賀亞維

(延安大學 石油工程與環(huán)境工程學院，陜西 延安716000)

0 引 言

石油主要是由各種組分的烴(碳氫化合物)組成的多組分混合物。各組分烴的相態(tài)隨著其所處狀態(tài)(溫度和壓力)不同而變化，呈現(xiàn)出液相、氣液兩相或氣液固三相。其中的固相物質(zhì)主要是碳原子個數(shù)為16 ～64 的烷烴(即C16H34～C64H130)，這種物質(zhì)叫石蠟。純石蠟為白色、略帶透明的結(jié)晶體，在油藏條件下一般為溶解狀態(tài)，隨著溫度的降低其在原油中的溶解度降低，同時油越輕對蠟的溶解能力也越強。對于溶有一定量石蠟的原油，在開采過程中，隨著溫度、壓力的降低和氣體的析出，溶解的石蠟便以結(jié)晶體析出、長大聚集和沉積在管壁等固相表面上，即出現(xiàn)所謂的結(jié)蠟現(xiàn)象［1］。

中國大部分油田都含石蠟，結(jié)蠟現(xiàn)象普遍存在，有些油田尤為嚴重［2-3］。油井結(jié)蠟給自噴井帶來的危害是使出油管道直徑縮小甚至堵死，從而使油井產(chǎn)量遞減甚至停產(chǎn)。對于有桿泵采油井，結(jié)蠟使出油管道內(nèi)徑縮小，還會使深井泵失靈，嚴重時會使泵卡死，損壞抽油設(shè)備。抽油機、抽油桿在結(jié)蠟情況下長期運行，會增加運行負荷，影響使用成本與效率。在射孔井段附近地層內(nèi)發(fā)生結(jié)蠟現(xiàn)象，會堵塞油流通道，降低油井生產(chǎn)能力，減少油井產(chǎn)量。油井因結(jié)蠟而產(chǎn)生的修井作業(yè)比例極高，直接影響了油田企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，防蠟工作必須引起高度重視。

防蠟方法多種多樣，油田現(xiàn)場使用較多的方法主要有化學防蠟技術(shù)［4-5］、表面能防蠟技術(shù)［6］、微生物防蠟技術(shù)［7-8］、聲波防蠟技術(shù)［9］等?，F(xiàn)場實踐表明，這些防蠟方法雖然可以起到一定的防蠟效果，但存在著施工復雜、工作量大、費用高，需頻繁進行施工等缺點。

1 變頻電磁場防蠟技術(shù)及其機理研究

電磁場防蠟技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項新的物理法防蠟方法，是利用電磁場裝置對長途管線運輸中含蠟原油進行處理，達到降低原油的粘度，提高流動性，減少結(jié)蠟的一種防蠟技術(shù)。該技術(shù)具有節(jié)能，沒有污染，施工方便，成本較低的優(yōu)點。變頻電磁防蠟器現(xiàn)場安裝情況如圖1 所示。

圖1 變頻電磁防蠟器現(xiàn)場安裝示意圖Fig.1 Variable frequency electromagnetic field installation diagram of wax

電磁場理論體系是一個相當大的物理學分支體系，在各個領(lǐng)域都有非常廣泛的應用［10］。電磁場防蠟技術(shù)的機理問題，目前用很多的經(jīng)典理論沒法解釋清楚，有時候甚至出現(xiàn)相互的矛盾。國內(nèi)外的專家學者圍繞這一棘手問題做了大量研究工作，但由于磁處理的復雜性，液流經(jīng)過磁場處理之后表現(xiàn)出來的很多現(xiàn)象解釋不通，因此至今也沒能有一個完整的關(guān)于電磁場處理技術(shù)的機理解釋。通過文獻的調(diào)研，整理了幾個比較主流的機理解釋。

