Использование магнитного поля для управления движением УМК в гидродинамическом потоке

- повышение скорости и локальности ремонтно-изоляционных работ на скважинах (РИР);

- интенсификация нефтеотдачи пласта и усовершенствование известных методов увеличения нефтеотдачи (МУН);

- повышение эффективности процессов облагораживания нефти за счет применения модифицированных селективных сорбентов, способных к извлечению таких нежелательных компонентов, как металлы d-группы и серосодержащие соединения.

- интенсификация нефтехимических процессов, в частности полимеризации, за счет равномерности распределения применяемых реагентов [1,2].

Эти аспекты подчеркивают растущий интерес в научных кругах к исследованиям, которые направлены на оптимизацию их функциональности и повышение эффективности применения микроконтейнеров.

Актуальность нашего исследования заключается в необходимости глубокого понимания факторов, которые влияют на эффективность управления УМК в динамических условиях. Данная необходимость имеет ключевое значение для обеспечения оптимального использования капсул. На специально разработанном испытательном стенде появляется возможность продемонстрировать, как магнитное поле может быть использовано для организации целенаправленного движения микроконтейнеров в необходимые зоны (рисунок 1). Наблюдение за динамикой поведения этих частиц не только расширяет подход к пониманию их взаимодействия с магнитным полем, но и служит весомым доказательством возможности эффективной адресной доставки реагентов, что, в свою очередь, является важным шагом на пути к их практическому применению в реальных условиях.

В свете существующих исследований и публикаций об УМК результаты нашего исследования могут дополнить текущую базу знаний по этой теме, а также привести к новым идеям и решениям для повышения эффективности их использования в нефтяной, нефтехимической и химической отраслях, что будет способствовать дальнейшему развитию технологий. Применение внешнего магнитного поля в рамках решения актуальных вопросов нефтегазового комплекса является трансфером технологии из медицины, где подобная методология начала разрабатываться еще с 60-х годов прошлого века [3-6]. Этот метод уже продемонстрировал свою эффективность в клинических и научных приложениях. Однако следует отметить, что возможность применения и обоснование концепции УМК в нефтедобыче требует проведения дальнейших исследований аспектов поведения дисперсий УМК в гидродинамических потоках под одновременным воздействием управляющих физических факторов, а также взаимодействия УМК с водно-нефтяными эмульсиями. Для проведения серии экспериментов было разработано специальное программное обеспечение, которое предоставляет возможность анализировать количество частиц и измерять их скорость в потоках жидкости с помощью видеоаппаратуры, что существенно ускоряет процесс проведения опытов и повышает точность получаемых данных [7-8].

Экспериментальная часть

В рамках проведенных исследований было изучено влияние магнитной индукции и скорости потока жидкости на возможность притяжения частиц. Используемые в опытах образцы представляют собой прототипы умных микроконтейнеров, которые демонстрируют высокий потенциал применения в различных сферах промышленности. Частицы, представляющие собой гомогенные структуры размером около 2 мм в длину и 1 мм в ширину с массой 0,011 грамм, изготовлены из полипропилена с 20-процентным содержанием парамагнетика, что позволяет контролировать их движение. Подсчет частиц велся с помощью программы, обеспечивающей эффективную обработку видео и отслеживание движущихся объектов. В ходе работы для измерения магнитной индукции использовался портативный тесламетр «HT20», а определение и регулировка скорости потока осуществлялись с помощью преобразователя давления АИР-20/М2-Н (рисунок № 2), а для проведения эксперимента применялся магнит из редкоземельного сплава неодим-железо-бор с остаточной магнитной индукцией 1,22-1,26 Тл. Прибор АИР-20/М2-Н предназначен для измерения и непрерывного преобразования значений абсолютного и избыточного давления, разности давлений и гидростатического давления (уровня) как жидких, так и газообразных сред. Он также способен измерять избыточное давление и разрежение в газах, включая агрессивные среды, такие как газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси, а также среды, содержащие сероводород.

Экспериментальная установка была сконструирована для наглядной демонстрации возможности адресной доставки УМК и регулирования их движения. Система состоит из комплекса трубопроводов, обеспечивающих циркуляцию рабочей жидкости под контролем насосного оборудования. Регулирование скорости потока обеспечивается наличием датчика давления. Уникальной характеристикой данной конструкции является участок, имитирующий заколонное пространство скважины, что создает благоприятные условия для проведения различных опытов. Также были разработаны специализированные система сепарации газожидкостной смеси и система сбора частиц, используемая для вывода частиц из системы. В процессе исследования работа выполнялась на прямом участке этой системы по следующей методике:

Первый этап - подготовка системы

Перед запуском эксперимента была проведена калибровка системы, чтобы обеспечить стабильно заданные уровни давления и магнитной индукции.

Второй этап - запуск частиц

В количестве 200 шт. частицы были запущены в систему. Для каждого значения избыточного давления (30, 35, 40, 45, 50, 55 кПа) производился следующий набор операций:

· Установить необходимое давление с помощью манометра и регулятора давления.

