油井變頻電磁場防蠟機理研究*

賀亞維

(延安大學 石油工程與環境工程學院，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。各組分烴的相態隨著其所處狀態(溫度和壓力)不同而變化，呈現出液相、氣液兩相或氣液固三相。其中的固相物質主要是碳原子個數為16 ～64 的烷烴(即C16H34～C64H130)，這種物質叫石蠟。純石蠟為白色、略帶透明的結晶體，在油藏條件下一般為溶解狀態，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，溶解的石蠟便以結晶體析出、長大聚集和沉積在管壁等固相表面上，即出現所謂的結蠟現象［1］。

中國大部分油田都含石蠟，結蠟現象普遍存在，有些油田尤為嚴重［2-3］。油井結蠟給自噴井帶來的危害是使出油管道直徑縮小甚至堵死，從而使油井產量遞減甚至停產。對于有桿泵采油井，結蠟使出油管道內徑縮小，還會使深井泵失靈，嚴重時會使泵卡死，損壞抽油設備。抽油機、抽油桿在結蠟情況下長期運行，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發生結蠟現象，會堵塞油流通道，降低油井生產能力，減少油井產量。油井因結蠟而產生的修井作業比例極高，直接影響了油田企業的經濟效益。因此，防蠟工作必須引起高度重視。

防蠟方法多種多樣，油田現場使用較多的方法主要有化學防蠟技術［4-5］、表面能防蠟技術［6］、微生物防蠟技術［7-8］、聲波防蠟技術［9］等?，F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及其機理研究

電磁場防蠟技術是近年來出現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，減少結蠟的一種防蠟技術。該技術具有節能，沒有污染，施工方便，成本較低的優點。變頻電磁防蠟器現場安裝情況如圖1 所示。

圖1 變頻電磁防蠟器現場安裝示意圖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，在各個領域都有非常廣泛的應用［10］。電磁場防蠟技術的機理問題，目前用很多的經典理論沒法解釋清楚，有時候甚至出現相互的矛盾。國內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，液流經過磁場處理之后表現出來的很多現象解釋不通，因此至今也沒能有一個完整的關于電磁場處理技術的機理解釋。通過文獻的調研，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生翻轉現象，不會被推向管壁處，減少蠟分子之間的碰撞結晶，進一步影響蠟晶的聚結長大，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

振蕩電路產生的變化電場經過纏繞在鋼管上的線圈產生振蕩的磁場，防蠟器和相連的管路形成一個閉合的電磁場回路，激發出的電磁波就會在場中發射和傳播。若有極性帶電粒子在場中經過的話，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晶，并破壞了蠟晶網狀結構的生成。

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，使得電子繞核出現瞬時的偏移，電子帶負電荷，原子核帶正電荷，兩者發生相互位移的結果就會產生一個瞬時偶極。由于瞬時偶極的取向不同，在相互靠近的石蠟分子之間產生色散力之后，在磁場的作用下，石蠟分子會發生相互吸引。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生聚集凝結。當溫度繼續降低到析蠟點以下，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

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

1.5 波動理論

麥克斯韋發現光也是一種電磁波，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化，當電流變化時就會產生激發的震蕩磁場，在一個系統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，很難發生分子間的聚集形成蠟晶，已經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是利用防蠟激勵源釋放出電信號，經過導線傳送到螺線管線圈(線圈匝數為2 500 匝，管長30 cm，管徑7 cm 左右)，之后發生電磁轉化，在螺線管內外產生電磁場，根據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，根據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。

實驗時優選電流值為2，2.4，2.8，3.0，3.4 A，頻率在0 ～500 Hz 范圍內選擇50，100，200，300，500 Hz.線圈匝數2 500 匝，長約30 cm，螺線管內徑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下的電壓峰值(mV)為優選電磁防蠟的工作參數依據。通過融蠟實驗和顯微鏡實驗來確定最優化的參數。

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，將經過電磁激勵源處理一段時間之后的油樣與未經過電磁處理的油樣中的蠟塊質量做對比，比較蠟的溶化情況，進而比較哪一種工作參數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選參數。油樣經電磁處理后，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的太大，這和現場以及文獻的實驗結論也是相吻合的，并不是電流值、電壓值越大越好。電流超過4 A 之后就很容易發生短路。本實驗是在多次失敗的嘗試之后優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，每次數據都會記錄最少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為實驗前蠟的質量;M2為試驗后蠟的質量。

2.1.3 實驗數據及分析

試驗中選用柴油作為溶劑，蠟塊是用模型統一制作的，每個小蠟塊質量均為0.5g 左右，形狀是規則的圓柱形，表面粗糙度也基本一致，這樣就可以保證熔蠟條件相同。實驗數據見表1，2.

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

對以上實驗數據進行分析可以得出以下結論

1)通過調整變頻電磁防蠟器的各項參數，可以發現在一定的電流范圍內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下滑，呈現過山車似的變化。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 處理效果就出現了下滑，因而可以確定電流值最優為3.2 A;

2)相同電流情況下，低頻段(50，100 Hz)工作參數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，用來驗證以上結論是否正確。

按照試驗安排，激勵源優選電流為3.2 A，準備3 份油樣，分別經過50，100 Hz 進行電磁處理，另有一份油樣不經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，不同參數下的顯微鏡視圖如圖2 所示。

圖2 不同參數下的的顯微照片Fig.2 Micrograph of different parameters

通過顯微鏡觀察結果可以看到，未經過電磁處理的油樣其蠟晶結構比較粗大且排列緊密，經過電磁處理的幾份油樣其蠟晶結構細小并且分散，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，又以參數為50 Hz 的時候效果最好。

3 變頻電磁場防蠟技術現場應用及結果

3.1 現場應用狀況

2012 年，在長慶三廠五里灣一區三口井進行了試驗，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、懸點載荷等數據進行了分析，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 試驗結果分析

1)通過選擇適合的參數，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，節省了電能，降低了消耗，有利于油田經濟效益的提高;

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境傷害，具有廣闊的應用前景。

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