1.1 磁致分子取向排列理論

原油中的分子由于分子熱運動的原因而非常無序的運動和分布著。原油在流動過程中會受到一些因素的影響，比如管壁的摩擦阻力以及原油的粘滯性等，這些影響因素使得管線中原油的流速呈現(xiàn)中間高邊緣低的趨勢，即管線中央的液流速度明顯高于管線邊緣處的液流速度。這樣的液流流速狀況會產(chǎn)生一個比較大的力矩作用在因熱運動而變的無序的分子上，導致那些蠟分子被翻轉(zhuǎn)并且推向管壁處，隨著時間的積累，聚集在管壁上面的蠟也慢慢增多，達到一定程度就會阻礙原油的流動過程，最終阻塞管道，嚴重影響油田的正常生產(chǎn)過程。蠟分子是抗磁性的，電磁場的作用不會改變蠟分子的抗磁性，但是卻可以使磁場作用的平面與蠟分子平面相互垂直，進而影響蠟分子不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，不會被推向管壁處，減少蠟分子之間的碰撞結(jié)晶，進一步影響蠟晶的聚結(jié)長大，大量的蠟分子將會被原油帶走，因此能夠有效的抑制蠟晶的沉淀析出，達到電磁防蠟的效果［11］。

1.2 極化理論

振蕩電路產(chǎn)生的變化電場經(jīng)過纏繞在鋼管上的線圈產(chǎn)生振蕩的磁場，防蠟器和相連的管路形成一個閉合的電磁場回路，激發(fā)出的電磁波就會在場中發(fā)射和傳播。若有極性帶電粒子在場中經(jīng)過的話，必將受到電磁場的作用［12］。在電場力和洛侖茲力、蠟分子間的范德華力、分子間熱運動和布朗運動共同作用下阻止了蠟的結(jié)晶，并破壞了蠟晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生成。

1.3 分子間色散力理論

石蠟分子是非極性分子，色散力是分子間相互作用最主要的力。電子繞原子核不停地做高速的環(huán)繞運動，由于磁場的作用，會影響到電子的運動軌跡，使得電子繞核出現(xiàn)瞬時的偏移，電子帶負電荷，原子核帶正電荷，兩者發(fā)生相互位移的結(jié)果就會產(chǎn)生一個瞬時偶極。由于瞬時偶極的取向不同，在相互靠近的石蠟分子之間產(chǎn)生色散力之后，在磁場的作用下，石蠟分子會發(fā)生相互吸引。溫度越高，分子間的熱運動就越劇烈，分子間距離也會因為不規(guī)則的無序運動而拉大;相反當溫度降低時，分子間距離也會隨之而拉近，趨近于聚集，在分子間作用力下分子發(fā)生聚集凝結(jié)。當溫度繼續(xù)降低到析蠟點以下，蠟晶逐漸析出。蠟分子在外加磁場作用下形成電子環(huán)流影響到電子繞原子核運動的軌跡曲線，分子間作用力受到感應磁場的影響進而會影響到瞬時偶極，分子間色散力也會在此影響下被削弱，最終使石蠟分子間的聚集程度降低，有效的減弱了蠟晶的生成和聚集析出［13-14］。

1.4 變頻共振理論

由于不同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)各不相同，其固有的振動頻率也會不同。對需要處理的物質(zhì)施加一個與其分子振動一致的外加磁場，就會引發(fā)共振現(xiàn)象［15］。分子內(nèi)部的共振會誘發(fā)點偶極矩，影響到分子間的共價鍵，甚至會破壞分子共價鍵，從而導致分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。原油中的蠟分子在外加磁場的作用之下，引發(fā)蠟分子內(nèi)部的共振發(fā)生，最終會破壞蠟分子之間的共價鍵，影響蠟分子的結(jié)構(gòu)，達到抑制蠟晶析出的目的，并且能夠破壞已經(jīng)形成的蠟晶集合，最終達到防蠟清蠟的目的。

1.5 波動理論

麥克斯韋發(fā)現(xiàn)光也是一種電磁波，是在以波的形式高速傳播運行，電磁場也是如此。電磁之間可以相互轉(zhuǎn)化，當電流變化時就會產(chǎn)生激發(fā)的震蕩磁場，在一個系統(tǒng)中同時存在著電場和磁場，在洛倫茲力跟電場力的相互作用下，激發(fā)出管線的振動，振動的傳播速度在剛體中比在液體中要快的多，而且衰減程度也遠遠低于在流體中的衰減。這樣，在電場力、洛倫茲力以及管壁機械振動的共同影響下，通過管線的原油會受到影響，原油中的蠟分子在這三者的共同作用下，很難發(fā)生分子間的聚集形成蠟晶，已經(jīng)形成的蠟晶聚集長大的程度也會受到削弱，最終達到有效抑制蠟晶析出沉淀的目的［16-19］。

