羅慶梅, 王軍星, 鄢長頡, 張軍斌, 王智勇, 潘 昊, 張 波, 鐘 英, 李 丹, 張振海

(1長慶油田采油一廠 2山東廣聚德機(jī)電設(shè)備制造有限公司)

一、變頻電磁防垢的機(jī)理

1.極性活化理論

水分子是一種極性分子，在它受到變頻電磁場的作用時(shí)，電磁力對其反復(fù)作用而極化，使得水分子震動(dòng)、變形，當(dāng)達(dá)到共振的頻率，震動(dòng)幅度加大，在這種大振幅的作用下，大團(tuán)的水分子(H2O)n將會(huì)被分離成單個(gè)水分子和雙水分子(H2O)2。單個(gè)分子的增加改善了水的運(yùn)動(dòng)型，使CaCO3晶體析出的時(shí)間延后，不易形成堅(jiān)硬的水垢。

通常情況下，Ca2+、Mg2+、Ba2+多以離子形式存在于水中。在變頻電磁場電磁力的作用下，這些離子中的電子圍繞著原子核，分布于不同的能級階層中，電磁力作用于不同能級結(jié)構(gòu)的電子，使其電子從一個(gè)能級躍變到另一個(gè)能級，從而改變其晶體結(jié)構(gòu)；由于晶體結(jié)構(gòu)的改變，晶粒間結(jié)合力消解、分散，Ca2+、Mg2+、Ba2+等離子懸浮于水溶液中而不會(huì)形成水垢，在電磁場作用下，即使有少量水垢生成，也不會(huì)是堅(jiān)實(shí)致密的長方石結(jié)晶形態(tài)的水垢，而是質(zhì)地松軟、附著力較弱且輕易可除去的文石垢[3]。

2.變頻共振理論

大千世界中的所有物質(zhì)，均在進(jìn)行著不同的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)兩種不同的物質(zhì)相互作用，頻率相同時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。變頻電磁場作用于含有不同離子濃度的水時(shí)，可以引發(fā)水分子的共振，使水分子團(tuán)變成單個(gè)極性水分子，增加水的活性和溶解度，水分子可以疏松、滲透、溶解垢。同時(shí)，水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等離子的運(yùn)動(dòng)頻率與變頻電磁場的頻率相吻合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生同頻共振現(xiàn)象，離子的震動(dòng)幅度增大，當(dāng)振幅達(dá)到一定程度，大團(tuán)的離子團(tuán)被震散，減少垢的形成。

不同條件下水的溫度、硬度、黏度、pH值等不同，其物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的頻率就不同，所以其共振頻率也不可能相同[4-5]。因此，采用變頻電磁技術(shù)能夠使不同水質(zhì)條件下的水分子或垢離子產(chǎn)生共振，從而達(dá)到防垢的效果。

二、變頻電磁防垢室內(nèi)試驗(yàn)

1.試驗(yàn)流程裝置

變頻電磁防垢試驗(yàn)流程由變頻器、水泵、變頻電磁激勵(lì)電源、激勵(lì)線圈、恒溫水浴、實(shí)驗(yàn)掛片、水箱、管線等組成，其示意圖如圖1。

圖1 變頻防垢室內(nèi)試驗(yàn)流程

2.室內(nèi)試驗(yàn)效果

根據(jù)采集的油田結(jié)垢區(qū)塊水的物性在實(shí)驗(yàn)室配置相應(yīng)濃度礦化度的水，模擬油井內(nèi)的溫度工況，在礦化度為15 000～65 000 mg/L等不同的條件下，分批次進(jìn)行了室內(nèi)掛片防垢實(shí)驗(yàn)，計(jì)算其阻垢率。

根據(jù)油井現(xiàn)場水溶液的礦化度，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)對比，設(shè)計(jì)考慮設(shè)備通用性原則等因素，選用線圈段數(shù)4段、各段間距50 mm、匝數(shù)50×4、掃頻范圍80～20 kHz、信號幅度9.5 Vpp等參數(shù)，阻垢效果比較好(見表1)。

表1 掛片室內(nèi)試驗(yàn)阻垢率

3.電磁防垢裝置的研發(fā)

按照試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)，研制電磁防垢裝置，裝置主體由連接接箍、中心管、電磁轉(zhuǎn)換部分、電纜插頭、電纜及控制柜等組成，見圖2。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)組成圖

三、電磁防垢現(xiàn)場試驗(yàn)及效果評價(jià)

1.現(xiàn)場安裝情況

變頻電磁防垢裝置安裝于井組匯管流程上，通過管線將電磁場傳遞到井筒和地面管線，實(shí)現(xiàn)對井下油管及地面管線的防垢，見圖3。

圖3 變頻電磁防垢裝置現(xiàn)場安裝圖

2.現(xiàn)場安裝井組情況

該技術(shù)在室內(nèi)試驗(yàn)取得效果的基礎(chǔ)上，在吳堡作業(yè)區(qū)山101擴(kuò)、午371-97、山026-43擴(kuò)結(jié)垢嚴(yán)重的三個(gè)井組進(jìn)行了防治結(jié)垢技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表2。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)井組情況

3.試驗(yàn)效果評價(jià)

在三個(gè)井組安裝電磁防垢裝置后，選取其中檢泵的8口井評價(jià)其防垢效果，油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)平穩(wěn)，井組回壓由平均1.1 MPa下降到目前的平均0.7 MPa，結(jié)垢速度由0.3 mm/月減少到0.13 mm/月，油井熱洗周期有所延長，檢泵周期延長167 d，防垢效果比較明顯，實(shí)現(xiàn)了地面管線與井筒防垢一體化，減少了油田運(yùn)行成本，提高了油田生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益,見表3。

表3 現(xiàn)場試驗(yàn)效果對比表

吳堡作業(yè)區(qū)午371-97井組的山016-391井，生產(chǎn)層位為長4+5,日產(chǎn)液4.23 m3,含水75.2%,礦化度65 000 mg/L。由于礦化度高，導(dǎo)致油井結(jié)垢，井口以下211～236根管柱結(jié)垢嚴(yán)重，油井生產(chǎn)6個(gè)月左右，因結(jié)垢進(jìn)行修井作業(yè)，起出管柱后，發(fā)現(xiàn)抽油泵泵閥處因結(jié)垢堵死油流通道，油井不能正常生產(chǎn)；從油井作業(yè)起出的油井管柱可知，實(shí)施變頻電磁防垢措施前，油井管柱因?yàn)榻Y(jié)垢，表面為白色，刮一下管柱，有大片的垢片脫落。

根據(jù)油井因結(jié)垢導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間短的實(shí)際生產(chǎn)狀況，對此井實(shí)施了變頻電磁防垢措施。實(shí)施變頻電磁防垢技術(shù)后，修井提出抽油桿觀察，結(jié)垢情況明顯減少，油井正常運(yùn)行時(shí)間由6個(gè)月提高到15個(gè)月，效率提高了1.5倍。

四、認(rèn)識與結(jié)論

(2)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)表明,變頻電磁防垢技術(shù)可以有效防止含有結(jié)垢離子中水溶液中垢的形成。

(3)經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用,油井在高礦化度的條件下，變頻電磁防垢技術(shù)可以防止油井中垢片的形成，提高油井正常運(yùn)行的周期和油井生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)與以往的防垢技術(shù)相對比，電磁防垢時(shí)效性更長，不受地層因素影響，防垢效果更明顯，安全風(fēng)險(xiǎn)小，該裝置防垢距離較長，實(shí)現(xiàn)了地面管線-井筒防垢技術(shù)一體化。