (рис. 2б).

114