油井電磁防蠟在線裝置研究應用

高寶元,鄭維師,范輝,牛永博,李欣,張仲寅

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院,陜西 西安 710018;2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室,陜西 西安 710018;3. 中國石油長慶油田分公司 第三采油廠桐寨作業區,陜西 吳起 717064;4. 中國石油長慶油田分公司 長北作業分公司,陜西 西安 710018)

油井結蠟是影響油井高產穩產的突出問題之一,會加大油井懸點載荷,增加系統能耗,降低泵效,影響油井產量,甚至直接堵死油管,造成油井停產。油井防蠟是降低油井懸點載荷,節能降耗、延長油井免修期的重要維護措施,因此迫切需要一種長效的防蠟技術,防止油井結蠟,減小管桿摩擦力、懸點載荷和負載電流[1]。目前油井防蠟的技術比較多,主要有熱洗清蠟、化學防蠟和強磁防蠟等。熱洗清蠟有效期短,容易污染油層,熱洗后排液影響油井產量,熱洗頻繁工作量大,增加了運行成本?；瘜W防蠟對加藥方法要求較高,若藥劑在產出液中含量不均勻,易造成現場實施效果不理想甚至無效;要求操作人員定時定量加藥。但清蠟劑多數含有機氯,在原油煉制過程中易造成設備腐蝕和催化劑中毒。清蠟劑屬于有毒有害物質,閃點低,易燃,不安全且易造成環境污染。強磁防蠟經過一段時間后,永磁材料容易出現減弱或粉化,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、高效率的長效性防蠟裝置,利用高性能變頻共振電磁轉換器產生變頻強電磁場,引起蠟分子的內共振,導致蠟晶結構與形狀發生變化,抑制了蠟分子的結晶過程,同時對已形成的蠟晶產生一定的破碎作用,從而達到防蠟的目的[3]。

1 電磁防蠟在線裝置簡介

1.1 油井電磁防蠟原理

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

圖1 油井電磁防蠟系統示意

電磁防蠟在線裝置利用高性能變頻共振電磁轉換器,產生強磁場,其強大的電磁能量可極化前后碳鋼管線,并借助油管及管內介質的導磁性質,沿油管兩級方向,在油管內部形成一個可以覆蓋任何流體成分的強磁場,從而使上游和下游油管中的含油介質均受到磁場影響。同時,電磁防蠟在線裝置的激勵波發生器利用先進的變頻電子技術,控制磁場的頻率、脈寬和強度按某一規律進行周期性變化。磁場變化的頻率可以覆蓋介質中所有蠟質及其他成分的自然頻率,原油中的蠟分子與交變電磁場產生的感應共振,導致蠟分子振動頻率的增強,分子之間的相互作用力減弱,進而使蠟質的聚集狀態改變,所結成的晶體破碎而彌散,最終達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成

以電磁理論為基礎,結合電磁技術和變頻技術,開發了一種具有突破性的油井防蠟新產品—油井電磁防蠟在線裝置。

該防蠟在線裝置由高性能電磁轉換器和控制系統組成。高性能電磁轉換器的結構如圖2所示,在輸油管的外壁均勻繞有電磁線圈,電磁線圈的外側設有護套層,電磁線圈與護套層之間有填充料,電磁線圈的一端連接有接線端子,接線端子與護套層的外側整體套裝了外殼。護套層是由耐溫絕緣材料構成,填充料是由絕緣材料澆鑄而成,用于避免現場工作時雨水漏入其中。法蘭盤用于實現與原有地面輸油管線或井口管線連接[5]。

圖2 高性能電磁轉換器的結構示意

控制系統由主電路單元、單片機控制單元、報警保護單元、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行濾波,逆變器由功率模塊(IPM)構成,輸出相應頻率和寬度的方波電壓,將該電壓施加于電感線圈負載,產生變化的電流和磁場強度;單片機控制單元通過軟件控制產生脈沖寬度調制信號作為逆變器的輸入信號,同時接收IPM的短路、過流、過壓、欠壓、過熱等信號,單片機控制單元發出中斷信號,使逆變器停止工作。報警保護單元發出IPM的短路、過流、過壓、欠壓、過熱等信號,并傳遞給單片機控制單元;接口單元主要由參數顯示和鍵盤輸入部分組成,而參數顯示可以動態地顯示整個電磁防蠟器及其控制系統的工作情況;直流電源主要用于為該控制系統供電[6]。

