Ключевые слова: акустическая дегазация, дегазация нефти, кавитация, диффузия, ультразвук.
В нефтегазовой отрасли акустические технологии можно разделить на «информационные» и «силовые». Первые направлены на получение информации о какой-либо системе посредством эмиссии и последующей регистрации акустических волн. Ко вторым относят технологии воздействия на элементы добывающей системы или на добывающую систему в целом. Например, ультразвуковая обработка призабойной зоны скважины для декольматации порового пространства и восстановления продуктивности или акустическое воздействие на пласт в целом с целью вовлечения в процесс фильтрации каналов нефти, ранее не дренируемых в результате геологических особенностей строения залежи или техногенных изменений в пласте. При воздействии интенсивных акустических полей в жидкости наблюдается снижение количества растворенного и свободного «пузырькового» газа. Данный эффект используется в промышленности для удаления газов из расплавов металлов, стекла, растворов смол, масел, напитков и других жидкостей. Кроме того, ультразвуковая дегазация способствует ускорению электрохимических процессов в жидкости под воздействием звукового поля.
В настоящее время не существует единой методики подбора параметров акустического поля для процесса дегазации нефти. Теоретические исследования в данной области имеют существенные ограничения на исследуемые модели и с трудом могут быть применены на практике. Большинство экспериментальных исследований носят качественный характер, приводимые авторами величины, как выходное напряжение преобразователя, его ток или мощность, носят косвенный признак, так как зависят от условия проведения испытаний, при этом авторами фиксируется сам факт ускорения процесса дегазации без подробного описания происходящих процессов. При этом сложно судить о влиянии абсолютных значений величин, характеризующих акустическое поле – интенсивности (звуковое давление) с учетом диссипации и частоты излучения, на процесс дегазации в полученных экспериментальных данных [1, 4, 8, 11]. Характерной особенностью фундаментальных исследований механизма увеличения размера пузырьков газа при акустическом воздействии является проведение натурных испытании единичного пузырька в фокальной области излучения при малых интенсивностях звукового давления, в отсутствии кавитационных процессов и в «закрепленном» положении самого пузырька [9]. Также все встречающиеся экспериментальные исследования воздействия акустических волн на пузырьки газа происходят в условиях статики (отсутствии движения) дисперсной среды, а аналитические исследования рассматривают колебания пузырька в большинстве случаев линейно гармоническими.
В то время как в реальных условиях при применении акустических технологий присутствуют процессы не только кавитации, но и дробления газовых пузырьков, «вторичные» волны от пульсации самих пузырьков, кумулятивные струи при их «схлопывании», стесненные условия пузырьков в области воздействия, диссипация волны и т.д. Исследование поведения единичного пузырька или группы однородных пузырьков с учетом всех протекающих процессов является сложной задачей и в настоящее время не решаемой ни аналитическими, ни экспериментальными методами.
Существует две гипотезы механизма процесса дегазации жидких сред [9]:
• кавитационная – предполагает образование большого количества пузырьков в результате местного понижения давления во время полупериода разряжения, которые затем в результате диффузии растворенного газа из жидкости и коалесценции увеличиваются в объеме и покидают жидкость;
• диффузионная – предполагает наличие в жидкости стабильных пузырьков, которые проходят те же этапы дегазации.
Исследования [9] показали, что дегазация происходит и до начала кавитации в системе, т.е. наличие кавитационных пузырьков не является необходимым условием для дегазации. Тогда «источниками» дегазации служат существующие стабильные газовые пузырьки в жидкости, а кавитация является механизмом их быстрого роста с последующим коллапсом на более мелкие пузырьки. Согласно исследованиям авторов [3, 9], сам процесс дегазации можно разделить на три стадии:
1. Существующие в жидкости небольшие газовые пузырьки при изменении термобарических условий начинают расти за счет диффундирования растворенного газа из объема жидкости. Если в условиях отсутствия внешнего механического воздействия на систему процесс диффундирования происходит достаточно медленно, то в акустическом поле за счет специфичных акустических эффектов (таких как радиальное колебание пузырьков и наличие микропотоков на границе раздела фаз), процесс массопередачи существенным образом ускоряется.
2. Под действием сил Бьеркнеса и Бернулли и радиационного давления (среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещенное в акустическое поле) группы мелких пузырьков газа коалесцируются или объединяются в агломерации.
