В настоящее время экономическое развитие страны тесно связано с добываемым количеством нефти. Следовательно, требуется разработка новых нефтяных месторождений, часто в труднодоступных местах. Кроме того, в разработку все более широко вовлекаются трудноизвлекаемые запасы нефти, пролегающие в низкопроницаемых, слабодренируемых, неоднородных и расчлененных коллекторах.
Поэтому основные проблемы, возникающие в процессе нефтедобычи, связаны с выпадением асфальтосмолопарафиновых веществ в эксплуатационных скважинах и наземных коммуникациях. Это приводит к снижению дебита добывающих скважин, пропускной способности нефтепроводных коммуникаций и другим нежелательным последствиям [1].
В соответствии с [2], парафиновые отложения в нефтепромысловом оборудовании формируются в основном вследствие выпадения высокомолекулярных углеводородов при снижении температуры потока нефти ниже температуры насыщения нефти парафином. Интенсивность парафинизации возрастает при снижении дебита скважин, обводненности добываемой продукции, небольшой разнице величин текущего пластового давления и давления насыщения нефти газом, высоких газовых факторах добываемой продукции, при наличии в геологическом разрезе слоев многолетнемерзлых пород, значительном содержании в нефти парафина, асфальтосмолистых веществ и церезинов, высокой температуре насыщения нефти парафином и плавления парафина [1].
Тепловые методы являются эффективным решением при осложнениях в процессе эксплуатации скважин, связанных с отложениями асфальтенов, смол, парафинов или газогидратов. Механизм их действия заключается в следующем: под действием повышенных температур отложения переходят в жидкую фазу и выносятся потоком добываемой нефти или используемого агента на поверхность [3].
На сегодняшний день известно несколько термических способов борьбы с асфальтеносмолопарафиновыми отложениями. Их можно разделить на две группы.
Первая группа способов основана на нагнетании в скважину теплоносителя. К ней относятся методы борьбы, заключающиеся в закачке или промывке скважины предварительно нагретыми газом или жидкостью. При этом могут использоваться следующие теплоносители: нефть, вода, острый пар и реагенты, при взаимодействии которых протекает экзотермическая реакция.
Общим недостатком этой группы методов является ограничение по допустимой глубине нагнетания агента. Оно возникает из-за постепенного остывания рабочего тела. Поэтому нагнетание теплоносителя, как правило, производят на глубину не более 1200 м [3].
Вторая группа термических способов связана с использованием скважинных нагревателей различного принципа действия и конструкции. К таковым относят следующие устройства:
– электропечи – нагреватели, основанные на свойстве проводников нагреваться под действием протекающего по ним электрического тока;
– индукционные нагреватели, основанные на нагреве тел с помощью электромагнитной индукции [5].
Конструкции индукционных нагревателей и электропечей подразумевают наличие рабочей поверхности высокой температуры. Жидкость нагревается при контакте с данными поверхностями. Следствием этого является выпадение из пластовой воды солей и отложение их на поверхностях. Солеотложения выступают теплоизолятором между прибором и жидкостью, снижают эффективность нагрева и могут привести к выходу из строя нагревателей.
С целью устранения вышеуказанных недостатков рассмотрена возможность использования эффекта дипольного сдвига для подогрева скважинных флюидов.
Под диполем понимается электрически нейтральная молекула, в которой существует два точечных, противоположных по заряду, но равных по значению, электрических заряда, которые не совпадают друг с другом по расположению.
В таблице приведены примеры молекул-диполей и их дипольные моменты.
Наиболее распространенная среди них – молекула воды.
Известно, что в молекуле H2O положительный заряд несут в себе атомы водорода, а отрицательный – атом кислорода. Благодаря такой структуре, молекула обретает определенные свойства, не характерные для большинства других молекул. Одним из таких свойств является дипольный момент 
. Согласно работе [7], 
– это произведение вектора 
, направленного от отрицательного заряда к положительному и равного по длине расстоянию между зарядами, на их абсолютную величину q (рисунок):
Молекулы-диполи и их дипольные моменты [4]
|
Вещество |
Химическая формула |
Дипольный момент, ед. Дебая (D) |
|
Оксид углерода |
СО |
0,10 |
|
Соляная кислота |
HCl |
1,03 |
|
Бромоводород |
HBr |
0,78 |
|
Йодоводород |
HJ |
0,38 |
|
Вода |
H2O |
1,84 |
|
Сероводород |
H2S |
0,93 |
|
Диоксид серы |
SO2 |
1,61 |
Схема действия дипольного момента на примере молекулы H2O
Во внешнем электрическом поле молекула-диполь ведет себя подобно стрелке компаса – стремится ориентироваться вдоль направления этого поля.
