变频电磁防垢技术研究与应用

2020-08-27罗庆梅王军星鄢长颉张军斌王智勇张振海

钻采工艺 2020年3期

罗庆梅, 王军星, 鄢长颉, 张军斌, 王智勇, 潘昊, 张波, 钟英, 李丹, 张振海

(1长庆油田采油一厂 2山东广聚德机电设备制造有限公司)

一、变频电磁防垢的机理

1.极性活化理论

水分子是一种极性分子，在它受到变频电磁场的作用时，电磁力对其反复作用而极化，使得水分子震动、变形，当达到共振的频率，震动幅度加大，在这种大振幅的作用下，大团的水分子(H2O)n将会被分离成单个水分子和双水分子(H2O)2。单个分子的增加改善了水的运动型，使CaCO3晶体析出的时间延后，不易形成坚硬的水垢。

通常情况下，Ca2+、Mg2+、Ba2+多以离子形式存在于水中。在变频电磁场电磁力的作用下，这些离子中的电子围绕着原子核，分布于不同的能级阶层中，电磁力作用于不同能级结构的电子，使其电子从一个能级跃变到另一个能级，从而改变其晶体结构；由于晶体结构的改变，晶粒间结合力消解、分散，Ca2+、Mg2+、Ba2+等离子悬浮于水溶液中而不会形成水垢，在电磁场作用下，即使有少量水垢生成，也不会是坚实致密的长方石结晶形态的水垢，而是质地松软、附着力较弱且轻易可除去的文石垢[3]。

2.变频共振理论

大千世界中的所有物质，均在进行着不同的运动；当两种不同的物质相互作用，频率相同时，就会发生共振现象。变频电磁场作用于含有不同离子浓度的水时，可以引发水分子的共振，使水分子团变成单个极性水分子，增加水的活性和溶解度，水分子可以疏松、渗透、溶解垢。同时，水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等离子的运动频率与变频电磁场的频率相吻合时，就会产生同频共振现象，离子的震动幅度增大，当振幅达到一定程度，大团的离子团被震散，减少垢的形成。

不同条件下水的温度、硬度、黏度、pH值等不同，其物质运动的频率就不同，所以其共振频率也不可能相同[4-5]。因此，采用变频电磁技术能够使不同水质条件下的水分子或垢离子产生共振，从而达到防垢的效果。

二、变频电磁防垢室内试验

1.试验流程装置

变频电磁防垢试验流程由变频器、水泵、变频电磁激励电源、激励线圈、恒温水浴、实验挂片、水箱、管线等组成，其示意图如图1。

图1 变频防垢室内试验流程

2.室内试验效果

根据采集的油田结垢区块水的物性在实验室配置相应浓度矿化度的水，模拟油井内的温度工况，在矿化度为15 000～65 000 mg/L等不同的条件下，分批次进行了室内挂片防垢实验，计算其阻垢率。

根据油井现场水溶液的矿化度，进行了室内试验，根据数据对比，设计考虑设备通用性原则等因素，选用线圈段数4段、各段间距50 mm、匝数50×4、扫频范围80～20 kHz、信号幅度9.5 Vpp等参数，阻垢效果比较好(见表1)。

表1 挂片室内试验阻垢率

3.电磁防垢装置的研发

按照试验最优参数，研制电磁防垢装置，装置主体由连接接箍、中心管、电磁转换部分、电缆插头、电缆及控制柜等组成，见图2。

图2 装置结构组成图

三、电磁防垢现场试验及效果评价

1.现场安装情况

变频电磁防垢装置安装于井组汇管流程上，通过管线将电磁场传递到井筒和地面管线，实现对井下油管及地面管线的防垢，见图3。

图3 变频电磁防垢装置现场安装图

2.现场安装井组情况

该技术在室内试验取得效果的基础上，在吴堡作业区山101扩、午371-97、山026-43扩结垢严重的三个井组进行了防治结垢技术的现场试验，试验情况见表2。

表2 现场试验井组情况

3.试验效果评价

在三个井组安装电磁防垢装置后，选取其中检泵的8口井评价其防垢效果，油井的生产动态平稳，井组回压由平均1.1 MPa下降到目前的平均0.7 MPa，结垢速度由0.3 mm/月减少到0.13 mm/月，油井热洗周期有所延长，检泵周期延长167 d，防垢效果比较明显，实现了地面管线与井筒防垢一体化，减少了油田运行成本，提高了油田生产经济效益,见表3。

表3 现场试验效果对比表

吴堡作业区午371-97井组的山016-391井，生产层位为长4+5,日产液4.23 m3,含水75.2%,矿化度65 000 mg/L。由于矿化度高，导致油井结垢，井口以下211～236根管柱结垢严重，油井生产6个月左右，因结垢进行修井作业，起出管柱后，发现抽油泵泵阀处因结垢堵死油流通道，油井不能正常生产；从油井作业起出的油井管柱可知，实施变频电磁防垢措施前，油井管柱因为结垢，表面为白色，刮一下管柱，有大片的垢片脱落。

根据油井因结垢导致运行时间短的实际生产状况，对此井实施了变频电磁防垢措施。实施变频电磁防垢技术后，修井提出抽油杆观察，结垢情况明显减少，油井正常运行时间由6个月提高到15个月，效率提高了1.5倍。