· Включить магнитный источник, установив первую величину магнитной индукции (50 мТл) и зафиксировать ее в документации.

Третий этап - регистрация данных

После запуска частиц в систему:

· По окончании эксперимента производился подсчет количества частиц на выходе из системы с использованием программного обеспечения.

· Фиксировалось количество частиц, которые остались в зоне действия магнитного поля.

Четвертый этап - Изменение параметров

Процедура была повторена для всех заданных значений давления (30, 35, 40, 45, 50, 55 кПа) и для разных значений магнитной индукции (50, 60, 70, 80, 100 мТл).

Пятый этап - обработка данных

Собранные данные включали количество примагнитившихся частиц при каждом сочетании давления и магнитной индукции. Для анализа зависимостей:

· На основе полученных количеств примагнитившихся частиц строилась графическая зависимость количества примагнитившихся частиц от магнитной индукции для каждого значения давления.

· Данные были проанализированы с использованием статистических методов для выявления тенденций и зависимости.

· С помощью программы для каждого значения давления была определена средняя скорость частиц (таблица № 1).

Проведение экспериментов показало, что при положительном изменении магнитной индукции и различных значениях давления сохраняется устойчивая зависимость, в результате которой наблюдается значительное возрастание количества примагниченных частиц. Однако также были выявлены точки порога влияния магнитной индукции, при которых воздействия на частицы не наблюдалось; в частности, это значение составляло 60 мТл при давлениях 50 и 55 кПа. Результаты исследования были проанализированы и представлены на графике 1 и в таблице 3. Эти данные подтверждают, что изменение магнитного поля играет большую роль в процессе намагничивания, и подчеркивают важность оптимизации параметров для достижения эффективной работы УМК.

Заключение

В результате проведенного исследования было доказано, что управление движением умных микроконтейнеров с помощью магнитного воздействия осуществимо. Это подтверждает, что УМК обладают значительным потенциалом для применения в процессах, где важна адресная доставка различных компонентов. Эксперименты, проведенные на специально сконструированной установке, продемонстрировали, что изменение магнитной индукции и скорости потока жидкости оказывают заметное влияние на намагничивание и движение частиц, что открывает новые возможности для эффективного управления УМК в реальных условиях. Данные результаты подчеркивают важность дальнейших исследований, направленных на оптимизацию применения УМК. В перспективе планируется продолжение экспериментальных работ с использованием различных участков стенда, что позволит моделировать более сложные сценарии, отражающие реальные условия работы нефтепроводов и добывающих скважин. Это обеспечит более глубокое понимание поведения частиц в разных условиях и поможет повысить эффективность использования УМК в ряде отраслей, способствуя решению актуальных задач современной промышленности.

Литература

1. Сухоруков, Г. Б., Ерохин, В. В., Замрий, А. А., Викторова, Н. В. Умные микроконтейнеры. Транспортировка и переработка [Текст] / Г. Б. Сухоруков, В. В. Ерохин, А. А. Замрий, Н. В. Викторова // Нефть России. — 2019. — № . — С. 61-63.
2. Замрий А. В., Викторова Н. В. Умные микроконтейнеры [Текст] / Замрий А. В., Викторова Н. В. // Нефтегазовая вертикаль. — 2019. — № 10. — С. 27-31.
3. Никифоров В.Н. Биомедицинские применения магнитных наночастиц // Наука и технологии в промышленности. - 2011. - №1. - С. 90-99.
4. L. Mohammed, H. G. Gomaa, D. Ragab and J. Zhu, Particuology, 2017, 30, 1-14
5. S. Simeonova, N. Zahariev and B. Pilicheva Magnetic Nanoparticles for Targeted Drug Delivery // Journal of Physics and Technology. - 2019. - №2. - С. 38-43.
6. M. Ahmad, M.U. Minhas, M. Sohail, M. Faisal, H. Rashid, Comprehensive review on magnetic drug delivery systems: a novel approach for drug targeting, Journal of Pharmacy and Alternative Medicine 2 (2013) 13–21.
7. Антонов С. В., Аверина Ю. М., Замрий А. В., Черных С. П., Папушкина А. А., Негробов В. А., Зубарев Т. М. Способ подсчёта механических частиц в потоке жидкости с использованием цифровых алгоритмов обработки видео [Текст] / Антонов С. В., Аверина Ю. М., Замрий А. В., Черных С. П., Папушкина А. А., Негробов В. А., Зубарев Т. М. // Нефтегаз. — 2024. — № 8. — С. 40-45.
8. Замрий, А. В., Аверина, Ю. М., Черных, С. П., Папушкина, А. А., Ким, В. Р., Негробов, В. А. Совершенствование способа подсчета механических частиц в турбулентном потоке с использованием цифровых алгоритмов обработки видео. [Текст] / А. В. Замрий, Ю. М. Аверина, С. П. Черных, А. А. Папушкина, В. Р. Ким, В. А. Негробов // neftegaz.ru. — 2024. — № 12. — С. 84-90.