高寶元,鄭維師,范輝,牛永博,李欣,張仲寅

(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院,陜西 西安 710018;2. 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710018;3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第三采油廠桐寨作業(yè)區(qū),陜西 吳起 717064;4. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 長(zhǎng)北作業(yè)分公司,陜西 西安 710018)

油井結(jié)蠟是影響油井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的突出問(wèn)題之一,會(huì)加大油井懸點(diǎn)載荷,增加系統(tǒng)能耗,降低泵效,影響油井產(chǎn)量,甚至直接堵死油管,造成油井停產(chǎn)。油井防蠟是降低油井懸點(diǎn)載荷,節(jié)能降耗、延長(zhǎng)油井免修期的重要維護(hù)措施,因此迫切需要一種長(zhǎng)效的防蠟技術(shù),防止油井結(jié)蠟,減小管桿摩擦力、懸點(diǎn)載荷和負(fù)載電流[1]。目前油井防蠟的技術(shù)比較多,主要有熱洗清蠟、化學(xué)防蠟和強(qiáng)磁防蠟等。熱洗清蠟有效期短,容易污染油層,熱洗后排液影響油井產(chǎn)量,熱洗頻繁工作量大,增加了運(yùn)行成本。化學(xué)防蠟對(duì)加藥方法要求較高,若藥劑在產(chǎn)出液中含量不均勻,易造成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果不理想甚至無(wú)效;要求操作人員定時(shí)定量加藥。但清蠟劑多數(shù)含有機(jī)氯,在原油煉制過(guò)程中易造成設(shè)備腐蝕和催化劑中毒。清蠟劑屬于有毒有害物質(zhì),閃點(diǎn)低,易燃,不安全且易造成環(huán)境污染。強(qiáng)磁防蠟經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,永磁材料容易出現(xiàn)減弱或粉化,防蠟效果消失[2]。

新型油井電磁防蠟在線裝置是一種低成本、高效率的長(zhǎng)效性防蠟裝置,利用高性能變頻共振電磁轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生變頻強(qiáng)電磁場(chǎng),引起蠟分子的內(nèi)共振,導(dǎo)致蠟晶結(jié)構(gòu)與形狀發(fā)生變化,抑制了蠟分子的結(jié)晶過(guò)程,同時(shí)對(duì)已形成的蠟晶產(chǎn)生一定的破碎作用,從而達(dá)到防蠟的目的[3]。

1 電磁防蠟在線裝置簡(jiǎn)介

1.1 油井電磁防蠟原理

油井電磁防蠟系統(tǒng)主要由抽油機(jī)、輸油管線和輸油管線上安裝的電磁防蠟在線裝置構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 油井電磁防蠟系統(tǒng)示意

電磁防蠟在線裝置利用高性能變頻共振電磁轉(zhuǎn)換器,產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),其強(qiáng)大的電磁能量可極化前后碳鋼管線,并借助油管及管內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)磁性質(zhì),沿油管兩級(jí)方向,在油管內(nèi)部形成一個(gè)可以覆蓋任何流體成分的強(qiáng)磁場(chǎng),從而使上游和下游油管中的含油介質(zhì)均受到磁場(chǎng)影響。同時(shí),電磁防蠟在線裝置的激勵(lì)波發(fā)生器利用先進(jìn)的變頻電子技術(shù),控制磁場(chǎng)的頻率、脈寬和強(qiáng)度按某一規(guī)律進(jìn)行周期性變化。磁場(chǎng)變化的頻率可以覆蓋介質(zhì)中所有蠟質(zhì)及其他成分的自然頻率,原油中的蠟分子與交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)共振,導(dǎo)致蠟分子振動(dòng)頻率的增強(qiáng),分子之間的相互作用力減弱,進(jìn)而使蠟質(zhì)的聚集狀態(tài)改變,所結(jié)成的晶體破碎而彌散,最終達(dá)到油井井筒管柱防蠟和地面集輸管線防蠟降粘的目的[4]。