3. Обладая большей плавучестью, пузырьки или их агломерация быстрее поднимаются к поверхности жидкости и покидают ее.
Рассмотрим схему диффундирования на примере одиночного пузырька в несжимаемой жидкости при малых давлениях акустического поля (рис. 1). Система характеризуется следующими параметрами:
– концентрация газа в жидкости; 
– концентрация газа в приграничной зоне; 
- равновесный радиус пузырька; 
- давление в жидкости.
При разнице концентрации 
от 
возникает диффузионный поток, величина которого определяется уравнением:
Решение уравнения при статической диффузии, пренебрегая конвективным членом, является выражением потока газа на пузырек за счет обычной молекулярной диффузии:
где 
– коэффициент диффузии; 
– время.
В зависимости от отношения 
существуют три случая поведения пузырька:
• 
– жидкость недонасыщена газом и пузырек с течением времени растворяется;
• 
– система находится в динамическом равновесном состоянии, когда диффузионный поток в пузырек и из него равны между собой;
• 
– жидкость перенасыщена и размер пузырька увеличивается.
Вынужденные колебания пузырька газа в акустическом поле приводят к так называемой односторонней диффузии в пузырек газа, при котором массоперенос газа из жидкости становится возможным при условии 
.
Согласно [9], односторонняя диффузия объясняется следующими процессами:
– при расширении поверхность пузырька газа больше, чем при сжатии, так что массоперенос газа в пузырек при расширении больше, чем при сжатии в обратном направлении;
– скорость диффузии газа от стенки пузырька при расширении больше скорости диффузии газа в направлении к пузырьку при сжатии, так как при колебаниях величина градиента концентрации в жидкости у стенки пузырька меняется в соответствии с изменением толщины сферической жидкой оболочки;
– наличие микропотоков у поверхности пузырьков в результате образования у границы пузырька сдвиговой волны вследствие торможения, вызванного вязкостью в акустическом пограничном слое.
Экспериментальные данные [5, 6] показали, что время, в течение которого мгновенный радиус пузырька 
превышает его значение в состоянии покоя 
, больше времени, когда 
, т.е. наблюдается преобладание диффузии газа в пузырек над диффузией из него. Экспериментальные исследования [9] при частоте акустического поля 26,5 кГц и вводе пузырька воздуха в перенасыщенную воду показали рост радиуса пузырька от времени (рис. 2), такой же эффект наблюдался в воде с добавлением додецилсульфата натрия (ПАВ) или метанола [3].
Исследования [9] выявили следующие закономерности для квазиравновесной концентрации – концентрация газа в жидкости, при которой наступает равновесное динамическое состояние в системе «пузырьки газа – жидкость» при акустическом воздействии:
– величина квазиравновесной концентрации не зависит от плотности энергии акустической волны, последняя влияет только на время ее установления;
– скорость установления квазиравновесного состоянии при дегазации выше, чем при растворении через свободную поверхность жидкости;
– величина относительной квазиравновесной концентрации не зависит от частоты волны и температуры системы, но понижение статического давления существенно влияет на нее в сторону увеличения;
– кавитация не влияет на величину квазиравновесного состояния.
В недавно полученных экспериментальной данных в работе [2] по дегазации воды, насыщенной воздухом, опровергается независимость значения квазиравновесной концентрации от частоты и мощности акустической энергии при атмосферном давлении. В частности, для некоторых частот акустической волны значение квазиравновесной концентрации имеет выпуклость к оси абсцисс. Однако при давлении 5 кПа квазиравновесная концентрация не зависела от частоты и была близка к равновесной динамической концентрации, что может быть подтверждением выводов об увеличении относительного значения квазиравновесной концентрации при уменьшении давления в жидкости.
Большинство ультразвуковых технологий имеют мощности, превышающие кавитационный порог обрабатываемой жидкости, с связи с этим представляет интерес влияние кавитации на процесс дегазации. При наступлении кавитации увеличение скорости дегазации связывают со следующими факторами:
– увеличение диффузионного потока при увеличении амплитуды поверхностных колебаний пузырька, вследствие утончения и уменьшения прочности сольватной оболочки в пограничном слое пузырька и увеличения поверхности контакта;
– увеличение количества пузырьков-зародышей при кавитационном схлопывании;
– кумулятивные струи, увеличивающие потоки вокруг пузырьков, заменяют «обедненную» жидкость в пограничном слое пузырька на «насыщенную».