圖3 油井電磁防蠟在線裝置控制系統架構示意

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,同時又作用于地面流程,電磁轉換器的磁場可以在油管線內向遠處延伸,電磁場作用于原油后,可改變分子排列結構,使雜亂的蠟分子團變成極化的穩定分子鏈,使蠟分子電中性化,失去脫離溶液而析出的能力,從而達到防蠟的目的。分子之間的相互作用力減弱,進而導致蠟質的聚集狀態改變,所結成的晶體破碎同時磁場會降低原油溶液的黏度,增強流動性,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,功耗為0～600 W,溫度監測范圍為0～100 ℃,壓力監測范圍為0～20 MPa,流量監測范圍為0～2 m3/h,使用環境為-30～50 ℃,連接方式采用法蘭連接,電磁轉換器尺寸為(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,開總電源開關,關閉油井閥門,排空油水氣等介質后,方可施工。安裝順序為首先將原管線切斷再焊接卡箍,然后安裝該防蠟在線裝置,最后調整緊固螺絲[8]。

2)啟動。當該裝置安裝完成后,按送電操作規程要求確認安全后,將主電源空氣開關合閘;觀察該在線裝置上的儀表、信號燈以及裝置內是否正常,有無異常動作;該裝置啟動工作后,給油井電磁轉換器電感線圈提供變頻電壓,電感線圈開始工作,電磁轉換器將電能變換成變化的電磁場,電磁場可以在管線內向遠處延伸,電磁場作用于原油后,可改變分子排列結構,使雜亂的分子團變成極化的穩定分子鏈,使蠟分子電中性化,使它失去脫離溶液而析出的能力,從而達到防蠟的目的。同時磁場會降低原油溶液的黏度,增強流動性,有利于管線輸送[9]。

3)數據獲取。該裝置開始工作后,數字化監控室通過該裝置上的現場數字化遠程控制終端端口實現遠程監控功能,并配備現場實時井口壓力、溫度和流量檢測功能,實現無人值守[10]。

4)工作停止。當油井電磁防蠟在線裝置出現故障后或不需要加熱時,就地或數字化遠程可以停止工作。

3 現場應用

該裝置2022年在長慶油田某采油作業區8口油井進行了現場應用,防蠟效果明顯。替代了頻繁熱洗、投加清蠟劑等技術,經濟效益顯著,油井懸點載荷平均下降了14.9%,系統效率年平均提高了5.6%,負載電流平均下降了17.83%,平均有功節電率為19.8%,平均無功節電率為12.7%,平均綜合節電率為18.7%,平均日節約電為22.8 kW·h。另外,水驅油井熱洗周期大幅度延長,油井平均熱水洗井周期由原來30 d延長到了180 d;平均加藥時間周期由原來7 d延長到了150 d。該裝置的應用對提高油田經濟效益具有積極作用,同時能在線監測井口原油的溫度、壓力和流量,實現數字化遠程監控[11]。

4 結束語

采用該裝置與常用防蠟技術相比,具有以下優點:

1)維護率低。該裝置與化學清防蠟相比,維護工作量小,不受雨雪天氣等惡劣環境的影響,同時也不受道路、機械故障的影響,解決了路途遠和路況差,油井的加藥和熱洗作業難的問題。

2)沒有副作用。從井口加入化學清蠟劑會殘留在原油中,同時對環境有污染。而采用該裝置沒有副作用,防蠟效率高,具有作用時間長、使用方便、功率小、節能環保、安全可靠等特點。省去或減少阻垢劑、緩蝕劑等化學藥品的使用,也減少了人工成本,應用前景十分廣闊[12]。

3)效率高。采用該裝置后,減少了抽油機負載電流、有功功率和無功功率,降低了電網損耗和電費支出[13]。