潛油電泵機組變頻電磁防垢除垢儀研制與試驗

白俊，李云峰，鄒萬勤，謝祥恩，王曉飛

潛油電泵機組變頻電磁防垢除垢儀研制與試驗

白俊，李云峰，鄒萬勤，謝祥恩，王曉飛

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

在油田潛油電泵機組生產過程中，垢經常導致潛油電泵葉輪流道阻塞、泵效降低、油井產液量下降。本文通過對變頻電磁場防垢除垢的機理進行分析，研制了一種適用于油田潛油電泵機組的變頻電磁防垢除垢儀。在運行電流3 A、掃頻頻率160～240 kHz、線圈匝數30匝的最佳工藝參數條件下，室內試驗連續運行20天，對碳酸鈣（鎂）垢和硫酸鈣（鎂鋇）垢的阻垢率可達到90.17%；自油田現場投運以來，在未使用化學防垢劑和除垢劑的條件下，潛油電泵井的結垢量和結垢速率明顯下降，機組連續運行時間提高了30%以上，有效實現了防垢除垢、延長機組運行時間、降低油田生產成本的目的。

潛油電泵；變頻；電磁；防垢除垢

在油田生產過程中，垢主要存在于地層、近井、井筒以及生產處理設備等部位[1]，如井下潛油電泵機組、油管內壁、井筒、注水井套管、集輸管線、閥門、油水處理系統、各種罐體及泵類等。油田主要的垢型有碳酸鹽垢、硫酸鹽垢、鐵沉積垢、硅沉積垢、硫垢、磷酸垢等[2]。其中最常見的是碳酸鈣（鎂）垢和硫酸鈣（鎂）垢；危害最大、最難去除的是硫酸鋇垢和硫酸鍶垢[3]。垢經常導致潛油電泵葉輪流道阻塞、泵效降低、油井產液量下降，同時垢層脫落還會造成潛油電泵機組磨損或卡泵[4]，影響潛油電泵機組長時間連續工作，縮短了檢泵周期，增加了檢泵次數和油田生產成本。為了解決潛油電泵機組結垢問題，油田常采用注入防垢劑、除垢劑的化學方法[5]，但藥劑費用較高；其他的物理方法，如電磁場防垢、超聲波防垢、金屬防垢等，因自身工藝技術的缺陷，現場應用中，特別是在防治硫酸鋇垢和硫酸鍶垢時，效果欠佳。

變頻電磁防垢除垢是電磁場防垢技術的一種，近幾年廣泛應用于鍋爐循環水、油田生產污水等防垢除垢領域。根據活性極化理論、氫鍵彎曲理論和變頻共振理論[6]可知，在外加變頻電磁場作用下，水分子發生極化引起水分子團產生振動，當振動頻率與外加電磁場達到一致時，氫鍵發生彎曲甚至斷裂，水分子團離解成極性極強的單個水分子H2O或雙水分子(H2O)2，提高了水的活化性，并通過占據流體內大量的空隙間隔，抑制了垢的生成，延緩了垢晶體的析出時間和成長速率。同時，水中的鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、碳酸根離子等在電磁力作用下發生極化，離子與離子之間產出排斥現象或碰撞生成一種比較穩定的“離子締合體”[7]，使得成垢離子在流體中懸浮，減少了相互聚結并依附在管壁形成垢結晶的幾率，從而起到防垢的作用。另外，經電磁場處理后的水，其表面張力提高、溶解性和滲透性增強，促使單個水分子或雙水分子容易滲透到微小間隙的垢層內，改變垢晶體結構，逐漸使垢層軟化、開裂、脫落，從而實現除垢的目的。

本文通過對變頻電磁場防垢除垢機理進行分析，研制了一種適用于油田潛油電泵機組的變頻電磁防垢除垢儀，解決了潛油電泵機組運行過程中結垢問題，延長了潛油電泵機組連續運行時間和檢泵周期、降低了油田生產成本。