Однако увеличение мощности акустической волны не приводит к постоянному увеличению скорости процесса дегазации жидкости. Связано это со временем схлопывания пузырьков, в частности, время становится больше полупериода давления в акустической волне, давление в конечной стадии схлопывания снижается, что приводит к уменьшению количества вторичных «пузырьков-осколков», т.к. разрушение пузырька оказывается менее интенсивным. При дальнейшем увеличении времени схлопывания пузырек газа не успевает сжаться в достаточной степени для разрушения и переходит в процесс расширения, при этом получается стабильный кавитационный пузырь длительностью несколько периодов волны, пока не достигнет критического размера и не схлопнется или раздробится.
Учитывая сложность процесса дегазации, ограниченность аналитических моделей, на сегодняшний день не предоставляется возможным подобрать оптимальные параметры акустической волны для дегазации жидкости и создания единой методики подбора. Для каждого технологического процесса необходимо подбирать оптимальные параметры опытным путем, однако можно выделить принципы акустической дегазации жидкости:
– скорость дегазации растет при увеличении объемной плотности энергии (количество акустической энергии на единицу объема жидкости), температуры и снижении давления в жидкости;
– кавитация способствует увеличению мелких пузырьков «зародышей» газа при схлопывании. Порог кавитационного давления растет с увеличением частоты акустической волны, вязкости, давления и уменьшением температуры жидкости;
– скорость дегазации имеет экстремум в зависимости от частоты акустической волны;
– эффективность дегазации снижается с увеличением вязкости жидкости и диссипации акустической энергии.
Широкое внедрение акустических технологий в нефтегазовую отрасль, как отмечалось выше, ограничено отсутствием единой методики подбора параметров акустического волны. Подбор оптимальных параметров воздействия на сегодняшний день возможен только эмпирическим путем, при этом лабораторные исследования будут носить качественный характер, т.к. условия на реальных объектах могут существенно отличаться от лабораторных и нивелировать весь эффект акустического воздействия.
Несмотря на трудности внедрения, научным обществом не прекращаются исследовательские работы в данном направлении. В работе [11] приводятся экспериментальные данные по влиянию акустического воздействия на модельную жидкость «трансформаторное масло – жидкий пропан». Отмечается повышение давления насыщения модельной жидкости с увеличением объемной энергии ультразвука и мольной доли газа в жидкости, но не приводятся параметры акустической волны, кроме амплитуды сигнала звукоприемника. Исследование процесса дегазации воды, насыщенной углекислом газом в образце керна, показало увеличение скорости выделения газа при акустическом воздействии, однако методика испытаний и параметры акустической волны в работе не приводятся [4]. Промысловый опыт внедрения внутрискважинной дегазации нефти приводится в работе [8].
В работе [7] приводятся лабораторные исследования ультразвукового воздействия на давление насыщения рекомбинированных устьевых проб нефтей Новопортовского НГКМ и Пальяновского месторождений углеводородов. Изменение угла прироста давления насыщения при изменении частоты акустической волны может быть связано, согласно теоретическим исследованиям, с распределением по радиусу стабильных пузырьков газа в образце нефти. Согласно авторам, прирост давления насыщения при акустическом воздействии тем выше, чем выше энергетический показатель нефти по растворенному в нем газу, а дополнительные исследования показали возможность акустического воздействия на любой стадии разгазирования.
Авторами исследований [7] также были проведены испытания по влиянию акустической волны при дифференциальном разгазировании нефти. При выходной электрической мощности генератора 100 Вт и 38,4 кГц исследования не показали какого-либо влияния, что может быть связано с долгим временем установления квазиравновесной концентрации. Недостаточное время установления равновесия на каждой стадии дифференциального разгазирования в совокупности с малой акустической мощностью могло быть причиной недостижения эффекта от воздействия. Авторами исследований [7] не приводятся сведения о кавитационных процессах в рекомбинированных пробах нефти, увеличение давления должно было привести к повышению порогового давления начала кавитации [10], отсутствие кавитации также могло быть причиной малой скорости установления квазиравновесной концентрации в системе.