2 變頻電磁場防蠟參數(shù)的實驗研究

變頻電磁場防蠟器示由變頻電磁場感應器和激勵源組成。變頻電磁場防蠟技術(shù)是利用防蠟激勵源釋放出電信號，經(jīng)過導線傳送到螺線管線圈(線圈匝數(shù)為2 500 匝，管長30 cm，管徑7 cm 左右)，之后發(fā)生電磁轉(zhuǎn)化，在螺線管內(nèi)外產(chǎn)生電磁場，根據(jù)麥克斯韋的電磁理論原理，磁場的強度決定于線圈的直徑、電流強度以及線圈匝數(shù)，根據(jù)長期以來的理論及實驗研究，本次實驗的電磁場強度選擇在50mT 以內(nèi)。

實驗時優(yōu)選電流值為2，2.4，2.8，3.0，3.4 A，頻率在0 ～500 Hz 范圍內(nèi)選擇50，100，200，300，500 Hz.線圈匝數(shù)2 500 匝，長約30 cm，螺線管內(nèi)徑6.8 cm，外徑7.5 cm. 電磁激勵源外接示波器、探頭。以示波器顯示的激勵源在各個參數(shù)下的電壓峰值(mV)為優(yōu)選電磁防蠟的工作參數(shù)依據(jù)。通過融蠟實驗和顯微鏡實驗來確定最優(yōu)化的參數(shù)。

2.1 溶蠟試驗

2.1.1 實驗原理

溶蠟實驗的原理是將蠟放置于柴油油樣中，將經(jīng)過電磁激勵源處理一段時間之后的油樣與未經(jīng)過電磁處理的油樣中的蠟塊質(zhì)量做對比，比較蠟的溶化情況，進而比較哪一種工作參數(shù)對蠟的溶化效果最佳，通過測量電磁場處理前后溶蠟量的變化來優(yōu)選參數(shù)。油樣經(jīng)電磁處理后，若溶蠟

量增多，則說明電磁場對溶蠟柴油起到了有效的防蠟作用。溶蠟量越多，對應的防蠟效果越好。

2.1.2 實驗方法

新型大功率變頻電磁場防蠟激勵源的電流范圍是0 ～5 A，電壓范圍是0 ～100 V，在實際操作過程中不能調(diào)的太大，這和現(xiàn)場以及文獻的實驗結(jié)論也是相吻合的，并不是電流值、電壓值越大越好。電流超過4 A 之后就很容易發(fā)生短路。本實驗是在多次失敗的嘗試之后優(yōu)選出來了以下幾個電流值做進一步實驗:2，2.4，2.8，3.0，3.2，3.4 A.在每一個電流值情況下，分別改變頻率為50，100，200，300，500 Hz，為盡量減小實驗誤差，每次數(shù)據(jù)都會記錄最少3 次，取平均值之后進行最終的計量比較。實驗時，準備6 個小燒杯，編號1，2，3，4，5，6.1 號是對比樣品，不做處理，2 號燒杯對應50 Hz，3 號燒杯對應100 Hz，4 號燒杯對應200 Hz，5號燒杯對應300 Hz，6 號燒杯對應500 Hz.用電子天平稱量10 g 柴油，一一記錄下投入到各個燒杯中的小蠟塊質(zhì)量。分別采取靜置在管中央處理一分鐘，以及來回穿行一分鐘(選15 次)做實驗對比，得到最終溶蠟率。

熔蠟率可以用以下公式計算

其中 M1為實驗前蠟的質(zhì)量;M2為試驗后蠟的質(zhì)量。

2.1.3 實驗數(shù)據(jù)及分析

試驗中選用柴油作為溶劑，蠟塊是用模型統(tǒng)一制作的，每個小蠟塊質(zhì)量均為0.5g 左右，形狀是規(guī)則的圓柱形，表面粗糙度也基本一致，這樣就可以保證熔蠟條件相同。實驗數(shù)據(jù)見表1，2.