Также известным фактом является то, что тепловая энергия есть не что иное, как кинетическая энергия молекул и атомов, слагающих тело. Кинетическая энергия – это энергия колебательного, вращательного и поступательного движения. Из вышеизложенного следует, что благодаря свойству молекул-диполей изменять положение под действием электрического поля возможно более эффективное превращение электрической энергии в тепловую энергию.
Предположение о том, что молекулы-диполи при взаимодействии с электрическим полем преобразуют энергию электромагнитных колебаний в тепловую, подтверждено и установлено авторами работы [7].
Данную способность молекул воды предлагается использовать для разогрева скважинных флюидов, содержащих воду. Молекулы H2O под действием электромагнитных колебаний будут приобретать кинетическую энергию и передавать её другим молекулам в процессе теплового движения. Таким образом, флюид с содержанием воды будет интенсивнее нагреваться.
Так как молекулы воды равномерно распределены в объеме добываемой жидкости, то ее нагрев происходит по всему объему.
Следует учитывать, что для достижения наибольшего коэффициента полезного действия прибора необходимо установить частоту электромагнитных колебаний на таком уровне, чтобы молекулы воды за полупериод полностью ориентировались в электромагнитном поле. В этом случае кинетическая энергия не будет гаситься самим электромагнитным полем.
Поскольку вода – распространенное вещество, встречающееся во многих закачиваемых агентах, и практически всегда находится в добываемой нефти, частоту электромагнитных колебаний следует выбирать, исходя из свойств молекулы воды. Наиболее подходящая частота – около 2450 МГц. В качестве излучателя в нагревателе лучше использовать магнетрон. Этот выбор основан на том, что такие излучатели используются в бытовых приборах – СВЧ-печах, и начать производить магнетроны, предназначенные для нагрева скважинной продукции возможно по уже известной технологии.
Особенность микроволнового излучения состоит в том, что оно полностью поглощается и отражается металлом. Учитывая, что стенки скважины представляют собой эксплуатационную колонну, состоящую из металлических труб, излучение нагревателя полностью сосредоточено в скважине и не рассеивается в окружающей горной породе. Кроме того, колонна насосно-компрессорных труб или эксплуатационная колонна будут выступать волноводом в случае использования нагревателя внутри скважины.
К преимуществам нагревателей на основе дипольного сдвига относится то, что нагрев производится по всему объему, а не по рабочей поверхности прибора, как это происходит в электрических печах при резистивном нагреве. Электромагнитное излучение проникает вглубь жидкости и воздействует на молекулы воды, находящиеся на некотором удалении от прибора, таким образом более равномерно прогревая окружающую жидкость.
Нагреватель, механизм действия которого основан на эффекте дипольного сдвига, может быть использован для борьбы с асфальтосмолопарафиновыми отложениями. При нагреве парафиновые отложения на стенках скважины переходят в жидкую фазу и выносятся потоком нефти в устье скважины.
Следовательно, второе возможное применение – дополнительный нагрев на забое водосодержащих агентов, закачиваемых в пласт. При закачке теплоносителя на большую глубину возникает проблема его преждевременного остывания. В целях дополнительного нагрева возможно использование вышеописанного принципа [6].
Применение эффекта дипольного сдвига целесообразно при нагреве добываемой жидкости в скважине. Отличный от других нагревателей принцип действия позволяет получить ряд перечисленных выше преимуществ. К недостаткам такого термического способа борьбы с осложнениями можно отнести техническую сложность устройства, малоподходящую для жестких условий скважины, и необходимость наличия в перекачиваемой жидкости молекул-диполей в больших количествах.
Таким образом, эффект дипольного сдвига может найти применение не только в бытовой технике, но и в нефтяной промышленности. Несмотря на меньший коэффициент полезного действия, чем у традиционных резистивных электронагревателей, такой прибор будет лишен недостатка отложения солей на рабочей поверхности, который, как правило, приводит к снижению эффективности. Однако оценка эффективности использования эффекта дипольного сдвига в условиях скважины требует дополнительных лабораторных исследований.
Предложенный в статье способ, несомненно, требует дальнейшего исследования и апробации с целью последующего практического применения в нефтяной добывающей отрасли.