Учитывая многофакторность происходящих процессов при акустической дегазации нефти, на данный момент невозможно рекомендовать оптимальные параметры акустической волны или системы акустического воздействия в целом (генератор, излучатели, резонаторы и т.д.). Лабораторные исследования на рекомбинированых пробах не могут в полной мере отражать процессы, происходящие в нефтяных скважинах, так как в испытаниях отсутствует движение флюида и стесненные условия газовых пузырьков. Лабораторные испытания позволяют понять верхний предел акустического воздействия, однако оптимальные параметры или возможность применения акустического дегазированния должны подбираться для каждой скважины индивидуально посредством промысловых испытаний. Накопленный опыт промысловых испытаний позволит уточнить и дополнить границы применимости технологий. Интерес также вызывает воздействие коротких (время озвучивания, равное прохождению единицы объема нефти через промысловый ультразвуковой излучатель) мощных излучений на рекомбинированые пробы нефти, результаты которых могут быть интерпретированы для рекомендации оптимальной длины промысловых излучателей.
Литература
1. Amani, M. Application of Ultrasonic Wavesfor Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils / M. Amani, S. Al-Juhani, M. Al-Jubouri et al. // Advances in Petroleum Exploration and Development. – 2016. – Vol. 11. – № 2. – P. 21–30. DOI: 10.3968/8525.
2. Asakura, Y. Frequency and power dependence of ultrasonic degassing / Y. Asakura, K. Yasuda // Ultrasonics Sonochemistry. – 2022. – Vol. 82. – P. 105890. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2021.105890.
3. Ashokkumar, M. Bubbles in an acoustic field: An overview / M. Ashokkumar, J. Lee, S. Kentish, F. Grieser // Ultrasonics Sonochemistry. – 2007. – Vol. 14. – Bubbles in an acoustic field. – № 4. – P. 470-475. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2006.09.016.
4. Kouznetsov, O.L. Improved oil recovery by application of vibro-energy to waterflooded sandstones / O.L. Kouznetsov, E.M. Simkin, G.V. Chilingar, S.A. Katz // Journal of Petroleum Science and Engineering. – 1998. – Vol. 19. – № 3–4. – P. 191–200. DOI: 10.1016/S0920-4105(97)00022-3.
5. Lauterborn, W. Cavitation bubble dynamics / W. Lauterborn, C.-D. Ohl // Ultrasonics Sonochemistry. – 1997. – Vol. 4. – № 2. – P. 65–75. DOI: 10.1016/S1350-4177(97)00009-6.
6. Mundry, E. Kinematographische Untersuchungen der Schwingungskavitation / E. Mundry, W. Guth // Acustica. – 1957. – № 7. – P. 241.
7. Verbitsky, V.S. Optimization of Oil Production Wells Flowing Mode by Ultrasonic and Induction Systems (Russian) / V.S. Verbitsky, K.A. Goridko, A.V. Dengaev et al. – [Electronic resource] // SPE Russian Petroleum Technology Conference SPE Russian Petroleum Technology Conference. – Virtual : Society of Petroleum Engineers, 2020.
8. Гарипов, О.М. Ультразвуковой газлифтный способ добычи нефти / О.М. Гарипов, М.Г. Гарипов // Нефтяное хозяйство. – 1999. – № 6. – С. 36–39.
9. Капустина, О.А. Дегазация жидкостей / О.А. Капустина // Физика и техника мощного ультразвука: Кн. 3 Физические основы ультразвуковой технологии / Л.Д. Розенберг ред. – Москва: Наука, 1970. – С. 255–336.
10. Смирнов, И.В. Анализ пороговых параметров начала акустической кавитации жидкости в зависимости от частоты ультразвукового поля, гидростатического давления и температуры / И.В. Смирнов, Н.В. Михайлова, Б.А. Якупов, Г.А. Волков // Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91. – № 11. – С. 1631. DOI: 10.21883/JTF.2021.11.51521.352-20.
11. Степанова, Г.С. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс разгазирования нефти / Г.С. Степанова, Г.Н. Ягодов, Т.Л. Ненартович, В.Н. Николаевский. – [Электронный ресурс] // Бурение и Нефть. – 2003. – № 7–8.