1 方案設計

1.1 結構設計

變頻電磁防垢除垢儀由井下環空管、多芯鋼絲電纜和地面二次儀表組成[8]，如圖1所示。

1.2 電氣設計

井下環空管內筒體外壁上部以及下部分別緊密纏繞有1#線圈和2#線圈，兩組線圈匝數相同、繞向一致；且分別與1#驅動器、2#驅動器的信號輸出端d1和d2連接。井下電源分配器的電源輸入端a通過井下電纜密封接頭與多芯鋼絲電纜中的供電導線連接；井下電源分配器電源輸出端b1、b2和b3分別與井下微處理器、井下調質解調器、1#驅動器和2#驅動器的電源輸入端a連接，并向連接的電路提供相應電壓等級的直流電源。井下調質解調器的信號輸入端c通過井下電纜密封接頭與多芯鋼絲電纜中的通訊導線連接并進行雙向通訊；井下調質解調器的信號輸出端d與井下微處理器的信號輸入端c連接并進行雙向通訊，井下微處理器的信號輸出端d1和d2分別與1#驅動器和2#驅動器的信號輸入端c連接，并進行雙向通訊。

220 VAC電源導線固定在地面二次儀表箱體上，并與地面電源分配器的電源輸入端a連接，地面電纜密封接頭固定在儀表箱體外壁上。地面電源分配器的電源輸出端b2、b3和b4分別與地面調制解調器、地面微處理器和觸摸屏的電源輸入端a連接，并向連接的電路提供相應電壓等級的直流電源；地面電源分配器的電源輸出端b1通過地面電纜密封接頭與多芯鋼絲電纜中的供電導線連接，并向井下環空管內部的井下電源分配器提供直流電源。地面微處理器的信號輸入端c與觸摸屏的信號輸出端d連接，并進行雙向通訊；地面微處理器的信號輸出端d與地面調制解調器的信號輸入端c連接，并進行雙向通訊。地面調制解調器的信號輸出端d通過地面電纜密封接頭與多芯鋼絲電纜中的通訊導線連接，并與井下環空管內部的井下調質解調器的信號輸入端c連接以進行雙向通訊。

圖1 變頻電磁防垢除垢儀組成結構示意圖

220 VAC交流電源經地面二次儀表中地面電源分配器整流、濾波、降壓、穩壓后，轉變為多組不同電壓等級的直流電源，不但直接給地面二次儀表內部各電路模塊供電，還通過多芯鋼絲電纜的供電導線給井下環空管供電。觸摸屏獲得操作人員設定的工作參數，如線圈的啟停、掃頻頻率、掃頻周期等數據，經地面微處理器計算、處理后，傳輸給地面調制解調器進行信號加載處理，通過通訊導線傳輸給井下環空管內部的井下調制解調器進行解調處理，并輸出給井下微處理器。井下微處理器根據接收到的指令信號產生兩組掃頻頻率、掃頻周期、電壓幅值、占空比等技術指標均滿足設定參數要求的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）方波信號，分別輸出至1#驅動器和2#驅動器進行功率放大，并分別在1#線圈和2#線圈中獨立產生一個交流變頻電磁場。同時，1#驅動器和2#驅動器分別將1#線圈和2#線圈當前的工作狀態、實際產生的PWM方波信號等關鍵數據傳輸給井下微處理器。經井下微處理器處理后的實時數據，依次通過井下調制解調器信號加載處理、通訊導線傳輸和地面調制解調器解調處理后，反饋給地面微處理器計算處理，并傳輸至觸摸屏進行顯示、記錄和報警。

2 室內試驗

根據設計方案研制三套變頻電磁防垢除垢儀，搭建室內試驗流程，探索最佳工藝參數，計算阻垢率。

2.1 試驗流程搭建

為了進行對比試驗，搭建了四套配置均一致的試驗流程，如圖2所示。每一套試驗流程主要由儲罐、離心泵、閥門、管路、加熱溫控器、測試短管等組成，與流體接觸部位均采用不銹鋼材質。儲罐容積為0.2 m3，罐外壁加保溫層，罐內設置電動攪拌器和加熱溫控器。管路采用不銹鋼材質，管徑為2”（英寸），設計流速為2.5 m/s。