表1 不同電流值參數(shù)下的熔蠟率Tab.1 Wax melting rate underdifferent current parameter

對以上實驗數(shù)據(jù)進行分析可以得出以下結(jié)論

1)通過調(diào)整變頻電磁防蠟器的各項參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)在一定的電流范圍內(nèi)隨著電流值的增大防蠟效果會更好，但是超過一定限度就會出現(xiàn)下滑，呈現(xiàn)過山車似的變化。在本次溶蠟實驗中分水嶺即為3.2 A，在3.2 A 以前電流起正作用，超過了3.2 A 處理效果就出現(xiàn)了下滑，因而可以確定電流值最優(yōu)為3.2 A;

2)相同電流情況下，低頻段(50，100 Hz)工作參數(shù)的處理效果明顯好過高頻段，也就是說并不是頻段越高效果越好。

表2 不同頻率下的熔蠟率Tab.2 Wax melting rate under different frequency parameter

2.2 顯微鏡試驗

在以上實驗的基礎(chǔ)上，選擇電流為3.2 A，頻率分別為50，100 Hz 的電磁場做進一步的對比試驗，用來驗證以上結(jié)論是否正確。

按照試驗安排，激勵源優(yōu)選電流為3.2 A，準備3 份油樣，分別經(jīng)過50，100 Hz 進行電磁處理，另有一份油樣不經(jīng)過電磁場的處理作為對比。配置15%的溶蠟柴油，待蠟完全溶解后，經(jīng)過電磁場處理，在顯微鏡下觀察蠟晶的變化情況，拍下照片。如果蠟晶的尺寸比較小且分散，說明電磁處理是有效果的，并且越小越分散，則電磁防蠟效果越好;反之，如果電磁處理之后效果不明顯，則會出現(xiàn)蠟晶比較粗大，分布致密的情況。實驗中使用GALEN-Ⅲ型生物顯微鏡，不同參數(shù)下的顯微鏡視圖如圖2 所示。

圖2 不同參數(shù)下的的顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrograph of different parameters

通過顯微鏡觀察結(jié)果可以看到，未經(jīng)過電磁處理的油樣其蠟晶結(jié)構(gòu)比較粗大且排列緊密，經(jīng)過電磁處理的幾份油樣其蠟晶結(jié)構(gòu)細小并且分散，說明防蠟激勵源起到了很好的抑制效果;在處理的兩份油樣中，又以參數(shù)為50 Hz 的時候效果最好。

3 變頻電磁場防蠟技術(shù)現(xiàn)場應用及結(jié)果

3.1 現(xiàn)場應用狀況

2012 年，在長慶三廠五里灣一區(qū)三口井進行了試驗，試驗井的含蠟量在24% ～29%之間，試驗前后洗井周期見表3.

表3 電磁防蠟裝置試驗效果對比Tab.3 Electromagnetic paraffin prevention test result contrast

另外，還對試驗井的回壓、上下行電流、懸點載荷等數(shù)據(jù)進行了分析，進一步評價井口電磁防蠟器的應用效果，試驗結(jié)果如圖3 ～5 所示。

圖3 安裝電磁防蠟裝置回壓變化圖Fig.3 Changes of back pressure after installation

圖4 安裝電磁防蠟器前后懸點載荷變化曲線Fig.4 Curve for polished rod load contrast

圖5 安裝電磁防蠟裝置作業(yè)前后抽油桿照片對比Fig.5 Comparison picture of the sucker rod pictures before and after installation

3.2 試驗結(jié)果分析

1)通過選擇適合的參數(shù)，電磁防蠟器能有效地起到防蠟的作用，延長油井的洗井周期，提高油井的生產(chǎn)效率;

2)使用電磁防蠟器后油井的回壓及抽油機的懸點載荷降低，節(jié)省了電能，降低了消耗，有利于油田經(jīng)濟效益的提高;

3)電磁防蠟器便于安裝和維修，在使用過程中不會造成任何的環(huán)境傷害，具有廣闊的應用前景。

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