1.2 電磁防蠟在線裝置構(gòu)成

以電磁理論為基礎(chǔ),結(jié)合電磁技術(shù)和變頻技術(shù),開(kāi)發(fā)了一種具有突破性的油井防蠟新產(chǎn)品—油井電磁防蠟在線裝置。

該防蠟在線裝置由高性能電磁轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)組成。高性能電磁轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,在輸油管的外壁均勻繞有電磁線圈,電磁線圈的外側(cè)設(shè)有護(hù)套層,電磁線圈與護(hù)套層之間有填充料,電磁線圈的一端連接有接線端子,接線端子與護(hù)套層的外側(cè)整體套裝了外殼。護(hù)套層是由耐溫絕緣材料構(gòu)成,填充料是由絕緣材料澆鑄而成,用于避免現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)雨水漏入其中。法蘭盤(pán)用于實(shí)現(xiàn)與原有地面輸油管線或井口管線連接[5]。

圖2 高性能電磁轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意

控制系統(tǒng)由主電路單元、單片機(jī)控制單元、報(bào)警保護(hù)單元、接口單元以及電源組成,如圖3所示。主電路單元主要由整流器、濾波器和逆變器組成,整流器將單相工頻交流電整流成直流電,濾波器采用電容將整流器輸出的直流電進(jìn)行濾波,逆變器由功率模塊(IPM)構(gòu)成,輸出相應(yīng)頻率和寬度的方波電壓,將該電壓施加于電感線圈負(fù)載,產(chǎn)生變化的電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度;單片機(jī)控制單元通過(guò)軟件控制產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)作為逆變器的輸入信號(hào),同時(shí)接收IPM的短路、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等信號(hào),單片機(jī)控制單元發(fā)出中斷信號(hào),使逆變器停止工作。報(bào)警保護(hù)單元發(fā)出IPM的短路、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等信號(hào),并傳遞給單片機(jī)控制單元;接口單元主要由參數(shù)顯示和鍵盤(pán)輸入部分組成,而參數(shù)顯示可以動(dòng)態(tài)地顯示整個(gè)電磁防蠟器及其控制系統(tǒng)的工作情況;直流電源主要用于為該控制系統(tǒng)供電[6]。

圖3 油井電磁防蠟在線裝置控制系統(tǒng)架構(gòu)示意

電磁防蠟在線裝置安裝于井口輸油管線上,防蠟效果既作用于井下,同時(shí)又作用于地面流程,電磁轉(zhuǎn)換器的磁場(chǎng)可以在油管線內(nèi)向遠(yuǎn)處延伸,電磁場(chǎng)作用于原油后,可改變分子排列結(jié)構(gòu),使雜亂的蠟分子團(tuán)變成極化的穩(wěn)定分子鏈,使蠟分子電中性化,失去脫離溶液而析出的能力,從而達(dá)到防蠟的目的。分子之間的相互作用力減弱,進(jìn)而導(dǎo)致蠟質(zhì)的聚集狀態(tài)改變,所結(jié)成的晶體破碎同時(shí)磁場(chǎng)會(huì)降低原油溶液的黏度,增強(qiáng)流動(dòng)性,有利于原油在管線中的輸送[7]。

2 油井電磁防蠟在線裝置的使用方法

該防蠟在線裝置使用50 Hz,220 V交流電壓,輸出功率變頻可調(diào),功耗為0～600 W,溫度監(jiān)測(cè)范圍為0～100 ℃,壓力監(jiān)測(cè)范圍為0～20 MPa,流量監(jiān)測(cè)范圍為0～2 m3/h,使用環(huán)境為-30～50 ℃,連接方式采用法蘭連接,電磁轉(zhuǎn)換器尺寸為(1 200±20)mm。

油井電磁防蠟在線裝置使用步驟如下:

1)安裝。只需在油井井口處通過(guò)卡箍將油井電磁防蠟在線裝置安裝于油井與輸油管線間,安裝前要停機(jī),開(kāi)總電源開(kāi)關(guān),關(guān)閉油井閥門(mén),排空油水氣等介質(zhì)后,方可施工。安裝順序?yàn)槭紫葘⒃芫€切斷再焊接卡箍,然后安裝該防蠟在線裝置,最后調(diào)整緊固螺絲[8]。

2)啟動(dòng)。當(dāng)該裝置安裝完成后,按送電操作規(guī)程要求確認(rèn)安全后,將主電源空氣開(kāi)關(guān)合閘;觀察該在線裝置上的儀表、信號(hào)燈以及裝置內(nèi)是否正常,有無(wú)異常動(dòng)作;該裝置啟動(dòng)工作后,給油井電磁轉(zhuǎn)換器電感線圈提供變頻電壓,電感線圈開(kāi)始工作,電磁轉(zhuǎn)換器將電能變換成變化的電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)可以在管線內(nèi)向遠(yuǎn)處延伸,電磁場(chǎng)作用于原油后,可改變分子排列結(jié)構(gòu),使雜亂的分子團(tuán)變成極化的穩(wěn)定分子鏈,使蠟分子電中性化,使它失去脫離溶液而析出的能力,從而達(dá)到防蠟的目的。同時(shí)磁場(chǎng)會(huì)降低原油溶液的黏度,增強(qiáng)流動(dòng)性,有利于管線輸送[9]。

3)數(shù)據(jù)獲取。該裝置開(kāi)始工作后,數(shù)字化監(jiān)控室通過(guò)該裝置上的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端端口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,并配備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)井口壓力、溫度和流量檢測(cè)功能,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守[10]。

4)工作停止。當(dāng)油井電磁防蠟在線裝置出現(xiàn)故障后或不需要加熱時(shí),就地或數(shù)字化遠(yuǎn)程可以停止工作。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該裝置2022年在長(zhǎng)慶油田某采油作業(yè)區(qū)8口油井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,防蠟效果明顯。替代了頻繁熱洗、投加清蠟劑等技術(shù),經(jīng)濟(jì)效益顯著,油井懸點(diǎn)載荷平均下降了14.9%,系統(tǒng)效率年平均提高了5.6%,負(fù)載電流平均下降了17.83%,平均有功節(jié)電率為19.8%,平均無(wú)功節(jié)電率為12.7%,平均綜合節(jié)電率為18.7%,平均日節(jié)約電為22.8 kW·h。另外,水驅(qū)油井熱洗周期大幅度延長(zhǎng),油井平均熱水洗井周期由原來(lái)30 d延長(zhǎng)到了180 d;平均加藥時(shí)間周期由原來(lái)7 d延長(zhǎng)到了150 d。該裝置的應(yīng)用對(duì)提高油田經(jīng)濟(jì)效益具有積極作用,同時(shí)能在線監(jiān)測(cè)井口原油的溫度、壓力和流量,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用該裝置與常用防蠟技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)維護(hù)率低。該裝置與化學(xué)清防蠟相比,維護(hù)工作量小,不受雨雪天氣等惡劣環(huán)境的影響,同時(shí)也不受道路、機(jī)械故障的影響,解決了路途遠(yuǎn)和路況差,油井的加藥和熱洗作業(yè)難的問(wèn)題。

2)沒(méi)有副作用。從井口加入化學(xué)清蠟劑會(huì)殘留在原油中,同時(shí)對(duì)環(huán)境有污染。而采用該裝置沒(méi)有副作用,防蠟效率高,具有作用時(shí)間長(zhǎng)、使用方便、功率小、節(jié)能環(huán)保、安全可靠等特點(diǎn)。省去或減少阻垢劑、緩蝕劑等化學(xué)藥品的使用,也減少了人工成本,應(yīng)用前景十分廣闊[12]。

3)效率高。采用該裝置后,減少了抽油機(jī)負(fù)載電流、有功功率和無(wú)功功率,降低了電網(wǎng)損耗和電費(fèi)支出[13]。