圖2 試驗流程示意圖

2.2 試驗設備儀器與原料

試驗設備和儀器主要有變頻電磁防垢除垢儀、電熱鼓風干燥箱、電子天平（精度0.001 g）、測試短管、燒杯、掃描電子顯微鏡等。試驗原料為油井產出液，20℃時密度為0.948 g/cm3，含水率75%，其水相主要離子濃度如表1所示。

表1 試驗流體主要離子濃度

2.3 試驗方法

（1）試驗溫度控制

試驗過程中流體溫度控制在90℃，以模擬油井地層溫度。

（2）計算方法

通過電子天平測量清潔干燥狀態下測試短管試驗前后的重量差計算結垢量；通過不使用和使用電磁防垢除垢儀兩種情況下結垢量的差值，除以未使用電磁防垢除垢儀情況下的結垢量，計算阻垢率。

（3）最佳工藝參數測試

以阻垢率為指標，測試不同的輸出電流、掃頻頻率和線圈匝數對電磁防垢除垢效果的影響，并獲得最佳工藝參數。

（4）防垢除垢效果和阻垢率測試

在最佳工藝參數條件下連續運行20天，計算阻垢率。

（5）垢樣掃描電鏡圖像分析

采用掃描電子顯微鏡觀察不使用和使用電磁防垢除垢儀兩種情況下垢樣的結構圖像，分析垢樣外觀、結構的變化情況。

2.4 試驗數據分析

開展三批次試驗，分析不同運行電流、掃頻頻率和線圈匝數對結垢量和阻垢率的影響。每批次試驗連續運行時間均為3天，試驗數據如表2所示，可知，在運行電流3 A、掃頻頻率160～240 kHz、線圈匝數30匝的最佳工藝參數和試驗連續運行3天的條件下，電磁防垢除垢儀的阻垢率可達到15.57%。

在最佳工藝參數條件下，試驗連續運行20天，未使用和使用電磁防垢除垢儀的2組試驗流程的結垢量分別為24.63 g和2.42 g，電磁防垢除垢儀的阻垢率可達到90.17%。

2.5 掃描電鏡圖像分析

分別對未使用和使用電磁防垢除垢儀的流程管道內壁的垢樣取樣，進行掃描電鏡處理，掃描倍數為1 000和10 000，垢樣如圖3所示，可知，未使用電磁防垢除垢儀處理的垢樣整體不規則、呈球狀，表面凹凸不平，結構致密緊湊；使用電磁防垢除垢儀處理的垢樣整體規則、呈長條狀，表面比較平滑，結構稀疏松散。

表2 不同運行電流、掃頻頻率和線圈匝數對結垢量和阻垢率的影響

1#為未使用電磁防垢除垢儀。

圖3 未使用和使用電磁防垢除垢儀的垢樣掃描電鏡圖像

3 現場應用

在渤海油田B26井現場實施作業過程中，變頻電磁防垢除垢儀的井下環空管通過螺紋連接的方式安裝在生產油管串下部的帶孔管段與定位密封接頭之間，多芯鋼絲電纜井下端固定連接在井下環空管上密封環上端面的井下電纜密封接頭處。井下環空管及多芯鋼絲電纜與生產油管串連接、固定后，隨生產油管串、潛油電泵機組及鎧裝電纜等按常規的下井作業流程下入油井套管內。多芯鋼絲電纜的地面端，依次穿過電纜封隔器和地面井口裝置，與地面二次儀表的地面電纜密封接頭固定連接。現場安裝流程如圖4所示。

在油井生產過程中，油井產出液經過生產滑套沿著生產油管串進入井下環空管，經井下環空管產生的變頻電磁場處理后，從帶孔管段流出，進入分層封隔器上部油層，在潛油電泵機組作用下，沿生產油管串被舉升至地面井口裝置。經變頻電磁場處理的油井產出液，電磁場作用時效可在2 h以上。因此，油井產出液在經過潛油電泵機組及生產油管串被舉升至地面井口裝置的過程中，能對潛油電泵機組、生產油管串及地面井口裝置起到防垢除垢的作用。

圖4 變頻電磁防垢除垢儀現場安裝示意圖

自變頻電磁防垢除垢儀投運以來，在未使用化學防垢劑和除垢劑的條件下，該井潛油電泵機組已連續運行超過500天，比歷史平均運行時間提高了30%以上。同時，通過定期檢測該井產出液組分和成垢元素含量可知，鈣、鎂、鋇和鍶等元素的含量與投運時的數值相比均提高了18%以上。由此可知，潛油電泵機組、生產油管串及地面井口裝置等與油井產出液接觸的部位結垢量和結垢速率明顯下降。

4 結論

（1）基于活性極化理論、氫鍵彎曲理論和變頻共振理論研制的油田潛油電泵機組變頻電磁防垢除垢儀，經室內試驗驗證可知，在運行電流3 A、掃頻頻率160～240 kHz、線圈匝數30匝的最佳工藝參數條件下，試驗連續運行20天，對碳酸鈣（鎂鋇）垢和硫酸鈣（鎂鋇）垢的阻垢率可達90.17%。

（2）通過室內試驗垢樣掃描電鏡分析可知，未使用電磁防垢除垢儀處理的垢樣整體不規則、呈球狀，表面凹凸不平，結構致密緊湊；使用電磁防垢除垢儀處理的垢樣整體規則、呈長條狀，表面比較平滑，結構稀疏松散。

（3）采用多芯鋼絲電纜供電與通訊，不影響潛油電泵機組正常工作；兩組線圈獨立工作，產生同一掃頻頻率、掃頻周期的復合變頻電磁場，強化了防垢除垢處理效果，特別有利于去除常規方法難以防治的鋇鍶垢。

（4）自油田現場投運以來，在未使用化學防垢劑和除垢劑的條件下，該井結垢量和結垢速率明顯下降，潛油電泵機組連續運行時間提高了30%以上，有效實現了防垢除垢、延長機組運行時間、降低油田生產成本的目的。

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Development and Test of Frequency Conversion Electromagnetic Anti-Scaling and Descaling Instrument for Electric Submersible Pump Unit

BAI Jun，LI Yunfeng，ZOU Wanqin，XIE Xiang’en，WANG Xiaofei

( CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China )

In the production process of electric submersible pump units in oilfields, scaling often results in blockage of impeller passage and decrease of pump efficiency and fluid production in oil-wells. In this paper, based on the analysis of mechanism of anti-scaling and descaling by frequency conversion electromagnetic field, we develop a kind of frequency conversion electromagnetic anti-scaling and descaling instrument suitable for electric submersible pump units in oilfield. Under the optimum technological parameters of operation current 3 A, sweeping frequency 160~240 kHz and coil 30 turns, the inhibition rate of calcium (magnesia)carbonate scale and calcium(magnesia-barium) sulfate scale reaches 90.17% after 20 days' continuous test in laboratory. The oilfield application shows that the scaling amount and rate decreases significantly and the continuous operation time of the unit increases by more than 30% without chemical scale remover. The purposes of anti-scaling and descaling, prolonging the operation time of the unit and reducing the production cost of the oilfield are effectively achieved.

electric submersible pump；frequency conversion；electromagnetic；anti-scaling and descaling

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.008

1006－0316 (2020) 09－0050－06

2020－01－06

公司級科研項目《電磁防垢除垢裝置樣機開發與試驗》（GCJSXMHT-1719）

白俊（1981－），男，四川遂寧人，高級工程師，主要從事化學驅提高油田采收率、油氣水處理等技術研究和現場應用工作，E-mail：baijun2@cnooc.com.cn。